貴陽巖溶地區(qū)盾構(gòu)機(jī)配置的幾點(diǎn)思考

王春凱，張?jiān)龇?，?波

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200125）

0 引言

隨著施工工藝和盾構(gòu)法掘進(jìn)全套設(shè)備的不斷發(fā)展和完善，盾構(gòu)法隧道施工不僅能適應(yīng)大范圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，而且也能適應(yīng)不同用途和斷面形狀隧道的施工要求，使隧道能夠快速、安全而且高度機(jī)械化地修建。近二十年來，盾構(gòu)工法用于建設(shè)地鐵區(qū)間隧道得到了飛速的發(fā)展，盾構(gòu)法從最早的適用于均一軟土、軟巖地層或砂層及軟巖互層的地層條件，到后來的硬巖地層、軟硬交互地層等均有應(yīng)用[1]、[2]。盾構(gòu)技術(shù)在快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨諸多困難，尤其是在地質(zhì)條件較差處，如承壓含水層、上軟下硬地層、大直徑孤石等地層中，對盾構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)、盾構(gòu)隧道施工均帶來挑戰(zhàn)。

貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程部分區(qū)段將是貴陽地區(qū)首次盾構(gòu)工法應(yīng)用。通過前期對貴陽地區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等分析，經(jīng)綜合比選，選取了一定長度的區(qū)間隧道采用盾構(gòu)工法實(shí)施。

巖溶地區(qū)盾構(gòu)工法應(yīng)用的案例不多，相對可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少，也有一些工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[3]、[4]。黎新亮在長沙地鐵3號(hào)線穿越湘江溶洞區(qū)工程中探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、合理盾構(gòu)選型及施工應(yīng)對措施等控制工程風(fēng)險(xiǎn)[5]。郭志峰、楊育僧等人在工程實(shí)例中對巖溶地區(qū)巖溶處理、盾構(gòu)施工技術(shù)等方面做了嘗試與研究[6]、[7]。烏健通過有限元數(shù)值模擬對盾構(gòu)施工穿越巖溶填充區(qū)的力學(xué)性能進(jìn)行研究[8]。

貴陽地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，巖溶發(fā)育程度高，除此之外還遇到其他不良地質(zhì)條件，如上軟下硬、斷層破碎大等。在這樣的地質(zhì)條件下，采用盾構(gòu)工法施工地下區(qū)間隧道，面臨較多新的問題，其中盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的配置是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵因素之一。本文結(jié)合貴陽地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備配置作一定的探討。

1 貴陽地區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

貴陽市位于貴州省中部偏北，地處云貴高原的東斜坡，地形起伏較大，有山地、臺(tái)地與丘陵，河谷、槽谷和盆地，海拔最高為1 762 m，最低為1 006 m。根據(jù)前期貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程地質(zhì)勘察資料，區(qū)間隧道穿越的巖層主要為白云巖、灰?guī)r；局部為紅粘土、泥巖、砂巖，巖層的飽和抗壓強(qiáng)度范圍為30 MPa~58 MPa，承載力特征值范圍為2 000 MPa~5 000 MPa。

該工程沿線地表水系主要分布有花溪河、南明河、小車河、貫城河、市西河、環(huán)溪河（松溪河）等。沿線水系均屬烏江水系，呈羽狀分布，流域地勢西南高，東北低，由于地勢高差大，切割強(qiáng)，自然景觀垂直變化明顯。

地下水按不同介質(zhì)主要有孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水三種類型，以巖溶水為主，主要為大氣降雨通過巖溶漏斗、溶蝕裂隙滲入補(bǔ)給，屬潛水，多以巖溶裂隙、管道形式賦存運(yùn)移，向地勢低洼地帶逕流排泄。

貴陽地區(qū)盾構(gòu)法區(qū)間隧道所遇到的不良地質(zhì)，除了巖溶之外，還主要有順層、上軟下硬及斷層破碎帶。部分區(qū)間隧道地層存在順層現(xiàn)象，巖層傾角普遍在15°~50°之間，個(gè)別位置巖層傾角在70°~80°之間，巖層分布呈硬夾軟現(xiàn)象，在地下水動(dòng)力、重力等作用下，開挖面易產(chǎn)生順層剪切滑動(dòng)。部分區(qū)間隧道穿越地層為上軟下硬地層，上部為紅粘土，下部為中風(fēng)化白云巖。部分區(qū)間隧道穿越斷層破碎帶，其巖體破碎，強(qiáng)度不均勻，穩(wěn)定性差，在開挖掘進(jìn)的過程中對工程存在一定的影響，且有可能是富水通道，存在涌水的可能。

