貴陽(yáng)喀斯特地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)及防范措施

莫偉平

（貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550081）

與傳統(tǒng)的暗挖法相比，盾構(gòu)法施工在施工安全、工程進(jìn)度、質(zhì)量保障、環(huán)境保護(hù)、投資等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［1]，因此盾構(gòu)法在隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。與全國(guó)其他巖溶區(qū)相比，貴陽(yáng)巖溶區(qū)具有地貌變化大、可溶巖分布范圍廣、軟弱夾層分布無規(guī)律、巖溶類型齊全、地下水分布復(fù)雜等特點(diǎn)。自2019年9月“黔進(jìn)一號(hào)”盾構(gòu)在貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線正式掘進(jìn)以來，已經(jīng)貫通的多個(gè)隧道區(qū)間出現(xiàn)不良地質(zhì)問題。盾構(gòu)施工存在盾構(gòu)栽頭、路面塌陷、建（構(gòu)）筑物沉降、管片整體上浮超限等質(zhì)量問題和安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)該線皂角井站—太慈橋站盾構(gòu)區(qū)間施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合已施工完成四方河路站—皂角井站盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施，并給出合適的掘進(jìn)參數(shù)，以供后續(xù)施工參考。

1 工程概況

1.1 線路走向

貴陽(yáng)市軌道交通3 號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱3 號(hào)線）南起花溪區(qū)桐木嶺站，北至烏當(dāng)區(qū)洛灣站。初步設(shè)計(jì)線路全長(zhǎng)43.03 km，途徑貴陽(yáng)4個(gè)行政區(qū)，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度100 km/h，建設(shè)期5年。皂角井站—太慈橋站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱皂太區(qū)間）為3 號(hào)線第13 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間。該區(qū)間出皂角井站后沿花溪大道中段向北敷設(shè)，先后側(cè)穿鳳凰灣人行天橋，下穿人民大道接花溪大道上下行匝道橋及人行地道。在即將進(jìn)入花溪大道北段時(shí)切入西北方向住宅區(qū)，并側(cè)穿滬昆鐵路太慈橋鐵路基礎(chǔ)，然后下穿青山小區(qū)等住宅樓群，最終進(jìn)入太慈橋站。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1400.945 m，平面最小曲線半徑為340 m。區(qū)間隧道最大縱坡坡度為34‰，隧道頂埋深14.0～22.3 m。皂太區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 皂太區(qū)間平面示意

1.2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)情況

皂太區(qū)間穿越地層主要是三疊系下統(tǒng)安順組和大冶組中風(fēng)化白云巖、石灰?guī)r。中風(fēng)化白云巖巖石抗壓強(qiáng)度26.09～77.99 MPa，平均值為45.38 MPa，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，地下水豐富，易造成刀具崩壞破損、螺栓松動(dòng)。中風(fēng)化石灰?guī)r巖石抗壓強(qiáng)度8.6～59.9 MPa，平均值為32.6 MPa，裂隙不發(fā)育，含泥量較大，易造成刀盤中心三角區(qū)及刀盤糊泥、刀具偏磨、渣土積倉(cāng)和滯排現(xiàn)象。皂太區(qū)間地下水水位埋深0.7～5.8 m，以潛水為主，局部為碳酸鹽巖巖溶水。

2 皂太區(qū)間盾構(gòu)施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)

2.1 巖溶發(fā)育地層中或破碎帶施工

根據(jù)皂太區(qū)間初勘資料，該區(qū)間共有鉆孔71 個(gè)，有14個(gè)鉆孔揭示有溶洞，鉆孔遇洞率19.7%。巖溶基本位于厚0.3～17.4 m 的覆土之下，屬淺覆蓋型巖溶，巖溶主要表現(xiàn)為溶隙、溶洞和破碎帶。溶洞主要以充填型和半充填型為主，充填物為軟塑～可塑狀黏性土，偶夾灰?guī)r碎塊。依據(jù)DBJ 52/T 099—2020《貴州城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》［2]判定為中等巖溶發(fā)育區(qū)。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)施工存在的風(fēng)險(xiǎn)為：①溶洞、空洞在隧道下方，盾構(gòu)穿越時(shí)極易出現(xiàn)盾構(gòu)栽頭風(fēng)險(xiǎn)；②溶洞、空洞在隧道上方，盾構(gòu)穿越溶洞時(shí)易造成地表嚴(yán)重沉降甚至坍塌；③溶洞、空洞在隧道兩側(cè)，盾構(gòu)穿越后易造成管片結(jié)構(gòu)變形；④盾構(gòu)在溶洞和破碎帶影響區(qū)掘進(jìn)時(shí)存在噴涌風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 下穿既有鐵路橋

