土压平衡盾构灰岩掘进技术分析

近年来，盾构施工已普遍用于城市地铁隧道工程，尤其是在大埋深、含水软弱地层更突显出其优越性，但当盾构处于上软下硬、富水溶洞、含水砂层等复杂地层时，可能面临较高风险，此时需采取多种措施及调整工作参数，以保证顺利掘进。

杨育僧等通过加密补勘和多种物探方法探明溶洞分步，并根据不同溶洞类型采取不同加固方案，采取信息化施工。

谢琪等指出溶洞改变围岩应力场，塑性变形出现于两侧围岩。

李炜明等通过数值计算指出岩溶地区衬砌整体变形拱底大于拱顶。

傅兴等指出采取物探、注浆等措施，标准贯入试验及盾构机土仓压力验证溶（土）洞处治合理性。

蒋磊等针对沿线砾岩夹泥质砂岩复合地层、断裂破碎带和复杂岩溶地层，盾构各关键部分进行设计与改进，对岩溶地层进行注浆预加固处理。

吴琼指出砂土地层采用水泥砂浆、膨润土浆液组成泥膜换刀作业。

当土压平衡盾构机处于灰岩地段，往往岩石软硬不均，有的超过100?MPa，有的风化严重，溶洞群密布，需不断调整掘进参数，渣土改良需开仓检查更换刀具，还需通过监测数据实时指导施工。

1??工程概况

济南地铁1号线中间风井~大杨站（风大区间）线路全长约2?033?m。左右线分别在里程左K30+505~左K31+387、右K30+493~右K31+384范围内穿越两处灰岩段，左线隧道穿岩长度约725?m，右线隧道穿交界面，即上软下硬地层，基岩为中风化石灰岩，基岩长约798m，共约1.6km，各存在4处土岩岩，上部覆土主要为粉质粘土，在灰岩段还揭露有大量溶洞且灰岩裂隙水较为丰富（图1、图2）。

图1??灰岩段地质图（计算机截图）

图2??物探揭示溶洞发育（计算机截图）

经勘查，灰岩单轴饱和抗压强度在33.5~83?MPa之间。地层变化较大，包括软土地层、上软下硬复合地层、硬岩地层等。灰岩中存在现状溶洞和破碎带，其中包含地下裂隙水为承压水，最大水头高程在拱顶以上8?m。

2??灰岩溶洞处理和地层加固

2.1??灰岩补勘

考虑到灰岩地层的复杂性，对灰岩段进行地质补勘，钻孔于左右线隧道之间及两侧分布，沿区间线路方向共3排，钻孔间距在原详勘地质钻孔基础上加密至20m。

补勘结果显示，区间灰岩段岩样最高强度达 92.1MPa，溶洞数达129个，其中直径小于1?m的79个，占总数的61.2%；不小于1?m 的50个，占总数的 38.8%；不小于2?m 的29个，占总数的22.5%；不小于3?m 的23个，占总数的17.8%。

勘查报告提示，隧道施工过程中因溶洞周围岩体应力变化，溶洞充填物易坍塌而产生空洞，岩溶发育可能发生变化，影响围岩稳定。灰岩段除揭露溶洞发育外，受岩溶发育及构造节理影响，灰岩裂隙发育也较为明显，钻孔揭露灰岩破碎体较多，灰岩裂隙存在承压裂隙水，极易坍塌流失。地下水观测表明，灰岩裂隙裂隙水流方向为由东向西。

2.2??溶洞注浆

针对盾构区间灰岩段岩溶水、溶洞、地质情况等不良地质情况，邀请第三方勘察单位对剩余灰岩段进行详勘，编制了专项处理方案，经专家论证后尽快实施。对溶洞的处理效果进行第三方评估，以消除运营期风险。

隧道正线上方每隔5?m钻孔注浆，对大的无填充型溶洞可采用素混凝土填充，其他溶洞或裂隙注浆选用水泥浆，采用注浆压力与注浆量双控。注浆完成后应及时封堵注浆孔。

3??灰岩段掘进进度分析

本区间灰岩段右线36~770环中含65环粘土段，共669环，左线自36~770环含115环粘土段，共619环。右线自2017年5月2日开始灰岩掘进，至12月19日完成，平均日掘进3.1环；左线自2017年3月31日开始灰岩掘进，至12月31日完成，平均日掘进2.5环。

