岩溶地层盾构掘进注浆控制理论

岩溶地层盾构掘进注浆控制理论

魏军 刘江浩 惠俊龙

  中建二局土木工程集团有限公司 北京市 101101

摘要:针对岩溶地层中盾构掘进过程中易发生地面塌陷、涌水涌泥等问题，提出盾构掘进注浆控制理论，该理论将岩溶地层的盾构掘进过程分为6个阶段：溶洞塌陷阶段、浆液填充阶段、土仓压力下降阶段、土体强度增长阶段、地面塌陷阶段。在此基础上，提出了岩溶地层盾构掘进注浆控制的具体技术措施，即：1)对注浆系统进行设计；2)选择合理的注浆工艺和参数；3)调整注浆系统压力，控制注浆速度；4)控制浆液配比，增加浆液固结强度；5)控制地表沉降，降低对周围环境的影响。该理论的提出将为岩溶地层盾构掘进注浆技术的推广应用提供理论支撑。

关键词：岩溶地层;盾构掘进;注浆控制;理论

引言:近年来，随着我国城市化进程的不断推进，城市地下工程建设不断增多，由于工程地质条件的复杂性以及建设资金和技术等问题，岩溶地层中盾构掘进注浆控制技术研究成为地下工程建设中的重点和难点。 

一、岩溶地层盾构掘进注浆控制理论

（一）岩溶地层强度及分布

根据岩溶地层的空间分布特征，岩溶地层强度可分为以下几类：

（1）不透水的灰岩、白云岩等，其强度为零，不会对隧道施工造成影响；（2）遇水膨胀的软土，其强度会随着时间的推移而增大，直至达到某一极限值，从而导致隧道衬砌结构变形、破坏；（3）透水的粉、细砂，其强度较大，在施工过程中极易被扰动而导致结构变形、破坏。

由上可知，岩溶地层强度具有明显的空间分布特征，其分布规律与岩溶发育程度、岩性条件等密切相关。具体来讲，岩溶地层强度主要受到以下因素的影响：（1）岩性条件，当岩层的溶蚀度较高、强度较大时，岩溶地层强度也较高；（2）岩溶发育程度，当溶洞发育程度越高、裂隙越密集时，岩溶地层强度也越高；（3）地质构造条件，当地质构造较差、破碎带较多时，岩溶地层强度也会降低；（4）地下水赋存条件，当地下水赋存条件较好时，岩溶地层强度也会增大[1]。

（二）溶洞充填物

岩溶地层中溶洞充填物主要包括：①粉细砂层（岩芯）；②碎石层（泥岩）；③淤泥质土；④淤泥或粘土。粉细砂层（岩芯）：充填物中的砂、卵石及粘粒含量较高，颗粒较大，主要是砂、卵石，颗粒间的粘结力较弱。盾构掘进过程中，充填物受压后强度会逐渐降低。

（三）盾构掘进对土体扰动

在岩溶地层盾构掘进时，土体受到扰动，导致土体的应力状态发生变化，产生附加应力。该附加应力对土体产生扰动，引起土体的变形。当土体受到的荷载增大时，所受的总应力增大；当土体受到的荷载减小时，所受的总应力减小。由于岩溶地层中孔隙水压力较大，其产生的附加应力也较大，因此对孔隙水压力造成一定影响。当隧道掘进过程中，隧道开挖面前方的土压力大于隧道周围土体的附加压力时，该附加压力使土仓压力下降，土颗粒从土仓中脱出，造成土仓内出现空隙；当隧道开挖面后方土体受到扰动后产生附加应力时，该附加应力会使其附近的土颗粒被挤出，从而造成土仓压力下降。

（四）盾构掘进对周边环境影响分析

隧道掘进过程中，周围土体产生附加应力，当其超过土体的抗拉强度时，会导致土体产生剪切破坏，并产生附加位移。隧道施工中的周边环境包括开挖面前方一定距离范围内的地表、建筑物和地下管线等，其中地表和建筑物主要受荷载影响，地下管线受力复杂且影响范围大。

盾构掘进对周边环境影响会出现许多问题，比如地表沉降：隧道施工扰动会造成地表沉降，主要发生在盾构始发阶段及盾构到达接收阶段。盾构通过前10d内地表沉降较小，后期地表沉降逐渐增大；随着隧道掘进距离的增加，地表沉降也逐渐增大。此外，在隧道开挖过程中会造成土体中产生径向应力，引起地层变形。

（五）盾构掘进参数控制方法

岩溶地层的掘进参数控制需要考虑盾构推进过程中的土体扰动和土压平衡，同时还要兼顾施工的经济性和施工进度[2]。针对岩溶地层，一般可采用以下掘进参数控制方法：第一注浆参数控制：选择合理的注浆材料和配比，保证浆液在注浆口不会因长时间的停留而凝结，而是能在最短时间内把浆液压入土体中；第二刀盘扭矩控制：在一定范围内增加刀盘扭矩，可以有效提高掘进速度，但是当刀盘扭矩增加过快时，可能会导致刀具磨损、管片变形和盾构机受力增加等问题；第三同步注浆参数控制：在注浆过程中，要保证同步注浆压力在0.4MPa以内，并且保持稳定。

