摘要：本研究以某盾構區(qū)間在富水巖溶高強度灰?guī)r地層施工為實例，針對地下水豐富、灰?guī)r硬度高、巖溶強烈發(fā)育等不利地質條件，通過優(yōu)化掘進參數、選擇合適的刀具、改良渣土等一系列技術措施，成功解決了盾構掘進過程中的技術難題。在施工中，通過優(yōu)化刀具選型，有效延長了刀具的使用壽命，提高了掘進效率。此外，對渣土進行改良處理，進一步減少了掘進過程中的阻礙和風險。本研究提出了一套適用于富水巖溶高強度灰?guī)r地層的盾構掘進參數，這些參數在保證施工安全的同時，顯著提升了施工效率，并增加了經濟效益，對地鐵建設領域的技術創(chuàng)新和發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：盾構；富水灰?guī)r；刀具選型；渣土改良

中圖分類號：U455.43 """"""""""""""文獻標識碼：A """""""""""""""""文章編號：

Soil Pressure Balance Shield Construction Technology of Rich Limestone Stratum

WEI Qingwen1，2

（1：Jinan Rail Transit Group Construction and Investment Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250011， China; 2： Shandong University， Jinan Shandong 250100， China）

Abstracts：In this study， taking the construction of water-rich karst high-strength limestone stratum in a shield section of Jinan Metro as an example， in view of the unfavorable geological conditions such as abundant groundwater， high hardness of limestone， and strong development of karst， the technical problems in the shield tunneling process were successfully solved by a series of technical measures such as optimizing the tunneling parameters， selecting appropriate tools， and improving the muck. In the construction， by optimizing the tool selection， the service life of the cutter is effectively extended and the tunneling efficiency is improved. In addition， the improved treatment of the muck further reduces the obstacles and risks during the tunnelling process. In this study， a set of shield tunneling parameters suitable for water-rich karst high-strength limestone strata are proposed， which not only ensure the construction safety， but also significantly optimize the construction efficiency and produce positive economic benefits， which is of great significance for the technological innovation and development in the field of subway construction.

Keywords： shield， rich limestone， tool selection， residue improvement

1 工程概況

本文以濟南市某地鐵盾構區(qū)間為例，該區(qū)間總長度約為2.3 km，在左K30+505～左K31+387，右K30+493～右K31+384區(qū)間內分別穿越了兩個基巖上浮的地段，這兩段的總長度約為1.6 km。其中存在四個土石交界處，特性是上層軟、下層硬。下層基巖主要為中風化的灰?guī)r，而基巖上方主要是粉狀黏土。灰?guī)r段暴露出許多溶洞，并且灰?guī)r的裂縫水相當豐富。區(qū)間隧道圓形襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結構形式，盾構管片型式為平板型。管片外徑6 400 mm、內徑5 800 mm、管片厚度300 mm、環(huán)寬1.2 m。襯砌環(huán)全環(huán)由一塊封頂塊K、兩塊鄰接塊B和三塊標準塊A構成，封頂塊采用小封頂形式，徑向先搭接2/3，再縱向推入1/3。

2 地質水文

2.1 地質情況

該區(qū)間雙線隧道掘進過程中，主要穿越的地層包括：粉質黏土卵石⑧1層、粉質黏土⑧層、粉質黏土⑩層、細砂⑧2層、強風化灰?guī)r？1層、中風化石灰?guī)r？2層、灰?guī)r破碎體？2-2層等。區(qū)間地質情況見表1。

1） 強風化灰?guī)r？1層：灰白色，母巖成分基本蝕變，敲擊易碎，巖芯風化呈砂土碎塊狀，局部分布。

2） 中風化灰?guī)r？2層：灰白-青灰色，中風化，隱晶質結構，塊狀構造，局部裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀，一般節(jié)長15 cm～100 cm，錘擊聲脆，采取率約75%，巖石質量指標為80。局部巖溶發(fā)育明顯，揭露的小溶洞多為黏性土充填。

2.2 "水文情況

王府莊站～大楊莊站區(qū)間揭露地下水主要為潛水（二）、承壓水（三）、灰?guī)r裂隙水（四）。

潛水（二）：水位標高為16.83 m～30.14 m，埋深為11.50 m～18.30 m，含水層主要由粉質黏土⑧層和粉質黏土⑩層組成。

承壓水（三）：水頭標高為25.20 m～28.74 m，埋深為7.3 m～13.7 m，含水層主要由卵石⑧1層、細砂⑧2層組成。

灰?guī)r裂隙水（四）：水位標高為26.56 m～34.24 m，埋深為13.20 m～15.30 m，含水層主要由強風化灰?guī)r？1層、中風化灰?guī)r？2層組成。該層地下水主要存在于灰?guī)r裂隙中，在整個灰?guī)r地層中呈局部分布。

