岩溶地层中的盾构隧道施工(终稿)

图-6 水平同步或斜同步的定发动收示意图
图-7 CT孔对布置图
1.4 探测成果综合分析判断
通过对钻探、高密度电阻率、深孔CT物探 勘察成果的综合研究分析，较深入地掌握了 溶洞及充填情况。
1.4.1 溶洞分布 探明的溶洞分布在左线（ZCK7+928－ ZCK8+019）91米、右线（YCK7+920－ YCK8+025）105米的区间内。溶洞分布主要特点 如下：
三、施工实况简述
1、溶洞地层加固
2005年11～12月按设计完成溶洞地层加固施 工，注浆时引起地面个别点上鼓，其余良好。
2、盾构掘进
（1）工期与进度
左线于2006年7月21日至8月8日共18天完成 岩溶段91米的盾构掘进，平均每天掘进约5米。 右线共用22天完成，平均每天掘进4.8米。
（2）掘进描述
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；针对一定强度及RQD的岩石， δ、ζ、C相当；则由上式知：破岩能力可视为仅由 刀间距S、贯入度P确定。贯入度在掘进时可调整， 所以，通过改进盾构机刀盘设计、减小刀间距即可 提高破岩能力。对80 Mpa以上的硬岩，刀间距应取 85 mm左右。
粘土 粉质粘土
半充填,粘性土 夹灰岩碎块 半充填,粘性土夹灰
岩碎块
半充填,灰岩碎块 空洞 空洞 粘土 空洞 泥炭质粘土
空洞
粘土 炭质粘土
粗砾砂 中粗砂 淤泥
灰岩碎块
图- 5 补充钻探钻孔布置图
1.3 电磁波深孔CT物探
CT相邻孔对间距5m，共27对，孔深35m，各 CT钻孔的终孔高程一般应基本一致，若在预定终孔 深度处为溶洞时，钻孔深入溶洞地板3m，孔径不小 于75mm。 CT剖面与地铁隧道中心线呈约70°斜交，使隧 道的勘察剖面间距加密为2.5m左右。实测工作中在 岩溶发育异常复杂地段另增加了5条CT剖面，故实 际共完成CT剖面27条，发射孔与接收孔的间距 26.1m，定点发射点数5个，各探孔内的动点观测间 距为1.0m，出现的异常特征加密定点发射点距与点 数，实测探测点1137个。
2.1.2 防止地表塌陷和过大沉降
隧道洞身周围3米范围内的溶洞要密实充填并注 浆固结，有利于建立土压平衡，防止坍塌；要对处 理区与外界开放连通的主要地下水裂隙通道进行封 闭，防止大量失水以减少地表沉降。
2.1.3 满足永久隧道结构的承载力、变形、防 水要求
溶洞填充物和灰岩承载力有很大的差别．通过对 地层处理，提高填充物的承载力，减小不同地层之 间的差异沉降，减少管片渗漏，以满足地铁正常运 营。
② 溶洞层间岩板厚小于3.00m为主，约占三
分之二，大于3.00m约占三分之一。裂隙发育，溶蚀 强烈，详见图-5 溶洞分布投影图。
图- 8溶洞分布投影图
1.4.2 溶洞充填物特征
① 根据钻进过程中钻杆下落、返水情况及芯样 特征综合分析判断溶洞的充填物及空洞、半充填、 全充填状况。 ② 大于等于3.50m的27个溶洞中，4个为无充填 物，占15%，其余均为半充填及全充填；小于 3.50m的140个溶洞中有72个无充填物，占51%。 ③ 溶洞充填物较为复杂，主要有粘土、中粗砂 、 灰岩碎块，岩屑等。根据充填物特征及其物理力学 性质，围岩的饱和单轴抗压强度，判断充填物及围 岩的承载力特征值 。
（3）在盾构机正面区设置了4个钻探 注浆孔，配置30米自动钻探钻机，可对 隧道断面内实施超前钻探地质预报与注 浆加固。 以上的改进，提高了盾构机的性能， 使用目前国内性能最优的盾构机施工。
3.2 主要掘进技术措施
① 严格控制盾构机掘进姿态 盾构机刀盘切削面地层软硬不均，方向不容易控制。按 照给定的容许偏差值进行控制，及时调整，保持正确姿态。 ② 对富水区域进行盾构内的超前钻探并采用双液浆加固 溶洞地层。 ③ 盾构机通过时如果水压大，启动保压泵装置，防止大 量失水以保证隧道上方建筑物的安全。 ④ 掘进时要判断掌子面的岩层和地下水量情况，当掌子 面岩层稳定，地下水量不大，开仓检查和更换刀具，必要 时采用带压作业。 ⑤ 足量同步注浆，并及时进行二次双液注浆，对地下水 通道进行封堵，稳固管片。
