摘要：在实际的工程中，盾构施工具有一定的风险，特别是在穿越不良地址段的施工过程中，本文以衡阳市合江套湘江隧道工程为例，对盾构穿越岩溶区施工技术的控制要点做出详细的探究与说明，希望能够为其它类似工程提供借鉴与经验。
关键词：盾构掘进；岩溶区；施工技术；盾构穿越
1、工程概况
衡阳市合江套湘江隧道工程位于衡阳市城区北部，在该条隧道中，采用的形式为双洞型式。主要分为南北两线穿越湘江，主线单洞合计长约1867.2m（南北线合计），其中北线长约935m，南线长约932.2m。线路最大坡度为5%，隧道埋深10.4～26.8m，本区间线路纵向为V字坡。线路穿江段长约520m。
2、工程地质情况
2.1详勘揭示岩溶情况
根据水上物探勘察工作揭露，工作范围内推测存在5处岩溶异常，岩溶主要分布在里程Kn4+150-Kn4+360范围，岩溶发育深度主要集中在两个标高段范围内，第一标高段约10m-25m，岩溶发育共4处；第二标高段约-10m～5m，岩深发育1处。
2.2补勘揭示岩溶情况
补充勘察在疑似岩溶区域共施工勘探孔53个，结合详勘中溶洞发育区的钻孔ZK112、ZK119、ZK122、ZK123、ZK126、ZK127和ZK129，溶洞发育区共有钻孔60个。其中，28个孔有溶洞，遇洞率为46.67%。溶洞大小不一，发育不规律，钻孔中揭示溶洞高度0.6～11.6m，顶板埋深范围29.1～52.2m，标高5.15～23.11m。其中钻孔ZK127中的溶洞未被揭穿，溶洞揭露高9.3m。
3、盾构穿越不良地质段（岩溶区）施工技术控制要点
3.1岩溶区的预处理控制
3.1.1溶洞处理的方案
盾构隧道溶洞处理是为防止出现盾构施工的“栽头”、“陷落”、地表沉降过大或河床坍塌事故等情况，确保施工及运营期间的安全。在溶洞处理过程中，凡是侵入盾构隧道1.5倍洞径（17m）范围内的半填充、未填充溶洞及填充物密实度在中密以下的全填充溶洞均需处理，其余均不处理。处理时对于半填充和未填充溶洞，可以采用吹砂夹石加静压灌浆的方法，对于填充物密实度在中密以下的全填充溶洞溶洞可采用静压灌浆方法。
3.1.2溶洞处理的工艺流程
按溶洞发育情况，将其划分多个溶洞加固区，同时展开施工。溶洞处理施工应遵循“稳边界--填空洞--注浆充填--注浆效果监测”的顺序进行。
在单个溶洞加固区的施工顺序为：第一，钻孔。钻孔顺序根据补勘钻孔揭示溶洞范围先钻周边孔，由外向内逐步钻孔。第二，灌浆。由溶洞外部向内部进行灌浆，先对溶洞边界（加固范围线）上的钻孔进行充填灌双液浆，阻断浆液漏失通道后，再逐步加密灌浆孔，进行岩溶区中部的灌浆压密。第三，当探查发现未充填或半充填（大体积）溶洞，则需要进行投料充填，原钻孔进行扩孔钻进，且直径Φ200作为石料孔。原则上单个溶洞范围内的多个石料孔都完成充填后，再进行压力灌浆。若遇单个溶洞处理范围大，可将注砂管径适当加大，以提高施工效率。第四，在每个钻孔完成后，要及时的安装注浆管。
3.1.3注浆的控制
在进行单液浆（水泥浆）设计配比参数建议值时，要根据现场试验进行调整，其中，注浆压力要控制在0.4-1.2Mpa，注浆压力从0.4Mpa时逐步提高，达到注浆终压1.2MPa之后并继续注浆10min以上即可。在选择水泥时，通常选择42.5级的普通硅酸盐水泥，并将水灰比控制在0.5：1至1：1之间。另外，将注浆的速度控制在每分钟30升至70升。
3.1.4特殊情况的控制
首先，要保持灌浆工作的连续进行，若因故中断，应及早恢复灌浆，否则应立即冲洗注浆管，而后恢复灌浆，若无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，而后恢复灌浆，恢复灌浆时，应使用开灌比级的水泥浆进行灌注。如注入率与中断前的相近，即可改用中断前比级的水泥浆继续灌注；如注入率较中断前的减少较多，则浆液应逐级加浓继续灌注。恢复灌浆后，如注入率较中断前的减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。
其次，灌浆段注入量大，灌浆难于结束时，可选用下列措施处理：第一，低压﹑浓浆﹑限流﹑限量﹑间歇灌浆；第二，浆液中掺加速凝剂，或采取双液注浆。在灌浆过程中如回浆变浓，宜换用相同水灰比的新浆进行灌注，若效果不明显，延续灌注三十分钟，即可停止灌注。
另外，若在灌浆过程中发现冒浆、漏浆的情况，应根据具体情况采用低压﹑浓浆﹑限流﹑限量﹑间歇灌浆等方法进行处理。
3.1.5加强对溶洞处理的检测
在检测时，对于溶洞采用随机的钻孔取芯检测方法，按1％孔数抽查，且不小于3点，要求每个溶洞检测不少于两次，检测时主要以抗压试验为主，并以抽水试验为辅，最后检测出的无侧限抗压强度值在2.5Mpa以上即可。注意质量检查孔的压水检查工作应在单元工程灌浆结束28天后进行。
