喀斯特地貌中盾构施工岩溶处理及风险管控研究

喀斯特地貌中盾构施工岩溶处理及风险管控研究

万海亮

中铁七局集团第三工程有限公司 陕西西安 710032

摘要：贵阳作为典型的喀斯特地貌，岩面起伏变化大，岩溶极为发育；表面的岩溶形态主要有容沟、溶槽、鹰觜岩、石芽和陡坎等；具有复杂性,不可预见性和危险性等特征。岩溶地区盾构施工容易发生地表塌陷和盾构机“栽头”现象，处理不当会给盾构施工带来极大的安全风险和经济损失，因此就要重视盾构通过前的岩溶超前探测及处理工作。本文结合贵阳轨道交通3号线贵医站～大营坡站区间工程实例，阐述了岩溶地区盾构施工针对前方岩溶的探测及超前处理，尤其是洞内超前钻注处理方法；另外探讨了典型岩溶地层沉降控制与喷涌防治方法，为盾构长距离下穿施工中探测、处理前方岩溶及重大风险管控提出有效的解决措施及建议。

关键词：岩溶地层；超前处理；风险管控

一、工程概况

贵医站～大营坡站区间线路出贵医站后沿北京路、大营路、新添大道走行，侧穿贵乌中路高架桥桩基、宝山北路高架桥桩基、人行天桥桩基及大量1～9层建筑物，下穿宝山北路过街地道、亚华小区、农资公司宿舍楼、沙河大沟、茶店大沟、大营坡批发市场及F7、F8断层破碎带等重要风险源，最后进入大营坡站。区间左线长1429.870m，右线长1444.411mm，线间距为14m〜17m，隧顶埋深约10.3m〜39.3m，整个线形为S型，最小曲线半径为R=350m，纵向最大坡度为27.466‰的上坡。区间断面均为标准断面，双洞单线隧道，无停车线、渡线；采用盾构法施工，共设置2座联络通道。

二、地质水文

2.1工程地质

根据详勘报告，本区间隧道覆盖层主要为第四系杂填土层、红粘土，下伏基岩为三叠系大冶组（T/1d）石灰岩，三叠系安顺组（T/1a）白云岩及二叠系长兴组（P/2c）石灰岩。隧道穿越地层主要为中风化灰岩，小里程穿越少量中风化白云岩。

2.2水文地质

区间线路范围内地下水类型分为上层滞水和潜水。区间下穿大营坡批发市场段地下稳定水位埋深约3.7～6.2m，位于隧道拱顶以上9.6m～11.7m。

拟建工程区水文地质条件较复杂，地层赋水性差异较大，岩溶地区地下水受构造节理裂隙、岩溶洞（隙）及管道控制，分布不均匀，规律性差的特点，对区间隧道的开挖影响较大。

2.3不良地质

根据详勘报告，拟建线路范围内不良地质主要有:岩溶、穿越断层。

1）区间范围地层褶皱强烈，断裂复杂，古岩溶地貌面起伏平缓，岩溶地质条件甚为复杂。拟建场区范围内白云岩、灰岩广泛分布，现状地表为植被及既有路面及建（构）筑物，地表岩溶形态主要表现为岩层表面发育溶孔、溶隙、溶洞。地下岩溶形态主要以溶洞、溶沟（槽）、溶蚀裂隙为主，岩体内主要为溶孔、垂直溶洞（隙）、溶蚀破碎带，发育形态呈单个状或岩溶管道。溶洞被粘土或角砾充填，呈全或半充填状态，局部为空洞。本区间勘察取孔58处，经钻探揭露，遇溶洞（隙）钻孔17个，遇溶洞率29.3%，为岩溶强发育区。

2）区间穿越F7及F8两条断层，断层两侧岩体很破碎，岩溶较发育，均具有富水性。

图1 贵大区间地质纵断面图（局部）

三、工法比选研究

贵大区间初步设计采用矿山法施工。鉴于区间下穿宝山北路过街地道、亚华小区、农资公司宿舍楼、沙河大沟、茶店大沟、大营坡批发市场及F7、F8断层破碎带等多处风险源，且岩溶强发育，施工安全风险极高，节点工期无保证。在施工单位不懈努力及各方的全力支持、配合下，最终完成了贵大区间工法变更。对于矿山法、盾构法两种工法应对岩溶强发育地质及大量风险源沉降控制做了大量研究工作。