在探明溶洞分布的基础上，充分把握盾构机 及盾构法施工的特点，深入研究、优化，以确定 可靠、经济的施工图设计与施工方案。

二、关键技术的研究 应用与创新
1. 运用多种勘查方法，探明溶洞情况
分析目前可行的勘测手段，为切实探明溶洞的 分布与填充状况，拟定以钻探为主、多种方法综合 运用的探测方案。即： （1）高密度电阻率法地面物探 – 总体探查溶洞分 布。 （2）补充钻孔钻探 – 直观掌握溶洞及充填物状况。 （3）电磁波深孔CT – 在钻孔间加密剖切面勘查， 判断边界。 （4）综合判断后结合注浆孔在布置补孔探测。
1.1 高密度电阻率法物探
对YCK7+880~YCK8+035范围内纵向进 行探测，共设计物探剖面6条，剖面长均为 177m。每条剖面均有2个基点控制。 勘察的结果表明，本区地下有4处岩溶发 育区（见图-4）。据其成果将勘察范围划 分为5个区域单元进一步深入勘察。
图-3 高密度电阻率测量系统示意图
〈3-2〉 〈5-2〉
中粗砂层 硬塑~坚硬状风化残积粉质粘土层
〈7〉
岩石强风化带 岩石全风化带
〈8〉 〈9〉
岩石中等风化带 岩石微风化带
图-2 草～淘区间盾构穿越地层图
（2） 立项背景：
① 岩溶地层中采用盾构法施工国内尚属首次。 ② 盾构掘进中可能发生盾构机栽头、陷落；地层 大量失水、坍塌、严重沉降。 ③工后若发生严重差异沉降将使致隧道结构被破 坏。
2.1.1 尽量避免盾构机突陷等事故及隧道结 构后期沉降过大
盾构机本体重320吨，长8.2米，其重心在前部 3米处。掘进时隧道底部若突现大于3米的空洞或极 软弱地层可能致使盾构机栽头或陷落。 所以，关键是对隧道中线底部重点加固，利用 补充钻探孔并将注浆孔间距加密至2.5米，确保盾 构机不至陷落。 采用袖阀管水泥浆注浆加固。重点是隧底承载 力40～80Kpa地层及空洞区，处理深度为隧底5米。
岩溶地层中的盾构隧道施工
中铁一局集团有限公司
技术研发中心 城轨分公司
目
录
一、前言 二、关键技术的研究与创新
1. 运用多种勘查方法，探明溶洞情况 2. 溶洞处理的设计与施工 3. 盾构机性能的改进与掘进技术措施
三、施工实况简述 四、经济效益与社会效益 五、结语
一、前 言
图2-2 工程平面位置图
图-1
工程平面位置图
（1）项目概况
广州轨道交通五号线草暖公园～小北站区间， 在F1、F2两断裂带间地石炭系灰岩地层149.105m （YCK7+903.505－YCK8+052.610）范围内，详 勘阶段有7个钻孔揭示存在溶洞。但由于钻探孔间 距过大（约20m～40m），未能完整揭示溶洞的大 小、分布及充填物的物理力学性质。 经对草～小区间整体地质与环境的综合分析， 确定其区间隧道采用土压平衡盾构施工。 中铁一局总承包本项目的施工图设计与盾构 隧道施工。
2.3 溶洞处理加固设计与施工要点
（1）在已有补充钻探孔的基础上，仅在隧道中线加设密 布注浆孔40个，满足隧底中线2.5m即有一个加固点。 （2）以袖阀管注浆加固为主，注浆压力与注浆量双控制。 （3）大的空洞开300mm直径的孔，灌砂后注浆。 （4）全区先对周圈开放连通的裂隙通道封闭注浆，然后 处理中间区域，以确保注浆效果，减少注浆损失。 （5） 先加固水源一侧（靠近越秀山一侧），添加速凝剂， 以确保注浆效果。 （6） 先对无填充、半填充溶洞填砂处理，然后再进行其 他溶洞注浆填充处理。
3. 盾构机性能的改进与掘进技术措
3.1对盾构机设计的重要改进
为适应本区间困难的地质条件，对盾构机设计 作了以下重要改进。
（1）刀ຫໍສະໝຸດ Baidu驱动功率由945kw增至1200kw 并改善了扭矩特性曲线，使盾构机在较高转速 下扭矩得到较大提高。
图- 12盾构机扭矩特性曲线比较图
（2） 采用重型刀座及刀具，滚刀配置 到40刃，减小刀间距增强了破岩能力 。
