摘要：貴陽作為典型的喀斯特地貌，巖面起伏變化大，巖溶極為發育;表面的巖溶形態主要有容溝、溶槽、鷹觜巖、石芽和陡坎等;具有復雜性,不可預見性和危險性等特征。巖溶地區盾構施工容易發生地表塌陷和盾構機“栽頭”現象，處理不當會給盾構施工帶來極大的安全風險和經濟損失，因此就要重視盾構通過前的巖溶超前探測及處理工作。本文結合貴陽軌道交通3號線貴醫站～大營坡站區間工程實例，闡述了巖溶地區盾構施工針對前方巖溶的探測及超前處理，尤其是洞內超前鉆注處理方法;另外探討了典型巖溶地層沉降控制與噴涌防治方法，為盾構長距離下穿施工中探測、處理前方巖溶及重大風險管控提出有效的解決措施及建議。

　　關鍵詞：巖溶地層;超前處理;風險管控

　　一、工程概況

　　貴醫站～大營坡站區間線路出貴醫站后沿北京路、大營路、新添大道走行，側穿貴烏中路高架橋樁基、寶山北路高架橋樁基、人行天橋樁基及大量1～9層建筑物，下穿寶山北路過街地道、亞華小區、農資公司宿舍樓、沙河大溝、茶店大溝、大營坡批發市場及F7、F8斷層破碎帶等重要風險源，最后進入大營坡站。區間左線長1429.870m，右線長1444.411mm，線間距為14m〜17m，隧頂埋深約10.3m〜39.3m，整個線形為S型，最小曲線半徑為R=350m，縱向最大坡度為27.466‰的上坡。區間斷面均為標準斷面，雙洞單線隧道，無停車線、渡線;采用盾構法施工，共設置2座聯絡通道。

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　　二、地質水文

　　2.1工程地質

　　根據詳勘報告，本區間隧道覆蓋層主要為第四系雜填土層、紅粘土，下伏基巖為三疊系大冶組(T/1d)石灰巖，三疊系安順組(T/1a)白云巖及二疊系長興組(P/2c)石灰巖。隧道穿越地層主要為中風化灰巖，小里程穿越少量中風化白云巖。

　　2.2水文地質

　　區間線路范圍內地下水類型分為上層滯水和潛水。區間下穿大營坡批發市場段地下穩定水位埋深約3.7～6.2m，位于隧道拱頂以上9.6m～11.7m。

　　擬建工程區水文地質條件較復雜，地層賦水性差異較大，巖溶地區地下水受構造節理裂隙、巖溶洞(隙)及管道控制，分布不均勻，規律性差的特點，對區間隧道的開挖影響較大。

　　2.3不良地質

　　根據詳勘報告，擬建線路范圍內不良地質主要有:巖溶、穿越斷層。

　　1)區間范圍地層褶皺強烈，斷裂復雜，古巖溶地貌面起伏平緩，巖溶地質條件甚為復雜。擬建場區范圍內白云巖、灰巖廣泛分布，現狀地表為植被及既有路面及建(構)筑物，地表巖溶形態主要表現為巖層表面發育溶孔、溶隙、溶洞。地下巖溶形態主要以溶洞、溶溝(槽)、溶蝕裂隙為主，巖體內主要為溶孔、垂直溶洞(隙)、溶蝕破碎帶，發育形態呈單個狀或巖溶管道。溶洞被粘土或角礫充填，呈全或半充填狀態，局部為空洞。本區間勘察取孔58處，經鉆探揭露，遇溶洞(隙)鉆孔17個，遇溶洞率29.3%，為巖溶強發育區。

　　2)區間穿越F7及F8兩條斷層，斷層兩側巖體很破碎，巖溶較發育，均具有富水性。

　　三、工法比選研究

　　貴大區間初步設計采用礦山法施工。鑒于區間下穿寶山北路過街地道、亞華小區、農資公司宿舍樓、沙河大溝、茶店大溝、大營坡批發市場及F7、F8斷層破碎帶等多處風險源，且巖溶強發育，施工安全風險極高，節點工期無保證。在施工單位不懈努力及各方的全力支持、配合下，最終完成了貴大區間工法變更。對于礦山法、盾構法兩種工法應對巖溶強發育地質及大量風險源沉降控制做了大量研究工作。

　　(1)盾構機針對區間巖溶處理更靈活：根據以往類似地層盾構掘進實踐，區間巖溶地質可提前通過地面補勘和地面注漿進行處理;另外在盾構機生產或改造時可進行針對性設計，在盾構機前方加設HSP超前地質探測設備和超前注漿系統，可從洞內再次對巖溶進行探測和預處理，通過上述兩步盾構法施工能完全規避巖溶風險。

　　(2)盾構下穿斷層破碎帶措施相對較多，安全有保證：F7、F8斷層兩側巖體很破碎，巖溶較發育，均具有富水性。下穿前對盾構機進行全面檢修，重點對刀具、盾尾刷進行檢查、更換;掘進期間通過控制螺旋前端閘門開口率可有效防止噴涌情況發生;另外通過管片背后止水環及盾尾刷能有效防止地層水進入土倉及作業區。多項措施完全可以保證盾構安全下穿斷層破碎帶。