从施工时间构成因素看，盾构正常掘进时间占46%，因灰岩段软硬不均，造成刀具破损，开仓检查更换刀具占27%，交接班及其他因素占4%。由于水量大造成渣土呈稀泥状，按环保要求难以外运，致使渣土存放池满因素占19%，故须做好相应工作，加强现场管理，避免由此造成的意外停工。

（1）盾构换刀对操作人员技术要求较高，选择专业队伍从事换刀作业可提高换刀效率，为盾构掘进施工争取时间，缓解工期压力。

（2）通过地面钻孔注浆，可有效填充溶洞，阻断岩溶裂隙水通道。通过几次开仓观察，盾构掌子面出现的岩溶水通道内补给水量较小，水头压力明显减小。证明地面钻孔注浆可减小盾构喷涌程度，明显提高盾构掘进效率。

（3）掘进过程中，及时进行二次注浆（环箍），可减少成型隧道管片外侧及后方来水，减小掘进过程中喷涌，减少清渣量，提高施工效率。

（4）优化现场施工管理，使各工序衔接紧密、安全有序，设备工作正常，运行可靠。

（5）通过经济激励措施提高现场人员积极性。

（6）渣土池容量满足施工要求，盾构正常施工的前提是渣土外运正常。第二段灰岩施工出渣含水量较大，采用混凝土罐车封闭运输，可保证24?h不间断出渣，满足盾构正常掘进需求。

4??灰岩段掘进改良措施

4.1??掘进参数控制

（1）第一段灰岩采用敞开式掘进。盾构保持常压，渣土随螺旋输送机排出，土仓内不留渣土。实践证明该掘进方式在普通灰岩地层中适应性较好，通过参数控制可保证掘进效率，降低刀具磨损。

（2）进入第二段灰岩后盾构继续采用敞开式掘进，发现喷涌次数增加，隧道内残留大量泥渣，清理难度增加，盾构掘进效率降低。后改用半敞开式掘进，即在土仓底部保留部分渣土，隔绝土仓上部水与螺旋输送机的接触，控制了螺旋机出渣口喷涌现象。

（3）随隧道埋深增加，土仓内水压增大，仅靠土仓底部存留部分渣土已不能有效隔绝上部水流入螺旋输送机，喷涌现象加剧。通过调整掘进参数，经保压系统向土仓内注入气体，保持拱顶压力大于静止时拱顶水压0.2~0.3?bar。同时，将高密度膨润土注入螺旋机形成土塞效果，采用加压气体置换仓内水体，减少地下水流出，降低了喷涌程度。采用半敞开式掘进、气体保压、结合膨润土改良控制了喷涌，提高了掘进效率。

4.2??优化换刀施工

4.2.1??开仓换刀

本区间基岩强度较高，若刀具磨损过大或损伤会导致盾构机卡壳、姿态无法调整、施工参数增大等情况，此时需开仓检查。换刀点应选择在无溶洞或溶洞处理达到要求的位置。

根据盾构掘进施工状况和刀具磨耗监控量测情况，采取主动检查更换刀具为主、被动检查更换刀具为辅的方式。

应对水的情况进行多种物探方法综合探测，根据探测结果从地面进行注浆封堵裂隙和降水井抽排水，降低水的补给能力，提高掘进效率。通过勤检查避免刀具损毁并及时更换。

在上软下硬区域及粉质粘土地层地下水水位在隧道中心线以下的区段，可根据开挖断面掌子面的情况，采用常压作业。

灰岩段灰岩强度高，岩石裂隙水量大，开仓检查每3环1次，累计开仓换刀16次，其中常压换刀13次，带压换刀3次，累计更换单刃滚刀225把，中心滚刀41把，刮刀114把。

由于济南西部岩石地层裂隙发育丰富，存在承压水和大量涌水溶洞群，若采用常规带压技术很难保压，济南地铁采用国内先进的衡盾泥带压换刀技术，通过形成高质量泥膜，克服了封堵岩溶裂隙、破碎带承压水的施工难题，完成了涌水溶洞复杂地层中应用衡盾泥带压换刀施工。

