喀斯特岩溶地区盾构法施工联合探测技术应用

昌进，李鹏飞，曾繁裕

（贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

随着我国城市现代化的快速发展，地铁成为城市交通的重要组成部分，城市轨道交通建设速度越来越快。盾构法施工具有安全快速的优点，已广泛应用于各大城市地铁区间隧道的修建，但针对贵阳特殊的喀斯特地貌和典型的山地城市特征，盾构施工中解决不良地质条件的问题尤为重要，需运用各种探测手段进行有针对性的风险专项设计和施工。相关参考文献中研究分析了一些探测技术对隧道岩溶区溶洞精细化探测研究，并取得了一定的成效。本文以贵阳轨道交通区间施工为例，对盾构法施工过程中联合探测技术进行详细研究，提出合理可行的施工方法。

1 工程背景

1.1 工程概况

贵阳轨道交通3号线一期工程董家堰站～中曹司站盾构区间沿花溪大道由南向北敷设，线路两侧建（构）筑物密集，主要下穿的建（构）筑物有花溪十里河滩湿地公园地下停车场、腾龙湾小区、人行天桥、输水管道、中曹司下拉槽、贵阳枢纽南西联络线上下行线铁路桥等重要建（构）筑物。区间范围内敷设雨水、污水、电信、电力、给水、燃气等重要管线。区间全长2 427.2m，隧道顶埋深范围为4.8～11.5m，隧道最大纵坡为27.186‰，最小曲线半径650m[6]。董家堰站—中曹司站区间平面图见图1。

图1 董家堰站～中曹司站区间平面图

1.2 地质、水文情况

该区段处于贵阳向斜北部扬起端近轴黔灵山溶蚀残丘附近，位于贵阳溶蚀盆地北部，沿线地形地貌类型较为复杂，主要属于溶蚀类型的丘峰谷地貌。

通过详细勘察，区间穿越范围内主要为中风化白云岩和中风化泥质白云岩，溶洞较发育，见洞率为24%，线岩溶率为0.5%，其中大于1.0m 的溶洞有24个，其余溶洞不大于1.0m，最大溶洞高约5.0m。溶洞主要以充填型为主，充填物为软塑-可塑状黏性土，偶夹灰岩碎块。

沿线地下水类型有潜水、基岩裂隙水以及岩溶水。根据线路地层岩性组合及地下水的赋存特征，结合区域水文地质资料，沿线以岩溶水为主。区间沿线范围内岩土体渗透系数总体较小，变化较大，一般值0.066～0.23m/d，地下水位埋深1.0～3.0m，水位有一定起伏[7]。

2 盾构机选型

该区间地处贵阳喀斯特地貌区域，周边环境复杂，因此，合理进行盾构机选型、确定掘进参数和选择辅助工法，对控制岩溶地区地表变形显得尤为重要。

2.1 盾构机选定

结合本区间工程地质及水文地质条件、隧道长度及平纵断面等设计参数、周围环境条件、隧道工程筹划及节点工期要求、宜用的辅助工法、技术经济比较等六个主要因素进行盾构设备选型，采用地层渗透系数法、地层颗粒级配法、水压法进行综合评判并邀请专家进行论证，采用复合式土压平衡盾构；盾体采用主动铰接梭形结构设计，配备超前地质预测预报系统、浓浆液膨润土系统和二次注浆系统。盾构机主要掘进参数见表1。

表1 盾构机主要掘进参数

2.2 影响盾构掘进的主要参数设定

选择盾构机掘进参数时应考虑的因素，主要包括工程地质及水文地质条件、周边环境保护需求和盾构机的基本状况，主要参数包括土仓压力、刀盘推进速度、刀盘推力、刀盘转速等。在该区间施工前充分研究分析地质详勘报告，结合岩体单轴抗压强度、隧道埋深、地下水含量等指标确定理论掘进参数；在盾构始发及到达段、不同地质条件及地质变化段、上软下硬、岩溶发育地段、穿越建（构）筑物时建立试掘进制度，进一步通过渣土改良情况、出土量控制、监控量测等验证参数的合理性，从而确定最佳掘进参数。同时通过控制盾构掘进贯入度，做好刀具磨损的控制，通过开仓检查及换刀以减轻盾构机刀具磨损，以控制地表变形[9]。

通过对本区间3236 环盾构掘进参数变化统计综合研究分析。总结归纳出同类地质条件下盾构机掘进参数，可供同类地质条件下的盾构施工进行参考。几种工况下盾构机主要掘进参数见表2。

