1、76工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工1 工程概况南京某过江隧道设计为双向六车道城市快速路，设计时速 80km/h，盾构段长约 3km，管内径 13.3m，外径14.5m。两条隧道均采用超大直径泥水盾构机进行掘进施工，其左、右线盾构机开挖直径分别为 15.07m、15.03m。本工程下穿长江主江，盾构隧道依次穿越砂土层、软弱不均地层、破碎带、岩溶地层及全断面硬岩地层。本文主要介绍、总结该工程穿越岩溶区时所采取的针对性措施。本工程长距离穿越软弱不均地层，于江南段上岸后进入岩溶区，其岩溶区范围：左线里程 ZK2+050ZK2+537，长 487m；右线里程 YK2+
2、060ZK2+513，长 453m。该区域与长江等地表水体、地下水的水力联系较好，岩溶水水位埋深 7.841.2m，水位 7.5514.99m，水位变化较大。隧道纵断面如图 1 所示。隧道横断面如图 2 所示。隧道范围内分布揭露灰岩、角砾状灰岩，溶洞较发育，围岩中分布较多的溶洞、溶蚀裂隙、断层破碎带。灰岩中见洞率为 27.3，单孔岩溶率为 2.6 19.7；角砾状灰岩中见洞率为 22.7，单孔岩溶率为 1.3 7.5；溶洞高度 0.24.4m 不等，一般为可塑-硬塑状粉质黏土充填，含风化岩块，部分为空洞。该区域盾构轴线上方存在道路、风景区、水厂泵房、垃圾站、学校及居民区等众多建构筑物，地面条件
3、较复杂。岩溶区地质纵断面如图 3 所示。2 施工重难点及存在风险若盾构机底部存在较大溶洞，对盾构施工而言风险巨大，可能导致盾构机栽头、整体下沉等风险。溶洞大小不一，位置不易确定，穿越岩溶时与断裂带叠加，且断裂带与地表水联系很好，易造成掌子面坍塌的风险，且溶洞多位于承压水层，施工风险大。岩溶发育地段采用注浆填充加固，盾构开挖掌子面为注浆加固体与中风化角砾状灰岩或灰岩等复合地层，强度差异性较大，形成软硬不均地层，掘进过程中容易导致盾浅谈超大直径盾构机穿越岩溶区施工技术李宁（南京市公共工程建设中心，江苏南京 210019）摘要：地质条件是盾构过江隧道建设和运营安全的重要影响因素，对复杂地质条件的充分
4、合理应对，则是盾构过江隧道安全建设的重中之重。在各种复杂地质中，岩溶地层对盾构施工影响尤大，极易造成盾构机栽头、地面塌陷等严重危害。以南京某过江隧道工程为依托，介绍、总结了超大直径盾构机为穿越长江岩溶区复杂地质时，在设备关键部件选型、岩溶区探测、洞内外预处理、掘进参数控制等方面采取的措施，通过这些针对性措施，确保了盾构机安全高效穿越岩溶区。关键词：超大直径盾构；岩溶区；施工技术图1 隧道纵断面图2 隧道横断面图3 岩溶区地质纵断面CM&M 2023.0177构机刀具崩齿、偏磨。同时盾构掘进姿态控制困难，易引起盾构施工轴线偏离设计方向，盾构掘进控制难度大。隧道轴线上方存在多栋建构筑物，受此影响，
5、该区域不具备地面勘探及处理条件，岩溶发育状态未知。若隧道轴线方向存在未处理的溶洞空腔，施工时地层会受到扰动，极易使得周边土体坍塌，导致地表沉降，进而对既有建构筑物产生危害。岩溶发育地段需进行地质详勘、溶洞注浆等诸多钻孔任务，钻孔数量极大。若封孔质量存在问题，将会导致地面与盾构开挖掌子面连通，进而导致盾构掘进冒浆，不易保压。3 总体施工方案在建设前期，针对盾构在岩溶区掘进施工的重难点及存在风险，项目有针对性的采取多种措施，以确保盾构机安全高效穿越岩溶区。在设备选型上，确保盾构机具备主驱动伸缩摆动功能，配装滚刀旋转监测系统、刀具及刀盘磨损监测系统、滚刀载荷系统、开挖仓伸缩摄像头等多种设备。针对具备
6、地面处理条件的区段，在盾构掘进前，利用物探方式探明岩溶发育情况，并在地面钻孔注浆进行预处理。针对由于建构筑物等不具备地面物探及预处理的区段，专门配备 TST 地震波超前预报系统，在洞内对前方土体进行预探，并配备超前钻探及注浆系统，在洞内对前方溶洞进行处理。在掘进过程中，实时调整掘进参数，并采用特制单液浆进行同步注浆，确保盾构施工质量。严格按照要求对所用钻孔进行封堵，确保封孔密实有效，同时严格控制同步注浆压力，以免由于注浆压力过高而顶破覆土。4 岩溶区盾构施工技术4.1 盾构机选型4.1.1 主驱动伸缩摆动功能实现针对在岩溶复杂地层容易存在塌方以及卡住刀盘的问题，主驱动配置 18 个可伸缩油缸（
