超大直径盾构机穿越岩溶区施工技术研究

张建容

摘 要：超大直径盾构机主要面向长跨越、高要求的隧道工程，与传统隧道施工方法进行对比，具有施工安全可靠、效率高、质量好、环保要求严格等显著优势，是岩溶区隧道施工的首选方案之一。由此，根据南京某过江隧道工程施工内容来分析超大直径盾构机穿越岩溶区施工技术，明确技术应用要点的基础上全方位管控岩溶区域存在的各类施工管控问题，充分发挥当前工程的综合经济效益。

关键词：超大直径；盾构机；岩溶区

中图分类号：U445.3                               文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）05-0040-03

1 超大直径盾构机在岩溶区的施工优势

随着城市地下工程建设的不断推进，越来越多的城市开始采用超大直径盾构机技术来进行穿越岩溶区的隧道施工，其具有以下3个优势。

第一，超大直径盾构机可以突破难度较大的地层。由于岩溶地区地下空洞较多，隧道穿越的地质条件复杂，通常使用传统掘进方法难以突破，而超大直径盾构机可以通过施工时，调整掘进参数、改变注浆方式等手段来灵活应对不同的地质条件，获得更好的穿越效果。

第二，超大直径盾构机的安全性较高，施工效率更快。由于岩溶地区的岩溶溶蚀形成了地下空洞，使用传统隧道掘进方法在钻洞或者掘进过程中经常会出现垮落风险，使用超大直径盾构机可以有效地减少这类安全隐患，并可以在较短的时间内完成较长的隧道施工。

第三，与传统掘进方式相比，超大直径盾构机在穿越岩溶区施工时，碎屑、烟气、噪声等环境污染物大大减少，对当地环境影响较小，可以有效保护地质环境和生态环境[1]。

2 超大直径盾构机穿越岩溶区的项目工程概况

该隧道在前期设计当中盾构段长度管控在3 km，管内径13.3 m，外径14.5 m，若想要将超大直径泥水盾构机应用到其中提高施工效益，则要在正式推进挖掘工作之前设置一定的预留区域。当前工程在推进当中存在一段水下施工，水下施工段内岩层结构分布相对复杂，进而强调盾构机穿越阶段的方向管控以及岩层稳定性管控效益。图1为隧道纵断面示意图，图2为隧道横断面示意图。

从各项数据上来看，当前工程隧道内地质结构相对复杂，岩层分布不均的同时岩层所属类型稳定性较弱，并且对岩层周边进行调研还可以发现，是处在发育状态下的溶洞。这一岩层分布特性在增加施工难度的同时，也为施工流程的安全管控工作带来了较多的难题。从数据监测结果上来看，当前施工区域内灰岩中的洞穴出现率为27.3%，溶洞的高度在0.2～4.4 m。并且盾构机主要行进方向上途经大量地表建筑物，综合施工环境更为复杂。盾构机底部存在较大溶洞，溶洞的大小不一且位置难以确定，这将增加施工的困难和风险，容易出现盾构机栽头、整体下沉等严重问题，加上岩溶发育地段往往与断裂带相互叠加，增加了地下水流动的复杂性，水的渗透和冲刷的可能性增大，因此对盾构机工程提出更高的要求。

通过详细的勘探和调查工作，使用地质勘探技术，如地震勘探、地下水位监测等，了解地下情况，尤其是溶洞的位置和大小。此次施工采用注浆填充加固方法，但是施工中还存在强度差异性，使得掘进过程中容易出现盾构机刀具崩齿、偏磨，对盾构机的损耗较大。如果隧道轴线方向存在未处理的溶洞空腔，施工过程中的地层扰动可能会增加周边土体坍塌的风险，使得地表建筑物受到较大威胁。因此还需要施工单位能够提高重视，加强对施工人员的培训与教育，使其可以在施工过程中必须时刻保持警惕，严格按照相关规范操作，确保施工安全顺利进行，并且要进行地表沉降监测、应力监测等，可以及时发现和评估地表沉降情况，采取必要的补救措施[2]。

3 超大直径盾构机穿越岩溶区施工技术应用要点

3.1 施工准备

在制定施工方案之前，对过江隧道的岩溶地层进行详细的地质勘察与预测，确定地质条件，洞室稳定性和地下水变化等参数，以便在施工过程中采取适当的措施，并根据过江隧道的实际情况，选择合适的超大直径盾构机，考虑盾构机的适应性和性能，以确保施工的顺利进行。对于过江隧道这样的大型隧道工程，施工组织和安全管理非常重要，还需要考虑人员组织、施工时间安排、施工工艺流程等因素，确保施工过程中的安全措施得以落实，最大限度地减少事故风险[3]。

3.2 盾构机选型

3.2.1 主驱动伸缩摆动功能实现

在主驱动配置18个可伸缩油缸（伸缩量400 mm），使得盾构机的刀盘具有相对移动的能力，以此不仅可以满足岩溶地层刀具更换的安全、高效，还可用于极端情况下刀盘脱困。该功能保证了盾构机在施工过程中能够灵活应对地质条件的变化，提高施工的安全性和效率[4]。

3.2.2 刀具系列系统配置

需配置适合岩溶地层的刀具系列系统，刀具的选择应综合考虑地质条件、岩石强度和破碎性等因素，并进行针对性的调整，以提高刀具的寿命和开挖效率。例如滚刀载荷系统，通过可视面板显示滚刀上的负载，可准确的反应刀具的受力状态，从而大大提高施工的安全性。