3 盾構刀盤配置

盾構機的刀盤采用了混合結構，由四輻條和四面板組成。刀盤配備了多種刀具，包括滾刀、齒刀、切刀、仿行刀、保徑刀等，能夠實現(xiàn)全斷面隧道挖掘，最大挖掘直徑可達6 680 mm。開口比例約占40%的刀盤設計為錐形渣土入口，并且支撐筋板采用Z型設計。此設計有助于破碎渣土順利進入挖掘艙，并避免堵塞發(fā)生在破碎渣土入口處。針對不同部分，對刀盤進行了耐磨保護措施以提高整體耐磨性能。盾構機刀盤配置圖見圖1。

4 高強度富水灰?guī)r地層施工難題

4.1 高強度灰?guī)r掘進效率低

1） 根據詳勘資料顯示風化石灰?guī)r單軸飽和抗壓強度分布范圍為33.5 MPa～83 MPa，標準值為64 MPa。

2） 考慮原區(qū)間隧道地質探孔布置局部間距大且不均勻，無法有效揭示區(qū)間隧道穿越地層的實際情況，施工單位組織了補充勘查，本次補勘巖樣最高強度達到92.1 MPa。

3） 在施工過程中，送檢了10批樣品，抗壓強度普遍分布在80 MPa以上，并且最高達到112 MPa。

灰?guī)r強度較高，掘進速度較慢，刀具磨損嚴重，增加了對刀具檢查的頻次。盾構設備振動明顯，影響機械結構的穩(wěn)定性，精密儀器易受到干擾，特別是導向系統(tǒng)工作狀態(tài)較難控制。高強度富水巖溶地層加劇了刀具磨損，在多種復雜工況下進行常壓和帶壓開倉時刀具檢查和更換存在較大的作業(yè)風險和困難。高強度中風化灰?guī)r照片見圖2。

4.2 巖溶水引發(fā)掘進噴涌

左線盾構機在掘進至第406環(huán)時，螺旋機出渣口噴涌。該處位于區(qū)間第二處灰?guī)r段的起始位置，存在灰?guī)r破碎體且裂隙水較為豐富。右線盾構機在掘進至388環(huán)時，受地層水位影響開始噴涌，位置與左線開始出現(xiàn)噴涌的位置大致相同，均為第二段灰?guī)r的起始位置。通過對左右線盾構機現(xiàn)場掘進情況進行分析，在開始出現(xiàn)噴涌的位置上，灰?guī)r裂隙水補給能力較強，當盾構機停機超過10 min后，前方水位能夠補給至拱頂以上約3 m高度。隨后，左線盾構機在掘進至第580環(huán)時，拱頂水位已達到約5 m。根據觀測，在土倉內的水量補給達到了400 m3/h～600 m3/h。同時，隨著隧道埋深不斷增加，水量持續(xù)增大。

掘進過程中嚴重噴涌現(xiàn)象對施工造成諸多不利影響，具體總結如下。

1） 盾構掘進效率降低

渣土含水量較低時，能夠平穩(wěn)連續(xù)掘進時，每天的掘進速度仍可達到4環(huán)～5環(huán)，但當出現(xiàn)噴涌情況時，每環(huán)的掘進時間會延長，并且清理盾尾渣土所需時間也會增加，導致每天的掘進環(huán)數低于3環(huán)。噴涌還會導致皮帶機漏泥、漏渣，這些雜質聚集在盾尾處，使得管片無法正常拼裝。由于現(xiàn)場條件限制，在進行拼裝之前需要花費較長時間人工清理盾尾區(qū)域，因此使得每個階段的拼裝時間增加約4 h。富水灰?guī)r掘進影響關系圖見圖3。

2） 水量增大，每環(huán)出渣量增加

隨著水量的增加，每環(huán)實際出渣量也增加，約為正常情況下的1.5倍。這導致運渣時間延長，從而影響了掘進效率。

3） 渣土含水量較多，外運困難

由于含水量較高，導致渣土運輸困難，新型渣土車仍無法完全確保有效運輸。

4） 刀盤結“泥餅”

