喀斯特巖溶地區(qū)盾構(gòu)法施工聯(lián)合探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

昌進(jìn)，李鵬飛，曾繁裕

（貴陽市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

隨著我國城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，地鐵成為城市交通的重要組成部分，城市軌道交通建設(shè)速度越來越快。盾構(gòu)法施工具有安全快速的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵區(qū)間隧道的修建，但針對(duì)貴陽特殊的喀斯特地貌和典型的山地城市特征，盾構(gòu)施工中解決不良地質(zhì)條件的問題尤為重要，需運(yùn)用各種探測(cè)手段進(jìn)行有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)專項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工。相關(guān)參考文獻(xiàn)中研究分析了一些探測(cè)技術(shù)對(duì)隧道巖溶區(qū)溶洞精細(xì)化探測(cè)研究，并取得了一定的成效。本文以貴陽軌道交通區(qū)間施工為例，對(duì)盾構(gòu)法施工過程中聯(lián)合探測(cè)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，提出合理可行的施工方法。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽軌道交通3號(hào)線一期工程董家堰站～中曹司站盾構(gòu)區(qū)間沿花溪大道由南向北敷設(shè)，線路兩側(cè)建（構(gòu)）筑物密集，主要下穿的建（構(gòu)）筑物有花溪十里河灘濕地公園地下停車場(chǎng)、騰龍灣小區(qū)、人行天橋、輸水管道、中曹司下拉槽、貴陽樞紐南西聯(lián)絡(luò)線上下行線鐵路橋等重要建（構(gòu)）筑物。區(qū)間范圍內(nèi)敷設(shè)雨水、污水、電信、電力、給水、燃?xì)獾戎匾芫€。區(qū)間全長(zhǎng)2 427.2m，隧道頂埋深范圍為4.8～11.5m，隧道最大縱坡為27.186‰，最小曲線半徑650m[6]。董家堰站—中曹司站區(qū)間平面圖見圖1。

圖1 董家堰站～中曹司站區(qū)間平面圖

1.2 地質(zhì)、水文情況

該區(qū)段處于貴陽向斜北部揚(yáng)起端近軸黔靈山溶蝕殘丘附近，位于貴陽溶蝕盆地北部，沿線地形地貌類型較為復(fù)雜，主要屬于溶蝕類型的丘峰谷地貌。

通過詳細(xì)勘察，區(qū)間穿越范圍內(nèi)主要為中風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，溶洞較發(fā)育，見洞率為24%，線巖溶率為0.5%，其中大于1.0m 的溶洞有24個(gè)，其余溶洞不大于1.0m，最大溶洞高約5.0m。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。

沿線地下水類型有潛水、基巖裂隙水以及巖溶水。根據(jù)線路地層巖性組合及地下水的賦存特征，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，沿線以巖溶水為主。區(qū)間沿線范圍內(nèi)巖土體滲透系數(shù)總體較小，變化較大，一般值0.066～0.23m/d，地下水位埋深1.0～3.0m，水位有一定起伏[7]。

2 盾構(gòu)機(jī)選型

該區(qū)間地處貴陽喀斯特地貌區(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜，因此，合理進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型、確定掘進(jìn)參數(shù)和選擇輔助工法，對(duì)控制巖溶地區(qū)地表變形顯得尤為重要。

2.1 盾構(gòu)機(jī)選定

結(jié)合本區(qū)間工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、隧道長(zhǎng)度及平縱斷面等設(shè)計(jì)參數(shù)、周圍環(huán)境條件、隧道工程籌劃及節(jié)點(diǎn)工期要求、宜用的輔助工法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等六個(gè)主要因素進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)備選型，采用地層滲透系數(shù)法、地層顆粒級(jí)配法、水壓法進(jìn)行綜合評(píng)判并邀請(qǐng)專家進(jìn)行論證，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)；盾體采用主動(dòng)鉸接梭形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配備超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、濃漿液膨潤(rùn)土系統(tǒng)和二次注漿系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)