二、岩溶地层盾构掘进注浆控制策略

（一）前期准备

岩溶地层盾构掘进注浆控制策略，首先需要做好前期准备工作。在盾构掘进之前，施工单位需要充分了解相关区域的地质情况，提前做好注浆加固工作，为盾构掘进提供充足的浆液。在准备阶段需要做好以下工作：

（1）在隧道两侧及隧道内部进行钻孔，为注浆做好准备。钻孔的深度和宽度根据实际地质情况确定。（2）提前对盾构机的各项参数进行检查，例如刀盘的转速、刀盘扭矩、刀盘转速等；检查盾构机的密封情况，例如是否有漏水等现象；检查盾构机的刀具磨损情况以及盾构刀盘的磨损情况，保证盾构机刀盘能够正常工作

[3]。

（二）掘进参数控制

在进行岩溶地层盾构掘进时，需要根据溶洞的大小和充填情况，控制掘进参数，使盾构机在穿越溶洞时安全、顺利地通过溶洞。

（1）刀盘扭矩：掘进速度的快慢与刀盘扭矩的大小有关，盾构机在通过溶洞时，为保证刀具不发生严重磨损，应将扭矩控制在1500～2000 KN•m之间。

（2）推进速度：在岩溶地层中，推进速度需要根据溶洞大小来进行调整。当溶洞较小时，可以适当的将推进速度提高至30～40mm/min；当溶洞较大时，可将推进速度降低至20～30mm/min。

（3）土仓压力：在进行岩溶地层盾构掘进时，土仓压力需要根据实际情况进行调整。

（三）同步注浆控制

同步注浆是盾构施工的重要环节，主要作用是通过浆液的充填、挤压、渗透等作用，对岩溶地层进行加固、加固土与周围土体之间的固结作用，减少掘进过程中盾构机与周围土体之间的摩擦，使盾尾与土体之间形成密封效果，防止盾尾漏水、地层损失及地面沉降等事故发生。

根据盾构施工时不同地质条件、不同施工要求，合理选择浆液材料和注入方式。在岩溶地区，由于地层结构复杂，加之地下水丰富，对浆液性能要求较高。同时由于岩溶地层的特殊性，对盾构掘进速度提出了更高的要求，同时为了保证盾构在溶洞中安全掘进，需采用特殊的浆液材料和注入方式。

（四）注浆效果监测

（1）盾构掘进过程中，通过对刀盘扭矩、盾构姿态、刀盘刀盘扭矩变化率等参数的实时监测，掌握盾构推进过程中地层的变化规律，指导盾构机的姿态调整、纠偏和同步注浆，防止因隧道上方岩层的不均匀沉降引起盾构姿态不稳。

（2）通过对盾构机掘进速度、扭矩变化率、盾构机推进距离等参数进行实时监测，掌握隧道上方岩层的变化规律，为隧道上方岩层的加固提供可靠依据。

（3）通过对盾尾注浆压力进行实时监测，掌握掘进过程中管片周围土体的沉降情况，及时采取相应措施对管片进行纠偏，防止管片上浮或变形过大造成隧道结构不稳定。

（五）后续施工预防措施

（1）当盾构推进过程中遇到溶洞时，在不影响隧道结构安全的情况下，可采取适当的措施对溶洞进行处理，降低对隧道结构的影响。

（2）当盾构通过溶洞时，通过调整盾构姿态、优化注浆参数、及时补浆等措施对隧道上方溶洞进行处理。

（3）当盾构在溶洞地层中推进时，必须对盾尾注浆压力进行实时监测，对盾尾注浆压力进行实时调整，防止因盾尾注浆压力过高造成管片上浮或变形过大。

（4）当盾构通过溶洞后，如果盾构姿态发生了较大偏差或盾尾注浆压力没有达到预期值时，必须采取适当的措施对盾尾注浆进行调整，防止管片上浮或变形过大。

结语：在岩溶地层盾构掘进注浆控制方面，目前对盾构掘进注浆控制研究主要集中在以下几个方面：（1）通过理论研究和现场试验分析岩溶地层盾构掘进注浆控制过程中浆液的流动特征、浆液固结过程以及浆液固结强度等问题；（2）通过分析岩溶地层盾构掘进注浆工艺，提出合理的注浆参数及工艺；（3）通过理论分析，确定岩溶地层盾构掘进注浆控制的具体技术措施。

参考文献：

[1]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）,2018:215-216.

[2]余群舟;孙乐胜;周诚;骆汉宾.盾构掘进富水硬岩地层管片上浮控制[J].土木工程与管理学报,2022:7.

[3]张德文,李文,陈磊,宫斌,盖姜博,仇晖,刘丽晴,耿传政,乔晓磊.济南地铁含岩溶裂隙水盾构区间注浆堵水控制技术[J].土木工程,2019:7.