2 貴陽地區(qū)巖溶風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)對貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程初勘資料的梳理，隧道所處巖層主要以白云巖、泥質(zhì)白云巖、砂糖狀白云巖、灰?guī)r等可溶性碳酸鹽為主。據(jù)鉆孔揭露，巖石常見溶隙及溶洞，全線713個(gè)鉆孔中見溶洞的鉆孔60個(gè)，鉆孔見洞率為8.42%。其中大于1.0 m的溶洞有48個(gè)，其余溶洞≤1.0 m，最大溶洞洞高約5.0 m。溶洞主要以充填型為主，充填物為軟塑～可塑狀黏性土，偶夾灰?guī)r碎塊，少量為空溶洞。巖溶發(fā)育深度一般在10～20 m，部分超過20 m，巖溶主要沿?cái)嗝妗用?、不整合面發(fā)育。

上述3號(hào)線一期工程巖溶發(fā)育情況僅從現(xiàn)有鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)獲得，具有一定局限性。從貴陽市在建地鐵工程的巖溶發(fā)育情況來看，僅詳勘鉆孔的見洞率均超過25%，且在工程建設(shè)過程中，遇到未探明的鉆孔較多。由此可見，貴陽地區(qū)巖溶發(fā)育，給施工帶來較多的困難。

巖溶對工程的影響主要是地基承載力降低或喪失、隧道圍巖等級(jí)降低、隧道施工容易產(chǎn)生巖溶頂板塌陷，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)體下陷或姿態(tài)偏差大。當(dāng)盾構(gòu)施工遇到充水巖溶管道時(shí)，易發(fā)生較大涌水，且大量抽排地下水易產(chǎn)生地面塌陷等。

因此必須對巖溶進(jìn)行處理，結(jié)合其他城市盾構(gòu)隧道處理巖溶的經(jīng)驗(yàn)[9]~[11]來看，貴陽地區(qū)巖溶處理主要從事先探查、穿越過程中處理及穿越過后的后評(píng)價(jià)。

2.1 事先探查

在施工圖詳細(xì)勘察階段，除常規(guī)的地質(zhì)鉆孔布置外，針對巖溶區(qū)段需采用綜合物探、鉆探等綜合的勘探方式，兩者相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，針對物探掃描有異常的區(qū)段，應(yīng)采用加密鉆孔的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

在盾構(gòu)施工階段，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方式對前方巖溶情況進(jìn)行探查。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分別采用地面及洞內(nèi)兩種方式。

2.2 施工階段處理措施

依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的成果，以巖溶的狀況和性質(zhì)分為溶縫、溶槽、溶管和溶洞。針對不同的溶洞情況采取不同方式進(jìn)行處理后，盾構(gòu)再穿越施工。溶洞處理優(yōu)先采用地面處理方式，針對不同的溶洞情況，采取直接袖閥管注漿、吹砂或投碎石后注漿加固等措施進(jìn)行填充。若地面沒有處理的條件，通過盾構(gòu)機(jī)盾體上預(yù)留的超前鉆探通道，可對前方發(fā)現(xiàn)的溶洞進(jìn)行注漿處理。

2.3 巖溶段后評(píng)價(jià)

盾構(gòu)施工完后，利用盾構(gòu)管片預(yù)留的注漿孔，對巖溶進(jìn)行復(fù)查。若發(fā)現(xiàn)溶洞需要處理，利用預(yù)留注漿孔打設(shè)注漿管進(jìn)行注漿加固。注漿管采用Φ42鋼花管；漿液采用水泥漿（全填充型溶洞）或水泥砂漿（空洞或半填充型溶洞）。注漿施工完后，對注漿孔進(jìn)行封堵。

3 貴陽巖溶地區(qū)盾構(gòu)機(jī)配置

結(jié)合貴陽的地質(zhì)條件和水文條件，對貴陽地區(qū)盾構(gòu)機(jī)配置作一定的探討，主要是考慮盾構(gòu)機(jī)設(shè)備對于巖溶、硬巖地層、上軟下硬地層、斷層破碎帶等地質(zhì)條件的適應(yīng)性。

3.1 盾構(gòu)整機(jī)方案

盾構(gòu)整機(jī)方案主要有主動(dòng)鉸接方式和被動(dòng)鉸接方式。

主動(dòng)鉸接方式的優(yōu)點(diǎn)在于主動(dòng)鉸接強(qiáng)制調(diào)向力大，易于脫困及姿態(tài)控制；能夠?qū)崿F(xiàn)刀盤后退，方便換刀；更有利于實(shí)現(xiàn)小曲線轉(zhuǎn)彎，同時(shí)利于管片成型。主動(dòng)鉸接方式的缺點(diǎn)在于費(fèi)用較被動(dòng)鉸接稍高；鉸接油缸較大，對設(shè)備布置有些影響；實(shí)際工程應(yīng)用相對較少。被動(dòng)鉸接方式的優(yōu)缺點(diǎn)與主動(dòng)鉸接相對應(yīng)。