2.2 影響盾構(gòu)掘進(jìn)的主要參數(shù)設(shè)定

選擇盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮的因素，主要包括工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境保護(hù)需求和盾構(gòu)機(jī)的基本狀況，主要參數(shù)包括土倉壓力、刀盤推進(jìn)速度、刀盤推力、刀盤轉(zhuǎn)速等。在該區(qū)間施工前充分研究分析地質(zhì)詳勘報(bào)告，結(jié)合巖體單軸抗壓強(qiáng)度、隧道埋深、地下水含量等指標(biāo)確定理論掘進(jìn)參數(shù)；在盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)段、不同地質(zhì)條件及地質(zhì)變化段、上軟下硬、巖溶發(fā)育地段、穿越建（構(gòu)）筑物時(shí)建立試掘進(jìn)制度，進(jìn)一步通過渣土改良情況、出土量控制、監(jiān)控量測(cè)等驗(yàn)證參數(shù)的合理性，從而確定最佳掘進(jìn)參數(shù)。同時(shí)通過控制盾構(gòu)掘進(jìn)貫入度，做好刀具磨損的控制，通過開倉檢查及換刀以減輕盾構(gòu)機(jī)刀具磨損，以控制地表變形[9]。

通過對(duì)本區(qū)間3236 環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)綜合研究分析?？偨Y(jié)歸納出同類地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，可供同類地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工進(jìn)行參考。幾種工況下盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 幾種工況下盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)

3 聯(lián)合探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

該盾構(gòu)區(qū)間主要采用洞內(nèi)HSP 超前地質(zhì)探測(cè)、洞外勘察鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)掃描、跨孔CT 等先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)技術(shù)手段，對(duì)地表及地質(zhì)巖體聯(lián)合探測(cè)研判，互相驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果，用于指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。對(duì)潛在地表脫空、溶洞、溶槽等情況提前進(jìn)行預(yù)注漿加固處理，最大限度地保證盾構(gòu)機(jī)順利穿越不良地質(zhì)區(qū)段。

3.1 電磁波CT法（跨孔CT）探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

本區(qū)間通過利用相鄰兩個(gè)地質(zhì)勘察孔進(jìn)行電磁波CT法探測(cè)地質(zhì)圍巖情況。采用EWCTPS軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合地質(zhì)勘察鉆探資料，繪制井間電磁波CT解譯成果圖，并進(jìn)行地質(zhì)分析解釋。通過對(duì)本區(qū)間內(nèi)地質(zhì)電磁波CT探測(cè)，共發(fā)現(xiàn)31處巖體破碎區(qū)、19處強(qiáng)溶蝕區(qū)。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，在盾構(gòu)機(jī)施工前對(duì)所揭示的溶蝕區(qū)提前預(yù)處理21處。后期通過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)變化分析及鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證了預(yù)處理效果較好。盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)，地表沉降在-10mm～+8mm 范圍，滿足-30mm～+10mm的控制值。區(qū)間隧道地質(zhì)電磁波CT解譯見圖2。

圖2 區(qū)間隧道地質(zhì)電磁波CT解譯圖

3.2 地質(zhì)雷達(dá)掃描探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

本盾構(gòu)區(qū)間沿線路方向布置3 條測(cè)線進(jìn)行掃描探測(cè)，共發(fā)現(xiàn)地表脫空6處，通過預(yù)先注漿處理后，再次進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，掃描結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)地表脫空沉降變形現(xiàn)象。該區(qū)間YDK23+625 處地表沉降出現(xiàn)異?！，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)異常點(diǎn)前后50m范圍內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行掃描探測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示：距離地表6～13m 段明顯脫空，13～18m 段繞射波雜亂，土體嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，異常大小約為8m×2m。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)對(duì)所揭示的脫空區(qū)進(jìn)行了預(yù)注漿回填處理，避免因盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)一步加劇地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)間隧道地質(zhì)雷達(dá)掃描圖見圖3。

圖3 區(qū)間隧道地質(zhì)雷達(dá)掃描圖

3.3 洞內(nèi)HSP反射波法地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的特點(diǎn)，利用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)刀盤切割巖石所產(chǎn)生的彈性波信號(hào)作為HSP 反射法預(yù)報(bào)激發(fā)信號(hào)，在隧道內(nèi)進(jìn)行空間陣列式數(shù)據(jù)采集，并通過繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)進(jìn)行反演解釋，揭示掌子面前方圍巖情況。按照盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)60m采集一次掌子面前方100m 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，遇到特殊地質(zhì)區(qū)段，加密采集頻率，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。HSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 HSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程圖

