浅谈岩溶地层隧道盾构法施工技术

1 引言

广州市轨道交通五号线其盾构隧道起始站点为草暖公园东段,隧道中间区段分别经过环市中路、环市东路、小北站，由于其经过繁华街市，地上交通非常繁忙。沿线多高层建筑物、民房、工厂、办公用房及交通桥涵等，如陶瓷大厦、秀山大厦、内环线高架桥等，并在越秀山下穿过，进入小北站 。

隧道右线起讫里程为：YCK7+750.300～YCK9+432.600，长度1682.300m； 隧道左线起讫里程为：ZCK7+748.311～ZCK9+436.800长度1680.138 m。

整个线路区间共计包括三部分曲线线路，而且经过实际测量，其最小线路半径为400米，最大纵向坡度为 20.323‰，每条线相互之间的距离则为13.0m～33.8米。地面高程为10.92m～50.50m，线路轨面埋深在20.4m～70m之间。

图-1 工程平面位置图

查阅相关资料，我们了解到，广州五号线草暖公园～小北站（草～小）区间线路全部由中铁一局中标，然后顺利完成相关线路设计、改造、施工。查阅勘探技术文件于技术资料，发现F1、F2两个断裂带之间一直处于灰岩地层149.105m（YCK7+903.505－YCK8+052.610）的范围内，有7个钻孔揭示存在溶洞。但是由于前期线路施工过程中，选择的隧道钻孔半径基本处于20至40米之间，整体过于偏大；因此不能够充分对线路施工过程中其溶洞大小、分布、物力学性质等进行仔细甄别与探究。

中铁一局中标成功之后，即可展开对该线路施工地质与环境进行整体地、综合性地分析与研究，进而确定科学、合理、有效的隧道（埋深22.86~24.30m）施工方案，即采用

土压平衡盾构对该区域及线路进行施工。上述施工方案在国际上并未有过先例，故而存在一定风险，且施工难度较大；采用上述施工方式容易导致具体施工过程中出现盾构机栽头、陷落等异常情况，进而导致地层出现塌陷、失水；假设上述异常情况非常巨大，导致出现严重地、差异较大地沉降，进而导致隧道结构破损严重。草暖公园—小北站区间隧道成功应用盾构法施工是我国地铁施工领域的一次大胆尝试，也是地铁施工技术的一次全新突破。

本篇文章重点针对岩溶地质、溶洞填充等相关理论概念进行深入学习与探究，然后结合实际案例完成对隧道盾构施工技术的仔细理解与认知，并进行深刻地推算与验证；最后针对穿越岩溶地质时，上述技术应该注意哪些问题，需要采取哪些急救措施予以纠偏；通过上述论证，希望能够对相关线路的施工产生一些重要提醒与借鉴。

2 溶洞探测勘察

该区间存在断裂、褶皱灯、地层软硬变化大等复杂地质构造，但关键是存在岩溶及溶洞问题。详勘资料MEZ3-GX-05、10揭示有溶蚀空洞，在MEZ3-GX-25、28和MEZ3-097 3孔揭示有溶洞；而且研究发现，溶蚀溶洞基本出现在隧道动身的上部或者下部，倘若不能够有效予以规避与解决，将会对整个盾构施工过程、施工进度、施工质量产生重要影响，进而导致部分线路施工出现停滞不前等异常现象。

但是由于前期线路施工过程中，选择的隧道钻孔半径基本处于20至40米之间，整体过于偏大；因此不能够充分对线路施工过程中其溶洞大小、分布、物力学性质等进行仔细甄别与探究。

2.1 高密度电阻率法物探

目的是根据本区各地层的物性特点利用高密度电阻率法对本区进行勘查，查清区内隐伏构造的产状、不良地质体的空间分布形态。为下一步的回填和注浆工作提供依据。

我们使用三极电测深排列装置予以进行科学、有效、合理地勘察，每一个电极之间的距离控制在3米左右。具体采样仪器种类比较多，我们此次选择的则是国内顶级的、先进的、高效的WDJD-2高密度电阻率测量系统。

