岩溶强发育区盾构隧道施工技术研究*

崔 明，于洪彪，王 超，石红伟

(1.中交一公局集团有限公司，北京 100024；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

我国岩溶地质面积排名世界第一，随着轨道交通工程的迅猛发展，盾构隧道建设中频繁遇到岩溶地层，众多学者对岩溶区盾构施工进行了研究。周华贵等[1]对大连地铁5号线海底隧道岩溶勘察、隧道设计、盾构机适应性进行了阐述，确定了海域岩溶盾构隧道的勘察方法、点位布置、加固范围和检验标准，提出了“以洞外处理为主，洞内处理为辅”的原则。舒恒等[2]依托武汉超大直径盾构项目，综合考虑围岩等级、溶洞尺寸和填充情况等因素，通过数值计算得到了最小安全距离分段计算准则和加固范围。张政[3]分析计算溶洞对隧道安全性的影响，提出了针对不同溶洞大小、方位和填充情况的处置措施。徐冠玉等[4]总结了广州岩溶强发育地区大型工程溶(土)洞处理措施。鲁文博等[5]针对水下盾构隧道溶洞处理，制作了钢围堰作业平台，并明确了注浆加固的检测标准。Cui 等[6]针对岩溶区盾构施工提出了系统的溶洞处理方法，并总结了盾构穿越后地表和建筑物沉降规律。Wang等[7]通过室内试验和数值计算，研究了上覆砂层溶洞诱发坍塌机制。Tao等[8]针对岩溶区盾构下穿火车站工况，提出了超级管棚支护、围岩加固、仰拱灌浆和衬砌加固等措施，通过数值分析和后期监测验证了措施的有效性。Yang等[9]依托水下盾构隧道工程，研发了新型注浆材料并提出了有效的注浆方法。叶忠[10]系统分析了串联式、并联式采石箱的特点，详细研究了格式滚筒式和重力自落式采石箱在泥浆环流系统的优势，以解决全断面卵石滞排问题。贺开伟等[11]更进一步，分析了双模盾构模式对砂卵石地层的适应能力，介绍了将螺旋输送机连接到泥浆环流系统中出渣排浆情况。

相关研究多集中在溶洞方位、直径等几何空间特征对隧道稳定的影响，溶洞强发育区处置措施和注浆参数不够清晰，而溶洞勘察注浆量计算过程和方法尚不明确。在砂卵石地层，泥水盾构设备选型和泥水环流系统研究有一定进展。但在岩溶及破碎带地层设备适应性研究和应用尚存在局限。本研究依托广州地铁12号线棠溪站—南航新村站区间工程，系统总结强岩溶区勘察、处理措施，通过数值模拟分析岩溶处置范围，提出双模盾构设计以及泥水环流系统的改进措施，以提升岩溶强发育区盾构隧道的建设水平。

1 工程概况

广州地铁12号线棠溪站—南航新村站区间左线长688.67m，右线长688.625m，盾构始发位于大浦南路，周边建筑物密集，区间下穿嘉悦物业厂房、大浦南路临街厂房、南航新村停车楼、大直径污水管等。盾构区间地质剖面如图1所示，线路为V字坡，最大坡度25.0‰，隧道顶板埋深18.36～26.61m。盾构区间地质占比如图2所示。地下水主要为基岩裂隙水，稳定水位埋深为1.30～9.50m，溶洞见洞率75.2%，溶洞高0.2～6.5m，区间存在断裂带、粉质黏土层和砂层，盾构姿态容易失控、栽头，掌子面压力难以控制，可能造成地表坍塌和建筑物倾斜等灾害。

图1 盾构隧道区间地质剖面Fig.1 Geological profile of the tunnel line

图2 盾构区间地质占比分析Fig.2 Geological proportion of shield tunnel face

2 溶洞勘测和处理

2.1 溶洞探边

溶洞勘测和处理分阶段进行，详勘阶段钻孔间距平均12m，补勘阶段间距5m。在详勘和补勘的基础上，先进行溶(土)洞平面范围试探测，以揭出溶(土)洞钻孔点为中心，向四周布置2m×2m的探边孔(见图3)。探边孔同时作为注浆孔和排气孔，排气孔每洞至少1个，超过4m间距时增加排气孔。直至钻孔无揭露岩溶时，单个溶(土)洞探边结束。棠南区间存在大量串珠型溶洞，由溶洞探边钻孔芯样可知，该钻孔处存在3个溶洞，如图4所示。