7、伸缩量 400mm）。通过调节油缸行程不仅可使刀盘脱离掌子面，保证岩溶地层换刀安全、高效，还可用于极端情况下刀盘脱困。主驱动伸缩功能实现如图 4 所示。4.1.2 刀具系列系统配置针对在岩溶复杂地层中刀具易崩齿、偏磨的问题，盾构机配备了滚刀旋转监测系统、刀具及刀盘磨损监测系统，以便实时掌握刀具磨损情况，及时对磨损严重或工作状态异常的刀具进行更换，提高了换刀及掘进效率。配备了滚刀载荷系统，通过可视面板显示滚刀上的负载，可准确的反应掌子面的状态，提高安全性和生产率，将风险降到最低。4.1.3 开挖仓伸缩摄像头配置盾构机配备了开挖仓伸缩摄像头，摄像头最大工作压力为 1MPa，可进行 360旋转。在岩
8、溶地层掘进过程中，能够对刀盘及掌子面进行观察。开挖仓可伸缩摄像头如图 5所示。4.1.4 超前钻探及注浆系统盾构机配备了超前钻探设备和配套的接口(环向共 18处)，在施工过程中可对工作面前方地层进行探明，实现超前地质预报以及超前注浆的功能。钻机安装在盾构机拼装机后部桥架上，钻杆可实现 0、8、12等 3 种角度的延伸，水平钻探距离至少可达 25m。超前钻探如图 6 所示。图4 主驱动伸缩功能示意图图5 开挖仓可伸缩摄像头图6 超前钻探示意图上部摆动油缸安装位置超前钻机超前钻探（前盾）：DN100,14 处超前钻探（中盾）：DN100,14 处指示标记下部摆动油缸安装位置止转油缸安装位置78工程
9、机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工4.2 地面预处理措施4.2.1 岩溶分布探测利用左右线隧道两侧已有的 4 排防护孔，采用跨孔电阻率 CT 法与跨孔弹性波 CT 法两种方式对岩溶区进行探测。于防护孔平面位置，沿隧道两侧轮廓线外扩 4.5m，每条隧道各有 2 排防护孔，孔间距为 3m。每隔 12m 选取一个防护孔作为探测孔。探测钻孔及测线布置如图 7 所示。4.2.2 岩溶探测结果整个区域内岩溶发育面积及范围较大，根据岩溶区探测结果及钻孔过程中的取芯情况，岩溶发育的位置相对集中，可以分为 4 个主要的岩溶发育区。主要岩溶区域分布如图 8 所示。北部灰岩区域为一大型岩
10、溶发育区所处位置，整个区域内仅有南侧小部分区域为岩体较为完整的区域，其余区域均为岩溶发育区域，桩号范围为 ZK2+420ZK2+537。中部角砾状灰岩地区内也包含有一大型岩溶发育区。该发育区位于该区域中间偏东的位置，即为右线大部分区域以及部分左线区域。该区域内岩溶发育情况较为复杂，并且面积范围相对较大，岩溶发育区的桩号范围为ZK2+237ZK2+332。南部灰岩地区在大部分区域内均为岩体较完整区域，地质情况较好，仅有南侧部分区域因与 f11 断层相交，面积相对较小。f11 断层以南区域也为一大型岩溶发育区，区域边界为 f11 断层，岩溶发育程度以及岩体破碎程度都较高。岩溶区域的桩号范围为 YK
11、2+060YK2+102。4.2.3 地面注浆处理采用地面钻孔钢花管注浆的方式，在盾构机掘进前对岩溶区进行处理。平面上，在隧道开挖范围内按照梅花形布孔；隧道两侧利用间隔 3m 的防护孔进行注浆施工。隧道轴线方向：以隧道左右线两侧外轮廓线为基准，分别各向外延伸 7.5m；垂直隧道轴线方向：隧道平面以上 7.5m，隧底基面向下延伸 15m。注浆材料采用水灰比 1:1 的 42.5级普通硅酸盐水泥浆，浆液比重为 1.52。注浆纵断面如图 9所示。注浆孔平面布置如图 10 所示。4.2.4 钻孔封堵 严格按照要求对所用钻孔进行封堵，严查封孔质量，确保封孔密实有效。掘进时，安排专人 24h 巡视，如出现