2.1.1 测区岩溶形态

本测区岩溶发育可分为两个不同阶段，一个是发生在地质历史上石磴子组与测水组之间的沉积间断期的古岩溶；一个是发生在晚、近期的现代岩溶，它们的岩溶发育强度、空间位置和形态都有明显的差异。

a)古岩溶

本测区属于覆盖型石磴子组岩溶地段，其上部分为测水组砂页岩残余盖层的风化残坡积物。在石磴子组灰岩与测水组砂页岩之间的沉积间断期中，因地块隆起以致石磴子组灰岩裸露地表，古岩溶强烈发育。

古岩溶的主要发育在裸露灰岩的表面，在成了以溶沟、溶槽为主要形态的古岩溶；后因测水组砂页岩的沉积和覆盖，形成了隐伏于地下古岩溶面。

b)现代岩溶

图1 钻孔资料图

研究发现，本次测量区域的岩溶裂隙基本全部由灰岩表面发育而成，而且具有较高的倾角。在已施工的钻孔中，有6个孔见溶洞。洞高0.20～12.30m，溶洞层数多为2-7层，最多达12层（MEZ3-GX-25a号钻孔），最浅的溶洞顶板标高为5.35m，最深的为-28.60m。属岩溶发育程度中等。

勘察钻孔过程中，我们队岩溶裂隙进行仔细分析与研究，发现其主要特点就是：具有极强的风化溶蚀性，“顶板”厚度不大，基本以“串珠”形式予以显现。

由于岩溶裂隙的几何尺寸小，地球物理勘探成果中难于显示出单一裂隙所反映的异常，主要表现为灰岩表面的高电阻率向低电阻率渐变关系。

2.1.2 测区的地球物理探测依据

本场地的不良地质体主要有：第四系冲积层中的淤泥质土、发育在残积土中的软化土体和土洞、发育在灰岩中的岩溶洞隙及其中充填的软弱土体。与正常岩土在电阻率方面进行对比与分析，上述不良地质体则处于低电阻率模式。具体分析如下：

a)测区地表广泛分布为杂填土层，导电性不均匀，电阻率变化在30～2500Ω•m。

b)淤泥质土层为饱水层位，渗透性能差，处于缺氧还原状态，地下水的金属离子较丰富，具有明显的位移电流特征，属于低电阻体。

c)依据已有工程勘察资料情况，本区的地下水较为丰富，工程勘察钻孔也发现了溶洞、软化土层、充填流塑状土的土洞等各种岩溶痕迹。基于本区的地下水位埋深较浅，所以测区中的软化残积土、土洞和溶洞均不会是干性的，亦属于低电阻率的地质体。

d)致密块状的灰岩是不良导体，在电阻率上表现为高电阻率。

因此，如果本区某区域地层中存在不良地质体，如含水的淤泥层、软化的粘土层、土洞、溶洞，都会因为含水的原因，使得其呈现出强的导电性，相对于较稳定的岩土体而言，具体咋电性方面的体现则是电阻率较低。可见在本区开展物探高密度电阻率法探寻士洞、溶洞具备了物性前提，可依据电阻率的差异查明不良地质体的分布情况。

从本区实测数据来看，视电阻率在300~1000Ω•m的区域为基岩（石灰岩、白云质灰岩）的电性反应，小于250Ω•m的区域为第四系（填土层、冲积、洪积、残积、坡积层以及溶洞、土洞）的低电阻率反应，在基岩面以下的低电阻率反应也为不良地质体的反应。从岩土体的电阻率划分，本测区电性结构属于双层结构，上部电性层包括有各种冲积土和坡残积土等松散土体，均属于低电阻率地质体；微风化灰岩主要存在于下部电性层内部，而且其电阻率比一般的地质体要高很多。

针对YCK7+880～YCK8+035范围进行分析与勘测，我们累计设计6条物探剖面，而且每一个剖面长度基本都处于177米左右（具体参见图2）。每条剖面均有2个基点控制。

