周华贵， 何一韬

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308； 2. 中交城市轨道交通设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430056)

0 引言

伴随着国内隧道工程建设的飞跃式发展，岩溶隧道工程越来越多，其勘察、设计及施工风险相对较高，得到了业内的普遍关注。国内岩溶隧道在铁路、地铁等工程领域均有研究先例： 申志军[1]对宜万铁路岩溶隧道修建关键技术进行了研究，主要针对洞内勘察、洞内水处理等问题开展了研究；李广涛[2]介绍了广州地铁3号线北延段工程盾构岩溶隧道勘察钻孔的布置及加固标准；杨育僧等[3]对广州市轨道交通3号线客村—大塘盾构区间盾构选型、盾构施工参数等进行了研究；桂林[4]研究确定了广州地铁5号线岩溶地区盾构隧道工程勘察钻孔布置方案和加固标准；徐恒国[5]针对长沙地铁3号线过湘江隧道方案，重点对过江岩溶隧道盾构方案选型进行了研究；李慎奎等[6]分析了武汉地区岩溶发育特征和规律，总结了地铁车站、区间隧道穿越岩溶区的处理方法；周超[7]研究出适用于徐州灰岩地区的岩溶处理方法,并总结出徐州地区岩溶发育特点及分布规律。前人对岩溶隧道的勘察、岩溶处理、岩溶处理的标准、盾构选型等进行的研究，大多针对山岭隧道、陆域或江河隧道以及小直径地铁盾构隧道，对海域大规模岩溶、大直径盾构隧道研究较少。

本文主要针对大规模海底岩溶勘察如何开展，海底岩溶如何处理及处理达到什么标准，以及如何有针对性地进行盾构设计等问题开展研究，以期为类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

大连市地铁5号线火车站站—梭鱼湾南站区间下穿大连市钻石湾海域。区间盾构段全长2 870 m，其中海域段2 310 m、陆域段560 m。区间采用1台直径12.2 m泥水盾构施工，盾构自梭鱼湾南站始发，穿越海域，向南边的中间风井掘进，最终到达中间风井接收。图1为隧道平面示意图。

图1 大连地铁5号线火梭区间海底隧道平面示意图

Fig. 1 Plan of Railway Station-Suoyu Station submarine tunnel on Dalian Metro Line 5

隧道采用单洞双线双层衬砌方案，设计参数为： 管片内径为10.8 m，外径为11.8 m，环宽2.0 m，管片厚50 cm，错缝拼装；盾构隧道管片采用C50、P12钢筋混凝土，管片8分块；二次衬砌厚30 cm，为现浇钢筋混凝土。图2为隧道横断面示意图。

图2 隧道横断面示意图

隧道主要穿过中风化白云质灰岩、溶蚀地层、中风化钙质板岩、中风化板岩、少量中风化辉绿岩等，洞顶覆盖层依次为淤泥、粉土、粉质黏土、基岩层。穿越的中风化白云质灰岩、中风化钙质板岩、中风化板岩、中风化辉绿岩的单轴饱和抗压强度最大值分别为91.4、118.2、88.5、116.0 MPa。

隧道范围内岩溶区长度为1 530 m，其中陆域段180 m、海域段1 350 m。根据勘察报告显示，本工程岩溶属于中等—强烈发育区。强烈发育区为北岸段329 m、中间段234 m及中风化板岩交界处段213 m。勘察过程中共统计了172个溶洞，平均洞高为2.35 m。其中，全充填型溶洞有133个，占77.3%，平均洞高为2.5 m；半充填型溶洞有12个，占7%，平均洞高为2.2 m；无充填型溶洞有27个，占15.7%，平均洞高为1.8 m。详勘揭示溶洞最大洞高11.3 m，专勘揭示溶洞最大洞高15 m。

