孙国辉（中铁十六局集团有限公司，100018）
【摘要】本文结合工程实例，对岩溶地质条件下盾构掘进技术进行了分析和总结，以供后期类似工程项目的参考。
【关键词】岩溶；盾构施工；措施广州地铁九号线呈西东走向，经广州市花都区和白云区，线路全长20.1Km，浅埋岩溶强烈发育的地质条件下，在城区修建整条地铁线路，在国内尚属首次，暂无成熟的经验可循，存在极大工程地质风险。因此九号线工程建设及运营存在较大风险与不确定性，施工时，需首先对影响范围内的溶（土）洞进行处理，减少岩溶对盾构施工的影响，并选择合适的施工参数。本文就马鞍山公园站～莲塘村站区间盾构施工技术进行分析和总结。
1．工程简介
1.1工程概况广州市轨道交通九号线施工4标位于广州市花都区。本标段为两站两区间，分别为花都广场站、马鞍山公园站以及花都广场站～马鞍山公园站区间、马鞍山公园站～莲塘村站～清布站区间。
马鞍山公园站～莲塘村站左线里程范围：ZDK11+425.300～YDK12+631.350（长链7.633），总长1213.683m，右线里程范围：YDK11+425.300～YDK12+631.350，总长1206.05m。本区间段线间距为13m；纵断面为人型坡，最大纵坡9‰，最小纵坡2.965‰，区间隧道覆土最大厚度8.5m，最小厚度7m。
在ZDK11+798.047、ZDK12+277.633处分别设一处联络通道。
1.2地质情况
马莲区间隧道埋深较浅，其中隧道范围内，上软下硬占全长的20%，浅埋砂层占全长的68%，全岩占全长的12%。盾构隧道所穿越地层主要为炭质泥岩、灰岩、炭质灰岩残积土、砂层，部分隧道下部穿过灰岩，隧道下方基岩是石炭系中上统壶天群灰岩或石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩，灰岩中溶洞发育，见洞率为47.20%。
沿线揭露土洞钻孔有17个，土洞高度2.1～4.7m，平均高度2.9m，充填物一般为软塑状粉质粘土，局部为少量松散砂土。
线路附近揭露发育溶洞的钻孔有85个，埋藏深度在11～39m，洞高0.20～17.20m。
本区间隧道埋深较浅，隧底埋深为11.88m～15.6m。
沿线地下水稳定水位埋深0.98～8.30m（标高11.48～3.11m），初见水位埋深0.50～6.50m（标高13.52～4.91m）。地下水主要有四种基本类型，分别为上层滞水、孔隙水、溶洞（土洞）水和裂隙水。
2．对岩溶地区掘进的风险分析本区间岩溶较发育，且溶洞充填物一般力学性能较差，岩溶水丰富，地下水活跃，水文地质条件复杂，施工期间对溶洞、土洞充填注浆处理不当及止水失效将引起地面沉降塌陷及对周边环境的影响，严重时将造成邻近建筑物破坏，影响地铁施工安全，应引起足够重视。
根据土洞和隧道相对位置关系、土洞周围地层及土洞发育情况，土洞对盾构隧道的影响由有以下几种情况：（1）隧道上方的土洞，对盾构隧道施工影响，主要是由于土洞的存在，减少上覆土层的厚度，易发生冒顶泄气等事故，宜在盾构掘进前处理。
（2）对于存在隧道洞身范围的土洞，特别是比隧道直径小的，对盾构隧道施工影响很小，可以不予处理。
（3）对于隧道下方的土洞:一种是距离隧道底较近的，盾构掘进时，土洞坍塌，易造成盾构机载头，应在盾构掘进前处理；另一种是距离隧道底较远的，但土洞上方是砂层，无隔水层，盾构掘进时，砂层经振动后，土洞易发生坍塌，从而造成盾构机整体突然下沉，应在盾构掘进前处理。
溶洞距离隧道较深或有充填物，溶洞对隧道影响较小。但对于隧道下方无充填、且洞顶上部无隔水层的溶洞，盾构掘进施工时，易发生局部坍塌，应予处理。
施工中存在的风险主要如下：（1）溶洞影响地基、隧道的稳定性，且隐伏岩溶区岩溶裂隙水多具有承压性，隧道、基坑施工易发生突涌事故。
（2）采用盾构方案时，要求溶土洞处理必须完整，盾构机遭遇较大溶洞可能导致盾构机陷落事故，同时对周边构筑物产生不利影响。
（3）隐伏岩溶区岩溶裂隙水多具有承压性，隧道、基坑施工易发生突涌事故。
（4）本段所揭示到的溶洞大多数溶顶板较薄，若顶板被溶蚀或被破坏，易导致土洞形成和发展，影响运营期间的地铁工程安全和地面、周边环境安全。
（5）受基坑开挖、降水、开采地下水等活动的影响，会导致溶洞、土洞进一步发展，影响地铁本身及周边环境的安全。岩溶地区水文地质条件复杂，岩溶的发生发展对地下水敏感，受地下水影响范围大，也给运营期间的地铁保护工作带来困难。
（6）盾构法施工需对岩溶进行注浆加固。溶洞多具有连通性，溶洞规模和连通性无法预知，岩溶裂隙水多具有流动性，对于较大溶洞或互相连通的溶洞，注浆量难以控制、注浆效果难以保证，对投资控制和工期带来风险。
3．岩溶地区掘进的技术措施盾构机在溶洞发育区施工主要表现在：盾构机载头，土压力突然发生变化，推力明显减小，速度加快，刀盘扭矩变化异常，出土量明显减少。为保证岩溶地区的顺利掘进，在盾构机通过岩溶区之前首先要对溶土洞进行填充注浆处理，但深孔预注浆对溶洞充填物只能起到充填、挤密、劈裂和置换作用，难以在溶洞段形成连续均匀的加固圈或胶结体，注浆堵水未必能阻止地下水渗漏。因此处理完成后盾构在溶洞段掘进仍有可能遇到软硬不均的地层，以及硬岩、高压水、开挖面坍塌、刀盘结泥饼和喷涌等情况，为此盾构掘进溶洞段要采取相应措施。具体措施如下：
