喀斯特地貌盾构施工岩溶超前探测及处理研究

喀斯特地貌盾构施工岩溶超前探测及处
理研究万海亮
摘要：贵阳作为典型的喀斯特地貌，岩面起伏变化大，岩溶极为发育；表面
的岩溶形态主要有容沟、溶槽、鹰觜岩、石芽和陡坎等；具有复杂性,不可预见
性和危险性等特征。

岩溶地区盾构施工容易发生地表塌陷和盾构机“栽头”现象，处理不当会给盾构施工带来极大的安全风险和经济损失，因此就要重视盾构通过
前的岩溶超前探测及处理工作。

本文结合贵阳轨道交通3号线贵医站～大营坡站
区间工程实例，阐述了岩溶地区盾构施工针对前方岩溶的探测及超前处理，尤其
是洞内超前钻注处理方法，为盾构长距离下穿施工中探测、处理前方岩溶提出有
效的解决措施及建议。

关键词：岩溶地层；超前探测；钻注处理；盾构掘进
一、工程概况
贵医站～大营坡站区间线路出贵医站后沿北京路、大营路、新添大道走行，
侧穿贵乌中路高架桥桩基、宝山北路高架桥桩基、人行天桥桩基，下穿宝山北路
过街地道、沙河大沟、茶店大沟及大量1～9层建筑物，最后进入大营坡站。

区
间左线长1429.870m，右线长1444.411mm，线间距为14m〜17m，隧顶埋深约
10.3m〜39.3m，整个线形为S型，最小曲线半径为R=350m，纵向最大坡度为
27.466‰的上坡。

区间断面均为标准断面，双洞单线隧道，无停车线、渡线；采
用盾构法施工，共设置2座联络通道。

二、地质水文
2.1工程地质
根据详勘报告，本区间隧道覆盖层主要为第四系杂填土层、红粘土，下伏基
岩为三叠系大冶组（T/1d）石灰岩，三叠系安顺组（T/1a）白云岩及二叠系长兴
组（P/2c）石灰岩。

隧道穿越地层主要为中风化灰岩，小里程穿越少量中风化白
云岩。

2.2水文地质
区间线路范围内地下水类型分为上层滞水和潜水。

区间下穿大营坡批发市场
段地下稳定水位埋深约3.7～6.2m，位于隧道拱顶以上9.6m～11.7m。

拟建工程区水文地质条件较复杂，地层赋水性差异较大，岩溶地区地下水受
构造节理裂隙、岩溶洞（隙）及管道控制，分布不均匀，规律性差的特点，对区
间隧道的开挖影响较大。

2.3不良地质
根据详勘报告，拟建线路范围内不良地质主要有:岩溶、穿越断层。

（1）区间范围地层褶皱强烈，断裂复杂，古岩溶地貌面起伏平缓，岩溶地
质条件甚为复杂。

拟建场区范围内白云岩、灰岩广泛分布，现状地表为植被及既
有路面及建（构）筑物，地表岩溶形态主要表现为岩层表面发育溶孔、溶隙、溶洞。

地下岩溶形态主要以溶洞、溶沟（槽）、溶蚀裂隙为主，岩体内主要为溶孔、垂直溶洞（隙）、溶蚀破碎带，发育形态呈单个状或岩溶管道。

溶洞被粘土或角
砾充填，呈全或半充填状态，局部为空洞。

本区间勘察取孔58处，经钻探揭露，遇溶洞（隙）钻孔17个，遇溶洞率29.3%，为岩溶强发育区。

（2）区间穿越F7及F8两条断层，断层两侧岩体很破碎，岩溶较发育，均
具有富水性。

三、盾构法岩溶补勘及处理原则
（1）采用先探查，后处理，再通过的原则。

（2）岩溶探查：优先地面探测、处理，洞内辅以HSP、超前钻等地质预报及
超前注浆处理。

（3）处理范围：位于隧道结构外侧5m范围内的溶洞全部处理；
四、一般区段岩溶补勘处理
4.1岩溶补勘
贵大区间岩溶补勘前，对国内当前常用补勘手段进行了对比分析，具体情况如下；贵大区间岩溶补勘首先采用微动进行探测，异常区域采用钻探进行验证，对建构筑物影响的区域通过跨孔CT、管波进行探测。

