地鐵盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)域技術(shù)研究

袁世金

（中鐵四局集團(tuán)有限公司 安徽合肥 230022）

摘要：巖溶地層主要分布在我國廣西、云南、貴州等地，由于地層的長期作用，易形成溶洞。地下巖溶的地層情況具有復(fù)雜性，不可預(yù)見性和危險性等特征，給地鐵施工過程中帶來了較大的困難和風(fēng)險。如果巖溶區(qū)域不加以預(yù)處理措施，盾構(gòu)施工過程中很可能會發(fā)生地表塌陷和盾構(gòu)機(jī)的突陷溶洞現(xiàn)象，給工程帶來巨大的施工危險和經(jīng)濟(jì)損失。本文根據(jù)巖溶的不同特征，對地鐵隧道穿越巖溶區(qū)域做了較為詳細(xì)的技術(shù)研究，以供參閱。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)；巖溶施工；技術(shù)研究

1技術(shù)特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)穿越巖溶前，首先必須探明溶洞的具體分布以及類型特征，確定溶洞所處地層位置及大小，避免方案措施制定的盲目性，為巖溶處理措施提供科學(xué)的依據(jù)。同時針對溶洞的處理，應(yīng)選用科學(xué)、有效的預(yù)處理措施，降低了施工風(fēng)險、減少經(jīng)濟(jì)損失的同時，還應(yīng)具有簡單實用，效率高，可靠性好，易于驗證及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，盾構(gòu)機(jī)穿越巖溶地層前，需對盾構(gòu)機(jī)作合理的適應(yīng)性調(diào)整，提高功效。最后以科學(xué)、合理的盾構(gòu)參數(shù)確保盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的準(zhǔn)確性及管片的拼裝質(zhì)量。

2工藝原理

巖溶地層特性與分布情況采用高密度電法及鉆孔取芯的方法。針對巖溶大小、分布及類型，并制定針對性處理措施，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)化、盾構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)定等一系列的技術(shù)措施，確保盾構(gòu)機(jī)快速、順利的穿越巖溶區(qū)，效果突出，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3施工工藝要點(diǎn)

3.1溶洞范圍、具體分布及類型的確定

采用高密度電法對巖溶區(qū)進(jìn)行勘測，確定溶洞的位置及形態(tài)，并形成準(zhǔn)確、可靠的巖溶分布平面及剖面圖。

另外在溶洞區(qū)域進(jìn)行探孔作業(yè)（孔距一般為3.5m×3.0m布置），進(jìn)一步確定溶洞的類型及與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系。根據(jù)探孔結(jié)果顯示出溶洞類型。

3.2溶洞處理方案

根據(jù)高密度電法、鉆孔取芯結(jié)果判斷巖溶地層特性與分布情況，并判斷溶洞大小及類型，根據(jù)溶洞與隧道的位置關(guān)系，確定處理范圍如下：

⑴隧道頂部溶洞：處理隧道頂部6m范圍內(nèi)溶洞。

⑵溶洞位于隧道洞身：處理隧道周邊3m范圍內(nèi)溶洞。

⑶溶洞位于隧道底部：處理隧底10m范圍內(nèi)的溶洞。

根據(jù)溶洞類型、特性，確定處理范圍如下：

⑴溶洞無充填或半充填類型時，且溶洞頂板與隧道底板距離小于10m，上至溶洞頂板以上1m，下至溶洞底板下1m采用預(yù)加固措施填充。

⑵溶洞全充填類型時，且溶洞頂板與隧道底板距離小于6m，填充溶洞頂板以上1m，隧底下5m范圍。

⑶溶洞洞高大于2m的無充填溶洞，采用高壓投砂法加固；半充填、全充填溶洞，直接灌漿處理；對于半邊狀、串珠狀溶洞，采用袖閥管注漿填充。

3.3盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性調(diào)整

⑴盾構(gòu)機(jī)的選型

針對巖溶地層地質(zhì)條件，投入的盾構(gòu)機(jī)應(yīng)具備以下功能：

①采用了高強(qiáng)度和剛度的刀盤結(jié)構(gòu)，能較好地避免在不均勻的地層中刀盤結(jié)構(gòu)變形。

②采用盤形滾刀、羊角刀和刮刀等相結(jié)合的復(fù)合式刀具布置，可以同時挖掘軟土和硬巖，各種刀具的高度經(jīng)過充分研究和精確計算，理論可以掘進(jìn)150Mpa巖層。

