岩溶地层盾构施工技术理论研究

景琪 陈忠 高松华

摘要:盾构法作为一种土压平衡盾构法，具有施工速度快、对环境影响小等优点，在岩溶地区的隧道建设中得到广泛应用。但是，在实际盾构施工中，经常遇到各种复杂的地质条件，特别是岩溶地层，对盾构掘进有很大影响。文章结合某岩溶地层隧道工程案例，对岩溶地层盾构施工技术理论进行研究，包括岩溶地层的工程地质特点、盾构掘进过程中的常见问题和对策等。研究结果表明：在岩溶地区进行盾构机的选型和隧道设计时，应充分考虑当地的地质条件；盾构施工过程中应控制好盾构机姿态和掘进速度，必要时可以使用盾构机的刀盘破岩装置对岩层进行扰动。

关键词：岩溶地层;盾构施工;技术理论;研究

引言:随着我国城市轨道交通的发展，盾构法作为一种土压平衡式盾构法，在岩溶地区的隧道建设中得到广泛应用。岩溶地区由于地层的不均匀性，使得盾构掘进过程中经常遇到各种复杂的地质条件，特别是岩溶地层，对盾构掘进有很大影响。在岩溶地区进行盾构施工，主要面临以下问题：（1）地质条件复杂多变，盾构机选型和隧道设计应充分考虑当地的地质条件；（2）岩溶地层中存在较大的地下空间，隧道与地下空间的连接形式通常采用暗挖方式；（3）岩溶地层中存在较多不均匀的溶洞，隧道拱部与下部溶洞间存在明显差异性，导致上部隧道在拱部产生较大沉降。

一、岩溶地层盾构施工技术理论及其应用建议

（一）盾构机适应性

目前盾构施工技术中，对岩溶区盾构机适应性的研究主要集中在：岩溶区地质条件对盾构机掘进速度、扭矩、刀盘扭矩、刀具磨损和刀具更换等的影响，盾构施工技术对岩溶地层的适应性等方面，主要考虑盾构机的掘进参数（刀盘扭矩、扭矩、推力等）以及刀盘结构、刀具的磨损情况等[1]。

盾构法隧道穿越岩溶地层，在岩溶区盾构机适应性方面存在以下问题：

（1）岩溶地层一般呈漏斗状，由于存在溶洞，岩层破碎，对盾构机掘进效率有一定影响。且由于溶洞内有地下水，在盾构掘进过程中容易造成土仓内结泥饼现象，使盾构机扭矩增大、刀盘扭矩增大、掘进速度降低。

（2）岩溶区地面塌陷、塌陷坑对盾构施工的影响也比较大。因为地表塌陷坑会造成盾构机刀盘前方的土被拱起来，使盾构机的扭矩增加、推进扭矩增大。如果岩溶区地层中存在溶洞，溶洞会在土仓内形成一条“泥饼”，使盾构机在掘进过程中受到刀盘前方土仓内土团的挤压而增加扭矩。

（3）岩溶地层中土块较多且较大，易造成盾构机的推力和扭矩增大，使盾构机推力和扭矩增加。

（4）盾构机刀盘中心距管片接缝位置较远，如果盾构机的推进速度过快或者盾构机刀盘转速过快，容易造成管片接缝磨损。

（5）盾构机推进过程中容易产生漏浆现象，使得地面出现塌陷坑。

（6）在岩溶地层中，由于地下水丰富且水位较深，给盾构机的刀盘清洗带来困难。同时在破碎带上进行施工时也存在较大风险，容易造成刀具和刀盘损坏。

二、注浆加固理论

在岩溶地层中，注浆加固理论的应用主要是对岩溶地层中的充填物质进行填充，防止隧道与溶洞之间出现坍塌，从而形成一种特殊的地层结构，在隧道施工中能够有效的避免突泥问题的出现。由于岩溶地层中的充填物质具有流动性，因此在注浆过程中能够有效地对充填物质进行填充，从而形成一种特殊的地层结构。在此基础上，盾构在岩溶地层中掘进时，能够有效地避免突泥问题的出现。

注浆加固理论主要包括以下几个方面：

（1）注浆压力是影响注浆效果的重要因素，在注浆过程中，由于注浆压力存在着一定的变化性，因此能够有效地提高注浆效果。

一般情况下，当注浆压力高于1 MPa时，则会出现浆液溢出现象；当注浆压力高于2 MPa时，则会出现浆液扩散现象；当注浆压力高于3 MPa时，则会出现浆液大量溢出现象。

