岩溶地区盾构施工风险及措施

岩溶地区盾构施工风险及措施

肖瑞冬

（中铁二院（成都）咨询监理有限责任公司  四川 成都）

摘要：城市轨道交通工程建设投资大、周期长，又位于城市繁华地段，交通繁忙、房屋管线众多；岩溶地区地质复杂多样，如溶洞、带压水、溶槽等不良地质，盾构施工过程中存在地表冒浆、沉降坍塌、刀具磨损大、盾体卡壳、螺旋机喷涌、渣土滞排、卡螺旋、卡闸门等风险，盾构掘进中需采取有效防范措施，减少施工带来的危害

关键词 岩溶地区 盾构施工风险  防范措施

岩溶强发育区由于部分溶洞中泥水混合物含量过高，遇到要穿越岩溶地层，如何正确处理溶洞问题，一直是地铁隧道工程施工过程中的难题，如果处理不好有可能出现与周边水系相连通而出现承压水顶穿洞壁，造成涌水的工程事故，也有可能会由于地基承载力不够、引发地基局部滑动甚至塌陷，出现不均匀沉降等问题，严重影响工程施工及周边环境安全。

1岩溶区盾构施工风险

1.1、盾构机栽头、陷落风险

位于隧道底部的部分溶洞，溶（土）洞在外力干扰下存在坍塌风险，尤其土洞，洞顶板稳定性差；若溶土洞位于盾构正前方，吞噬盾构开挖面平衡介质（土仓内的泥浆和渣土），如果溶洞顶部覆盖层不足以支撑盾构机重量，盾构掘过程中容易使盾构机下部土体不稳定而塌陷，盾构机栽头或栽入溶洞等，从而引发严重的安全事故。

图1-1注浆作业导致土洞坍塌                  图1-2盾构开挖面的溶洞                              

1.2刀具磨损大、盾体卡壳

本区间地层主要为微风化灰岩，强度高，造成盾构破岩本身难度大。岩溶区岩层布满了溶槽、溶沟、溶洞， 盾构掘进时开挖面凹凸不平；刀具易受轴向力、侧向力冲击，发生不正常损坏；滚刀无法形成 完整的轨迹线，破岩效果差，另外在低贯入度下，盾构机每掘进一环的时间较长，刀具长时间与岩面干磨，对刀具磨损较大，刀具、刀具螺栓、压块等处于长时间工作受震动易出现松动现象，进而导致刀具出现后退和偏磨等，可能发生盾构机偏移或卡壳等风险。

图1-3凹凸不平的开挖面和刀盘上下面不同岩石层面

1.3螺旋机喷涌

由于埋深大、岩石地层裂隙水发育，地层渗水系数较大，岩溶发育部分与上部覆土串通，地下水流通性强，掘进过程中部分同步注浆浆液流失，无法将管片后间隙填充密实。盾构机在岩溶段掘进时，由于掘进比较缓慢，地层中地下水进入过多到，使碴土过稀，流动性过大，使螺旋输送机内碴土的压降∆P很小，无法保持土仓压力从而发生喷涌。易造成“掘进-喷涌-清渣-拼装”的低效率恶性循环中，同时掘进过程中容易发生螺旋机喷涌，地层失水导致地表沉降较大且较为明显。

图1-4  螺旋机喷涌现象

1.4渣土滞排及卡螺旋、卡闸门

区间长距离穿越全断面微风化灰岩和岩溶段时，由于地层中、微风化灰岩强度高，岩石强度不一，造成盾构破岩本身难度大；岩溶区岩层布满了溶槽、溶沟、溶洞，盾构掘进时刀盘开挖面凹凸不平，刀具易受轴向力、侧向力冲击，发生不正常损坏；滚刀无法形成完整的轨迹线，破岩效果差，产生大小不均匀石块，大块岩块发生滞排，多次出现卡螺旋和卡闸门现象，滞排的岩块又损坏盾构机部件，严重的会造成螺旋断轴等风险。

图1-5高硬度大石块撞断搅拌棒             图1-6 大石块卡螺旋口

2、岩溶地区盾构施工应对措施

2.1 岩溶处理效果

（1）盾构施工前根据设计图纸要求，对已完成加固处理的岩溶段进行标贯检测和钻孔取芯检测，相关取芯的岩层充填的水泥块，强度及标贯值需满足设计值；

（2）盾构施工前，采取地质雷达对区间整体进行隧道边线范围的地质扫描探测，岩溶发育强的地段应进行扩大范围扫描，对存在空洞处进行注浆补强，减少因串联溶洞引起的浆液流失造成填充不完全。