经过仔细勘测与观察，我们得出一下结论：本区域共计包括四处岩溶发育区；然后依据勘察结果予以进一步细化与探究，将其具体划分成5个区域进行深入研究与分析。

图2 高密度电阻率法物探布线及探测溶洞分布图

2.2补充钻孔勘探

勘察过程中，需要对钻孔位置及数量进行明确，具体原则则是：隧道中线正上方、左

右隧道中间正上部、左右隧道外侧3米位置处，共计对上述5列、25排位置进行钻孔；钻孔排间距一般为5米左右，共计布置124钻孔位置，其中包括37个技术钻孔；经过计算，其总钻孔深度达到4109米；（见图3）。经过勘测该区域隧道地板埋深处于22.86米与24.30米之间；此外，原则上在左右两线隧道中心正上方钻孔深度必须达到35米；其他三列钻孔深度原则上也必须超过30米；当钻孔区域出现溶洞时，还要持续钻孔至溶洞下方2至3米。

图3 补充钻探钻孔布置图

2.3电磁波深孔CT物探

查阅相关文献资料，CT物探具体原则则是，孔间距控制在5m左右，钻孔深度达到35米；此外，CT钻孔过程中其最终的孔高程基本一致；假设CT钻孔的终孔位置恰巧处于溶洞内部时，则必须继续进行钻孔，且必须超出3米以上的距离，上述CT钻孔规定的孔径必须超过75毫米。

为了保证剖面间距基本处于2.5米左右，则需将CT剖面与中线位置呈70°斜向交叉。具体勘察过程中，由于其岩溶发育存在极其严重的异常情形，故而在地段较为复杂的区域新增5条CT剖面；因此，完成上述工作共计需要27条CT剖面，而且接收孔与发射孔之间的距离控制在2.6米左右；本次实践过程中，明确5个定点发射区，然后在各个钻孔进行动态监测，各间距保持在1米左右；一旦出现异常情形，即可对其进行修正与变更，实测探测点11137个（见图4）。

图4 CT孔对布置图

2.4探测成果综合分析判断

通过对CT物勘、电阻率等参数进行综合分析与研究，进而能够深入理解与认知溶洞相关概念与理论，并对填充由了本质性地认识与了解。

2.4.1溶洞分布

研究发现，上述钻孔计70个钻孔内部有溶洞现象，大大小小的溶洞总数量约为167个；已知的溶洞主要分布于左边线路（ZCK7+928－ZCK8+019）91米、右线（YCK7+920－YCK8+025）105米的区间内（见图-5）。溶洞分布主要特点如下：

a) 溶洞规模大但分布较集中。124个钻孔中其中大于3.50m的27个，占总数量的16%；对上述溶洞进行计算与探测，发现最深约为-31.44m，最高约为18.30m（D02）；此外，溶洞整体呈“串珠”形状，最多包含12层，处于2至4层的溶洞占据绝大比例。上述溶洞主要出现在二、三、四区，占比高达95.7%。在剖面上溶洞分布在标高为5.35～-31.44m范围内；此外，在左右两线隧道结构顶板以下3米、以上3米，共计发现56个勘探钻孔出现溶洞现象，占80%。

b) 研究发现,溶洞层之间的岩板厚度存在差异,其所占比例也有一定差异;大于3米时,占比约为1/3;小于3米时,占比约为2/3.裂隙发育，溶蚀强。

图5 溶洞分布投影图

2.4.2溶洞充填物特征

a) 通过对钻杆下落是否异常、反水情况是否合理等进行综合观测与分析，进而对钻进

过程中其溶洞填充物、填充状态等进行综合判断。

b)研究发下，溶洞超过3.5米，其总共数量约为27个；其计有4个钻孔没有任何填充物，所占比例约为15%；其他均为全填充或者半填充状况；小于3.50m的140个溶洞中有72个无充填物，占51%。

c) 研究发现，溶洞内部填充物质比较复杂多变，主要包括砂石、岩屑、黏土等；通过对其具体构成与以及相互之间的配比，进而计算得出其抗压强度，并对该区域承载力等相关参数进行综合判定。

