某巖溶地區(qū)地鐵隧道施工盾構(gòu)工法適應(yīng)性研究

馬振興

摘要：本文以某巖溶地區(qū)地鐵隧道工程為背景，論述了巖溶地區(qū)地鐵隧道施工盾構(gòu)工法的適應(yīng)性、巖溶等不良地質(zhì)應(yīng)對措施及周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控措施等，分析了在巖溶地區(qū)不同類型盾構(gòu)機(jī)施工地鐵隧道的適應(yīng)性，并結(jié)合工程特點(diǎn)總結(jié)了巖溶地區(qū)地鐵隧道施工盾構(gòu)機(jī)選型的建議。

關(guān)鍵詞：大面積巖溶;盾構(gòu)選型;軟硬不均;沉降

1.概述

目前，在國內(nèi)地鐵隧道施工方面，盾構(gòu)機(jī)的使用已非常廣泛。但是，在巖溶地區(qū)，尤其是地鐵線路大范圍處于巖溶地層時(shí)，采用盾構(gòu)法施工隧道仍是一大難點(diǎn)。但伴隨城市的快速發(fā)展，傳統(tǒng)礦山法施工地鐵隧道存在的施工效率低、施工安全性差、施工環(huán)境惡劣、震動(dòng)擾民等方面問題亟待解決。本文以某巖溶地區(qū)地鐵隧道工程為背景，充分結(jié)合地質(zhì)條件及目前盾構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造特點(diǎn)，論證大面積巖溶地質(zhì)條件下采用盾構(gòu)法施工地鐵隧道的可行性，并對相應(yīng)不良地質(zhì)條件的規(guī)避及處理措施進(jìn)行了分析。

2.地質(zhì)概況

該地區(qū)為典型的“喀斯特”地貌山地城市，地形起伏大，溶丘、洼地、槽谷等多樣地貌構(gòu)成全市地理的顯著特征，地鐵線網(wǎng)規(guī)劃所經(jīng)區(qū)域高達(dá)約91%地段處于巖溶發(fā)育地段。該地區(qū)具有多溶洞，多斷層，巖面起伏大，區(qū)域地下水豐富等極為復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，造成地鐵工程建設(shè)難度極大。

3.盾構(gòu)法施工主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

在該地區(qū)，盾構(gòu)法施工地鐵隧道主要面臨的問題有：

3.1隧道斷面地質(zhì)軟硬不均

在巖溶地區(qū)，紅黏土廣泛分布，主要為基巖上覆紅黏土和溶洞中充填紅黏土。由于地形地貌及城市環(huán)境的限制，隧道橫斷面和縱斷面均可能處于巖體和土體共存的狀態(tài)，尤其是隧道斷面上部和下部分布流塑或軟塑狀紅黏土，極易造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)異常和出土量超限，從而導(dǎo)致地面塌陷或其他安全事故。

3.2巖溶

該地區(qū)主要為灰?guī)r、白云巖類地層分布廣泛，巖溶發(fā)育程度弱、中等、強(qiáng)發(fā)育并存，且中等、強(qiáng)發(fā)育占比較大。多為第四系覆蓋下的隱伏型巖溶，有溶洞、溶槽、溶隙等，多被紅黏土充填，局部有空的溶洞和巖溶管道。

巖溶地區(qū)，尤其是長距離穿越巖溶發(fā)育區(qū)段，對盾構(gòu)法施工地鐵隧道的影響，一是在復(fù)雜的城市環(huán)境下，地質(zhì)勘察手段局限，無法準(zhǔn)確探明巖溶的發(fā)育形態(tài)、位置等;二是在施工中極易產(chǎn)生出土量超方，造成地面沉降或塌陷;三是隧底的溶洞易引起盾構(gòu)機(jī)“栽頭”，造成盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)大范圍超限，甚至需要“大開挖”來解決。

3.3周邊建（構(gòu)）筑物的影響

地鐵線路多經(jīng)過密集居民住宅區(qū)、商業(yè)中心，且大部分沿既有城市主干道敷設(shè)，道路交通繁忙，管線分布雜亂密集。很大程度的限制了地質(zhì)勘察的工作面，并對盾構(gòu)施工沉降控制提出了更高的要求。

4.主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)對措施及適應(yīng)性分析

國內(nèi)大部分存在巖溶地層的城市，巖溶區(qū)段在線路總長中占比較小，多數(shù)城市針對巖溶區(qū)段主要采用極小間距鉆孔+跨孔CT的方法探明溶洞，鉆孔間距多數(shù)達(dá)到了5米以內(nèi);然后從地面將判別出會對盾構(gòu)施工產(chǎn)生較大影響的溶洞針對性注漿處置，為后期施工徹底掃除障礙。但是本地區(qū)最大的特點(diǎn)是地鐵線路所經(jīng)巖溶區(qū)域高達(dá)約91%，若采用上述方法，一是前期地質(zhì)勘察費(fèi)用巨大，二是在道路狹窄的山地城市大面積使用跨孔CT，交通疏解難度極大。因此，本地區(qū)需探索較為適用的地質(zhì)探查+設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)+施工控制措施。綜上，本文僅對大面積巖溶地層盾構(gòu)法施工問題做主要分析論證。

4.1盾構(gòu)選型分析

巖溶分布規(guī)律性差，大小、形態(tài)、填充性等采用目前傳統(tǒng)的勘察手段難以準(zhǔn)備查明;同時(shí)還存在斷層分布較多，地下水豐富且無穩(wěn)定水位規(guī)律，圍巖穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了盾構(gòu)選型一定要具備適應(yīng)這種地層的能力。綜合分析得出如下結(jié)論：