（2）在岩溶地层中进行注浆时需要结合具体情况选择合理的注浆孔间距与注浆孔深度。通常情况下，当岩溶地层中充填物质较为丰富时，其注浆孔间距与注浆孔深度均需要增加；当充填物质较为贫乏时，其注浆孔间距与注浆孔深度均需要减少。

（3）在进行岩溶地层中的注浆时需要对不同地质条件下的充填物质进行具体分析。通常情况下，对于粘土等较易填充物而言，其注浆量会随着填充密度的增加而增加；当填充密度较大时则会出现突泥现象。

（4）在进行岩溶地层中的注浆时需要考虑到注浆材料的选择。通常情况下所选用的材料为水泥、粉煤灰以及水玻璃等。

（一）溶洞处理

对于溶洞的处理，除了要遵循注浆加固理论、土洞注浆加固理论和岩溶地层盾构施工技术理论之外，还需遵循以下原则：

（1）首先根据实际情况确定溶洞处理方法，然后结合工程的具体情况制定相应的处理方案[2]。

（2）根据工程地质情况、施工方案、溶洞位置、周围环境及风险源的具体情况等选择适合的溶洞处理方法。

（3）要保证在施工过程中安全，防止出现安全事故。

（4）要充分考虑施工成本和经济效益，避免因处理方法不当造成浪费。

（5）要考虑施工方法对周围环境的影响，避免在施工过程中对周围环境造成破坏。

（6）要充分考虑溶洞处理方法的可操作性，避免在实际施工中因操作不当造成工程事故。

（7）要对施工过程进行全面总结，及时发现问题、解决问题，提高岩溶地层盾构施工技术水平。

在溶洞处理方法选择上，对于一般溶洞采用天然充填法，对于复杂、特殊的溶洞可以采用天然充填加人工注浆相结合的方法进行处理；对于较大溶洞则需要采取洞内充填、洞外加固等综合措施进行处理。

在对岩溶地层盾构施工技术理论进行研究和总结后，应在进行溶洞处理前，要对工程地质、周围环境、风险源等情况进行综合分析与评价，合理选择溶洞处理方法。对于溶洞的位置和形态等影响工程安全的因素需要重点关注。

（二）风险分析与防控措施

盾构施工风险包括：①盾构机选型不当或配置不合理，导致盾构机无法通过溶洞；②盾构机在穿越溶洞时，无法保持匀速掘进，导致盾构姿态难以控制；③盾构机穿越溶洞时，易引起隧道内涌水、涌泥及地面塌陷；④盾构穿越溶洞时，易引起盾构机卡阻，导致掘进困难；⑤穿越溶洞时，易出现管片破损、螺栓松动等问题。

为防控上述风险，一方面要从技术层面提高岩溶地层盾构施工的安全性和可靠性；另一方面要从管理层面加强对岩溶地层盾构施工的重视程度，积极采取各项技术措施来确保盾构穿越岩溶地层的安全。

2.5建议及对策

在岩溶地层盾构施工过程中，盾构的掘进速度和掘进姿态是影响岩溶地层盾构施工安全的主要因素，为保证盾构在岩溶地层中安全施工，需要对岩溶地层盾构施工技术进行深入研究，提出相应的解决对策。

（1）盾构选型应充分考虑工程地质条件和水文地质条件，优先选用适用于岩溶地层的盾构机。在可选择范围内，尽量选用小直径、小重量、小掘进速度的盾构机[3]。

（2）采用合理的掘进参数和同步注浆参数，并加强盾构掘进过程中的监测和控制，控制盾构机推进速度、推进距离和推进方向；采取注浆加固措施，提高盾构机内部及周围土体的稳定性。

结语：综上，在岩溶地层中进行盾构施工时，应注意以下几个问题：

（1）在盾构机选型时，应充分考虑当地的地质条件，合理选择机型；

（2）在盾构机设计时，应考虑当地的岩溶分布情况和岩溶发育规律，必要时可在盾构掘进过程中使用刀盘破岩装置对岩层进行扰动；

（3）在岩溶地区进行盾构施工时，应尽量避免在岩溶发育区掘进，必须掘进时应控制好盾构机姿态和掘进速度；

（4）岩溶地层中的隧道设计时，应充分考虑当地的地质条件，尽量避免溶洞、溶隙和裂隙等不良地质条件；

（5）在岩溶地区进行隧道设计时，应充分考虑当地的岩溶分布情况和发育规律。

参考文献：

[1]林建平.岩溶区域软弱地层盾构施工技术研究[J].施工技术,2018:1530-1532.

[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(下半月),2018:221-222.

[3]江泽礼,王江卡.岩石地层盾构施工技术研究[J].施工技术,2018:1526-1529.