2.4.3地下水的赋存

本区域地下水的存储模式及水利特征主要由基岩裂隙水、空隙潜水两种形式构成；前者主要存在于溶洞或者岩石裂隙内部，水源基本全部来自于地上雨水等。

3 溶洞处理措施

3.1处理目的

3.1.1确保盾构掘进期间的盾构机安全

隧道底部的一些溶洞，其内部填充物质多为细沙或者淤泥，其整体承载力学特性极差，一般处于40至80Kpa之间；一旦发现类似现状，即可采取措施予以不强与修正，进而保证其承载力特性处于科学、合理、有效的范围之内，保证隧道盾构施工的顺利进行与开展，严禁出现任何形式的塌陷等异常情况发生。

3.1.2防止地表塌陷和过大沉降

隧道顶部的一些溶洞，其内部填充物质多为黏土或者淤泥，其整体承载力学特性极差，典型特征就是，上部软、下部硬；由于相互之间硬度存在一定差异，故而很难直接采用土压平衡掘进方式予以推进与开展施工工作；一旦发现类似现状，即可采取措施予以不强与修正，进而保证其承载力特性处于科学、合理、有效的范围之内，保证隧道盾构施工的顺利进行与开展，严禁出现任何形式的塌陷等异常情况发生。

3.1.3满足永久隧道结构的承载力、变形、防水要求

灰岩地层、溶洞填充物两者之间有着本质区别，两者的关键力学特性有着极大差距；相关技术与施工人员通过一些关键性处理与预防，进而保证整个区域承载力学特性足够强、且基本保持一致，尽量降低两个不同地层之间的沉降之差，保证相关区域不会出现严重的、影响安全的渗漏现象，进而保证地铁安全、科学地运行。

3.2处理措施

3.2.1无填充溶洞和半填充溶洞处理

当部分半填充或者无填充溶洞，其整体深度超过2米时；可在其周边半米左右位置，重新补钻一个Φ127毫米的投砂孔，按照相关规定对其进行填砂、灌浆处理，保证其力学特性加固。当深度小于2米时，一般直接采取灌浆处理方式予以加固。

3.2.2全填充溶洞处理全填充溶洞处理

溶洞的填充与加固主要通过压力注浆方式来完成，压力由低至高、反复进行灌注。

3.2.3注浆材科

周边孔：纯水泥浆＋速凝剂；孔：纯水泥浆。

3.2.4终止注浆

注浆终止的具体标准：注浆总量基本达到设计总量的80%以上，或者注浆终压达到设计终压。

3.3注浆加固效果检查

3.3.1检测方祛

具体检测方法，以钻孔取芯为主，抽水试验为辅。

3.3.2检测标淮

隧道周边加固范围：试块无侧限抗压强度≥0.3MPa；隧道中心加固范围：试块无侧限抗压强度≥0.5MPa；渗透系数≤1.0× cm/sec。

3.3.3检测结果

选择9个不同的检测样孔，相关参数指标均合格。

4 盾构掘进技术

4.1对盾构机设计的重要改进

中铁一局对现有的盾构机构进行优化与改进，采用了国内性能优异的盾构机进行施工，并根据现场情况，进行了重要改进。

4.1.1 针对硬岩的设计改进

岩石掘进机(TBM)可破除高强度的硬岩，但复合式盾构机要适应同时适应兼顾软弱差别大的地层，即一方面要有足够的开口率以适应粘性软土；滚刀数量将会受到一定，故而经过综合计算与分析，得到最佳滚刀数量。

4.1.1.1破岩机理的相关因素分析

1) 盾构破岩机理简单可描述为：刀刃切入岩石体内部，故而容易出现裂纹，

而轨迹相邻的两滚刀间裂纹达到相接或相近到一定程度，岩石即可崩裂破碎。滚动力、垂直力共同构成破岩能力。具体参见图6、图7、图8.

