地铁盾构穿越岩溶区域技术研究

袁世金

（中铁四局集团有限公司 安徽合肥 230022）

摘要：岩溶地层主要分布在我国广西、云南、贵州等地，由于地层的长期作用，易形成溶洞。地下岩溶的地层情况具有复杂性，不可预见性和危险性等特征，给地铁施工过程中带来了较大的困难和风险。如果岩溶区域不加以预处理措施，盾构施工过程中很可能会发生地表塌陷和盾构机的突陷溶洞现象，给工程带来巨大的施工危险和经济损失。本文根据岩溶的不同特征，对地铁隧道穿越岩溶区域做了较为详细的技术研究，以供参阅。

关键词：地铁盾构；岩溶施工；技术研究

1技术特点

盾构机穿越岩溶前，首先必须探明溶洞的具体分布以及类型特征，确定溶洞所处地层位置及大小，避免方案措施制定的盲目性，为岩溶处理措施提供科学的依据。同时针对溶洞的处理，应选用科学、有效的预处理措施，降低了施工风险、减少经济损失的同时，还应具有简单实用，效率高，可靠性好，易于验证及经济性好等优点。此外，盾构机穿越岩溶地层前，需对盾构机作合理的适应性调整，提高功效。最后以科学、合理的盾构参数确保盾构机姿态的准确性及管片的拼装质量。

2工艺原理

岩溶地层特性与分布情况采用高密度电法及钻孔取芯的方法。针对岩溶大小、分布及类型，并制定针对性处理措施，结合盾构机的优化、盾构参数的合理设定等一系列的技术措施，确保盾构机快速、顺利的穿越岩溶区，效果突出，经济效益显著。

3施工工艺要点

3.1溶洞范围、具体分布及类型的确定

采用高密度电法对岩溶区进行勘测，确定溶洞的位置及形态，并形成准确、可靠的岩溶分布平面及剖面图。

另外在溶洞区域进行探孔作业（孔距一般为3.5m×3.0m布置），进一步确定溶洞的类型及与盾构隧道的位置关系。根据探孔结果显示出溶洞类型。

3.2溶洞处理方案

根据高密度电法、钻孔取芯结果判断岩溶地层特性与分布情况，并判断溶洞大小及类型，根据溶洞与隧道的位置关系，确定处理范围如下：

⑴隧道顶部溶洞：处理隧道顶部6m范围内溶洞。

⑵溶洞位于隧道洞身：处理隧道周边3m范围内溶洞。

⑶溶洞位于隧道底部：处理隧底10m范围内的溶洞。

根据溶洞类型、特性，确定处理范围如下：

⑴溶洞无充填或半充填类型时，且溶洞顶板与隧道底板距离小于10m，上至溶洞顶板以上1m，下至溶洞底板下1m采用预加固措施填充。

⑵溶洞全充填类型时，且溶洞顶板与隧道底板距离小于6m，填充溶洞顶板以上1m，隧底下5m范围。

⑶溶洞洞高大于2m的无充填溶洞，采用高压投砂法加固；半充填、全充填溶洞，直接灌浆处理；对于半边状、串珠状溶洞，采用袖阀管注浆填充。

3.3盾构机的适应性调整

⑴盾构机的选型

针对岩溶地层地质条件，投入的盾构机应具备以下功能：

①采用了高强度和刚度的刀盘结构，能较好地避免在不均匀的地层中刀盘结构变形。

②采用盘形滚刀、羊角刀和刮刀等相结合的复合式刀具布置，可以同时挖掘软土和硬岩，各种刀具的高度经过充分研究和精确计算，理论可以掘进150Mpa岩层。

③考虑在掘进过程中要经常更换刀具，各种刀具都设计成背装式，即刀具的拆装都在刀盘后面的土仓内进行，非常方便和安全。

④采用泡沫注入系统，通过向刀盘前注入泡沫可起到降低温度、减小阻力和刀盘扭矩，防止粘土结饼现象等作用。

⑵刀具的配置

岩溶地层主要采用土压平衡盾构机，面板式刀盘，开口率30%，主要配置32把单刃滚刀、6把双刃滚刀，40把刮刀，理论可以掘进150Mpa岩层，同时适应软土地层。

⑶刀盘优化、渣土改良及螺旋机改造

①由于巖层岩石直径较大，为防止岩石卡住螺旋机，在刀盘开口处焊接钢板格栅，降低刀盘开口率，控制进入仓内的岩石大小。

②通过注浆泵向掌子面、土仓内及螺旋输送机内喷射含水量较大的泡沫，降低渣土的黏性，使渣土具有良好的流动性，防止岩石在仓内形成泥饼，加快出土速度。注入的泡沫量一般为35L/m。注入泡沫剂和水可以冷却刀具，同时可以减少刀具连续工作状态下的磨损量。在泡沫剂作用下，增加刀盘作用在掌子面上的有效扭矩。

③增大螺旋机出土口直径，防止岩石卡住出土口，避免出现无法出土、渣土堆积等现象。

⑷盾构掘进参数

盾构机进入岩溶地层，根据覆土厚度设置土仓压力P。 P值应能与地层土压力和静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为PO，PO=γ·h（γ—土的平均重度，h—刀盘中心至地表的垂直距离），则P=K·PO（K—土的侧向静止土压力系数）。

推力应控制在1200t以内、刀盘扭矩控制在1.5MN？m以内，推进速度控制在10～20mm/min、刀盘转速设定为1.3～1.5r/min、注浆量控制在5方适当提高水泥用量以缩短同步浆液初凝时间。

⑸盾构姿态控制

盾构在岩溶区正常掘进过程中，因严格按已设定盾构参数进行推进，同时还应做好以下措施：

①控制好盾构姿态，避免盾构大幅纠偏、上浮、叩头、后退等现象发生；

②保持盾构开挖面的稳定，防止欠压、过压推进，严格控制螺旋出土器出土量与盾构推进速度间的相互关系，防止过量出土或出土不足等现象发生；

③同步注浆要足量、及时，同时根据盾构姿态、管片变形量等因素及时做好二次注浆。

④注意盾构在曲线上推进及盾构纠偏。

⑤由于岩层段充盈系数变化，密切关注注浆压力变化，以免因注浆压力过大破坏盾尾密封。同时，应勤打盾尾油脂，保护盾尾刷。

4结束语

随着城市地铁的发展，盾构穿越岩溶区域的可能性不断增加。不同性质的岩溶地层，施工所面临的风险等级、大小不一。因此，施工方法的选择不可墨守成规、一成不变、照搬硬套。地铁盾构施工前，必须针对所处岩溶地层的地质情况，做深入的技术研究，制定合理、灵活、有效的施工方案，降低施工风险的同时，确保工期进度满足业主要求。

参考文献：

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