3.2.3 开挖仓伸缩摄像头配置

岩溶区溶洞、断层、裂隙等特殊地质较为复杂，通过配置伸缩摄像头可以实时监测开挖面的情况，包括地质灾害风险的预警、地质结构和地下水情况等，确保施工的安全性和稳定性。一般摄像头最大工作压力为1 MPa，可进行360°旋转。

3.2.4 超前钻探及注浆系统

岩溶地层中可能存在不稳定岩体、溶洞等地质风险，为了充分了解地质情况并及时采取应对措施，盾构机应配置超前钻探及注浆系统。钻机安装在盾构机拼装机后部桥架上，钻杆可实现0°、8°、12°等3种角度的延伸，水平钻探距离至少可达25 m[5]。

3.3 地面预处理

3.3.1 岩溶分布探测

岩溶分布探测需要采用跨孔电阻率CT法和跨孔弹性波CT法两种方式对岩溶区进行探测，其中跨孔电阻率CT法是通过埋设电极和传感器，利用电流通过岩溶层进行测量，来获取岩溶地层电阻率分布情况。电阻率的变化可以反映不同地质层的存在，进而判断岩溶区的分布情况。跨孔弹性波CT法是通过布设传声器和震源，发送弹性波信号，通过接收信号的传播时间和振幅变化，反演岩层的声波速度和密度，进而推断岩溶地层的情况。在此次工程中，通过探测可以发现，岩溶发育的位置相对集中，可以分为4个主要的岩溶发育区[6]。

3.3.2 地面注浆处理

在具体的技术应用与管控方面，工程管理方可将地面钻孔钢花管注浆这类方式整合到其中，充分发挥盾构机械应用成效的基础上减少盾构机在运行当中遇到的各类阻碍性问题。由此要对盾构机行进方向以及临近施工区域的各类岩溶区域展开对应的故处理，平面管控方面则要根据前期处理方案，以梅花形为基准开挖孔洞，配合隧道施工需求推进注浆流程。之后根据隧道轴线走向以及施工区域周边岩层条件来向外延展7.5 m，垂直隧道轴线方向：隧道平面以上7.5 m，隧底基面向下延伸15 m。注浆材料采用水灰比1∶1的42.5级普通硅酸盐水泥浆，浆液比重为1∶0.5[7]。

3.3.3 钻孔封堵

在进行钻孔封堵时，需要采取一系列的施工措施以确保封堵效果和施工质量。先根据洞穴或溶洞的位置、大小和分布等因素，合理布置钻孔位置和孔距，以确保封堵效果，然后使用注浆设备将封堵材料注入钻孔中，实现地下空洞的封堵。在注浆过程中，需根据地质条件和封堵需求，调整注浆材料的比例和注浆压力[8]。

3.4 盾构施工

3.4.1 盾构机姿态控制

采用精确的传感器和仪器，对盾构机的姿态、位置和位移等参数进行实时监测和测量。这些参数的数据可用于控制盾构机的运动和速度，调整开挖方向，最大程度地避免地质风险和隧道崩塌等安全事故。在具体作业中，应该使盾构机相对于轴线为抬头状态[9]。

3.4.2 超前注浆

选择适宜的注浆材料，常见的注浆材料包括水泥浆、高岭土浆和有机胶体等，通过钻孔设备在盾构机前方的岩层或地质层进行钻孔，以便注入封固材料，然后利用注浆泵将注浆材料注入钻孔中，填充空隙和裂隙，形成稳定的封固体。同时控制注浆的压力和流量，保证注浆效果[10]。

4 结束语

岩溶地区地下空洞多、地层不稳定、岩溶水位变化大，因此必须通过合适的技术手段解决这些问题，确保盾构施工的安全、高效进行。依照工程实际推进效果来明确盾构机型号筛选方案，调控地面预处理细节的基础上优化前期设计阶段当中的各项数值管控方案，全方位发挥超大直径盾构在工程当中应用成效的基础上解决施工当中存在的各类质量问题。

参考文献

[1] 张英明.跟跑并跑领跑：中国交建超大直径盾构机的逆袭之路[J].施工企业管理，2023（5）：108-111.

[2] 李宁.浅谈超大直径盾构机穿越岩溶区施工技术[J].工程机械与维修，2023（1）：76-79.

[3] 刘福昌，林凤，马云鹤.超大直径盾构隧道首次穿越岩溶区[N].中国铁道建筑报，2021-11-02（001）.

[4] 陈述明，王伟，董昌领，等.我国自主研制超大直径盾构机掘进破千米[N].中国工业报，2020-11-13（001）.

[5] 杨雪冬.不同岩溶条件下盾构隧道受力数值模拟研究[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2022（6）：13-16.

[6] 金凤.国内实现超大直径盾构穿越岩溶区[N].科技日报， 2021-11-01（002）.

[7] 叶宇航，罗旭，刘健美，等.岩溶区大直径盾构隧道下穿机场飞行区不停航施工建设方案[J].城市轨道交通研究，2024，27 （01）：269-275.

[8] 王余良.岩溶区双模式盾构下穿建筑群的施工风险控制[J].建筑机械化，2017，38（06）：53-54.

[9] 杨永魁，张建.岩溶发育区盾构法施工技术探讨[J].现代城市轨道交通，2021（S1）：66-70.

[10] 唐冬云，陈培帅，黄威.盾构隧道岩溶地层处理及掘进施工控制技术研究[J].中国水运（下半月），2018（8）：215-216.