总体上顺利通过了岩溶段的掘进。采取了控制 贯入量、加强同步注浆等谨慎掘进管理措施，但 总推力较大，刀具更换较多；推进过程中揭示总 体充填加固效果良好，未发生盾构机陷落，但隧 顶有局部坍塌发生；主要地下水通道得到封堵， 部分段落地下水还较大，掘进中予以及时注浆充 填封堵。
（3） 主要掘进参数
据盾构机PLC的记录，经归纳后可分为以下两 类： ① 硬岩及软硬不均区：土仓压力：0.5 ～1.1bar； 转速2.3 ～2.5rpm；贯入量10 mm/r左右；扭矩 2500 ～3200 KNM；总推力10000 ～13000 KN 。 ② 较软或全断面为充填物加固区：土仓压力： 0.6 bar ；转速2.0/rpm；贯入量25 mm/r左右；扭 矩2000 KNM；总推力7000 ～9000 KN 。
① 溶洞规模大但分布较集中。127个钻孔中有
70个钻孔揭示有溶洞，大小总计167个，其中大于 3.50m的27个，占总数量的16%；探到溶洞最大高度 18.30m（D02），最深溶洞底标高为-31.44；溶洞多 呈串珠状，层数为1～12层，以2～4层为最多。平面 上主要分于二、三、四区，占揭露到溶洞钻孔的 95.7%。在剖面上溶洞分布在标高为5.35～-31.44m 范围内，位于隧道结构顶板以上3米及隧道结构底板 以下3米范围内揭露到有溶洞的钻孔有56个，占80%。
2.1.4 全填充溶洞注浆扩散半径
当填充物为粘土、粉质粘土和泥炭质土注浆扩散半径 按照1～1.5m设计，填充物为砂、碎块按照3m设计。
2.1.5 检测重点
结合盾构施工特点，注浆加固效果的检测重点以及地 基承载力指标为主，加固体强度为辅。
经过反复研究、论证，确定了以上原则，突 破了初步设计全面加固、全面封闭的处理方案。 将原加密注浆孔236个减为167个且利用已有补 充钻探孔127个，设计注浆量由9380m3减为 5250m3。
所以，需对如何探明溶洞的空间分布、大 小及充填情况；溶洞处理的原则与方法；盾构 机与掘进技术措施等三个方面进行深入研究， 并组织精心设计、精心施工，以保证施工及运 营安全。
（3）研究课题与思路
① 采用有效勘察手段探明溶洞状态。 ② 研究确定溶洞加固的原则与方法，以经济、合理的 控制地层加固范围及质量。 ③ 针对性的对盾构机设计予以改进并制定适宜的掘进 技术参数，保证盾构施工及隧道安全。
1.4.3 地下水的赋存 本场地地下水的赋存方式及水力特性 为孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主 要赋存在第四系松散冲积层中。基岩裂 隙水主要赋存于基岩中的溶洞及裂隙中， 靠大气降水及上层地下水的补给，涌水 量大小及径流规律受地质构造及裂隙以 及岩溶洞隙的连通性控制。
2. 溶洞处理的设计与施工
2.1 溶洞处理的设计原则与重点
盾构破岩机理是：
滚刀在盾构机的推进千斤顶和刀盘旋转共同作用 下，刀刃滚动切入岩体，切入区产生裂纹，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。破岩能力由垂直力和滚动力组 成 （见图9-11）
图—9 垂直力分析
图--10刀间距示意图
图--11滚动力分析
垂直力 Vf = f（D，α，δ，ζ，S，P）
广州市地铁五号线草暖公园区溶洞分布图
线 线 线 线 线 线
溶洞 溶洞 溶洞
溶洞
图- 4 高密度电阻率法物探布线及探测溶洞分布图
1.2 补充钻孔勘探
在勘察区域内，分别在距离左右线隧道外 侧3m处、区间隧道中线上和左右两隧道中间 位置布置5列、25排钻孔。每一排钻孔的间 距约为5m， 布孔127个（其中技术孔37个）， 共计钻孔长度4109 m。（见图-5）。因隧道 底板埋深22.86m～24.30m，位于左右线区 间隧道中心线位置的两列钻孔设计深度原则 为35m，另外三列钻孔设计深度原则为30m， 有溶洞的钻孔要钻至溶洞底下2～3m。