　　(3)提高刀具耐磨能力，控制換刀風險：選用由超硬耐磨合金制成的刀具，可有效提高盾構刀具和刀盤的破巖及耐磨損能力，在一定程度上減少刀具更換頻次。另外根據試驗段換刀實踐，換刀位置盡可能避開斷裂破碎帶、重要建構筑物等危險源，全斷面巖層換刀風險可以有效控制。

　　(4)盾構法施工在安全質量風險控制，周邊環境保護、減少擾民等方面更具優越性。

　　(5)采用盾構法施工對工作環境有很大改善：本區間隧道穿越地層主要為灰巖、白云巖層，若采用礦山法施工，爆破和冷開挖為主要開挖手段，均會產生大量粉塵污染，嚴重危害洞內作業人員身體健康。而盾構法施工因其機械化較高，大大減少了作業人員的投入;且渣土由開挖面進入土倉，再由螺旋輸送機排出，大大減少了粉塵污染，改善了作業環境。

　　四、盾構法巖溶補勘及處理原則

　　(1)采用先探查，后處理，再通過的原則。

　　(2)巖溶探查：優先地面探測、處理，洞內輔以HSP、超前鉆等地質預報及超前注漿處理。

　　(3)處理范圍：位于隧道結構外側5m范圍內的溶洞全部處理;

　　五、一般區段巖溶補勘處理

　　5.1巖溶補勘方法比選

　　貴大區間巖溶補勘前，對國內當前常用補勘手段進行了對比分析，具體情況如下;貴大區間巖溶補勘首先采用微動進行探測，異常區域采用鉆探進行驗證，對建構筑物影響的區域通過跨孔CT、管波進行探測。若個別區域仍無法實施的，后續通過洞內HSP進行超前探測。

　　5.2一般地段補勘

　　地面補勘較準確的查明巖溶空間發育分布情況，提供豐富的地質信息，為施工單位巖溶注漿治理加固工作提供依據，可極大的減少巖溶不良地質給盾構施工及后期運營工作帶來的巨大潛在風險。地面一般地段補勘采用綜合物探手段進行淺-中-深精細化勘察，淺部采用地質雷達方法，中深部以孔中物探為主(跨孔CT與管波方法)，復雜地質條件及復雜環境條件時采用微動新技術進行加密探測。具體如下：

　　1)淺層地質雷達探查

　　地質雷達測線沿隧道結構輪廓線外3m范圍內布設，測線間距3m，共計布設9條測線，在地質雷達成果圈定的不良地質體處進行鉆探驗證。

　　2)深埋巖溶探查

　　跨孔CT鉆孔沿隧道左右中線布設，盡量與詳勘鉆孔交叉布置，一般鉆孔間距20m，沿中線方向進行孔間物探詳查，跨孔彈性波CT觀測系統，每個鉆孔內均進行管波探測。

　　對于跨孔CT圈定的大規模溶洞采用鉆孔探邊或加密跨孔CT的方式對巖溶的發育范圍及規模進行探查。

　　鉆孔孔深為隧道結構底板以下10m，且滿足跨孔CT鉆孔深度(鉆孔深度=1.6*鉆孔間距)要求。當揭露破碎帶、溶洞時鉆穿破碎帶、溶洞并進入中等風化巖石內3m終孔。

　　斷層破碎帶探查，在隧道左右中線布設微動測線兩條，測點間距5m，探查斷層破碎帶具體位置及走向。

　　5.3下穿建(構)筑物段補勘

　　地面有建筑物段主要采用孔中跨孔CT、微動和洞內HSP超前探測相結合的勘察方案，具體如下：

　　1)下穿亞華小區段，根據實地踏勘情況，可實施鉆孔處則采用鉆探的方法，且應加密、加深鉆孔，結合跨孔彈性波CT從隧道兩側進行巖溶探測。

　　2)下穿農資公司小區段，根據實地踏勘情況，小區房屋不影響跨孔CT巖溶探測。

　　3)大營坡批發市場等區域由于地面情況較為復雜，無法實施鉆探，可采用微動探測法進行巖溶探測，在隧道左右線各布設一條微動測線，測點間距5m，探查巖溶空間位置分布情況。