若个别区域仍无法实施的，后续通过洞内HSP进行超前探测。

表1 常见岩溶补勘方法对比表
4.2地面处理
岩溶处理，以地面处理为主，地面无法实施段采用洞内处理。

地面处理主要
采用地面回填和注浆处理，具体处理方法如下：
1）勘探钻孔间距3.0mx3.0m(遇到溶洞处则加密至2.5mx2.5m),利用勘探孔
及加密孔进行处理。

2）对于全填充溶洞（需要处理的溶洞）处理采用压力注浆的方法进行填充
加固。

3）对于高度<1m的无填充或半填充，以及全填充（充填物强度较低的）溶洞
采用纯水泥浆进行静压式灌浆。

4）对于洞径1～2m的无填充溶洞和半填充溶洞可采用水泥砂浆镇充。

对洞
径2～4m的无填充溶洞和半填充溶洞，先采用吹砂处理，后采用注浆加固的方法，浆液采用水泥浆。

5）对于洞径大于4m的特大型无填充溶洞，可考虑先投碎石(5～10mm)，后
采用注浆加固的方法。

五、下穿建（构）筑物区段岩溶补勘处理
5.1洞内超前探测
当地面不具备处理条件时，可采用洞内探测来实现，对刀盘前方地质进行超
前预报，采用HSP系统，该系统以滚刀破岩震动作为震源进行探测，结合前期详勘、补勘地质资料，对刀盘前方岩层整体性和含水性进行实时探测、评价。

根据
贵大区间左右线洞内超前探测及对比验证情况来看，采用HSP超前地质预报系统
基本与地面专项岩溶勘察作业成果相互吻合，证实了HPS法准确有效。

HSP超前地质预报成果示意图
5.2洞内超前钻注处理方案
对于洞内超前探测新发现的溶洞，通过超前注浆进行处理，可在盾体周向设置8个超前注浆孔，前盾隔板设7个水平铰接式超前注浆孔（通过中心回转接头上的编码器+机械刻盘，实时定位并显示刀盘开口位置，便于超前钻机定位），可实现钻注一体化注浆工艺，洞内处理采取二次注浆辅助措施。

5.3洞内超前钻注处理重难点
1）超前地质钻机安装在管片安装机上，与管片安装机管片抓举头相对180。

位置，首先底座加工与安装，底座钢板为70mm厚，焊接在安装机上，焊接过程中要间断焊接，控制焊接件温度，防止损伤到安装机回转轴承塑料保持架。

2）提前根据图纸确定预留管道角度，钻机转进前把钻机角度调整与预留管匹配对孔，同时转进过程中关注参数变化和异响，保证角度正确。

避免钻机角度和盾构机预留管道角度不匹配，会造成钻杆损伤，钻孔失败。

3）钻机转进时，严格控制钻进参数，不能盲目进尺，钻杆转进要经常反复回拉钻杆，保证钻孔有足够的扩挖量。

防止造成钻杆卡死、断裂，影响后续盾构掘进。

4）对排渣球阀的出渣进行收集分析，进而确定地质情况，如岩溶和不良发育地层等。

5）超前地质钻机施工过程中需要进行长时间停机，做好保压、监测、二次注浆等措施，避免造成地面沉降。

5.4洞内超前钻注处理实施
1）为保证作业空间和作业安全，根据超前钻机的尺寸和钻进一根拆卸安装
时需要的场地，油缸行程1500mm-1800mm时停机。

中盾、盾尾注入膨润土，避免
长时间停机抱盾体情况。

2）先安装钻机角度调整基座，基座安装后，通过10T手拉葫芦把钻机安装
在基座上。

钻机安装完成后进行对控制柜调试，检查电路、液压系统、注浆系统
等是否正常。

3）初始仅启动冲击，关闭旋转，在岩面处凿出凹坑后再启动旋转，使超前
钻机以慢推进、小推力、低冲击状态下运行，实现“轻推轻打”，顺利开孔，并
低速钻进200～300mm。