（1）盾构机针对区间岩溶处理更灵活：根据以往类似地层盾构掘进实践，区间岩溶地质可提前通过地面补勘和地面注浆进行处理；另外在盾构机生产或改造时可进行针对性设计，在盾构机前方加设HSP超前地质探测设备和超前注浆系统，可从洞内再次对岩溶进行探测和预处理，通过上述两步盾构法施工能完全规避岩溶风险。

（2）盾构下穿断层破碎带措施相对较多，安全有保证：F7、F8断层两侧岩体很破碎，岩溶较发育，均具有富水性。下穿前对盾构机进行全面检修，重点对刀具、盾尾刷进行检查、更换；掘进期间通过控制螺旋前端闸门开口率可有效防止喷涌情况发生；另外通过管片背后止水环及盾尾刷能有效防止地层水进入土仓及作业区。多项措施完全可以保证盾构安全下穿断层破碎带。

（3）提高刀具耐磨能力，控制换刀风险：选用由超硬耐磨合金制成的刀具，可有效提高盾构刀具和刀盘的破岩及耐磨损能力，在一定程度上减少刀具更换频次。另外根据试验段换刀实践，换刀位置尽可能避开断裂破碎带、重要建构筑物等危险源，全断面岩层换刀风险可以有效控制。

（4）盾构法施工在安全质量风险控制，周边环境保护、减少扰民等方面更具优越性。

（5）采用盾构法施工对工作环境有很大改善：本区间隧道穿越地层主要为灰岩、白云岩层，若采用矿山法施工，爆破和冷开挖为主要开挖手段，均会产生大量粉尘污染，严重危害洞内作业人员身体健康。而盾构法施工因其机械化较高，大大减少了作业人员的投入；且渣土由开挖面进入土仓，再由螺旋输送机排出，大大减少了粉尘污染，改善了作业环境。

四、盾构法岩溶补勘及处理原则

（1）采用先探查，后处理，再通过的原则。

（2）岩溶探查：优先地面探测、处理，洞内辅以HSP、超前钻等地质预报及超前注浆处理。

（3）处理范围：位于隧道结构外侧5m范围内的溶洞全部处理；

五、一般区段岩溶补勘处理

5.1岩溶补勘方法比选

贵大区间岩溶补勘前，对国内当前常用补勘手段进行了对比分析，具体情况如下；贵大区间岩溶补勘首先采用微动进行探测，异常区域采用钻探进行验证，对建构筑物影响的区域通过跨孔CT、管波进行探测。若个别区域仍无法实施的，后续通过洞内HSP进行超前探测。

表1 常见岩溶补勘方法对比表

5.2一般地段补勘

地面补勘较准确的查明岩溶空间发育分布情况，提供丰富的地质信息，为施工单位岩溶注浆治理加固工作提供依据，可极大的减少岩溶不良地质给盾构施工及后期运营工作带来的巨大潜在风险。地面一般地段补勘采用综合物探手段进行浅-中-深精细化勘察，浅部采用地质雷达方法，中深部以孔中物探为主（跨孔CT与管波方法），复杂地质条件及复杂环境条件时采用微动新技术进行加密探测。具体如下：

1）浅层地质雷达探查

地质雷达测线沿隧道结构轮廓线外3m范围内布设，测线间距3m，共计布设9条测线，在地质雷达成果圈定的不良地质体处进行钻探验证。

2）深埋岩溶探查

跨孔CT钻孔沿隧道左右中线布设，尽量与详勘钻孔交叉布置，一般钻孔间距20m，沿中线方向进行孔间物探详查，跨孔弹性波CT观测系统，每个钻孔内均进行管波探测。

对于跨孔CT圈定的大规模溶洞采用钻孔探边或加密跨孔CT的方式对岩溶的发育范围及规模进行探查。

钻孔孔深为隧道结构底板以下10m，且满足跨孔CT钻孔深度（钻孔深度=1.6*钻孔间距）要求。当揭露破碎带、溶洞时钻穿破碎带、溶洞并进入中等风化岩石内3m终孔。

断层破碎带探查，在隧道左右中线布设微动测线两条，测点间距5m，探查断层破碎带具体位置及走向。

5.3下穿建（构）筑物段补勘

地面有建筑物段主要采用孔中跨孔CT、微动和洞内HSP超前探测相结合的勘察方案，具体如下：

1）下穿亚华小区段，根据实地踏勘情况，可实施钻孔处则采用钻探的方法，且应加密、加深钻孔，结合跨孔弹性波CT从隧道两侧进行岩溶探测。

2）下穿农资公司小区段，根据实地踏勘情况，小区房屋不影响跨孔CT岩溶探测。

3）大营坡批发市场等区域由于地面情况较为复杂，无法实施钻探，可采用微动探测法进行岩溶探测，在隧道左右线各布设一条微动测线，测点间距5m，探查岩溶空间位置分布情况。