綜合其兩種整機(jī)方案來看，各有優(yōu)缺點(diǎn)，且對于貴陽地區(qū)盾構(gòu)法區(qū)間隧道施工而言均可適用。因此，建議根據(jù)貴陽地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)備廠家的設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、施工單位的操作經(jīng)驗(yàn)，綜合比選后確定其整機(jī)方案。

3.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具配置

在盾構(gòu)機(jī)的選型方案中，刀盤型式、刀具類型、數(shù)量，以及布置方法直接影響到刀具的使用壽命，進(jìn)而影響整個(gè)盾構(gòu)工程的安全性、經(jīng)濟(jì)型及效率[12]、[13]。刀盤從形式上來說主要分為輻條式、面板式，以及兩者組合的復(fù)合式刀盤。根據(jù)該工程地質(zhì)情況，盾構(gòu)穿越地層主要為白云巖、灰?guī)r，局部為紅粘土、泥巖，盾構(gòu)機(jī)面板建議采用復(fù)合式刀盤，以加強(qiáng)對地層的適應(yīng)性。結(jié)合管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，刀盤開挖直徑建議控制在6 450 mm~6 470 mm，開口率建議控制在35%左右。區(qū)間隧道主要穿越巖層為灰?guī)r、白云巖，多為中風(fēng)化，飽和抗壓強(qiáng)度大多不超過60 MPa，沿線地層起伏變化較大，廣泛分布有紅粘土層。因此刀具配置建議采用滾刀（單刃或雙刃）、刮刀結(jié)合的刀具配置，滾刀配置數(shù)量及間距綜合考慮其刀具的破巖能力。

3.3 盾構(gòu)機(jī)富水地層防噴涌

區(qū)間隧道施工勢必會(huì)受巖溶管道水、裂隙水的影響很大，針對富水地層的盾構(gòu)施工，要求螺旋輸送機(jī)需有防噴涌設(shè)計(jì)，以應(yīng)對施工中的噴涌[14]、[15]。在確保盾構(gòu)機(jī)盾體密封性的前提下，防噴涌主要從盾構(gòu)前方、盾構(gòu)后方這兩個(gè)薄弱點(diǎn)進(jìn)行設(shè)防。盾構(gòu)后方的防噴涌主要從盾尾刷著手，建議盾尾安裝三道密封鋼絲刷及二個(gè)油脂注入管道，以有效實(shí)現(xiàn)盾尾密封。盾構(gòu)前方防噴涌主要從螺旋輸送機(jī)著手，螺旋輸送機(jī)的防噴涌主要手段有以下三種。

3.3.1 安裝保壓泵碴裝置

保壓泵碴裝置理論上可實(shí)現(xiàn)帶壓出碴，防止出碴時(shí)的噴涌，但實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)頻繁堵管現(xiàn)象，堵管處理較為困難，影響掘進(jìn)效率。

3.3.2 安裝雙級(jí)螺旋輸送機(jī)

從理論上分析雙級(jí)螺旋輸送機(jī)大大加強(qiáng)了土塞效應(yīng)，加大了螺旋輸送機(jī)碴土抗水壓的能力，但雙螺旋輸送機(jī)影響螺旋輸送機(jī)的后退操作，當(dāng)需要檢修螺旋輸送機(jī)時(shí)較為困難。

3.3.3 單螺旋輸送機(jī)+雙閘門設(shè)計(jì)+聚合物改良+預(yù)留保壓泵接口

采用雙閘門的設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)生噴涌時(shí)可同時(shí)關(guān)閉雙閘門，配以聚合物改良渣土性能，加強(qiáng)螺旋輸送機(jī)的防噴涌能力，同時(shí)在螺旋輸送機(jī)預(yù)留了保壓泵接口，可加裝保壓泵，采用多種手段綜合處理防噴涌，但聚合物改良渣土費(fèi)用較高。建議采用單螺旋輸送機(jī)+雙閘門設(shè)計(jì)+聚合物改良+預(yù)留保壓泵接口方案，加強(qiáng)盾構(gòu)防噴涌措施，確保工程安全。