隧道穿越海域水深9～14 m，海底距隧道顶部为12.2～22.8 m，隧道底最大水深约50 m，隧道最大坡度28‰。图3为隧道纵断面示意图。

图3 隧道纵断面示意图

2 海底盾构隧道岩溶勘察

2.1 海底岩溶勘察总体思路

岩溶勘察应分初勘、详勘和专勘3阶段。初勘阶段： 详细分析隧址区域内地质构造以及岩溶分布形态。详勘阶段： 在初勘基础上有针对性地采用物探方法，进一步摸查清楚岩溶的发育情况；根据规范，划分岩溶强烈发育区及弱发育区。专勘阶段： 在前期工作的基础上，对发育区间进行针对性勘察，可以采用“跨孔CT物探+钻探”的方法；布置钻孔应尽量避开详勘钻孔，可以通过更多的钻孔来揭露岩溶；根据专项勘察结果，预判可能存在的岩溶区域，再加密钻孔，最终岩溶确定以钻孔探边结果为准。

2.2 岩溶勘察方案

在南方地铁工程岩溶勘察中[8]，大多仅采用加密钻探。钻探孔间距一般按5 m×5 m布置，有的甚至按2 m×2 m布置，这种勘察方式费用高且工期长。由于本工程岩溶段长约1 350 m，且位于海面上，经过多次专家论证后确定采用“物探+钻探”方案。目前物探手段有： 电法勘探(电测探法、高密度电法等)、电磁法(瞬变电磁法、电磁波法)、探地雷达、地震勘探(浅层折射波法、浅层发射波法、瑞雷波法)、弹性波测试(声波法、地震波法)、层析成像等[9]。通过多方比较，最终选择电磁波CT法和弹性波CT法进行试验。

在隧道北岸陆域段进行了弹性波CT法和电磁波CT法跨孔试验。试验结果显示，由于海水属于低阻体，对电磁波具有屏蔽效应，在孔间距11 m时电磁波CT无法穿透；相反，由于海水的良导电性，有利于电火花震源的能量充分释放，10 kJ的弹性波CT测试距离可达25 m左右(更高能量至PVC测管爆裂)。最终确定，岩溶专项勘察阶段选择跨孔弹性波CT法。

本工程最大的施工风险是掘进过程中盾构栽头，同时需考虑勘察费用及工期，因此，跨孔CT钻孔间距及布置尤为关键。根据盾构厂家提供的信息，盾体重心距离盾构前端距离为5.3 m，为了防止盾构掘进过程中栽头，跨孔CT钻孔布置应使物探盲区尽量小于5.3 m。针对以上要求，本工程跨孔CT钻孔间距及布置方案如下：

1)陆域段岩溶强烈发育区，钻孔间距按11 m梅花型布置，测线连接相邻2个钻孔，测线最长约24.27 m，盲区最大直径为4.5 m，满足防止盾构栽头要求。图4为对应CT测线布置示意图。

图4 陆域岩溶强烈发育段CT测线布置示意图(单位： m)

Fig. 4 Layout of CT line for intensely-developped karst section of land area (unit: m)

2)海域段岩溶强烈发育区，钻孔间距按11 m矩形布置，测线最长约20.9 m，盲区最大直径中心区为5.0 m、边区为6.0 m，基本满足防止盾构栽头要求。图5为对应CT测线布置示意图。

图5 海域岩溶强烈发育段CT测线布置示意图(单位： m)

Fig. 5 Layout of CT line for intensely-developped karst section of sea area (unit： m)

3)海域段岩溶弱发育区，钻孔间距按20 m间距矩形布置，测线最长约26.77 m，盲区最大直径中心区为8.0 m、边区为7.6 m。图6为对应CT测线布置示意图。

图6 海域岩溶弱发育段CT测线布置示意图(单位： m)

Fig. 6 Layout of CT line for weakly-developped karst section of sea area (unit： m)

4)跨孔CT弹性波的发射点与接收点位置不同，发射点在下方，接收点在上方，为斜向上发射，发射孔深度比接收孔深度低5 m左右。针对本工程隧底岩溶加固深度不同，跨孔CT钻孔打设深度也不同： 加固深度为隧底下5 m范围，发射钻孔深度一般取隧底下10 m；加固深度为隧底下10 m范围，发射钻孔深度一般取隧底下15 m。