3.1盾构机改造选型由于本区间地下水丰富，岩溶地区裂隙水发育，隧道范围内上部大部分为砂层，极易发生喷涌现象，为了适应岩溶地区掘进施工，盾构机由以往的单螺旋机出土改造为2级螺旋机出土，有效控制喷涌现象。
3.2管片选型设计本标段最小曲线半径为400m，为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，采用左、右转弯楔形环，通过与标准环的各种组合来拟合不同半径的曲线或纠偏。
（1）楔形环为单面楔形，楔形量为38mm。管片外径6000mm；内径5400mm；管片宽度1500mm。衬砌环由1块封顶块、2块邻接块、3块标准块组成。
（2）管片连接衬砌环纵缝、环缝采用弯螺栓连接，其中每环纵缝采用12根M24螺栓，每个环缝采用10根M24螺栓。
（3）管片材料混凝土为C50高强混凝土，抗渗等级：P12，钢筋采用HPB235、HRB335。
（4）拼装方式衬砌环采用错缝拼装，一般情况下，封顶块的位置偏离正上方±18°，但必要（如在竖曲线段或进行竖向纠偏）时有极少数楔形环封顶块偏离正上方±54°。
（5）封顶块插入方式根据千斤顶2000mm的行程，封顶块先以不超过管片宽度4/5的位置径向推上，然后再纵向插入。
（6）同时为了保证岩溶地区成型隧道的安全，除封顶块外每环管片设计3个注浆孔（含1个吊装孔），以保证每环管片的隧道底部5点、6点、7点钟位置均有3个注浆孔（外缘注浆孔夹角72°），可根据监测情况随时补充注浆。
3.3施工过程控制（1）推进速度控制在穿越溶土洞段过程中，盾构推进速度不宜过快，以1～2cm/min为宜，推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，尽量防止破坏溶洞。
（2）土体改良在盾构穿越过程中，向前方土体加泡沫剂以改良土体，增加土体的流塑性。土体流塑性增加之后起到以下三个作用：使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确；确保螺旋机出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压，减少“泥饼”形成的机率；及时填充刀盘旋转之后形成的空档。
（3）出土量控制在岩溶地区掘进过程中，应将出土量控制在理论值的98％左右，避免超挖。
（4）管片拼装在盾构进行管片拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机前方应力减小，因此在盾构推进结束之后要立即拼装，防止正面岩体坍塌，对隧道和环境造成影响。
在拼装管片时尽量减少回缩千斤顶的数量，以满足管片拼装即可。在管片拼装过程中，应当安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，减少土体沉降。拼装过程中发现前方土压力下降，可以采取螺旋机反转的措施，即将螺旋机机内的土体反填到盾构机前方，起到维持土压力的作用。拼装结束之后，应当尽可能快地恢复推进，减少上方土体的沉降。
（5）盾构纠偏盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，因此在盾构进入溶洞段影响范围内之前，将盾构姿态尽可能地调整至最佳，并且保持良好的姿态穿越溶洞段，在穿越过程中，增加盾构姿态测量频率至每环2次，做到“勤纠、少纠”，减少单次盾构纠偏量和纠偏次数。
（6）管片壁后注浆①过溶洞段管片背衬注浆宜采用同步注浆和二次补充注浆相结合的方式。同步注浆采用水泥砂浆，必要的时候调整同步注浆浆液的配合比，缩短凝结时间，同时增大注浆量和注浆压力，二次补充注浆采用水泥一水玻璃双液浆。
②根据以往的施工经验，盾构穿越过后，原有隧道的后期沉降是一个长期的过程，因此在盾构穿越后必须进行跟踪注浆，跟踪注浆的注浆量和注浆部位必须根据监测数据进行合理确定。跟踪注浆采用双液浆，通过调整水泥水玻璃的配比参数，控制双液注浆的凝结速度，达到加固土体和加固充填溶洞的目的，防止管片外形成纵向水路通道。只有在通过后期长期监测显示本段隧道稳定后方可停止跟踪注浆。
（7）做好渣样分析和管理溶洞段掌子面及围岩自稳性较差和大量涌水，掘进中密切观察出土排渣量、渣土成分和含水量等，分析判断前方地层异常，做好盾构超前钻探和双液注浆加固溶洞地层准备。另外，严格控制出渣量，维持掘进速度与出渣量的相对平衡。
（8）信息化施工在盾构岩溶地区掘进过程中，根据需要将地面变形监测数据、隧道变形等监测数据迅速地传达给值班人员。跟踪监测时，现场监测人员和值班人员通过对讲机进行及时联系，技术人员对地面监测数据进行综合分析，得出结论及时通过电话传达给盾构工作面，以实时采取合理的措施。
4．结束语岩溶地区盾构掘进存在很大的风险性，盾构掘进技术控制尤为重要，同时还要采取必要的应急措施，把风险控制到最小。以马莲区间的工程为例，马莲区间左右线已经顺利贯通，隧道最大错台量10mm，漏水点共3个，管片与盾构机姿态比较最大上浮量为20mm，以上实例足以证明上述措施是可行的。本文为岩溶地区盾构施工积累了一些经验，也为后续类似工程提供参考。