在右線盾構(gòu)掌子面YDK23+871 段前方100m 范圍內(nèi)采集的原始波形曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，繪制該區(qū)段HSP反射波法探測(cè)反演分析成果圖。探測(cè)范圍內(nèi)存在多處異常反射區(qū)。其中，YDK23+855—YDK23+847 及YDK23+832—YDK23+826 段存在較強(qiáng)反射異常，分析判定為圍巖溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎，異常核心區(qū)域存在發(fā)育巖溶，完整性和穩(wěn)定性差；YDK23+871—YDK23+868 及YDK23+811 段存在弱反射異常，分析判定為異常段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。通過實(shí)際鉆孔驗(yàn)證及開倉檢查驗(yàn)證了溶蝕裂隙的存在。在掘進(jìn)過程中，及時(shí)調(diào)整上述段掘進(jìn)參數(shù)及出渣量，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)，未發(fā)生地表沉降預(yù)警情況。

3.4 天然微動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

該區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至ZDK23+770 處，發(fā)現(xiàn)土壓突然異常升高至1.73bar，出土量達(dá)到115m3。隨后，ZDK23+800—ZDK23+850 段（刀盤前方30m）地表局部發(fā)生下沉現(xiàn)象，下沉量達(dá)10.5cm，部分瀝青面層破損，導(dǎo)致花溪大道臨時(shí)封閉一條車道。為及時(shí)消除隱患，立即停止掘進(jìn)，通過地質(zhì)雷達(dá)掃描、天然源微動(dòng)探測(cè)法和鉆孔驗(yàn)證方式進(jìn)行地表脫空和溶洞探查。對(duì)地表脫空部位進(jìn)行注漿回填。完畢后，通過天然源微動(dòng)探測(cè)法對(duì)回填效果進(jìn)行驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)采用剖面臺(tái)陣布置方式進(jìn)行微動(dòng)信號(hào)采集，在地表冒漿處布置一條微動(dòng)面波剖面，剖面長(zhǎng)50m，共11個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)間距5m，道間距2m，利用實(shí)際微動(dòng)信號(hào)中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視橫波速度信息。

通過視橫波速度剖面反映出該段地表至地下20m范圍內(nèi)介質(zhì)的視橫波速度的大小及變化情況。共發(fā)現(xiàn)兩處低速異常區(qū)，分別在ZDK23+805—ZDK23+813、ZDK23+826—ZDK23+833 兩段，均為溶蝕凹槽，且ZDK23+805—ZDK23+813 段溶槽呈高角度向下延伸，是由于溶蝕裂隙帶部分填充物流失導(dǎo)致?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置后，通過第二次微動(dòng)探測(cè)結(jié)果顯示該區(qū)域視橫波速度變化均勻，未見明顯低速異常區(qū)域，表明溶蝕裂隙帶已完全充填，地表變形得到了有效控制。

4 盾構(gòu)施工過程中的四階段管理方法

根據(jù)地表的特點(diǎn)及聯(lián)合探測(cè)結(jié)果，結(jié)合盾構(gòu)施工沉降規(guī)律及周邊地質(zhì)情況分析，將穿越過程按地表影響范圍分不同階段進(jìn)行沉降變形控制，針對(duì)各階段結(jié)構(gòu)沉降量控制指標(biāo)，制定相應(yīng)的控制措施。

從刀盤進(jìn)入地表影響范圍內(nèi)前5d 或臨近60m 為第一個(gè)階段控制。該階段根據(jù)地表聯(lián)合探測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整土倉平衡壓力，控制前期沉降變形。如果出現(xiàn)沉降量過大，立即采取提高土倉壓力，減小掘進(jìn)速度和控制出土量等措施加以控制沉降變形。