2.3 岩溶勘察实施过程及结果

本工程在隧址北岸陆域段开展了180 m长度的岩溶强烈发育区勘察试验，采用跨孔CT方案，通过多次测试及钻探检测，跨孔CT测试结果与钻探溶洞基本吻合。通过验收后，依次开展了海域另外2段岩溶强烈发育区的勘察。截至目前，通过详勘既有钻孔及专勘新钻孔验证，海域跨孔CT物探方案基本可行，达到了预期的目标。

3 海底盾构隧道岩溶处理

3.1 海底盾构隧道岩溶处理总体思路

海底盾构隧道岩溶处理分海面预处理、洞内超前处理、工后处理3阶段，坚持“以洞外处理为主，洞内处理为辅”的原则。具体如下：

1)通过专项勘察，查明隧道周围影响区域内各种溶洞的位置、规模、充填物性质等。针对溶洞位置、规模及填充性质，对岩溶进行针对性的海面预处理。

2)盾构掘进过程中，利用其产生的渣土对岩溶情况预判断，或通过盾构的物探设备及超前钻探设备进行洞内超前探测，根据岩溶情况进行隧道洞内预加固处理。

3)盾构管片拼装完成后，对隧道内进行全面物探扫描，针对前2阶段未发现及未处理的溶洞进行洞内注浆处理，确保隧道运营安全。

3.2 海底岩溶分类及处理

海底岩溶根据充填状态分为充填型、半充填型及无充填型，其中本工程岩溶充填型占77.3%，半充填型占7%，无充填型占15.7%。充填型、半充填型及无充填型3种类型的处理方式如下：

1)无充填型和半充填型岩溶。对直径大于2 m的无充填型或半充填型岩溶，先采用水泥砂浆填充空洞，再采用袖阀管注浆加固；对直径小于2 m的无充填型或半充填型岩溶，则采用注浆填充。

2)充填型岩溶。采用袖阀管注浆法填充加固，压力逐渐增大，间歇并反复压浆。周边孔注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，中央孔采用水泥浆。

图7为岩溶分类处理示意图。

图7 岩溶分类处理示意图

3.3 岩溶隧道加固范围及检测标准

3.3.1 岩溶隧道加固范围

国内岩溶盾构隧道两侧加固范围一般取B=2～5 m，如直径6 m左右盾构隧道，隧道上方及侧面加固范围取3 m，隧道下方加固范围取5 m[10]。本工程属于大直径海底盾构隧道，隧道重要性要求较高，同时隧道的变形及受力要求也较高。为了更好地掌握岩溶对隧道的影响，分别对溶洞直径1 m、2 m和3 m，位于隧道外2 m、3 m、6 m和10 m不同范围内的多种工况进行有限元结构模拟计算。岩溶位于隧道上方和侧方3 m范围的计算模型如图8和图9所示。

根据GB 50299—1999《地下铁道工程施工及验收规范》[11]，按照隧道洞径0.2%(23.6 mm)的洞周收敛临界值以及结构内力是否满足材料设计值作为判别岩溶是否需要处理的标准。通过计算，隧道周边3 m范围内为主影响区，隧道周边3～6 m范围为次影响区。主影响区溶洞全部需要处理，次影响区岩溶直径3 m以上的溶洞需要处理。具体要求如下：

1)盾构管片上方及侧向3 m、下方5 m范围内为主影响区，此范围溶洞需全加固，加固范围如图10所示；

2)盾构管片上方及侧向3～6 m、下方5～10 m范围为次影响区，此范围需探明直径(长边或等效长轴)≥3 m的溶洞，加固范围如图10所示；

3)对于第2)条次影响区内直径(长边或等效长轴)<3 m的溶洞以及上述影响区以外的溶洞，可不予加固。

图8 岩溶位于隧道上方3 m模型

图10 岩溶加固范围示意图(单位： m)