12、图7 探测钻孔及测线布置图8 主要岩溶区域分布图9 注浆纵断面图10 注浆孔平面布置CM&M 2023.0179地面冒浆现象，及时上报，调整掘进参数，进行封堵。严格控制同步注浆压力，最大不得超过 0.8MPa，同时严格控制切口水压波动范围。4.3 超前预报系统由于地面构筑物阻碍，ZK2+186ZK2+234、YK2+435YK2+395及YK2+248YK2+148段未进行地面勘探，岩溶状态未知。故在掘进过程中，以管片的二次注浆孔作为安装孔位，利用TST超前预报技术及系统预测前方的不良地质体及隐伏的重大地质问题，即采用三维地震波法观测系统，对掘进面前方地质构造进行预报，预测前方围岩完整性，判断
13、前方围岩软硬情况。若发现前方存在未处理岩溶，则利用超前钻探及注浆系统进行处理。地震波法超前预报技术原理如图11所示。4.4 盾构机掘进参数调整在岩溶地层中，盾构掘进采取“小推力、中转速”模式推进，推进速度 5mm/min，刀盘转速为 0.91.15min，总推力 120000kN,切口压力根据埋深确定，最大不得超过0.5MPa。4.5 盾构机姿态控制充分利用 VMT 导向系统控制盾构机的掘进方向，密切关注盾构掘进参数轴线姿态，发现轴线偏移量超限，依据偏移方向趋势调整分区千斤顶推力，及时均匀纠偏。尽可能使盾构机相对于轴线为抬头状态，但盾构机轴线与设计轴线的夹角应控制在 04mm/m 内。若盾构线
14、路偏离设计线路，遵循“长距离，缓纠偏”的原则，对盾构姿态进行调整。纠偏过程中将推进速度降低至 5mm/min 左右，每环盾构姿态改变量控制在 5mm 以内，防止纠偏过急使盾尾挤压已拼装管片。千斤顶推力应控制在 30MPa 以下，防止管片局部破碎。纠偏过程中勤测盾尾间隙，防止盾尾间隙过大或过小。4.6 同步注浆同步注浆管采用八用八备管路，在盾尾处左右对称布置。其浆液为特制水泥砂浆，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好的特点，配比如表 1 所示。将本区域注浆压量控制在 3640m3，注浆压力控制在 0.50.7MPa。4.7 监控量测由于本工程在岩溶区下穿众多地面建构筑物及地下管线，为确保掘
15、进施工及上方环境安全，除在隧道推进方向上，沿轴线每 50m 布置一个沉降监测断面的常规监测外，还针对管线及地面建构筑物进行专项监测。在隧道轴线上方两侧 30m 范围内的地下管线上，设置沉降监测点。当地下管线位于主要影响区时，沉降监测点布设间距为 515m；位于一般影响区时，沉降监测点布设间距为 1525m。在隧道轴线上方两侧30m范围内涉及的所有建构筑物，以每幢建筑物为单元，在墙角、立柱或外墙中间合适位置设置监测点。同时 30m 以外延伸的墙、柱参考规范要求布设监测点。监测频率根据开挖面距量测断面前后距离确定；2D时，1 次/天；5D时，1 次/2 天；5D时，1 次/周。D为盾构机开挖直径，
16、本工程按照 15m 考虑。5 结语该工程在岩溶区采取的系列措施，大大提高了盾构机掘进效率，日均掘进达 3m，且根据监测数据显示，盾构下穿岩溶区时，地表最大变形量为-2.5mm，可基本忽略盾构机掘进对地表产生的影响。其左、右线超大直径盾构机分别于 2021 年 7 月 23 日及 2022 年 1 月 6 日成功安全高效地穿越了岩溶区。综上所述，通过盾构机选型、地面预处理及掘进参数调整等一系列措施，能够有效解决超大直径盾构穿越岩溶区时易哉头、掌子面易坍塌、掘进控制难度大及易造成地面沉降等问题，可为今后类似施工情况提供借鉴。参考文献1 杨永魁,张健.岩溶发育区盾构法施工技术探讨 J.现代城市轨 道交通,2021(S1):66-70；2 唐冬云,陈培帅,黄威.盾构隧道岩溶地层处理及掘进施工控制 技术研究 J.中国水运,2018,18(8):215-216；3 蒋超,蔡光伟,徐光阳.泥水盾构穿越江洲岩溶段施工控制技术 研究 J.城市建筑.2021,18(12):141-144.4 王建亮,岩溶复合地层地铁隧道盾构施工技术 J.城市住宅.2020.27(5):220-221.5 王详,陈发达,吴