（3）在岩溶强发育段，加固处理后再次采取补勘钻孔探测，在隧道平面单线三环一个断面，一个断面断面三个补勘孔布置，钻孔深度深入隧道埋深底部3-5m,并建立相应的钻孔芯样台账，对后期的盾构施工具有非常大的指导意义。

（4）盾构配置超前注浆和探测预留口，发现溶洞后需要进行填充和注浆处理，若地面不具备施工条件，可通过盾构机超前探测和超前注浆接入预留口对溶洞进行处理。

图2-1水平超前钻机及注浆管示意图

图2-2超前注浆系统示意图

2.2地表冒浆、沉降坍塌应对措施

（1）在冒浆、冒泡沫掘进过程时，应减小泡沫气体量，减小土压，保证匀速平稳通过，派有专人在地面进行24小时不间断巡视，值班人员在岗，及时应对突发情况。   

（2）加强施工管理，严格控制出土量，做好重量和体积双控，当出现超挖或者地下水超排时，及时停机进行地面注浆加固或超前注浆加固，并密切关注监测数据变化，避免引起周边环境风险。

（3）针对岩溶地层掘进，做好充足的应急物资及设备储备，在盾构上方地面设置移动围档，始终位于刀盘上方地面，在发现应急情况下能随时快速围蔽处理，防止发生塌陷时有人或车辆掉入，同时警示周边人员。

（4）如有条件的配置综合工程车，将所有抢险物资集成化，一旦发生沉陷等问题，可随时处理，大大提高了应急抢险的效率；警示周边人员，降低了对社会、对工程的影响。

（5）加强地面监测和隧道管片的检测，盾构机过后及时进行地上地下联合补浆，进行区间地质雷达扫描，监测空洞，规避风险。

图2-3雷达扫描图

2.3刀具磨损大、盾体卡壳应对措施

掘进过程勤快取渣样，根据不同的地层，适当的调整刀盘转速和推进速度，减少大块的涌入，调整泡沫发泡效果和刀盘转速，减小刀盘扭矩，速度可以的话，适当减小千斤顶总推力，保护刀具的使用寿命。

图2-4渣样分析

根据地质情况，不同的地层中要根据岩层硬度范围、单轴抗压强度及岩石矿物成分等综合分析，选择具有较好适配性的刀具或对刀具做针对性设计；施工过程中应加强刀具管理，在条件允许下勤开仓进行刀具检查，刀具检查更换等方面制定相关标准及制度，尽量避免掘进过程中刀具出现大批量的异常损坏。

对区间进行详细的地质补勘，找准隧道范围全断面硬岩的起点，并提前规划换刀地点，在盾构到达换刀点后停机，进行部分刀具更换，并对盾构机进行全面检修。

由于区间地质情况复杂，基岩对刀具的破坏不可预计，可能存在刀具磨耗远超预期而造成掘进困难、需要进一步开仓处理等情况,结合区间平面图及风险源概况多预设几个被动开仓点，开预定点进行提前的钻孔探测。

2.4螺旋机喷涌应对措施

  （1）地层稳定的情况下，可在恢复掘进前打开中盾球阀进行放水，每隔15-20环进行环向封堵，在管片背后进行深层注浆，确保管片背后注浆密实，无后方来水。

（2）自稳性好的岩溶复合地层采用气压辅助掘进模式：气压辅助模式是指利用空气注入到土仓内平衡渣土与地下水的开挖面。将空气注入到土仓内与仓内中下部渣土达到平衡。

2.5渣土滞排及卡螺旋、卡闸门应对措施

（1）微风化灰岩和岩溶地段硬岩强度不一，局部岩溶发育强烈，在掘进过程中，应减小刀盘贯入度，保持泡沫发泡良好，停机时土仓和螺旋径向孔适当的注入一些膨润土，增加渣样的润滑活易性，减少螺旋卡轴的风险。

（2）螺旋出渣时，降低螺旋转速，当有小卡时适当反转，严禁直接把螺旋扭矩调大最大脱困扭矩，防止石头直接卡死。

（3）确保渣土改良，减小推力，降低推进速度，减少大块的产生；减少螺旋机在土仓内的插人深度；降低较大石块与螺旋机卡死的概率。

3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；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，确保工期进度满足施工要求。

参考文献：

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        [2]周保江. 地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术研究. [J]建筑工程技术与设计2015（20）

        [3]刘民. 地铁盾构区间岩溶处治施工技术. [J]建筑技术开发 2016，43（1）：85-87

[4] 武卫星,朱 敏,郭晓刚.地铁工程穿越岩溶地区处理技术研究.人民长江,湖北武汉：2011