岩溶地区盾构法施工风险分析及应对措施研究
摘要：城市轨道交通工程建设投资大、建设周期长，地质与周边环境条件复杂，施工技术难度大，为高风险工程。城市轨道交通工程建设的高风险，直接影响到人民群众的生命财产安全等公共利益，甚至影响到社会的和谐、稳定。而地质条件是城市轨道交通工程的载体，是工程施工改造的对象，是工程与周边环境相互作用的媒介，直接影响着工程建设的工期、造价和质量安全，所以地质条件是城市轨道交通工程建设的基础，是重要的客观条件和风险因素。城市轨道交通建设工程风险主要为地质风险。本文针对岩溶地区盾构法工程施工可能存在的风险，总结、归纳和研究风险控制技术措施，通过分析比较提出针对性的风险控制措施及控制要点。
关键字：地铁建设；盾构施工；岩溶；风险分析
中图分类号：U231 文献标识码： A
1引言
广州地区素有“地质博物馆”之称，区域范围内地质条件十分复杂，其中岩溶地区不利地质条件尤为难以克服。广州地铁已建成通车的多条线路均不同程度通过岩溶发育区；在建的线路中，尤其是九号线经过岩溶发育地层，被中国工程院院士称为全国第一条建在溶岩上的地铁，施工难度风险最大。岩溶发育给建设工期、投资及施工安全等方面造成了诸多不利影响[1]。针对岩溶地区盾构法工程施工可能存在的风险，总结、归纳和研究风险控制技术措施，通过分析比较提出针对性的风险控制措施及控制要点。
2盾构法施工风险分析
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层（碳酸盐类、硫酸盐类、卤盐类等）进行以化学溶蚀作用为主，还包括流水的冲蚀、潜蚀，以及坍塌等机械侵蚀过程所形成的各种地表和地下形态和现象的总称，又称喀斯特地貌[2[3][4]。以广州地铁某区间地质图为岩溶典型地质概化图，在隧道范围内、隧道顶部及底部均有岩溶发育]。
图1 岩溶典型地质概化图
2.1 突水、突泥风险
盾构掘进揭露溶（土）洞或当挖除上部土ป层时下伏岩溶顶板厚度不足以平衡岩溶水压力，会击穿岩溶顶板，导致洞内的水或泥涌出。
对应处理措施：在岩溶发育地区需进行加密补勘、地质预报与超前钻孔以探明未知岩溶；对探明的溶土洞可进行地面预填充、加固处理；对基底部位岩溶采用挖填、灌填、桩基、跨盖法；对于已探明的岩溶采用“溶（土）洞填充+水泥土墩柱”的方法提高地基承载力。
2.2 盾构机栽头、侧偏、陷落风险
盾构机掘进揭露溶（土）洞盾构掘进揭露溶（土）洞或当挖除上部土层时下伏岩溶顶板厚度不足以平衡上部压力，易导致盾构机栽头、侧偏、陷落等风险。
对应处理措施：在岩溶发育地区需进行加密补勘、地质预报与超前钻孔以探明未知岩溶；对探明的溶土洞可进行地面预填充、加固处理；采用挖填、灌填、桩基、跨盖法；对于已探明的岩溶采用“溶（土）洞填充+水泥土墩柱”的方法提高地基承载力。
2.3地基承载力不足风险
当地基主要受力层范围内有岩溶发育或可溶性岩石发生断裂，在断裂、裂隙处，地下水流易将物质迁运至别处，使土层不断瓦解形成土洞，导致地基承载力不足。
对应处理措施：在岩溶发育地区需进行加密补勘、地质预报与超前钻孔以探明未知岩溶；对探明ฎ的溶土洞可进行地面预填充、加固处理；采用挖填、灌填、桩基、跨盖法；对于已探明的岩溶采用“溶（土）洞填充+水泥土墩柱”的方法提高地基承载力。
2.4岩溶条件下盾构法施工的风险分级
考虑岩溶的发育情况及其与盾构法隧道的位置关系，将岩溶条件下盾构法隧道施工的风险划分为4个等级，见下表。
表1 岩溶条件下矿山法施工的风险等级
注：小溶洞为小于2m的溶洞；大溶洞为大于2m的溶洞。
3工程实例
3.1工程地质及水文地质
