深圳地铁岩溶隧道下穿河流段盾构施工技术

张细宝

（中国中铁五局集团有限公司，湖南 长沙 410075）

引言

随着我国城市建设速度不断加快，地铁在大型城市中发挥了越来越重要的作用，而地铁盾构施工因具有安全、高效、对周围环境影响小等优点被广泛应用，但盾构施工涌现复杂地质条件成为阻碍盾构顺利推进的主要因素，其中下穿河流施工状况引起了许多学者关注［1-2］。张宝良等［3］利用有限元软件和地表沉降观测数据对盾构下穿河流施工造成地表沉降的原因进行分析，结果表明，盾构衬砌同步灌浆层厚度越大，填隙效果越好，地面沉降随盾构的掘进压力的增大而减小。王伟和辛振省［4］利用力学平衡原理及河堤的破坏机理，并考虑确保施工安全的最小覆土厚度，对盾构下穿河流的实际案例进行研究，其结果证明抛土法可有效得降低覆土过薄的地方的过大沉降。姚春桥等［5］从掘进参数、河堤注浆等方面对盾构下穿河流的实际案例进行分析研究，认为加强施工设备管理、严格控制出渣量，是盾构水利通过的重要保证。GURSOY［6］利用有限元分析软件对盾构隧道穿越河流施工开挖引起的土体沉降情况进行了分析，结果表明，非均匀注浆形式与实际情况相符，壁后注浆能够有效减少土体沉降。

1 工程概况

14 号线区间隧道左线ZDK27+967—ZDK28+044 段（79～130 环）、右线DK27+962—DK28+005（86～115 环）下穿龙岗河。河宽约43 m，交叉点设计河底高程为31.32 m，现状河底高程约32 m；龙岗河南侧截污箱涵（87～89 环）为3.5 m×2.5 m的预制钢筋混凝土结构，北侧污水箱涵（121～123环）为1.2 m×1.8 m 的预制钢筋混凝土结构。该段79～86 环为R=750 cm 右圆曲线段，87～130 环为R=750 cm 右缓和曲线，均为拟合27.4‰的下坡。掘进74 环时刀盘进入龙岗河南侧河堤；掘进82 环时刀盘进入截污箱涵；掘进83 环时刀盘进入龙岗河东侧河滩；掘进87 环时刀盘进入龙岗河河床；掘进92环时盾尾脱离截污箱涵；掘进116 环时刀盘进入污水箱涵；掘进118环时刀盘开始进入龙岗河北侧河滩；掘进124 环时盾尾脱离污水箱涵；掘进132 环时盾构脱离龙岗河北侧河堤范围，盾构完成下穿龙岗河。

1.1 岩溶处理

由于岩溶发育区位于龙岗河河床区域，需进行河内围堰施工，共分两期进行，两期围堰范围均为22 m×52 m，一期施工龙岗河北侧围堰，二期施工南侧围堰，分期导流，采用沙袋围堰，围堰施工时采用水上抛填沙袋、搭设钢管架，外侧迎水面设置复合土工膜结构作为倒滤层。施工先进行北侧围堰施工，先将北侧围堰内的岩溶处理完成后，再进行南侧围堰施工，同时拆除北侧围堰。

1.2 岩溶处理原则

（1）溶洞探边原则。施工前根据详勘报告及岩溶专项勘察报告，对推测溶洞范围进行施工钻孔探边，施工前布置2 m×2 m 钻孔摸探溶洞边界，梅花形分布，钻孔深度要求进入隧道底板以下不少于10 m，揭露溶洞时根据工程需要适当加深。（2）溶洞处理原则。对于处理范围内的溶洞（隧道顶板3 m 至隧底10 m范围内），被充填情况可分为全充填、半充填及未充填三种类型，处理方式主要采用袖阀管注浆填充。（3）封孔原则。岩溶处理完成后对孔口下2.0 m 设止浆段，采用水泥砂浆封堵袖阀管与孔壁之间的缝隙。

2 盾构下穿龙岗河关键技术

区间隧道下穿河流作业可以划分为隧道内以及隧道外两个部分。对于贯穿河流道隧道外项目工程来说，主要以下穿河流围岩导流、钻孔探边和岩溶注浆处置工作为主。施工工程应更加注重洞内超前地质预报探测，二次验证探边状况，经检验岩溶是否得到完全处置，以避免因岩溶裂隙与隧道贯通造成盾构掘进事故发生，并且调整盾构机掘进参数。

2.1 超前地质预报

HSP 法在地铁盾构法施工隧道中，采用一发多收空间阵列式测试布置方法，即在两侧壁各布置一排接收检波器。测试时，两排距有一点偏移距的检波器接收隧道轮廓，盾构掘进时刀盘切割岩体产生的震动信号，每次接收都形成一个振动记录波形，见图1。数据处理时，应用多个共炮波形信号，结合激发与接收点位信息，并通过深度域绕射扫描偏移叠加成像技术进行波场空间成像技术，进行反演解释。