表2 几种工况下盾构机主要掘进参数

3 联合探测技术应用

该盾构区间主要采用洞内HSP 超前地质探测、洞外勘察钻孔、地质雷达扫描、跨孔CT 等先进的地质探测技术手段，对地表及地质岩体联合探测研判，互相验证探测结果，用于指导盾构掘进施工。对潜在地表脱空、溶洞、溶槽等情况提前进行预注浆加固处理，最大限度地保证盾构机顺利穿越不良地质区段。

3.1 电磁波CT法（跨孔CT）探测技术应用

本区间通过利用相邻两个地质勘察孔进行电磁波CT法探测地质围岩情况。采用EWCTPS软件对采集的数据进行处理，结合地质勘察钻探资料，绘制井间电磁波CT解译成果图，并进行地质分析解释。通过对本区间内地质电磁波CT探测，共发现31处岩体破碎区、19处强溶蚀区。根据探测结果，在盾构机施工前对所揭示的溶蚀区提前预处理21处。后期通过盾构机掘进参数变化分析及钻孔验证，验证了预处理效果较好。盾构机通过时，地表沉降在-10mm～+8mm 范围，满足-30mm～+10mm的控制值。区间隧道地质电磁波CT解译见图2。

图2 区间隧道地质电磁波CT解译图

3.2 地质雷达扫描探测技术应用

本盾构区间沿线路方向布置3 条测线进行扫描探测，共发现地表脱空6处，通过预先注浆处理后，再次进行地质雷达扫描，扫描结果未发现异常区域。盾构机掘进时，未发现地表脱空沉降变形现象。该区间YDK23+625 处地表沉降出现异常。现场对异常点前后50m范围内地质雷达进行扫描探测，检测结果显示：距离地表6～13m 段明显脱空，13～18m 段绕射波杂乱，土体严重扰动，异常大小约为8m×2m。根据检测结果，及时对所揭示的脱空区进行了预注浆回填处理，避免因盾构机施工进一步加剧地表沉降风险。区间隧道地质雷达扫描图见图3。

图3 区间隧道地质雷达扫描图

3.3 洞内HSP反射波法地质预报技术应用

根据盾构机掘进施工的特点，利用盾构机掘进时刀盘切割岩石所产生的弹性波信号作为HSP 反射法预报激发信号，在隧道内进行空间阵列式数据采集，并通过绕射扫描偏移叠加成像技术进行反演解释，揭示掌子面前方围岩情况。按照盾构机每掘进60m采集一次掌子面前方100m 范围内的数据进行处理分析，遇到特殊地质区段，加密采集频率，用于指导现场施工。HSP地质超前预报系统流程见图4。

图4 HSP地质超前预报系统流程图

在右线盾构掌子面YDK23+871 段前方100m 范围内采集的原始波形曲线进行数据处理分析，绘制该区段HSP反射波法探测反演分析成果图。探测范围内存在多处异常反射区。其中，YDK23+855—YDK23+847 及YDK23+832—YDK23+826 段存在较强反射异常，分析判定为围岩溶蚀裂隙发育，岩体破碎，异常核心区域存在发育岩溶，完整性和稳定性差；YDK23+871—YDK23+868 及YDK23+811 段存在弱反射异常，分析判定为异常段围岩节理裂隙发育，围岩较破碎。通过实际钻孔验证及开仓检查验证了溶蚀裂隙的存在。在掘进过程中，及时调整上述段掘进参数及出渣量，并加强地面沉降监测，未发生地表沉降预警情况。

3.4 天然微动探测技术应用

该区间左线盾构机掘进至ZDK23+770 处，发现土压突然异常升高至1.73bar，出土量达到115m3。随后，ZDK23+800—ZDK23+850 段（刀盘前方30m）地表局部发生下沉现象，下沉量达10.5cm，部分沥青面层破损，导致花溪大道临时封闭一条车道。为及时消除隐患，立即停止掘进，通过地质雷达扫描、天然源微动探测法和钻孔验证方式进行地表脱空和溶洞探查。对地表脱空部位进行注浆回填。完毕后，通过天然源微动探测法对回填效果进行验证。

现场采用剖面台阵布置方式进行微动信号采集，在地表冒浆处布置一条微动面波剖面，剖面长50m，共11个测点，点间距5m，道间距2m，利用实际微动信号中提取的瑞雷波频散曲线反演得到地下视横波速度信息。