由于灰?guī)r強度較高，水量較大，掘進速度較低，噴涌導致出渣不暢。倉內石渣堆積后被碾磨成石粉，并且刀盤長時間工作使得溫度升高，導致石粉結成“泥餅”，從而減小了刀盤開口率。此外，在螺旋機進渣口處大量膠結物堆積也再次影響了掘進速度并縮短了刀具使用壽命。土倉內“泥餅”形成關系圖見圖4。

5） 地層含水量大，開倉檢查刀具困難

富水灰?guī)r地層掘進時，刀具磨損嚴重，需要頻繁進行開倉檢查和更換。雖然掌子面圍巖相對穩(wěn)定，但由于水量較大，在常壓開倉檢查和刀具更換過程中對倉內地下水的強排能力和連續(xù)性有較高要求。在一定程度上存在因排水系統(tǒng)故障導致盾構機整體淹沒的風險。

4.3 管片上浮和錯臺

地下水壓大，當盾尾抵達巖溶發(fā)育區(qū)或者裂隙處時，大量巖溶水會對同步漿液進行沖刷作業(yè)，導致漿液流失到土倉等低壓區(qū)域，從而影響成型隧道施工質量，并容易出現(xiàn)管片上浮和錯臺現(xiàn)象。

5 施工技術措施優(yōu)化

5.1 優(yōu)化掘進模式和參數

在泉域富水灰?guī)r地層中進行掘進時，可以采取一些措施來提高正面土壓力，以增加施工的效果。其中一種方法是通過注入工業(yè)氣體來保持拱頂的壓力大于靜止時的拱頂水壓0.2 bar～0.3 bar。這樣可以使得盾構機正面的土體產生擠壓疏干效應，從而保持施工的穩(wěn)定性。為了確保土壓力的持續(xù)穩(wěn)定，還需要合理控制推進速度。特別是在灰?guī)r段的掘進過程中，需將推進速度控制在5 mm/min～20 mm/min內。這樣可以保持全斷面灰?guī)r地層的半敞開式推進，同時嚴格控制底部渣土的存量，以防止倉內氣體的流失，確保土倉內的土壓平衡地層水土壓力，避免刀盤位置形成負壓區(qū)，從而防止地下水涌入刀盤區(qū)域。此外，為了防止噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，還需要控制螺旋機出土速度，并確保螺旋輸送機具有一定的密封效果。這樣可有效防止地下水的噴涌，保持施工的安全性?？傊?，在泉域富水灰?guī)r地層中進行掘進時，通過增加正面土壓力、合理控制推進速度和防止地下水噴涌等措施，能夠確保施工的穩(wěn)定性和安全性。這些方法對于類似的地質條件下的掘進工程都具有重要的參考價值。

5.2 優(yōu)化刀具選型

在灰?guī)r掘進過程中，由于該區(qū)域存在大量溶洞，給刀具造成了很大的沖擊，導致刀具損壞嚴重。為了解決這個問題，在考慮到灰?guī)r的掘進效果的基礎上，選擇了刃寬為24 mm的滾刀，因其壽命較長。然而，在第二段灰?guī)r前期掘進時繼續(xù)使用較寬刃寬的滾刀，并未達到理想效果。通過觀察參數和進行強度檢測實驗發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域灰?guī)r強度明顯增加，較大刃寬滾刀整體破巖效果較差，并對韌性要求更高。為了優(yōu)化刀具選型，選擇了刃寬為19 mm的破巖滾刀，并在刀圈底部加厚以增強抗沖擊性，同時調整了刀具材質以提高韌性。在剩余80環(huán)的第二段灰?guī)r掘進中，嘗試使用了楔形鑲齒滾刀，效果較好。該滾刀適應性強，提高了破巖能力，并且使用壽命大大超過普通滾刀，從而減少了開倉頻率并降低換刀風險。通過降低滾刀刃的寬度、調整刀具材質以增強抵抗扭矩和沖擊的能力，并適度降低了刀圈的強度以增加韌性，并同時使用了楔形齒滾刀的方法，在高強度的灰?guī)r層開挖中取得相對良好成果。這樣延長了刀具使用壽命，減少換刀次數，并顯著提高掘進效率。楔形齒滾刀及破巖效果見圖5。