4.2.2??刀具破坏分析及刀具改良

盾构掘进时发现刮刀母体正常磨损、合金脱落的情况。盾构主切削刀具受冲击后损坏，刮刀脱落，脱落的刮刀又造成其他刀具和搅拌棒损坏，切口环和刀盘也受到不同程度的损坏（图3）。

（a）

（b）

图3??刀具损坏情况照片

（a）刀具偏磨；（b）滚刀蹦刃

通过统计刀具破损情况，刀具正常磨耗占25%，刀圈松动/脱落占24%，刀具蹦刃占24%，偏磨占16%，掉刀占11%。蹦刃掉落的刮刀和刀具碎片危害较大，一方面会加剧蹦刃程度，另一方面卡住刀具造成偏磨，因此必须经常开仓检查刀具。刀具的冲击会造成滚刀刀圈松动或脱落断裂，往往与刀圈加固质量有关。

在灰岩地层中盾构掘进，滚刀选型应考虑刀具的耐冲击性。其中滚刀刀具类型、刀圈硬度的选择较为重要。灰岩地层的复杂导致盾构掘进轨迹线不完整，再加上高强度灰岩、岩性软硬不均等因素在极大程度上检验滚刀的耐冲击性。

本区间溶洞发育程度高，考虑岩面不均匀对刀具的冲击作用，第一段灰岩掘进采用24?mm刃宽的滚刀。实践证明该型滚刀破岩能力较好，掘进效率高，最快可达6环/d，且磨损量小。

进入第二段灰岩，通过几次开仓换刀，发现刀具破损严重，破岩能力差，掘进效率降低，严重影响盾构连续施工。通过观察掘进参数并做岩心强度试验，揭露灰岩强度较第一段灰岩明显提高。

但是，考虑到刃宽24?mm的滚刀破岩效果整体较差，且韧性不足，已不能满足第二段灰岩施工需求。通过优化刀具选型，将刃宽减小为19?mm，并调整刀具材质，提高扭矩，降低刀圈强度，提高韧性。改良后刀具适应性好，可满足高强度灰岩段施工需求。

随后，在区间左线采用在刀刃上镶嵌合金的带齿中心滚刀（图4），施工掘进参数与掘进效率表明，其破岩能力优于普通滚刀。因这种刀具造价高，可针对具体工程进行综合比选。

图4??镶嵌合金中心双刃刀照片

5??监控量测结果

本区间监测流程按规范要求进行，以确保数据真实可靠，能反映施工情况并提供数据反馈。

通过分析地表沉降、拱顶沉降、净空收敛监测数据，可看出地表最大沉降量为–9.49?mm（监测点DBC11-04），拱顶最大沉降量为–8.84?mm（监测点GGC33-01），净空收敛最大变化值为–5.48?mm（监测点GGJ37-01）。

在盾构掘进管片拼装结束后，监测数据略有波动，各点数据在盾构掘进过程中呈下降趋势，随盾构机向大里程不断掘进及施做同步注浆二次注浆，盾尾监测数据变化趋于稳定，最大沉降量未超过规定报警值。

6??结论及建议

济南地铁1号线土压平衡盾构在灰岩掘进施工中采用补勘、物探方法探明溶洞情况，采用注浆处理，并检验注浆效果，提高了盾构施工安全性。优化盾构机设计，增强了隧道排水能力，降低了地下水的影响。

施工实践表明针对无岩溶水、稳定性好的灰岩段采用敞开式掘进方式效果较好；针对岩溶水量大、风化程度高灰岩段采用半敞开式掘进、气体保压、结合膨润土改良可很好地控制喷涌，提高掘进效率。

施工中应经常开仓检查刀具，防止刀具碎片加剧破坏刀盘（具），优化刀具选型，选择坡度大、刃宽小的刀具。可通过调整刀具材质提高刀具扭矩，降低刀圈强度，提高韧性，适当情况下可选用镶嵌合金刀。

选择专业队伍可提高换刀效率，及时进行二次注浆，可杜绝后方来水，减小喷涌。加强施工队伍管理，采取适当措施提高施工人员积极性。采取措施使盾构出渣不受外界环境影响，以保证施工连续性。实时反馈监测数据，可指导施工参数调整。