通过视横波速度剖面反映出该段地表至地下20m范围内介质的视横波速度的大小及变化情况。共发现两处低速异常区，分别在ZDK23+805—ZDK23+813、ZDK23+826—ZDK23+833 两段，均为溶蚀凹槽，且ZDK23+805—ZDK23+813 段溶槽呈高角度向下延伸，是由于溶蚀裂隙带部分填充物流失导致。现场应急处置后，通过第二次微动探测结果显示该区域视横波速度变化均匀，未见明显低速异常区域，表明溶蚀裂隙带已完全充填，地表变形得到了有效控制。

4 盾构施工过程中的四阶段管理方法

根据地表的特点及联合探测结果，结合盾构施工沉降规律及周边地质情况分析，将穿越过程按地表影响范围分不同阶段进行沉降变形控制，针对各阶段结构沉降量控制指标，制定相应的控制措施。

从刀盘进入地表影响范围内前5d 或临近60m 为第一个阶段控制。该阶段根据地表联合探测结果，及时调整土仓平衡压力，控制前期沉降变形。如果出现沉降量过大，立即采取提高土仓压力，减小掘进速度和控制出土量等措施加以控制沉降变形。

从刀盘进入地表影响范围为第二个阶段控制。该阶段主要利用同步注浆及地表超前注浆加固进行控制，确保管片和周围土体间隙填充密实、饱满。一旦出现沉降量过大的情况，立即停止掘进，稳定土仓压力，进行同步补注浆处理。同时进一步验证地表联合探测处理结果。当沉降监测值满足要求后，方可进行下一环掘进。

穿越地表影响范围完成5d 内且盾尾拖出5 环管片为第三个阶段控制。该阶段主要通过管片二次注浆及地表补注浆加固进行控制。二次注浆以压力控制为主，同时根据监测情况及时进行调整。若沉降值过大或未趋于稳定时，必须停止掘进，分析原因并采取有效的控制措施。当沉降监测值满足要求后方可复推。

穿越地表影响范围完成5d 后且盾构机完全通过为第四个阶段控制。此阶段主要采用地表地质雷达扫描+天然微动探测等先进的地质探测技术，对沉降值不能满足控制值要求的地表及地质岩体进行探测判断。根据探测结果对沉降量区域进行点对点的跟踪注浆加固，直至地表监测值满足要求为止。

通过对该区间穿越建（构）筑物分四阶段进行控制，地表及建（构）筑物变形得到有效控制，取得了良好效果。

5 结论

贵阳轨道交通3号线董家堰站—中曹司站盾构区间于2020年11月开始盾构始发，于2021年12月完成到达接收，施工过程中，对洞内HSP超前地质探测和洞外勘查钻孔+地质雷达扫描+跨孔CT+天然源微动探测等先进的地质探测技术进行尝试，尽可能消除地表异常区，有效地抑制了地表变形，确保盾构机顺利掘进，充分验证了贵阳岩溶地区盾构法施工对控制地层变形的可行性和可靠性。为贵阳地区后续盾构施工积累宝贵经验，极大地提高了贵阳地区隧道施工机械化施工水平。在施工过程中总结了以下几点，供后续同类工程参考和借鉴：

（1）施工前，应对岩土勘察报告仔细研究分析，根据岩土特征判断在拟建工程范围内是否会存在岩溶发育情况，运用各种探测手段进行有针对性的风险专项设计。

（2）应对邻近建（构）筑物及地下重要管线进行调查评估，特别是对盾构区间施工影响较大的结构需要核查准确，以确保施工方案的可实施性；并在穿越建（构）筑物前进行试验段施工，提前模拟穿越是有必要的，为盾构穿越施工提供安全保证。

（3）在喀斯特地区进行盾构施工，刀具磨损是在所难免的，要严格控制盾构掘进贯入度；并有计划地选择停机开仓换刀位置，不同的地质条件采取的换刀措施也不同，施工前要在直接开仓换刀、地层预加固换刀、降水加固后换刀、开挖或利用竖井换刀、压缩空气下换刀等几种方法间做好选择，并经过专家论证后实施，有利于盾构机在特殊地质中平稳掘进。

（4）根据围岩变化，及时做好渣土改良、同步注浆、二次注浆、监控量测等工作也是不可忽视的。还要建立洞内外联动机制，早发现、早处置。