第四系含水地层主要以冲洪积粉细砂、中粗砂层、砾砂层为主，其渗透系数为10.70～14.61m/d，属强透水含水层。第四系其余土层中的人工填土透水性一般，而淤泥质土及冲洪积、残积土层透水性最弱。一般而言，勘察区砂层中地下水具统一的地下水面，属潜水，局部出现多层水位且上部有相对不透水层时，具有微承压性，人工填土中主要为上层滞水。
3.2岩溶发育情况及其对工程的影响
根据土洞和隧道相对位置关系、土洞周围地层及土洞发育情况，土洞对盾构隧道的影响由以下几种情况：
（1）隧道上方的土洞，对盾构隧道施工影响，主要是由于土洞的存在，减少上覆土层的厚度，易发生冒顶泄气等事故，宜在盾构掘进前处理。
（2）对于存在隧道洞身范围的土洞，特别是比隧道直径小的，对盾构隧道施工影响很小，可以不予处理。
（3）对于隧道下方的土洞：一种是距离隧道底较近的，盾构掘进时，土洞坍塌，易造成盾构机载头，应在盾构掘进前处理；另一种是距♛离隧道底较远的，但土洞上方是砂层，无隔水层，盾构掘进时，砂层经振动后，土洞易发生坍塌，从而造成盾构机整体突然下沉，应在盾构掘进前处理。
该区间隧道埋深较浅，隧底埋深为12m～16m。溶洞距离隧道较深或有充填物，溶洞对隧道影响较小。但对于隧道下方无充填、且洞顶上部无隔水层的溶洞，盾构掘进施工时，易发生局部坍塌，影响盾构工程的施工，应予处理。
3.3处理原则
根据区间沿线溶土洞发育情况，本区间的溶（土）洞处理原则及范围如下：
（1）隧道洞身范围的土洞，不需处理；
（2）溶（土）洞内充填物的标贯大于5，，不需处理；
（3）需处理的土洞，一般应在隧道平面轮廓线外3米范围以内，且满足以下条件之一：隧道上方的土洞；隧道底下方10米范围内的土洞；隧道底下方10米范围外的土洞，上部无不透水层；
（4）溶洞处理应根据岩面以上土层性质、岩体的特性、溶洞的填充情况等综合判断。需处理的溶洞，应在隧道平面轮廓线外3米范围以内，且满足以下条件之一：隧道顶以上存在的溶洞；隧道底以下5米范围内存在的溶洞；隧道底以下5米～10米范围内的溶洞，溶洞的上部为砂层。盾构隧道施工过程中应加强二次注浆；盾构管片安装时，隧道底部要预留好隧底加固注浆管，以便在盾构施工完后处理新发现的溶（土）洞。
3.4溶（土）洞处理措施
图2 2m×2m洞体边界探查钻孔布置示意图
（2）溶（土）洞处理措施。溶（土）洞采用压力注浆的方法进行充填处理。对于溶（土）洞的处理分2种，对于全填充溶（土）洞、半填充溶（土）洞、空洞高小于5m的未填充溶（土）洞采用水泥浆进行注浆充填；洞高大于5m未填充溶（土）洞采用水泥砂浆进行充填。
除岩溶发育以外，该区间还处于上软下硬地层。为此，采用泥水盾构在岩溶地层中的施工技术。该项技术通过刀具选型配置和控制刀盘转速，减小了硬岩地层对滚刀的冲击，保证了上软下硬地层中长距离掘进，合理控制泥浆指标、选择环流模式和参数，减少了泥饼的形成，保证了切口水压的平稳，结合二次注浆，有效控制了地面沉降，采用超前钻探的方式判定未知溶（土）洞，降低了溶（土）洞对盾构施工的影响。
4结论
（1）一些由于岩溶问题引起的事件/事故，主要是由于施工前没有探查到岩溶典型地质，因此在施工前应对岩土勘察报告进行仔细分析，根据勘察报告上的岩土特征判断在拟建工程范围内是否会存在岩溶发育情况，ศ如判断为可能存在上述典型地质则应采取相关的预防措施，如超前地质预报、补充勘察等。
（2）城市地铁线路很大一部分是从城市道路下方穿过，✄且埋深较浅（一般为5～30m），而道路上方往往管线密布，车辆来往频繁，各种干扰众多，所以，在进行城市地铁超前地质预报时，预报方法的选择和实施方式与普通公路或铁路隧道超前预报方法将有所不同。此外，地质条件也是决定城市地铁超前预报方法选择和实施一个重要因素。
（3）对探查到的岩溶应针对不同工法编制有针对性的专项处理方案。目前对探查到的岩溶有条件的情况下优先采用地面预填充加固处理，针对不同工法还可以分别采用不同措施。