圖5楔形齒滾刀及破巖效果（圖片來源：作者自攝）

5.3 渣土改良優(yōu)化

地下盾構施工中，地層含水量較大，刀盤常處于有水狀態(tài)。為了保證順利施工，采取了一系列措施解決盾構機噴涌問題。首先，在富水灰?guī)r段掘進時，使用高膨化度的膨潤土進行渣土改良，起到了封堵螺旋機和灰?guī)r裂隙的作用。這不僅有助于保持壓力穩(wěn)定，還有效減少了泥土溢流現(xiàn)象。同時，還將膨潤土與高分子聚合物等混合物添加到土倉中，以提高泥土的流動性和稠度，并確保泥土具有一定的可塑性，從而降低其溢流性。通過將高密度的膨潤土注入螺旋機達到堵塞泥土的目的，并用加壓氣體替換土倉內部分水分來減少地下水流入情況，從而進一步降低溢流現(xiàn)象。

5.4 同步注漿和二次注漿

在盾構施工過程中，同步注漿和二次注漿也是非常重要的措施。當進行空倉挖掘或注漿壓力過高時，漿液有可能會順著盾殼流向土倉內部，部分堆積在土倉底部，導致排土口堵塞或形成“泥餅”。為了解決這個問題，采用水泥砂漿作為同步注漿的材料，其固化時間約為4 h～6 h。根據地質條件和挖掘速度的變化，可以通過現(xiàn)場測試來調整漿液的配合比，以優(yōu)化漿液固化所需的時間。水泥砂漿在一天內的強度需達到0.2 MPa，28 d后需達到2.5 MPa。通常情況下，同步注漿的壓力為0.3 MPa。拌制1 m？漿液需要水泥、石灰、粉煤灰、砂、膨潤土和水的重量分別為150 kg，50 kg，50 kg，850 kg，50 kg，460 kg。此外，會在必要時進行第二次環(huán)箍注漿，以避免隧道后部的水匯聚積累。

5.5 溶洞預加固處理

在需要處理的溶洞范圍內，如果處于區(qū)間風化石灰?guī)r下穿的區(qū)域，并且條件允許地面處理，則采用地面預加固處理。

1） 在處理充滿溶洞的區(qū)域時，采用壓力灌漿的方法來填補和增強，選擇使用了1：1的水泥漿作為灌漿材料，并將灌漿范圍設計在半徑為1.3 m的范圍內。

2） 對于高度不超過1 m的空洞或半填充的溶洞，應采用壓力灌漿回填的方法進行處理。而對于洞口直徑在1 m～4 m的空洞或半填充的溶洞，則先進行吹砂步驟，然后再采用灌漿固化方式處理。

3） 對于超大型未填充溶洞，若其洞徑超過4 m，則可先投入尺寸在5 mm～10 mm的碎石，并采用注漿法加固。在處理碎石時，需在原有鉆孔周圍增加兩個投石孔，這兩個投石孔的中心線必須與原鉆孔的中心線對齊，并且它們還可以互相作為氣體排放孔。

4） 在利用壓力注漿技術進行加固注填時，會逐步增加注漿壓力，并循環(huán)反復進行注漿操作。在注漿過程中，使用PVC袖門管來注入漿液。為了控制注漿壓力，將其維持在0.3 MPa～0.6 MPa。從洞底上方開始壓入水泥漿來進行注漿。一旦注漿壓力達到1.0 MPa，并且吸漿體積每分鐘達到1 L～2 L，將持續(xù)保壓10 min，然后停止注漿。在實際操作過程中，會根據現(xiàn)場實驗的實際情況對注漿參數進行微調和修正。

在修復溶洞后，對修復區(qū)需進行了抽樣檢查，以評估填充材料的緊密度，并確保灌注物的連續(xù)性。同時，還需進行強度測試，以確保其無側限抗壓強度≥0.2 MPa。通過以上的處理方法，能夠有效地填補和加固充滿溶洞的區(qū)域，從而保護了周圍環(huán)境的安全。

5.6 "堵水止水措施

在施工過程中，對隧道后部的滲水進行查明并有效封堵，以避免隧道后部滲水進入土倉，從而降低噴涌和換刀風險。通過二次環(huán)箍注漿可以有效阻止隧道后部滲水，并減少地下水向倉內補給的能力，緩解強排系統(tǒng)的工作壓力，降低施工風險。