皂太區(qū)間隧道側(cè)穿滬昆鐵路太慈橋18#—19#橋墩，橋墩基礎(chǔ)為漿砌片石基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)?；A(chǔ)距盾構(gòu)隧道最小水平凈距4.4 m，最小垂直凈距9.6 m。根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)下穿既有鐵路橋時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)為：因水平凈距較小盾構(gòu)姿態(tài)不好控制，盾構(gòu)侵入橋樁，甚至嚴(yán)重破壞橋樁，從而造成既有線沉降、開裂等。

2.3 盾構(gòu)小半徑曲線掘進(jìn)下穿密集建筑物

盾構(gòu)的極限轉(zhuǎn)彎半徑為250 m。盾構(gòu)始發(fā)后沿花溪大道掘進(jìn)，然后以340 m 小曲線轉(zhuǎn)彎半徑左轉(zhuǎn)下穿綠洲便捷酒店、車水路小區(qū)、升華汽配城、青山路老舊密集住宅平房、青山小區(qū)等住宅樓群。存在的風(fēng)險(xiǎn)為：①盾構(gòu)姿態(tài)及管片變形不易控制，掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)、破損、滲透水現(xiàn)象；②盾構(gòu)進(jìn)入房屋密集的居民區(qū)，建筑物可能會(huì)沉降、傾斜，甚至倒塌。

2.4 硬巖中長(zhǎng)距離掘進(jìn)

皂太區(qū)間隧道全斷面穿越中風(fēng)化白云巖、石灰?guī)r，存在以下風(fēng)險(xiǎn)：①不僅盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，而且可造成刀盤磨損甚至損壞，致使掘進(jìn)效率降低、換刀次數(shù)增加、工期滯后；②刀具磨損后盾構(gòu)姿態(tài)較難控制，造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損。

2.5 下穿河流施工

皂太區(qū)間隧道下穿小車河。小車河寬約14 m，水深約3 m，河底距隧道頂板約5～7 m。該區(qū)段穿越的地層主要為中風(fēng)化白云巖，局部有強(qiáng)溶蝕區(qū)和破碎帶，盾構(gòu)通過時(shí)存在溶蝕區(qū)或破碎帶與小車河連通，導(dǎo)致大量涌水的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 富水巖溶區(qū)施工

盾構(gòu)在地下水豐富的巖溶區(qū)掘進(jìn)時(shí)管片脫離盾尾后經(jīng)常出現(xiàn)整體上浮，特別是在破碎又富水的巖溶地層中管片上浮現(xiàn)象更明顯，而管片上浮導(dǎo)致的管片錯(cuò)臺(tái)或管片連接薄弱處開裂、滲漏水等問題嚴(yán)重影響隧道施工和后期維護(hù)安全。

2.7 盾構(gòu)選型不當(dāng)和適應(yīng)性不足

盾構(gòu)選型不當(dāng)和適應(yīng)性不足會(huì)造成掘進(jìn)速度慢、刀具磨損嚴(yán)重、卡盾等風(fēng)險(xiǎn)。

3 盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)防控措施

3.1 巖溶發(fā)育地層中施工風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①通過補(bǔ)勘、詳勘孔進(jìn)行物探，對(duì)發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)區(qū)域使用超前鉆注一體機(jī)進(jìn)行注漿加固處理；②洞內(nèi)采用HSP（Horizontal Sound Probing）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)［3-4]核實(shí)地質(zhì)情況；③合理控制掘進(jìn)參數(shù)。及時(shí)總結(jié)區(qū)間前100 環(huán)的盾構(gòu)施工參數(shù)，同時(shí)根據(jù)類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)；④管片脫出盾尾后及時(shí)進(jìn)行二次注漿和加注封水環(huán)，防止管片上浮和噴涌現(xiàn)象的發(fā)生；⑤做好掘進(jìn)過程中的監(jiān)控量測(cè)。