3.2 岩溶区盾构掘进技术的控制
3.2.1岩溶区掘进分析
盾构机在溶洞发育区施工主要表现在：盾构机载头，盾构机姿态控制难，泥水仓力突然发生变化，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。为保证溶洞地区的顺利掘进，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。
3.2.2盾构岩溶区掘进准备工作
在盾构岩溶区掘进前，要做好技术准备工作与机械设备准备、资源准备工作。具体准备工作有：
第一，技术准备。在盾构机穿越岩溶区前，要详细核实岩溶区与盾构机的位置关系，并做好岩溶区地质勘察工作。在穿越岩溶区前，要配备盾构溶岩地层掘进施工经验的技术人员，包括在现场配备监测人员，在洞内配备技术值班人员，洞内与现场监测人员通过电话进行联络，及时将监测信息传达给洞内值班工程师及主司机，指导盾构施工。另外，还要详细研究盾构岩溶区掘进的地质勘察资料及相关施工图纸、规范，借鉴类似工程施工经验，对所有施工人员进行技术交底培训，使每个参加施工的工作人员清楚采取的相关技术措施。
第二，机械设备准备。在刀盘到达岩溶区前，对盾构机、龙门吊、电瓶机车、砂浆搅拌机、泥水分离设备等机械设备和注浆管路、泥水循环管路进行一次全面检查和维护，对于存在故障和隐患的机械设备进行维修，加强对注浆管路清洗工作，保持注浆管路通畅，确保盾构机岩溶区掘进过程中处于良好的工作状态，做到安全、连续、快速通过岩溶区，避免在岩溶区掘进过程中出现长时间停机事件发生。
第三，资源准备。在资源准备工作中主要包括施工人员的准备与施工材料的准备。施工人员的准备工作主要为：在盾构穿越岩溶区前，组织管理、施工人员，召开岩溶区掘进动员会，使施工人员认识穿越湘江岩溶区安全重要性。由生产系统组织好推进班组，选择技术熟练的管片拼装、盾构推进、电瓶车驾驶人员进行穿越地面建构筑物期间的相关操作，对关键岗位要有备用人员顶岗。施工材料的准备工作主要有：做好管片、防水材料、注浆材料、盾构用油脂材料等物资供应，现场管片止水条等粘贴完整，场地内备足30环管片。并在盾构穿越前，编制好应急预案，根据应急预案配备好注浆等应急物资材料，在发生险情后立即启动应急预案。
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3.2.3掘进参数的控制及调整
（1）推进速度控制
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10～20mm/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）泥浆性能优化
盾构穿越岩溶区过程中需调整适用于此地层的泥浆，主要作用为：第一，确保盾构机前方掌子面稳定；第二，确保泥浆的携渣能力，减少盾构对前方土体的挤压，减少“泥饼”形成的机率。适当增加泥浆比重，增加添加剂，优化泥浆性能，增强掌子面泥膜质量。
泥浆参数根据现场实际掘进情况去及时调整。泥浆起着稳定掘削面，防止掘削面的变形、坍塌及地层沉降的作用。泥浆须具备如下特性：物理稳定性好；化学稳定性好；泥水的粒度级配、相对密度、粘度要适当；流动性好；成膜性好。泥浆配比在隧道掘进前根据隧址处地质特点和现场试验结果确定。
（3）出渣控制
出土量控制在溶洞地区掘进过程中，严格控制出渣量，避免超挖。岩溶区掘进过程中必须使掘进速度、掘进开始时泥浆密度、进出泥浆流量差等掘进条件大体恒定，便于出渣计算及超挖控制。
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。
本盾构每环理论原状土出渣量为214方，膨松系数取1.15，每环理论出渣量约246方。掌子面的渣土，以固态和液态两种形式通过泥水循环系统排至泥水分离系统进行分离。通过安装在盾构机上的泥浆比重计及流量计，记录每环时时的进出浆比重数据及流量数据，计算机自主计算出每环的出渣量。然后，再辅以人工测量比重数据及泥水分离设备出渣数据，可对电脑计算出的出渣数据进行复核与校验，从而能更加准确、真实的反映出渣量，评估出渣量与对应掘进里程间的相对关系，根据已编制好的应对方案，做出有针对性的调控，使整个出渣过程处于严密监控、时时反馈、时时控制的良性循环。
（4）减少停机时间
岩溶区掘进施工，应避免长时间停机。尽量匀速快速通过，管片下井及拼装前由地面质检工程师负责对所用管片进行检查，确保下井管片符合设计要求。同时检查防水材料是否黏贴到位、是否存在脱落现象，以确保所拼装管片的质量。