5.7 常壓開倉換刀排水系統(tǒng)安裝

針對區(qū)間灰?guī)r裂隙水較為豐富的特點，在估算出地下水補給量后，制定有效的強排方案，從而降低土倉水位，實現(xiàn)常壓換刀。

1） 強排目標

開倉換刀施工需將倉內水位降至土倉底部，以便于中心滾刀更換和清理底部掉落的刀具。

2） 重難點

考慮到倉內存在較大（約400 m3/h～600 m3/h）的水量補給，強排系統(tǒng)中的設備及管路需合理配置，以確保水泵電源連接和管路連接良好。同時，還需充分做好應對停電、水泵故障及管路破損等突發(fā)事件的應急處理措施。

3） 強排實施方案

通過打開螺旋輸送機底部觀察孔及土倉壁所有預留球閥進行放水的方式，將土倉內積水匯集至隧道內，再通過強排系統(tǒng)將匯水輸送至地面，最終保持水的補給量與排水量相平衡，確保倉內水位穩(wěn)定至土倉底部。隧道內強排水系統(tǒng)照片見圖6。

5.8 "衡盾泥換刀技術

盾構機掘進至738環(huán)即將出灰?guī)r時，掌子面呈現(xiàn)出溶蝕體，巖溶發(fā)育強烈且多處存在，水流量大，先后3次嘗試常壓開倉進行刀具檢查及更換，但是由于水流量的快速增加以及掌子面穩(wěn)定性降低，這些嘗試都未能獲得預期的效果。

為進一步保證進倉檢查及更換刀具的安全，采用衡盾泥填充倉內，并封堵巖溶裂隙水源，以帶壓方式進行刀具檢查和更換作業(yè)［１］。由衡盾泥制成的掌子面泥膜［２］，具有出色的持壓封閉功能和長期耐久性，能夠完全滿足保壓開倉操作的需求。衡盾泥是通過加工處理無機黏土得到的材料，在經過改良后與增粘劑發(fā)生反應，形成一種黏度變化較大的泥漿。該產品具有優(yōu)秀的可塑性和附著力，在沖洗時不容易被稀釋或沖走，而且可以形成穩(wěn)定膜層。其卓越附著力使其符合環(huán)保標準。衡盾泥泥膜照片見圖7。

此次帶壓進倉作業(yè)共計4 d，壓氣進倉14倉，作業(yè)期間未對倉內進行任何處理，保壓情況良好，土倉未見明水流入［3］。采用衡盾泥填倉成功封堵了巖溶裂隙的水源通道，并形成了一定厚度的泥膜，在帶壓開倉更換刀具時提供了有力保障，并為類似地層帶壓進倉更換刀具提供了有價值的指導建議。

5.9 "倉內石粉結“泥餅”

由于灰?guī)r石渣的特殊性，刀盤結“泥餅”不僅影響掘進速度，還會對刀具的使用壽命產生影響。同時，大量石渣在螺旋機進渣位置堆積，形成膠結物質，進一步抑制了出渣率。為了解決這一棘手問題，引入“泥餅”分散劑并定期清除倉內較為嚴重的“泥餅”是一種有效的策略，能夠有效提高排渣率，加快挖掘進度，同時還能延長刀具的使用壽命。

6 總結及建議

通過分析濟南地鐵在富水灰?guī)r地層施工中存在的問題，并采用了優(yōu)化掘進參數、選擇合適的刀具和改良渣土等一系列的技術措施，成功解決了地下水源豐富、灰?guī)r硬度增大、溶洞數量眾多及巖溶強烈發(fā)育、地層結構復雜如上軟下硬等地質問題。通過采用盾構施工技術，解決了在富水灰?guī)r地層中刀具適應性問題、巖溶地層構造壓力、帶壓開艙檢查更換刀具及復雜環(huán)境下挖掘等技術難題，使得施工效率得到優(yōu)化，并產生積極的經濟效益，為類似工程項目提供了有價值的參考。

參考文獻

［１］鐘長平，竺維彬，邱小佩，等．盾構施工“衡 盾 泥”輔 助 新 工 法 研究［Ｊ］．現(xiàn)代隧道技術，２０１６，５３（３）：１－７．

［２］ 竺維彬，李世佳，方恩權，等．衡盾泥泥膜護壁工藝在富水砂層帶壓開倉作業(yè)中的應用［Ｊ］．市政技術，２０１８（２）：91-94．

［3］譚善文．地鐵盾構掘進施工開倉換刀施工技術［Ｊ］．建 材發(fā)展導向，２０１７，１５（１４）：１７８－１８０.

編輯：劉 巖