3.2 盾構(gòu)下穿鐵路橋、建（構(gòu)）筑物風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①制定下穿方案，提前與產(chǎn)權(quán)單位辦理下穿手續(xù)；②在穿越鐵路橋段安裝預(yù)埋注漿孔襯砌環(huán)；③穿越前設(shè)置試驗(yàn)段，優(yōu)化施工參數(shù)；④盾構(gòu)穿越鐵路橋、建（構(gòu)）筑物前做好盾構(gòu)和刀具維修保養(yǎng)工作。

3.3 盾構(gòu)小半徑曲線段掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①盾構(gòu)掘進(jìn)過程中加強(qiáng)推進(jìn)軸線的控制，將預(yù)偏量控制在20～40 mm。根據(jù)推進(jìn)軸線情況進(jìn)行局部超挖。②嚴(yán)格控制盾構(gòu)的姿態(tài)，盡可能控制每次糾偏的幅度，堅(jiān)持“勤監(jiān)測(cè)、勤糾偏、小糾偏”的原則，蛇形糾偏量每環(huán)不大于6 mm。③適當(dāng)提高每環(huán)同步砂漿注漿量，保證注漿飽滿。

3.4 盾構(gòu)在硬巖中長(zhǎng)距離掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①盾構(gòu)始發(fā)選用質(zhì)量好的刀具，在刀盤正面選用耐磨性高、破巖能力強(qiáng)的鑲齒單刃和雙刃滾刀，在刀盤起弧區(qū)選用抗沖擊效果好的光圓單刃滾刀，并確保單把滾刀能承受250 kN 的沖擊荷載，啟動(dòng)扭矩23～25 N·m。②對(duì)盾構(gòu)刀盤和刀具進(jìn)行耐磨加固處理，通過刀具設(shè)計(jì)和材質(zhì)的增強(qiáng)，進(jìn)一步提高其耐磨性和適應(yīng)性。③盾構(gòu)掘進(jìn)過程中每0.5 h 在螺旋輸送機(jī)出土口測(cè)量渣土溫度。正常掘進(jìn)時(shí)渣土溫度在25～32 ℃，超過32 ℃要適度降低掘進(jìn)速度，渣土溫度超過36 ℃時(shí)要停機(jī)開倉(cāng)檢查更換損壞的刀具。

3.5 盾構(gòu)下穿小車河風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①通過補(bǔ)充地質(zhì)鉆孔和跨孔彈性波成像技術(shù)進(jìn)行物探，進(jìn)一步查清穿河段的地質(zhì)條件和覆土厚度；②下穿時(shí)向土倉(cāng)內(nèi)注入泡沫劑、膨潤(rùn)土、高分子聚合物等提高渣土的流動(dòng)性和止水性，避免因地下水壓力過大發(fā)生涌水突泥現(xiàn)象；③掘進(jìn)過程中加強(qiáng)盾尾密封油脂的注入、中盾與盾尾鉸接處的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證密封效果；④下穿時(shí)適當(dāng)調(diào)整同步注漿漿液配比，縮短漿液凝膠時(shí)間，必要時(shí)可通過管片預(yù)留注漿孔及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

3.6 地下水豐富的巖溶區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)防控措施

針對(duì)存在的管片上浮風(fēng)險(xiǎn)提出措施：①管片脫離盾尾后，從管片預(yù)留注漿孔開孔放水降低水壓；②掘進(jìn)過程中將盾構(gòu)垂直姿態(tài)控制在-50～-40 mm，以抵消管片上浮量；③采用AB 料雙液注漿系統(tǒng)，將同步注漿漿液初凝時(shí)間從原來4.0 h 控制為0.5 h，減少地下水對(duì)管片上浮的影響。

管片上浮風(fēng)險(xiǎn)防控效果見圖2。從圖2（a）可以看出：四方河路站—皂角井站區(qū)間左線掘進(jìn)過程中盾尾脫出后管片比拼裝完時(shí)上浮20～35 mm。從圖2（b）可以看出：通過使用AB 料雙液注漿系統(tǒng)注漿，增大每環(huán)同步注漿量、縮短漿液初凝時(shí)間后管片上浮情況得到很好控制。管片最大上浮量為19 mm，平均上浮量在12 mm左右，基本杜絕了管片上浮。