4）快速钻进高冲击、回转，钻机快速钻进；快速钻进时严防卡钻，控制系
统根据回转扭矩，控制推进和冲击。

当回转扭矩大于设定值时，控制凿岩机停止
冲击，边回转边后退，并持续冲洗排渣。

回转扭矩降低后，凿岩机自动恢复前进
和启动冲击。

进退过程持续往返，直至回转扭矩恢复到正常范围，防止“缓变卡钻”。

5）根据钻进过程中揭示地质情况，主要通过钻进过程中扭矩等变化情况，
同时辅助渣样分析判定钻进地质情况，当施工钻进扭矩变小同时钻进过程中渣土
为黄泥浆时，判定施工钻进段为岩溶破碎区（溶洞）。

6）初始钻孔深度2-4米后，暂停钻进。

进入注浆状态，冲洗球阀切换至注浆，在已经完成的钻孔深度范围内预注膨润土，填充盾体与地层之间的缝隙。

7）完成膨润土填注后，冲洗球阀切换回冲洗状态，继续超前钻孔，直至达
到计划孔深，冲洗球阀切换至注浆，注浆的同时，钻机缓慢正向旋转，并在钻机
的整个行程范围内做进、退往复运动。

8）当注浆压力达到2bar并稳定后，将盾构隧道超前地质钻机后退到后止点，拆掉一根钻杆，钻机推进至前端，连接好前端钻杆后重复退钻杆操作。

直至钻头
已经退至之2-4米孔深位置后停止注浆。

9）注浆浆液主要采用水泥浆及双液浆。

注浆过程中主司机关注土仓压力变化，当发现土仓压力持续随着注浆增长，需要停止注浆，同时搅动刀盘，防止浆
液在刀具周边凝固，最后造成糊刀及刀具偏磨可能情况。

5.5超前钻注处理效果验证
注浆完成4-5小时后，重新针对已进行注浆加固孔进行钻孔检查，主要通过
钻进过程中扭矩及渣样进行分析注浆加固效果，钻孔2-4米主要是充填膨润土，
因此钻进速度较快，渣样主要为膨润土泥浆，根据钻进该孔钻进记录情况，钻进
破碎段（溶洞）显示出渣为中风化白云岩以及水泥块证明加固效果良好。

特殊情况可以通过再次进行超前地质预报对比未加固处理前的超前地质预报
效果。

本方法存在缺点主要为：岩溶破损带可能存在隔层，导致加固无法做到全
部充填饱满，超前地质预报反馈范围较加固范围更大，存在无法反应加固区域填
充效果的可能。

5.6施工完成后对比掘进岩溶段参数
针对加固段盾构复推后做好参数记录，及时与岩溶破损段（溶洞）施工参数
进行对比分析。

主要通过掘进推力、扭矩、速度等主要参数进行反馈。

六、盾构掘进控制措施
（1）通过洞内超前注浆对前方岩溶进行加固处理，处理效果经验证满足相
关要求后，盾构方可掘进通过。

（2）为确保螺旋输送机出土顺畅，加强对掌子面土体及土仓内渣土的改良。

（3）加强土压、出土量及注浆压力、注浆量控制，防止超挖，减小对土体
的扰动。

（4）同步注浆量按理论建筑空隙的150%考虑；另外加强二次注浆，二次注
浆采用双液浆，每3环设置1道止水环。

（5）下穿期间严控盾构机姿态，确保盾尾间隙均匀；另外通过加大盾尾油
脂压注量来防止浆液通过盾尾流失及地下水通过盾尾涌入作业区。

（6）盾构掘进通过后，根据监测情况，必要时利用盾构管片预留的注浆孔
再次进行补充注浆。

七、结语
综上所述，典型岩溶区域盾构施工前，要根据岩溶发育程度，周边环境及施
工所面临的风险，做好超前岩溶补勘及主动处理工作，灵活采用当前的探测手段，尽量探明岩溶的位置、大小及类型。

根据具体情况采用地面、洞内两种处理方式，并对处理效果进行验证，最后盾构通过时加强管控，以有效降低岩溶地区盾构施
工安全风险。

参考文献：
[1] 孙秋元地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术分析 [J]江西建材 2013（4）218-219；
[2]周保江地铁隧道盾构穿越岩溶施工技术研究 [J]建筑工程技术与设计2015（20）。