图3 岩溶隧道加密探孔示意Fig.3 Schematic diagram of dense exploratory holes in karst tunnel

图4 溶洞探边钻孔芯样Fig.4 Core sample of exploring borehole for karst cave

2.2 溶洞空间形态测绘

在现场探边钻芯取样的基础上，绘制溶洞形态包络图，经过业主、设计、监理、施工方确认后，计算出理论注浆量。以D33号溶洞为例，介绍溶洞包络图绘制和注浆量计算，通过溶洞的平面图、剖面图以及三维BIM图，可以直观了解溶洞的大小和形态及与隧道的相对位置(见图5～7)。

图5 D33号溶洞包络图Fig.5 Envelope diagram of the D33 karst cave

图6 D33 探孔中溶槽溶洞位置Fig.6 Location of karst cave

图7 探孔溶槽溶洞和隧道的位置关系Fig.7 Location relationship between karst cave and tunnel

D33号溶洞处理总量为753.16m3。通过理论计算和现场注浆量的校核分析，岩溶强发育区地层注浆扩散系数为2，充填系数为0.8。

2.3 溶(土)洞处置范围确定

采用MIDAS/GTS NX有限元软件，建立二维有限元模型，模型中根据隧道实际埋深20m，盾构管片外径为6.4m，厚度为0.3m，环宽1.5m。按照5倍以上洞径影响区建立多工况有限元模型，如图8～10所示，通过成型隧道的变形、受力和围岩塑性区发育情况，分析溶(土)洞的理论处理范围。

图8 二维有限元模型Fig.8 Two dimensional finite element model

图9 围岩塑性区发展情况Fig.9 Development of surrounding rock plastic zone

图10 隧道管片轴向应力Fig.10 Axial stress distribution of segment structure

通过数值计算和该地层的工程建设经验，溶(土)洞处理范围：盾构区间揭露的影响范围内的土洞必须严格处理；隧道结构外3m范围以内，地表到隧底之间的溶洞均需处置；隧底位置为灰岩地层时，3m范围以内溶洞均需处理，以保证盾构区间施工期和运营期的安全。

2.4 溶洞处理工艺流程

根据注浆浆液性质不同，分为水泥砂浆、水泥浆和双液浆施工工艺，在正式注浆施工之前，进行材料进场检验和注浆工艺性试验，取得合适的注浆参数后再进行大范围注浆施工。根据溶(土)洞位置、大小及填充情况，采取不同注浆措施和配合比。现场溶(土)洞处理流程和注浆参数如图11和表1所示。

图11 现场溶(土)洞处理流程Fig.11 Karst (soil) cave treatment process on site

表1 溶(土)洞处理注浆参数Table 1 Grouting parameters for karst (soil) cave treatment

2.5 注浆顺序

原则上单个溶(土)洞范围内所有钻孔完成并查明溶(土)洞大小后，再进行压浆处理，但对于岩面上覆砂层或溶洞洞径大的情况，应边探边注浆以防止地表坍塌，如图12所示。每个钻孔完成后，根据溶(土)洞大小选取相应型号灌浆管，灌浆顺序为从外至内，先用双液浆作止浆墙加固范围线，再逐步加密灌浆孔，周边孔与中央孔可交替注浆。

图12 溶(土)洞分块注浆Fig.12 Stage grouting of karst (soil) cave

2.6 注浆质量检验

溶(土)洞注浆质量检验以检测注浆体的固结状态和强度为主。注浆质量检测标准：要求取芯完整，标贯击数应≥10击，抽检1%孔数，且≥3点，每个溶(土)洞≥1次，无侧限抗压强度≥0.2MPa。经检测，现场取芯完整，实测标贯击数为15～20击。