3.4 盾構(gòu)機(jī)巖溶處理配置

貴陽地區(qū)針對巖溶地區(qū)的特點(diǎn)，主要采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖溶處理措施。目前針對巖溶地區(qū)所采取的洞內(nèi)措施主要為利用盾構(gòu)機(jī)的超前地質(zhì)鉆進(jìn)行超前鉆探和洞內(nèi)注漿。故從盾構(gòu)機(jī)設(shè)備角度而言，如何確保超前鉆機(jī)布置和注漿設(shè)備配備是關(guān)鍵。

超前鉆機(jī)分為正面超前鉆機(jī)和周邊環(huán)向超前鉆機(jī)。在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮超前鉆機(jī)布置對于盾構(gòu)機(jī)的油缸、主機(jī)、鉸接系統(tǒng)等的影響，提前預(yù)留超前鉆的通道，并做好超前鉆預(yù)留通道與外界的密封裝置。在盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)力設(shè)計(jì)中，統(tǒng)籌考慮鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。超前鉆機(jī)的布置應(yīng)盡量均勻排布，鉆機(jī)的位置應(yīng)便于施工操作。

后配套臺(tái)車上配置超前鉆液壓泵站、儲(chǔ)漿罐、砂漿泵、高壓水泵、鉆探控制記錄儀器等設(shè)備，在需要的時(shí)候可通過超前鉆及上述注漿設(shè)備進(jìn)行洞內(nèi)注漿。

3.5 盾構(gòu)機(jī)防結(jié)泥餅

在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，因貴陽地區(qū)地層起伏變化大，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)遇到復(fù)合地層、斷層破碎帶或夾有泥質(zhì)軟巖的情況，刀盤面易結(jié)泥餅，會(huì)加大盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的刀盤扭矩，影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)。從盾構(gòu)機(jī)設(shè)備角度而言，防結(jié)泥餅情況主要從以下措施進(jìn)行改善：

（1）確保一定的開口率，且開口均勻，有較大中心開口；

（2）配備土倉高壓水沖刷系統(tǒng)，需要時(shí)可進(jìn)行前方結(jié)泥餅的沖刷；

（3）刀盤面板預(yù)留注入泡沫通道，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象時(shí)，可及時(shí)加注泡沫進(jìn)行渣土改良，改善前方土體流塑性。

3.6 盾構(gòu)機(jī)防卡盾

盾構(gòu)隧道穿越巖石地層，若盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不好，易出現(xiàn)卡盾，盾構(gòu)處理較為困難。從盾構(gòu)機(jī)設(shè)備角度而言，防卡盾主要從以下措施進(jìn)行改善：

（1）盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮一定的主機(jī)脫困及主機(jī)后退能力；

（2）盾構(gòu)機(jī)的盾體可設(shè)計(jì)成梭型結(jié)構(gòu)，利于主機(jī)順利通過；

（3）在盾殼上配備殼體潤滑孔，通過困難地段可注入膨潤土，減少盾殼摩阻力。

4 結(jié)語

貴陽地區(qū)將首次采用盾構(gòu)法施工地下區(qū)間隧道。本文通過對貴陽地區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，對貴陽巖溶地區(qū)盾構(gòu)機(jī)的配置提出思考及建議。主要得到以下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)整機(jī)方案可采用主動(dòng)鉸接方式或被動(dòng)鉸接方式。

（2）盾構(gòu)機(jī)面板建議采用復(fù)合式刀盤，刀盤開挖直徑建議控制在6 450 mm~6 470 mm，開口率建議控制在35%左右。

（3）刀具配置建議采用滾刀、刮刀結(jié)合的刀具配置。

（4）盾構(gòu)機(jī)采用單螺旋輸送機(jī)+雙閘門設(shè)計(jì)+聚合物改良+預(yù)留保壓泵接口方案，盾尾安裝三道密封鋼絲刷，以滿足盾構(gòu)防噴涌的要求。

（5）盾構(gòu)機(jī)配置超前鉆機(jī)及注漿設(shè)備，并預(yù)留超前鉆通道及密封裝置，以滿足盾構(gòu)機(jī)在巖溶地區(qū)進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探及洞內(nèi)注漿的要求。

（6）配備一定開孔率，配備土倉高壓水沖刷系統(tǒng)，刀盤面板預(yù)留注入泡沫通道，以防備結(jié)泥餅現(xiàn)象。

（7）將盾構(gòu)機(jī)盾體設(shè)計(jì)成梭型結(jié)構(gòu)，在盾殼上配備殼體潤滑孔，以便需要時(shí)注入膨潤土減摩，并設(shè)計(jì)主機(jī)脫困及后退能力，以防止卡盾。