從刀盤進(jìn)入地表影響范圍為第二個(gè)階段控制。該階段主要利用同步注漿及地表超前注漿加固進(jìn)行控制，確保管片和周圍土體間隙填充密實(shí)、飽滿。一旦出現(xiàn)沉降量過大的情況，立即停止掘進(jìn)，穩(wěn)定土倉壓力，進(jìn)行同步補(bǔ)注漿處理。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證地表聯(lián)合探測(cè)處理結(jié)果。當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)值滿足要求后，方可進(jìn)行下一環(huán)掘進(jìn)。

穿越地表影響范圍完成5d 內(nèi)且盾尾拖出5 環(huán)管片為第三個(gè)階段控制。該階段主要通過管片二次注漿及地表補(bǔ)注漿加固進(jìn)行控制。二次注漿以壓力控制為主，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。若沉降值過大或未趨于穩(wěn)定時(shí)，必須停止掘進(jìn)，分析原因并采取有效的控制措施。當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)值滿足要求后方可復(fù)推。

穿越地表影響范圍完成5d 后且盾構(gòu)機(jī)完全通過為第四個(gè)階段控制。此階段主要采用地表地質(zhì)雷達(dá)掃描+天然微動(dòng)探測(cè)等先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)技術(shù)，對(duì)沉降值不能滿足控制值要求的地表及地質(zhì)巖體進(jìn)行探測(cè)判斷。根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)沉降量區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的跟蹤注漿加固，直至地表監(jiān)測(cè)值滿足要求為止。

通過對(duì)該區(qū)間穿越建（構(gòu)）筑物分四階段進(jìn)行控制，地表及建（構(gòu)）筑物變形得到有效控制，取得了良好效果。

5 結(jié)論

貴陽軌道交通3號(hào)線董家堰站—中曹司站盾構(gòu)區(qū)間于2020年11月開始盾構(gòu)始發(fā)，于2021年12月完成到達(dá)接收，施工過程中，對(duì)洞內(nèi)HSP超前地質(zhì)探測(cè)和洞外勘查鉆孔+地質(zhì)雷達(dá)掃描+跨孔CT+天然源微動(dòng)探測(cè)等先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行嘗試，盡可能消除地表異常區(qū)，有效地抑制了地表變形，確保盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)，充分驗(yàn)證了貴陽巖溶地區(qū)盾構(gòu)法施工對(duì)控制地層變形的可行性和可靠性。為貴陽地區(qū)后續(xù)盾構(gòu)施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，極大地提高了貴陽地區(qū)隧道施工機(jī)械化施工水平。在施工過程中總結(jié)了以下幾點(diǎn)，供后續(xù)同類工程參考和借鑒：

（1）施工前，應(yīng)對(duì)巖土勘察報(bào)告仔細(xì)研究分析，根據(jù)巖土特征判斷在擬建工程范圍內(nèi)是否會(huì)存在巖溶發(fā)育情況，運(yùn)用各種探測(cè)手段進(jìn)行有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

（2）應(yīng)對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物及地下重要管線進(jìn)行調(diào)查評(píng)估，特別是對(duì)盾構(gòu)區(qū)間施工影響較大的結(jié)構(gòu)需要核查準(zhǔn)確，以確保施工方案的可實(shí)施性；并在穿越建（構(gòu)）筑物前進(jìn)行試驗(yàn)段施工，提前模擬穿越是有必要的，為盾構(gòu)穿越施工提供安全保證。

（3）在喀斯特地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)施工，刀具磨損是在所難免的，要嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)貫入度；并有計(jì)劃地選擇停機(jī)開倉換刀位置，不同的地質(zhì)條件采取的換刀措施也不同，施工前要在直接開倉換刀、地層預(yù)加固換刀、降水加固后換刀、開挖或利用豎井換刀、壓縮空氣下?lián)Q刀等幾種方法間做好選擇，并經(jīng)過專家論證后實(shí)施，有利于盾構(gòu)機(jī)在特殊地質(zhì)中平穩(wěn)掘進(jìn)。

（4）根據(jù)圍巖變化，及時(shí)做好渣土改良、同步注漿、二次注漿、監(jiān)控量測(cè)等工作也是不可忽視的。還要建立洞內(nèi)外聯(lián)動(dòng)機(jī)制，早發(fā)現(xiàn)、早處置。