圖2 管片上浮風(fēng)險(xiǎn)防控效果

3.7 盾構(gòu)選型不當(dāng)和適應(yīng)性不足風(fēng)險(xiǎn)防控措施

①盾構(gòu)的選型要求。根據(jù)貴陽(yáng)巖溶區(qū)特點(diǎn)和施工經(jīng)驗(yàn)［5-7]，盾構(gòu)選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)總推力不小于4×104kN，主驅(qū)動(dòng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)額定扭矩不小于6000 kN·m，脫困扭矩7200 kN·m，最大轉(zhuǎn)速不低于3 r/min。盾構(gòu)采用主動(dòng)鉸接系統(tǒng)，并配置換刀撐靴。該盾構(gòu)具有可靠性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)推力大、不容易卡盾等優(yōu)點(diǎn)。②刀盤和刀具的選擇。針對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)和其他地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)［8-10]，盾構(gòu)刀盤采用6主梁6 副梁結(jié)構(gòu)復(fù)合式刀盤，刀具選用18 寸滾刀，正面刀間距不大于80 mm。刀盤整體開口率34%。刀盤配備：18 寸中心雙刃滾刀6 把，刀間距90 mm；18 寸單刃滾刀35 把，刀間距75 mm；刮刀43 把，邊刮刀12 把，超挖刀1把。③盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的選擇。主軸承密封采用外側(cè)4 道+內(nèi)側(cè)3 道唇形密封方案，滿足富水地層的使用要求。主驅(qū)動(dòng)由8 組馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由4 臺(tái)315 kW 液壓泵提供動(dòng)力，預(yù)留1臺(tái)液壓馬達(dá)安裝位置，能夠滿足中風(fēng)化白云巖、石灰?guī)r地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)要求，并具有較大扭矩儲(chǔ)備。

4 盾構(gòu)合理掘進(jìn)參數(shù)的確定及信息化施工

4.1 盾構(gòu)合理掘進(jìn)參數(shù)的確定

為確定貴陽(yáng)喀斯特巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工的合理參數(shù)，統(tǒng)計(jì)了已施工完成四皂盾構(gòu)區(qū)間類似地層中刀具磨損時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)，結(jié)果見表1。其中，除了第267 環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速為1.7 r/min，其他環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速均為1.5 r/min。

表1 四皂區(qū)間刀具磨損時(shí)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

由表1 可以看出：推進(jìn)油缸總推力在11 × 103～15×103kN變化，刀盤扭矩最大值超過2.5×103kN·m，推進(jìn)速度在15 mm/min 以下時(shí)單刃或雙刃滾刀出現(xiàn)磨損、崩刃等情況；推進(jìn)油缸總推力在10 × 103kN 以下，刀盤扭矩最大值大于等于3× 103kN·m時(shí)中心滾刀區(qū)出現(xiàn)刀盤糊泥等情況。

通過對(duì)已施工完成四皂區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)的分析可得：刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5 r/min，扭矩控制在2.0×103～2.5×103kN·m，總推力控制在11 × 103～13 × 103kN，推進(jìn)速度控制在15～20 mm/min 時(shí)刀具損壞程度最小，經(jīng)濟(jì)效益最高。

4.2 盾構(gòu)信息化施工

盾構(gòu)通過數(shù)據(jù)線將施工動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋給地面控制中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工的動(dòng)態(tài)管理。地面控制中心配置大數(shù)據(jù)系統(tǒng)或盾構(gòu)云系統(tǒng)。盾構(gòu)始發(fā)前在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)錄入?yún)^(qū)間軸線、高程、地面建（構(gòu)）筑物位置、風(fēng)險(xiǎn)源等詳細(xì)信息。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，辨別風(fēng)險(xiǎn)源，提出合理化建議。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以貴陽(yáng)軌道交通3號(hào)線皂角井站—太慈橋站區(qū)間盾構(gòu)施工為例，詳細(xì)介紹了巖溶發(fā)育地層中或破碎帶施工、下穿鐵路橋、盾構(gòu)小半徑曲線掘進(jìn)下穿密集建筑物、硬巖中長(zhǎng)距離掘進(jìn)、下穿河流施工、富水巖溶區(qū)施工、盾構(gòu)選型不當(dāng)和適應(yīng)性不足8 種喀斯特巖溶區(qū)盾構(gòu)施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量和安全問題提出了相應(yīng)的防控措施。

通過分析已完成盾構(gòu)區(qū)間及類似地層中的掘進(jìn)參數(shù)，給出了適合中風(fēng)化白云巖和石灰?guī)r巖溶地層的掘進(jìn)參數(shù)。通過信息化施工可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)管理，進(jìn)一步提升施工質(zhì)量和安全管理水平。