（1）需采用帶護(hù)盾的封閉式掘進(jìn)機(jī)，同時(shí)具有土壓平衡或泥水平衡系統(tǒng)及防止涌水突泥的能力，以此來解決圍巖穩(wěn)定性差，地下水豐富及斷層破碎帶可能帶來的工程風(fēng)險(xiǎn)。

（2）需具備帶壓換刀的條件，解決硬巖掘進(jìn)、軟硬不均地層掘進(jìn)刀具磨損較快無法在常壓換刀的區(qū)段更換刀具的問題。

（3）需具備洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及溶洞處理裝置來解決大面積巖溶地區(qū)地面地質(zhì)勘察及巖溶處理局限性問題，使施工階段地質(zhì)預(yù)報(bào)可以達(dá)到連續(xù)性，全里程覆蓋。

經(jīng)綜合比選，本地區(qū)應(yīng)采用復(fù)合式土壓或泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

4.2復(fù)合式土壓或泥水平衡盾構(gòu)機(jī)比選

根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況，以及當(dāng)前國內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀對兩種類型盾構(gòu)適應(yīng)性分析如下：

（1）從地層適應(yīng)性、線路條件、沉降控制角度，泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)均可滿足要求。

（2）因土壓平衡盾構(gòu)不需要單獨(dú)配備泥水處理系統(tǒng)，且開挖出的土體可直接外運(yùn)，所以在場地占用、環(huán)境保護(hù)和后配套系統(tǒng)投入方面土壓平衡盾構(gòu)較泥水平衡盾構(gòu)有很大優(yōu)勢。

（3）在半填充、空溶洞及節(jié)理裂隙、斷層破碎地帶，泥水平衡盾構(gòu)極易發(fā)生跑漿失壓，因此原本在沉降控制方面占據(jù)優(yōu)勢的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)無法充分發(fā)揮。

（4）在設(shè)備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及洞內(nèi)溶洞處置系統(tǒng)針對性改造方面，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)更具有可行性和實(shí)際操作空間。

綜上所述，該地區(qū)優(yōu)先選用復(fù)合式土壓平衡型盾構(gòu)。

4.3主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)對措施

大面積巖溶地層盾構(gòu)施工方面，無法已有方式，所以該地區(qū)需綜合投資、工期、安全等方面的因素，摸索一套適用于大面積、長距離巖溶地層盾構(gòu)施工的保障措施。

結(jié)合該地區(qū)特點(diǎn)，分析當(dāng)?shù)匚锾?、鉆探等大量既有基礎(chǔ)資料后，認(rèn)為該地區(qū)應(yīng)采用地面+洞內(nèi)有效結(jié)合的探查和處置措施。

（1）地面探查措施：

該地區(qū)巖性以灰?guī)r、白云巖為主，其次為泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、砂巖、泥巖、頁巖等。經(jīng)考察分析認(rèn)為，該地區(qū)城市交通繁忙的區(qū)段可采用抗干擾能力較強(qiáng)的微動(dòng)探測、大探深地質(zhì)雷達(dá)措施對盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行全覆蓋探察，初步劃分巖溶發(fā)育程度，再根據(jù)劃分的區(qū)段，在強(qiáng)發(fā)育地段可采用10-15米間距在隧道中線實(shí)施跨孔CT，在中等和弱發(fā)育地段可采用20米左右間距在線路中線實(shí)施跨孔CT，鉆孔深度以達(dá)到探明隧底5米以內(nèi)的溶洞為準(zhǔn)。

（2）洞內(nèi)探查措施：

首先，盾構(gòu)機(jī)可配備HSP聲波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，HSP聲波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)原理為采用滾刀破巖震動(dòng)作為探測震源，結(jié)合地面探查的地質(zhì)資料，可實(shí)現(xiàn)對掌子面前方巖層完整性和含水特性的實(shí)時(shí)評價(jià)。

其次，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在盾體上可布置超前鉆預(yù)留通道，通道前端開口于盾體外圓，外開口與開挖洞壁和盾體外圓間的環(huán)形空間相連通。艙壁上前后對應(yīng)預(yù)留超前鉆通道，并與刀盤上的超前鉆預(yù)留通道前后對應(yīng)，鉆頭可到達(dá)前方開挖面進(jìn)行鉆探。同時(shí)，在管片拼裝機(jī)后部的連接橋架位置安裝超前鉆機(jī)。洞內(nèi)超前鉆探的鉆桿角度，上方、側(cè)邊按10?外插角設(shè)置，底部按13?外插角設(shè)置，鉆探深度約30m，隔4環(huán)～6環(huán)循環(huán)打設(shè)。在后配套臺車上配置超前鉆注漿系統(tǒng)。

采用上述綜合手段后，基本可以避免盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)遇到3米以上規(guī)模的溶洞，且對于隧底5米以內(nèi)的溶洞進(jìn)行探明處理，從而保障建設(shè)期及運(yùn)營期的安全。

5.結(jié)束語

巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工需積累集地質(zhì)、水文、物探、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、風(fēng)險(xiǎn)管控等多方面經(jīng)驗(yàn)，在大面積巖溶地層，應(yīng)結(jié)合自身地質(zhì)和環(huán)境等特點(diǎn)總結(jié)一套適用的方式方法。通過地質(zhì)探查、巖溶處置及設(shè)備改造的一系列針對性措施，開展該地區(qū)大面積巖溶地層地鐵隧道的施工。但土壓平衡盾構(gòu)機(jī)采用的物探設(shè)備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和超前鉆孔的鉆探進(jìn)度方面還不夠成熟和穩(wěn)定，還需進(jìn)一步積累和研究。

參考文獻(xiàn)

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