4）大营坡批发市场局部因条件复杂确实无法进行地面探查的，则采用洞内HSP进行超前探测。

5.4地面处理

岩溶处理，以地面处理为主，地面无法实施段采用洞内处理。地面处理主要采用地面回填和注浆处理，具体处理方法如下：

1）勘探钻孔间距3.0mx3.0m(遇到溶洞处则加密至2.5mx2.5m),利用勘探孔及加密孔进行处理。

2）对于全填充溶洞（需要处理的溶洞）处理采用压力注浆的方法进行填充加固。

3）对于高度<1m的无填充或半填充，以及全填充（充填物强度较低的）溶洞采用纯水泥浆进行静压式灌浆。

4）对于洞径1～2m的无填充溶洞和半填充溶洞可采用水泥砂浆镇充。对洞径2～4m的无填充溶洞和半填充溶洞，先采用吹砂处理，后采用注浆加固的方法，浆液采用水泥浆。

5）对于洞径大于4m的特大型无填充溶洞，可考虑先投碎石(5～10mm)，后采用注浆加固的方法。

6）溶洞处理效果检测：按1%孔数进行抽查，且不小于3点，每个溶洞均要检测一次。钻孔取芯后做抗压试验，注浆固结体28d的无侧限抗压强度≥0.2MPa。不满足检查标准时，应对受检查的溶洞加固区进行灌浆补强施工。

7）可以将补勘、验证钻探及注浆工作有机结合起来，采用边探边验边灌的方式，极大的提高工作效率，节约占道时间。

图2半填充溶洞处理示意图 图3全填充溶洞处理示意图

图4未填充溶洞处理示意图 图5加密钻孔平面布置示意图

六、下穿建（构）筑物区段岩溶补勘处理

6.1洞内超前探测

当地面不具备处理条件时，可采用洞内探测来实现，对刀盘前方地质进行超前预报，采用HSP系统，该系统以滚刀破岩震动作为震源进行探测，结合前期详勘、补勘地质资料，对刀盘前方岩层整体性和含水性进行实时探测、评价。根据贵大区间岩溶补勘结果和超前探测成果对比验证情况来看，采用HSP超前地质预报系统基本与地面专项岩溶勘察作业成果相互吻合，准确率达80%以上，证实了HPS法准确有效。

图6 HSP法超前地质预报系统反射接收示意图

图7 HSP超前地质预报成果示意图

6.2洞内超前钻注处理方案

对于洞内超前探测新发现的溶洞，根据溶洞大小、位置、填充类型等因素确定是否需要通过超前注浆进行处理。盾构机搭载冲击式凿岩钻机，利用盾构机已有的管片拼装机的液压泵站提供动力；同时在盾体周向设置8个超前注浆孔，前盾隔板设7个水平铰接式超前注浆孔（通过中心回转接头上的编码器+机械刻盘，实时定位并显示刀盘开口位置，便于超前钻机定位），可实现钻注一体化注浆工艺，洞内处理采取二次注浆辅助措施。

6.3洞内超前钻注处理重难点

1）超前地质钻机安装在管片安装机上，与管片安装机管片抓举头相对180。位置，首先底座加工与安装，底座钢板为70mm厚，焊接在安装机上，焊接过程中要间断焊接，控制焊接件温度，防止损伤到安装机回转轴承塑料保持架。

2）提前根据图纸确定预留管道角度，钻机转进前把钻机角度调整与预留管匹配对孔，同时转进过程中关注参数变化和异响，保证角度正确。避免钻机角度和盾构机预留管道角度不匹配，会造成钻杆损伤，钻孔失败。

3）钻机转进时，严格控制钻进参数，不能盲目进尺，钻杆转进要经常反复回拉钻杆，保证钻孔有足够的扩挖量。防止造成钻杆卡死、断裂，影响后续盾构掘进。

4）对排渣球阀的出渣进行收集分析，进而确定地质情况，如岩溶和不良发育地层等。

5）超前地质钻机施工过程中需要进行长时间停机，做好保压、监测、二次注浆等措施，避免造成地面沉降。

6.4洞内超前钻注处理准备

图8溶洞洞内超前处理示意图

1）盾构机停机准备要求：为保证作业空间和作业安全，根据超前钻机的尺寸和钻进一根拆卸安装时需要的场地，油缸行程1500mm～1800mm时停机。中盾、盾尾注入膨润土，避免长时间停机抱盾体情况。