图6垂直力分析 图7刀间距示意图 图8滚动力分析

垂直力 Vf =f（D，α，δ，ζ，S，P）

Vf =D1/2P3/2[4/3*δ+2ζ（S-2Ptanα/2）] tanα/2

滚动力 Rf=Vftanβ=VfC

式中：δ--岩石单轴抗压强度；

ζ--岩石无侧限抗剪强度 ；

S—刀间距；

P—贯入度；

D—刀具外径 α—刀具刃角；

C—岩石切割系数；

β—合力夹角

上述各变量中：由于6米刀盘普遍采用17吋滚刀，几何尺寸相同，D、α、β稳定；针对一定的岩石强度及RQD，δ、ζ、C相当；则由上式知：贯入度P、刀间距S共同决定破岩能力。贯入度在掘进时可调整，所以，通过改进盾构机刀盘设计即减小刀间距即能提高破岩能力。对80 MPa以上的硬岩，刀间距应取85 mm左右。

4.1.1.2破岩能力因素分析

影响破岩能力的因素主要有：岩体的强度及RQD、刀具及刀刃的几何尺寸、刀刃切入岩体深度（贯入度）、相邻滚刀间距等。

当前阶段，6m直径的刀盘一般选择17寸的滚刀，其他具体参数基本一致。

而贯入度是在一定范围内可调整的参数。因此，刀距越小，则破岩能力越大。

4.1.1.3刀盘改进

根据经验公式计算并与同类工况类比刀盘正面区滚刀刀间距设为80㎜为宜，因此拟采用中心区双刃、其余单刃滚刀，共42刃。

由于原有刀盘结构问题，实际布置42刃很困难，因此最终决定采用重型刀座及刀具，滚刀数量设置为40刃，减小刀间距，大大提升其破岩能力。

图9 刀盘图

4.1.2 针对破岩效率的设计改进

盾构机破岩效率与贯入度、转速正相关，针对一定的岩体强度及RQD条件，提高贯入度与转速将加大盾构机的额定推力与扭矩。须对推力、转速、扭矩予以把握。

4.1.2.1 推力分析

因每把滚刀设计推力为26t，按42刃计总推力1092t，一般盾构机额定推力达3000--4000t，满足要求。

4.1.2.2 转速分析

滚刀在岩石一点上接触即推力施加时间过短不利于破岩，另外在一定的推力下转速高必将要求扭矩大。因此，设置转速不需过高，3转即可。

4.1.2.3 扭矩分析

盾构机在软粘性土、硬岩掘进中都有要求大扭矩的工况，扭矩在整机结构允许的情况下尽可能增大。

4.1.2.4 贯入度与推力、扭矩分析

贯入度是在一定范围内可调整的参数，针对一定的岩体强度及RQD条件其最大贯入度与推力扭矩相关。

由上分析得出盾构机改进的要点是：增大扭矩改善了扭矩特性曲线；减小刀间距。

4.1.3 针对盾构机扭矩的设计改进

4.1.3.1 扭矩相关因素分析

影响扭矩的相关因素有：电机功率、主轴驱动直径、泵站最大压力等。

4.1.3.2 改进措施

1）选择工作效率高的变频电机。

2）主轴承直径可选较大系列。

3）在原型机基础做以上改进均难实现，只有通过可加大驱动电机功率的措施。新机构将原设计功率由945Kw提升至1200Kw，且扭力特性大幅度提升。

图10 1200kw扭矩特性曲线图

4.1.4 其他改进

4.1.4.1提高整机密封工作压力至5bar适应较高水压。

4.1.4.2出土口设置双闸模式，并且预留可靠接口。

4.2掘进技术措施

4.2.1掘进面临的主要工程地质问题：

4.2.1.1断层多、岩溶发育：区间 ZCK7+900～ZCK8+050分布范围，其溶洞发育较为发达：荔湾单斜、广从断裂带、环市路断裂带花岗岩侵入体及麓湖断裂带依次排列分布，地下水丰富且静水位较高。易发突水、突泥现象、坍塌乃至盾构机陷落、隧道差异沉降等问题。

4.2.1.2硬岩段长、强度高：隧道穿越多种不同的地质模型；其中微风化花岗岩、石英砂岩、石灰岩最大约为81.6MPa、96.5MPa、112.7MPa；RQD多为80﹪，硬岩段长达1350米，对盾构机是一个考验。