在盾构掘进穿越岩溶地层时，切口压力稳定，泥浆池液位与非溶洞区变化规律一致，渣土中的注浆水泥块等也进一步验证了溶洞处理效果。统计了450～452环上土仓压力的波动情况，3环土压基本在0.252～0.268MPa，土仓压力波动在0.015MPa以内，如图13所示。

图13 土仓压力的分布特征Fig.13 Distribution characteristics of soil pressure

3 盾构机适应性设计

区间隧道采用2台开挖直径为6 700mm的土压/泥水双模盾构机进行双线施工。

3.1 螺旋输送机串联到环流系统

为了解决破碎带、强风化带、上软下硬地层普遍存在的滞排问题，泥水模式下将螺旋输送机通过法兰连接到土仓底部，以解决渣石滞排问题。同时配备辊筒式破碎机，安装于螺旋输送机出土口，频率为20次/min，用于将大颗粒块石破碎，防止泥浆箱与排浆泵堵塞，提升整个泥水环流系统的出渣能力，如图14所示。统计左线480环土仓和螺旋输送机压力的波动情况，螺旋输送机压力和土仓上、中、下3个位置压力趋势一致，螺旋输送机压力与下土仓位置的压力差控制在0.02MPa以内(见图15)。

图14 串联螺旋输送机的泥水盾构机Fig.14 Slurry shield machine with series screw conveyor

图15 泥水仓和螺旋输送机压力变化趋势Fig.15 Pressure of slurry chamber and screw conveyor

3.2 复合刀盘及镶齿滚刀的选择

区间主要穿越中、微风化灰岩，刀盘开口率35%，采用辐条+面板形式，装配刀配镶齿型滚刀，提高刀具承载能力如图16所示。通过转换座可以实现刀具种类间的互换，需要时可更换为重型撕裂刀等，同时满足17英寸和18英寸刀具互换(1英寸≈2.54cm)，以适应不同地层掘进需要。滚刀高175mm，刮刀高135mm，刀高差40mm，推力和扭矩随着地层差异基本同步变化，平均值分别为15 864kN和1 136kN·m，贯入度控制在4～10mm，如图17所示。推进过程中遵循大推力、小贯入度和小扭矩的原则。通过刀盘设计、刀具选择及掘进参数控制等综合措施，换刀距离可以达到200m以上。

图16 刀盘结构和镶齿滚刀Fig.16 Cutter head structure and hobs

图17 盾构推力和扭矩变化趋势Fig.17 Variation trend of shield thrust and torque

3.3 超前探测和注浆钻机配置

盾体设计时配置超前钻机，并在外周方向预留了6个超前注浆孔。掘进时遇到溶洞、土洞可连接超前注浆系统对其进行填充，加固前方土体。现场因区间岩溶处理效果良好，在施工过程中基本未使用超前钻机。

4 结语

基于广州地铁棠南区间隧道岩溶发育、存在多处断裂带和黏土层，周边建筑物林立、城市环境复杂，通过溶(土)洞的处理和盾构机创新性设计提升了区间隧道的施工水平。

1)详勘阶段钻孔间距平均12m，补勘阶段间距5m，溶洞处理阶段采用2m×2m探边钻孔，有效提升溶洞处理质量，降低不确定性，以保证盾构隧道施工期和运营期的安全。

2)总结了溶(土)洞注浆量计算方法，以实例解释了见洞面积、平均洞高、浆液扩散系数和注浆填充系数取值和计算方法。建议溶洞强发育区地层注浆扩散系数取2，充填系数取0.8。

3)现场经验结合数值模拟，分析了溶(土)洞的处理范围。隧道影响范围内的土洞必须处理，3m范围内的溶洞根据溶洞直径和填充情况，进行水泥砂浆或水泥浆加固，当溶洞范围超出隧道影响范围时，采用双液浆做止浆墙。给出了注浆配比，现场注浆取芯完整、实测标贯击数为15～20击，固结状态和强度满足要求。

4)针对在灰岩地层溶洞发育、存在断裂带、地下水丰富等水文地质特点，采用了泥水/土压平衡盾构双模设计，并将螺旋输送机和辊筒式破碎机串联到泥水环流系统中，解决了渣土滞排问题，保证了土仓压力的稳定。