2）钻机安装准备工作：钻机安装底座按要求焊接完成，焊接时注意焊件温度，间隙焊接并辅助水冷却，确保不能由于焊接温度高伤到安装机回转轴承体，焊接过程中要左右对称焊接防止焊接变形。

3）钻机旋转障碍物拆除：安装机左、右所有平台拆除。

4）旋转防喷器安装：在预留的超前注浆孔球阀法兰出安装旋转防喷器（防喷器自带排渣球阀）。

5）钻机角度调整基座安装后，通过10T手拉葫芦把钻机安装在基座上。钻机安装完成后进行对控制柜调试，检查电路、液压系统、注浆系统等是否正常。

图9超前钻注一体机安装示意图

6.5洞内超前钻注处理实施

1）初始仅启动冲击，关闭旋转，在岩面处凿出凹坑后再启动旋转，使超前钻机以慢推进、小推力、低冲击状态下运行，实现“轻推轻打”，顺利开孔，并低速钻进200～300mm。 开孔质量可通过观察钎杆的旋转抖动来判定，若钎杆在旋转过程中发生严重的上下晃动，或者向一边歪斜，说明开孔不正，此时需要将凿岩机后退，重新再向前钻进，如此反复多次，以保证开孔质量。

2）快速钻进高冲击、回转，钻机快速钻进；快速钻进时严防卡钻，控制系统根据回转扭矩，控制推进和冲击。当回转扭矩大于设定值时，控制凿岩机停止冲击，边回转边后退，并持续冲洗排渣。回转扭矩降低后，凿岩机自动恢复前进和启动冲击。进退过程持续往返，直至回转扭矩恢复到正常范围，防止“缓变卡钻”。

3）根据钻进过程中揭示地质情况，主要通过钻进过程中扭矩等变化情况，同时辅助渣样分析判定钻进地质情况，当施工钻进扭矩变小同时钻进过程中渣土为黄泥浆时，判定施工钻进段为岩溶破碎区（溶洞）。

4）初始钻孔深度2-4米后，暂停钻进。进入注浆状态，冲洗球阀切换至注浆，在已经完成的钻孔深度范围内预注膨润土，填充盾体与地层之间的缝隙。

5）完成膨润土填注后，冲洗球阀切换回冲洗状态，继续超前钻孔，直至达到计划孔深，冲洗球阀切换至注浆，注浆的同时，钻机缓慢正向旋转，并在钻机的整个行程范围内做进、退往复运动。

6）当注浆压力达到2bar并稳定后，将盾构隧道超前地质钻机后退到后止点，拆掉一根钻杆，钻机推进至前端，连接好前端钻杆后重复退钻杆操作。直至钻头已经退至之2-4米孔深位置后停止注浆。

7）注浆浆液主要采用水泥浆及双液浆。注浆过程中主司机关注土仓压力变化，当发现土仓压力持续随着注浆增长，需要停止注浆，同时搅动刀盘，防止浆液在刀具周边凝固，最后造成糊刀及刀具偏磨可能情况。

6.6超前钻注处理效果验证

注浆完成4-5小时后，重新针对已进行注浆加固孔进行钻孔检查，主要通过钻进过程中扭矩及渣样进行分析注浆加固效果，钻孔2-4米主要是充填膨润土，因此钻进速度较快，渣样主要为膨润土泥浆，根据钻进该孔钻进记录情况，钻进破碎段（溶洞）显示出渣为中风化白云岩以及水泥块证明加固效果良好。

特殊情况可以通过再次进行超前地质预报对比未加固处理前的超前地质预报效果。本方法存在缺点主要为：岩溶破损带可能存在隔层，导致加固无法做到全部充填饱满，超前地质预报反馈范围较加固范围更大，存在无法反应加固区域填充效果的可能。