　　4)大營坡批發市場局部因條件復雜確實無法進行地面探查的，則采用洞內HSP進行超前探測。

　　5.4地面處理

　　巖溶處理，以地面處理為主，地面無法實施段采用洞內處理。地面處理主要采用地面回填和注漿處理，具體處理方法如下：

　　1)勘探鉆孔間距3.0mx3.0m(遇到溶洞處則加密至2.5mx2.5m),利用勘探孔及加密孔進行處理。

　　2)對于全填充溶洞(需要處理的溶洞)處理采用壓力注漿的方法進行填充加固。

　　3)對于高度<1m的無填充或半填充，以及全填充(充填物強度較低的)溶洞采用純水泥漿進行靜壓式灌漿。

　　4)對于洞徑1～2m的無填充溶洞和半填充溶洞可采用水泥砂漿鎮充。對洞徑2～4m的無填充溶洞和半填充溶洞，先采用吹砂處理，后采用注漿加固的方法，漿液采用水泥漿。

　　5)對于洞徑大于4m的特大型無填充溶洞，可考慮先投碎石(5～10mm)，后采用注漿加固的方法。

　　6)溶洞處理效果檢測：按1%孔數進行抽查，且不小于3點，每個溶洞均要檢測一次。鉆孔取芯后做抗壓試驗，注漿固結體28d的無側限抗壓強度≥0.2MPa。不滿足檢查標準時，應對受檢查的溶洞加固區進行灌漿補強施工。

　　7)可以將補勘、驗證鉆探及注漿工作有機結合起來，采用邊探邊驗邊灌的方式，極大的提高工作效率，節約占道時間。

　　六、下穿建(構)筑物區段巖溶補勘處理

　　6.1洞內超前探測

　　當地面不具備處理條件時，可采用洞內探測來實現，對刀盤前方地質進行超前預報，采用HSP系統，該系統以滾刀破巖震動作為震源進行探測，結合前期詳勘、補勘地質資料，對刀盤前方巖層整體性和含水性進行實時探測、評價。根據貴大區間巖溶補勘結果和超前探測成果對比驗證情況來看，采用HSP超前地質預報系統基本與地面專項巖溶勘察作業成果相互吻合，準確率達80%以上，證實了HPS法準確有效。

　　6.2洞內超前鉆注處理方案

　　對于洞內超前探測新發現的溶洞，根據溶洞大小、位置、填充類型等因素確定是否需要通過超前注漿進行處理。盾構機搭載沖擊式鑿巖鉆機，利用盾構機已有的管片拼裝機的液壓泵站提供動力;同時在盾體周向設置8個超前注漿孔，前盾隔板設7個水平鉸接式超前注漿孔(通過中心回轉接頭上的編碼器+機械刻盤，實時定位并顯示刀盤開口位置，便于超前鉆機定位)，可實現鉆注一體化注漿工藝，洞內處理采取二次注漿輔助措施。

　　6.3洞內超前鉆注處理重難點

　　1)超前地質鉆機安裝在管片安裝機上，與管片安裝機管片抓舉頭相對180。位置，首先底座加工與安裝，底座鋼板為70mm厚，焊接在安裝機上，焊接過程中要間斷焊接，控制焊接件溫度，防止損傷到安裝機回轉軸承塑料保持架。

　　2)提前根據圖紙確定預留管道角度，鉆機轉進前把鉆機角度調整與預留管匹配對孔，同時轉進過程中關注參數變化和異響，保證角度正確。避免鉆機角度和盾構機預留管道角度不匹配，會造成鉆桿損傷，鉆孔失敗。

　　3)鉆機轉進時，嚴格控制鉆進參數，不能盲目進尺，鉆桿轉進要經常反復回拉鉆桿，保證鉆孔有足夠的擴挖量。防止造成鉆桿卡死、斷裂，影響后續盾構掘進。

　　4)對排渣球閥的出渣進行收集分析，進而確定地質情況，如巖溶和不良發育地層等。

　　七、巖溶地層盾構掘進控制措施

　　7.1盾構通過巖溶控制措施

　　1)通過洞內超前注漿對前方巖溶進行加固處理，處理效果經驗證滿足相關要求后，盾構方可掘進通過。

　　2)為確保螺旋輸送機出土順暢，加強對掌子面土體及土倉內渣土的改良。

　　3)加強土壓、出土量及注漿壓力、注漿量控制，防止超挖，減小對土體的擾動。

　　4)同步注漿量按理論建筑空隙的150%考慮;另外加強二次注漿，二次注漿采用雙液漿，每3環設置1道止水環。

　　5)下穿期間嚴控盾構機姿態，確保盾尾間隙均勻;另外通過加大盾尾油脂壓注量來防止漿液通過盾尾流失及地下水通過盾尾涌入作業區。

　　6)通過監控量測，并及時反饋信息，指導盾構巖溶超前鉆注加固施工，同時根據監測數據變化情況指導后續同類似盾構巖溶超前鉆注加固施工控制鉆進進度、注漿量等。

　　八、結語

　　綜上所述，典型巖溶區域盾構施工前，要根據巖溶發育程度，周邊環境及施工所面臨的風險，做好超前巖溶補勘及主動處理工作，靈活采用當前的探測手段，盡量探明巖溶的位置、大小及類型。根據具體情況采用地面、洞內兩種處理方式，并對處理效果進行驗證，最后盾構通過時加強管控，以有效降低巖溶地區盾構施工安全風險。

　　參考文獻：

　　[1] 孫秋元 地鐵隧道盾構穿越巖溶施工技術分析 [J]江西建材 2013(4)218-219;

　　[2]周保江 地鐵隧道盾構穿越巖溶施工技術研究 [J]建筑工程技術與設計2015(20)。

　　作者：萬海亮