图1 HSP 探测布置

深圳地铁14 号线采用探测方法为HSP 法仪器系统为HSP217 型超前地质预报仪及配套分析软件系统。现场采用空间阵列式探测布置方式，对隧道28+128 工作面前方进行了测试，预报里程范围为28+128—28+048（80 m）；对隧道28+047 工作面前方进行了测试，预报里程范围为28+047—27+967（80 m）。见图2。

图2 测反演分析成果

2.2 盾构试验推进状况

54～57 环由于刚复推，参数变化较大。57～60 环参数基本稳定，其中61 环有波动，62～69 环参数基本稳定。从70 环开始推力、扭矩明显增大，54～57 环由于刚复推，参数波动较大，后续57～69 环参数基本稳定，这段地层主要为强风化砂岩。第61 环参数有波动，推力、扭矩明显增大，结合第一次HSP 地质预报：第67～68 环存在波阻抗差异，岩体存在软弱夹层，不排除岩溶发育。第70 环开始推力及扭矩持续增大，推进过程中抖动明显，土压相比之前地层，保不起来，同时地层含水量明显增大，出来的渣土也以碎石块为主，结合第一次HSP 地质预报，第75～76 环存在波阻抗差异，岩体存在软弱夹层，不排除岩溶发育。以上现象，验证了HSP 地质预报较准确，表明了超前地质预报在下穿河流施工的可行性。

2.3 拟定掘进参数

通过前期掘进过程中收集的掘进参数收集与分析可知，在强/全风化砂岩段保持推力≤18 000 kN，扭矩≤2 500 kN·m、推进速度30～40 mm/min、土压力控制在1.2 bar、刀盘转速1.5 r/min；全断面微风化灰岩段保持推力≤22 000 kN、扭矩≤3500 kN·m、推进速度10～20 mm/min、土压力控制在0 bar、刀盘转速1.8 r/min；溶洞段保持推力≤22 000 kN、扭矩≤3 500 kN·m、推进速度为20～30 mm/min、土压力0.5 bar、刀盘转速1.8 r/mm，可较好地减轻地表沉降状况，因此，将上述参数设为掘进参数。

2.4 防螺机喷涌及防漏水

为防止在掘进过程中发生螺机喷涌，在螺机出闸口下方放小土斗，减少掘进完成后盾尾清泥工作量；同时购买聚合物进行配比试验，地下水丰富时可在土仓内注入聚合物减小水的流动性，使其与渣土胶凝，避免发生螺机喷涌。每环掘进完成后，对铰接密封、盾尾密封进行检查，发现异常及时进行维保。

2.5 防管片上浮

在盾构掘进过程中，每15 环进行一次管片测量，发现管片在脱出盾尾后的上浮量约为20 mm，在掘进过程中将垂直姿态控制在-20 左右。因此，在管片脱离盾尾10 环后，使用水泥-水玻璃双液浆进行止水环施作，防止管片上浮，同时可以起到一定的防水作用。

2.6 突发情况处置

下穿龙岗河盾构在掘进至第100 环时，地面巡视发现河面刀盘位置水面有冒泡现象（105 环、106环位置），见图3，水面无漩涡倒流情况，冒泡位置水面清澈，盾构机掘进正常，盾尾密封正常。该处为岩溶处理区域，有溶洞侵入隧道底部，经现场查看该处存在岩层裂隙，掘进过程中保压打气造成漏气形成冒气泡现象。使用沙袋在冒泡处周边围堰，确认冒泡位置后，用土工布配合砂袋进行了反压，后续掘进过程中土压能一直保持1.2 bar，河水无反灌现象。

图3 掘进过程中河水冒泡

2.7 地表沉降监测

收集地面沉降的监测数据与盾构掘进参数的关系，刀盘在距离监测点还有4 环前，地面开始隆起，累计最大隆起0.73 mm，盾体穿越及通过后，每天沉降约0.5 mm，较为稳定。

3 结语

（1）下穿前将应急物资钻机、注浆机、沙袋、水玻璃、水泥放在龙岗河南侧河堤上方，以便险情发生的第一时间能够及时按照应急预案实施抢险作业，避免险情的扩大；当盾构机位于岩层交接面处时，岩层裂隙水较多，要采取措施避免或减少螺机喷涌对施工连续性的影响。（2）下穿龙岗河段为岩溶发育区地层裂隙多，流通性好，在掘进过程中控制打气压力，保证不高于水压力，该处最浅埋深11.6 m，水压力最小为1.2 bar；下穿过程中，掘进参数及盾构姿态没有异常，说明溶洞已被填充得较为密实，出土量相较平常要少，每环为70 方左右；在溶洞位置时，增大泡沫、膨润土的注入量。（3）下穿过程中，在管片脱出盾尾10 环后使用水泥-水玻璃双液浆施作止水环，并及时进行管片测量，根据管片上浮情况及时调整盾构姿态和二次补浆参数，防止管片脱出盾尾后上浮导致管片姿态超限；在每环掘进前后对盾尾密封、铰接密封情况进行检查，有异常及时进行维保。