6.7施工完成后对比掘进岩溶段参数

针对加固段盾构复推后做好参数记录，及时与岩溶破损段（溶洞）施工参数进行对比分析。主要通过掘进推力、扭矩、速度等主要参数进行反馈。

七、岩溶地层盾构掘进控制措施

7.1盾构通过岩溶控制措施

1）通过洞内超前注浆对前方岩溶进行加固处理，处理效果经验证满足相关要求后，盾构方可掘进通过。

2）为确保螺旋输送机出土顺畅，加强对掌子面土体及土仓内渣土的改良。

3）加强土压、出土量及注浆压力、注浆量控制，防止超挖，减小对土体的扰动。

4）同步注浆量按理论建筑空隙的150%考虑；另外加强二次注浆，二次注浆采用双液浆，每3环设置1道止水环。

5）下穿期间严控盾构机姿态，确保盾尾间隙均匀；另外通过加大盾尾油脂压注量来防止浆液通过盾尾流失及地下水通过盾尾涌入作业区。

6）通过监控量测，并及时反馈信息，指导盾构岩溶超前钻注加固施工，同时根据监测数据变化情况指导后续同类似盾构岩溶超前钻注加固施工控制钻进进度、注浆量等。

7）盾构掘进通过后，根据监测情况，必要时利用盾构管片预留的注浆孔再次进行补充注浆。

7.2盾构下穿风险源控制措施

1）盾构施工前加强地质补勘工作，对不良地质进行注浆处理。

2）采用球状碳化钨超级刀具，高的屈服强度，避免刀刃在高应力下压溃变形；足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；良好的抗冲击韧性，防止刀圈断裂。增加刀具的数量，优化刀具布置形式，增加耐磨性。

3）根据掘进情况，采用超前地质预报系统对地质情况实时进行监测，发现问题及时进行处理。

4）根据安装土舱可视化系统，该系统及时了解在人舱工作实时情况，保障人员安全，发现隐患及时消除，在人舱的主舱、过渡舱内各增加一套红外网络防爆半球摄像机，对人舱的内部情况进行监测。数字录像机可将视频信号储存到硬盘上，方便视频回放或事故分析。

5）在刀盘辐条面板及大圆环前后端面堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，刀盘外周也焊有耐磨复合钢板，提高刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。

6）施工前制定专项方案和应急预案并经专家评审，通过后方可实施。

7）采取有效的渣体改良措施：首先进行渣土改良配比试验，再根据进度要求，在刀盘正面和土舱内加注泡沫剂或膨润土来降低土体强度，增加渣土的和易性、流塑性，可有效减轻刀盘刀具的磨损、减小推力、降低扭矩。采用优化设计的泡沫和膨润土出口管路，防止堵塞。

8）做好盾构姿态控制，尽量减少纠偏，预先计算好每环管片的楔形量，提前调整姿态。

9）掘进过程中，严格控制参数，观察参数变化情况，当推力、扭矩和速度等出现较大变化时，应立即停机检查，查明情况采取相应措施后再恢复施工。

10）加强监控量测，及时信息反馈，据此调整施工参数，实现信息化施工。

7.3岩溶地层盾构防喷涌措施

1）主机隔板设计2路排水孔，规格为DN100，一用一备。辅助排水。

2）高度约2米，超过螺旋输送机出渣口。岩层中的裂隙水能够经过主机排污泵排出。

3）主机内部布置2台污水泵，总流量可达100m3/h，加强紧急排水能力。

4）盾构机出土口设置2个闸门，利用“迷宫密封”原理，交替开启有效减缓喷涌；

5）预留了膨润土和高分子聚合物注入接口，必要时，可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土或高分子聚合物，以缓解螺旋机的喷渣压力。

6）设置有保压泵接口，必要时可联接泥浆泵或泥浆管，缓解喷渣压力。

7）通过降低皮带机倾角，增加皮带机带宽，采用变频驱动等设计，在目前含有裂隙水的灰岩地层中掘进，稀渣较易输送，渣土飞溅现象较少，对隧道内文明施工影响较小，节约了一部分清洁泥渣的时间。

8）皮带机具有曲线调整功能，调整相应皮带支架的摆动角和驱动装置的摆动角适应不同曲线施工。

通过对盾构机出渣系统的针对性设计，目前在实际运用过程中目前，无较大喷涌现象，出渣较为顺利。

八、结语

综上所述，典型岩溶区域盾构施工前，要根据岩溶发育程度，周边环境及施工所面临的风险，做好超前岩溶补勘及主动处理工作，灵活采用当前的探测手段，尽量探明岩溶的位置、大小及类型。根据具体情况采用地面、洞内两种处理方式，并对处理效果进行验证，最后盾构通过时加强管控，以有效降低岩溶地区盾构施工安全风险。

参考文献：

[1] 孙秋元 地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术分析 [J]江西建材 2013（4）218-219；

[2]周保江 地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术研究 [J]建筑工程技术与设计2015（20）。