4.2.1.3上软下硬、软硬不均突出：红层等地质存在遇水软化等现象；存在花岗岩球状风化体问题；上软下硬区段也分布较多。

4.2.1.3埋深大、水压高：隧道在越秀山下埋深70m，水压5bar。

4.2.2 根据上述地质条件及盾构法施工的特点需要解决以下问题：

4.2.2.1对岩溶、断层深入探明、确定加固原则、实施地面加固，确保盾构施工安全。

4.2.2.2改进盾构机设计，提高盾构机在硬岩、软硬不均、高水压地层的掘进性能。

4.2.2.3加强掘进技术管理，制定相应技术、监测措施。

4.2.3 掘进工艺要求及措施：

4.2.3.1硬岩掘进要据岩石强度达到到相当的推力，硬岩掘进时需克服的摩擦力不大，刀盘推力可逐渐加至8000-9000KN，转数2-3转；推力与转数要据扭矩显示数据、掘进实际速度调整适配。

4.2.3.2在上软下硬地层掘进至少刀盘边缘必须配置滚刀，正面区及中心区应配置齿刀。

4.2.3.3地层软硬不均时，其掘进姿态易出现偏差；及时对其进行纠偏是必要的。

掘进过程中保持上仰姿态。

4.2.3.4全部配置滚刀掘进时，及时检查刀具磨损状况并及时更换，必要时采用带压作业，确保刀具完好。

4.2.3.5若存水量较大，可启动泵进行排水，保证其安全性。

4.2.3.6足量同步注浆。

经现场实践，利用改进的盾构机不但顺利完成了草～淘盾构区间溶洞地层的掘进，在微风化花岗岩段亦表现良好。

结 论

本次盾构区间采用以钻探为主、其他多种方式为辅的综合方式，共同构建一种合理、有效的溶洞探测方案，通过对盾构法在岩溶地层施工工况作了充分分析，如：分析了盾构机的重心与可能发生陷落的条件及如何满足建立土压平衡的基本条件等。进而找到合理、科学的加固方案，既保证施工安全，又保证盾构机稳定、安全；此次，还对成熟的盾构机进行改进，大幅度提升其整体工作性能，既提高扭矩，又提升其破岩能力。

“岩溶地层盾构施工工法”填补了国内空白，在社会、经济、环境、节能等方面均取得了显著效益，在草～淘盾构区间应用仅直接成本节约就达到150万元。

参考文献

1 赵树德,等.高等工程地质学[M].北京:机械 工业 出版社,2005.

2 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西 科技 出版社,1997.

3 梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[M].北京: 中国 建筑工业出版社,1999.

4 GB-50157—2013,地铁设计规范[S].

5 张凤祥,等.盾构隧道[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

致 谢

经过近半年的努力与付出，毕业论文终于顺利完成，在此，我有太多要感激、感谢之人。

首先，对我的论文指导教师予以感谢。从最初论文题目选择、考题报告编写、初稿校核、最终定稿等一系列论文编写过程中，指导教师都给予我极大帮助与付出，没有老师的辛勤付出与汗水，我的论文将很难准时、保质保量完成。论文编写的每一个细节，老师都会给予我详细的分析与论证，并给出合理、准确的修改方向及建议；当论文编写陷入泥潭之时，其则会主动伸手援助，帮助我重新理顺论文结构、论点等相互之间的关系，并着重对某一项或者某几个问题进行深刻分析与阐述，然我豁然开朗，进而保证论文顺利完成。从刚开始进入学校，直至论文编写整个学习时间段内，导师都给我留下深刻的影响，并为我以后的工作、学习、生活打下坚实的“榜样力量”；老师严厉而又诚恳的治学态度、真挚热情的个人性格、博学多才的专业素养、无私无畏的个人品质等均对我造成极其深远的影响。老师谆谆教诲，传授我很多教学理念与教学方式，故而在今后的工作、学习、生活中，都将加倍努力、持续学习、不断创新，更好地回馈社会、回馈学生。

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