③考慮在掘進(jìn)過程中要經(jīng)常更換刀具，各種刀具都設(shè)計成背裝式，即刀具的拆裝都在刀盤后面的土倉內(nèi)進(jìn)行，非常方便和安全。

④采用泡沫注入系統(tǒng)，通過向刀盤前注入泡沫可起到降低溫度、減小阻力和刀盤扭矩，防止粘土結(jié)餅現(xiàn)象等作用。

⑵刀具的配置

巖溶地層主要采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，面板式刀盤，開口率30%，主要配置32把單刃滾刀、6把雙刃滾刀，40把刮刀，理論可以掘進(jìn)150Mpa巖層，同時適應(yīng)軟土地層。

⑶刀盤優(yōu)化、渣土改良及螺旋機(jī)改造

①由于巖層巖石直徑較大，為防止巖石卡住螺旋機(jī)，在刀盤開口處焊接鋼板格柵，降低刀盤開口率，控制進(jìn)入倉內(nèi)的巖石大小。

②通過注漿泵向掌子面、土倉內(nèi)及螺旋輸送機(jī)內(nèi)噴射含水量較大的泡沫，降低渣土的黏性，使渣土具有良好的流動性，防止巖石在倉內(nèi)形成泥餅，加快出土速度。注入的泡沫量一般為35L/m。注入泡沫劑和水可以冷卻刀具，同時可以減少刀具連續(xù)工作狀態(tài)下的磨損量。在泡沫劑作用下，增加刀盤作用在掌子面上的有效扭矩。

③增大螺旋機(jī)出土口直徑，防止巖石卡住出土口，避免出現(xiàn)無法出土、渣土堆積等現(xiàn)象。

⑷盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入巖溶地層，根據(jù)覆土厚度設(shè)置土倉壓力P。 P值應(yīng)能與地層土壓力和靜水壓力相平衡，設(shè)刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為PO，PO=γ·h（γ—土的平均重度，h—刀盤中心至地表的垂直距離），則P=K·PO（K—土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)）。

推力應(yīng)控制在1200t以內(nèi)、刀盤扭矩控制在1.5MN？m以內(nèi)，推進(jìn)速度控制在10～20mm/min、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.3～1.5r/min、注漿量控制在5方適當(dāng)提高水泥用量以縮短同步漿液初凝時間。

⑸盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在巖溶區(qū)正常掘進(jìn)過程中，因嚴(yán)格按已設(shè)定盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行推進(jìn)，同時還應(yīng)做好以下措施：

①控制好盾構(gòu)姿態(tài)，避免盾構(gòu)大幅糾偏、上浮、叩頭、后退等現(xiàn)象發(fā)生；

②保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，防止欠壓、過壓推進(jìn)，嚴(yán)格控制螺旋出土器出土量與盾構(gòu)推進(jìn)速度間的相互關(guān)系，防止過量出土或出土不足等現(xiàn)象發(fā)生；

③同步注漿要足量、及時，同時根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)、管片變形量等因素及時做好二次注漿。

④注意盾構(gòu)在曲線上推進(jìn)及盾構(gòu)糾偏。

⑤由于巖層段充盈系數(shù)變化，密切關(guān)注注漿壓力變化，以免因注漿壓力過大破壞盾尾密封。同時，應(yīng)勤打盾尾油脂，保護(hù)盾尾刷。

4結(jié)束語

隨著城市地鐵的發(fā)展，盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)域的可能性不斷增加。不同性質(zhì)的巖溶地層，施工所面臨的風(fēng)險等級、大小不一。因此，施工方法的選擇不可墨守成規(guī)、一成不變、照搬硬套。地鐵盾構(gòu)施工前，必須針對所處巖溶地層的地質(zhì)情況，做深入的技術(shù)研究，制定合理、靈活、有效的施工方案，降低施工風(fēng)險的同時，確保工期進(jìn)度滿足業(yè)主要求。

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