在盾构处于拼装状态下时，千斤顶的收缩会引起盾构机的微量后退，因此，在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待几分钟之后待周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶数量尽可能少，满足管片拼装要求即可。在管片拼装过程中，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，拼装过程中发现气压仓液位上升，立即增加气压，保证液位稳定和泥水仓压力不变，起到维持土压力的作用，拼装结束后，尽快恢复推进，减少土体沉降。
（5）盾构姿态控制
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，做到“勤纠、少纠”，减少单次盾构纠偏量和纠偏次数。
（6）加强同步注浆及管片壁后补充注浆管理
同步注浆每环水泥砂浆的凝结时间应≤6h，同步注浆量每环不得少于24m3，确保浆液饱满。管片壁后补充注浆采用水泥浆+水玻璃双液浆，注浆压力大于地下水压力0.2Mpa。
过溶洞段管片背衬注浆宜采用同步注浆和管片壁后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，管片壁后补充注浆采用水泥+水玻璃双液浆。
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）严格控制盾构正面泥水压力
通过粘性土地层水土合算和砂性土承压水地层水土分算的原则，计算出掌子面的泥水压力设定值，再通过“静止观察法”进行复核校正，同时根据掘进过程中地质和埋深情况以及地表沉降监测信息进行反馈和调整优化，从而使泥水压力设定值更加精确。一般设定压力高于计算水土压力0.2bar，压力波动值控制在±0.２bar。根据地质情况及地面建筑情况，及时调整地面泥浆的各项技术指标，既能对掌子面进行稳定支护，又能满足携渣要求，使得整个泥水循环系统运行顺畅，不存在堵仓或堵管情况，保证气仓压力及液位的相对稳定，从而确保盾构机掌子面泥水压力的稳定。
泥水压力应该介于理论计算值上下限值之间，根据地面构筑物情况及地质情况进行调整。设定泥水压在地层掘进过程中根据地质和埋深情况以及地表沉降监测信息进行反馈和调整优化。根据类似项目下穿建筑物、构筑物掘进经验，盾构泥水压力等于水压力、静止土压力、变动土压力三者之和。
3.2.4加强现场的管理控制
（1）信息化管理
信息化施工在盾构溶洞地区掘进过程中，根据需要将地面信息、隧道变形等监测数据迅速地传达给值班工程师。跟踪监测时，现场地面巡视人员和值班工程师及时联系，技术人员对管片监测数据进行综合分析，得出结论及时传达给盾构工作面，以实时采取合理的措施。
当盾构的超前钻探测到溶洞时，即利用探测孔，根据溶洞大小和充填物性质的不同向溶洞内注不同的浆液进行充填处理；然后再利用超前钻检查前方溶洞的处理效果，待密实度和强度达到要求后再掘进。
（2）掘进模式管理
“D”模式也叫间接控制模式，它由空气和泥水双重系统组成。在盾构机的泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分割成两部分，在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面在盾构轴线以上部分加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力，因此只要调节空气压力，就可以确定开挖面上相应的支护压力。
当盾构掘进时，由于泥浆的流失或盾构推进速度的变化，进出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制泥浆泵的转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最低极限位置时，可以自动停止排泥泵。
3.2.5施工测量与量测的控制
岩溶区掘进期间要加强洞内及洞外测量及量测工作。主要内容包括隧道衬砌管片水平，竖直位移，溶岩去掘进期间加大测量频次，保证2次/d的测量监控频次。及时将隧道衬砌管片的水平及垂直位移情况进行反馈，以便采取进一步的控制措施。
4、结束语
在盾构施工中，盾构掘进技术的管理是一项重要的内容，一系列的管理与控制有助于保障施工的质量、安全。在盾构穿越岩溶区的施工中，只有加强对溶洞的预处理、对溶洞的加固以及其它方面的监督与管理，才能够推动整体工程高质量的完成。
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论文作者:鹿俊豪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/31
标签：盾构论文; 溶洞论文; 岩溶论文; 管片论文; 注浆论文; 泥水论文; 泥浆论文; 《防护工程》2018年第19期论文;