3.3.2 岩溶加固检测标准

岩溶加固范围确定后，岩溶加固至何种程度需进一步确定。根据国内既有工程，一般加固标准为固结体28 d无侧限抗压强度不小于0.15～0.20 MPa，有的甚至达到0.5 MPa，标贯值大于7～10击[12]。盾构掘进过程中，盾构基底承载力F≥盾构自重G1+覆土自重G2-盾构浮力f才是安全的。通过计算，本工程基底承载力为0.08 MPa。

根据盾构基底承载力、详勘报告及《工程地质手册》[13]，对应分析出岩溶加固标贯值，此标贯值需与被加固土体匹配，否则难以实施。针对本工程，岩溶填充物大多为花岗岩残积土，根据《工程地质手册》表4-5-88，标贯值为10击时基底承载力可达到0.20～0.25 MPa，标贯值为15击时基底承载力可达到 0.24～0.30 MPa。标贯值越高施工难度越大。因此，根据基底计算承载力、施工难易程度以及既有经验，本工程加固检测的标贯值取10击。由于海上取土较困难，本工程对土体无侧限抗压强度值无要求，只要求溶洞全充填满即可。具体加固检测标准如下：

1)检测原则及数量。对加固后的溶洞采用随机钻孔取芯试验方法检测，抽查点数量不小于注浆孔数量的1%，且不小于3点；

2)检测标准为标贯值N≥10击；

3)当隧道外轮廓线3 m处CT测线揭示到溶洞，需钻孔验证并再外扩3 m找边，加固检测标准同上；

4)应采用二次或多次压浆工艺，抽芯确保溶洞全部填充。

3.4 海底岩溶海面预处理具体实施方案

岩溶处理可采取“先外后里、先下后上”的方式，对多层溶洞的岩溶先处理下层溶洞，再处理上层溶洞。本工程岩溶主要为3段溶洞强烈发育区，其他为弱发育区。针对强烈发育区，先在区域外围打设止浆墙，再在止浆墙内注浆加固；针对单个溶洞，一般是先探边，确定范围后，再进行处理。具体实施方案如下：

1)对于岩溶强烈发育区域、溶洞分布密集地层，溶洞处理措施为“隧道两侧3 m处灌注双液浆，再在内部按充填类型分别采用相应的注浆加固措施”。先外侧注双液浆，形成止浆墙后，再内部注浆，避免浆液流失。

2)对于单个溶洞，以揭示探出的溶洞钻孔为基准点，按照4 m×4 m间距布孔(根据具体情况而定，特殊情况可按2 m×2 m间距布孔)，局部加密钻孔向四周扩散，以探到溶洞边线为止，钻孔兼作注浆孔。对已探明的溶洞根据其大小，向外围注双液浆，使溶洞边界形成止浆墙，内部注单液浆进行溶洞处理。图11为溶洞布孔示意图。

图11 溶洞布孔示意图

3)由于本工程溶洞填充物大多为黏性土，甚至碎石土，仅采用注浆加固的方式即可；个别的溶洞填充物为淤泥质层，根据需要可采用海中搅拌桩或旋喷桩甚至进行洞内处理。

4 海底岩溶隧道盾构针对性设计

大连地铁5号线海域段长2 310 m，其中岩溶段长1 350 m，最大水头压力达0.5 MPa，属于长距离、高水压、岩溶隧道。岩溶地层盾构掘进会带来覆土坍塌、刀具异常损坏、突涌水、盾构栽头、突然无载荷等施工风险；硬岩地层盾构长距离掘进会带来刀盘刀具磨损、盾尾刷破坏、刀具水密性风险；破碎带地层(岩溶地层)盾构掘进会带来堵舱滞排风险；高水压盾构掘进会带来刀具水密性及盾尾刷止水风险。对如此复杂、大规模的岩溶隧道进行盾构掘进施工，在国内尚属首次。本工程在盾构设计上采取了多项措施，以确保顺利施工。海底岩溶隧道盾构针对性设计如下：

1)采用泥水气压平衡盾构，配置43.18 cm(17英寸)和48.26 cm(19英寸)的双轴双刃可常压更换滚刀，减小了带压换刀施工风险。

2)刀盘前、后面板均采用耐磨复合钢板，前面板、外圈梁、滚刀刀筒带有液压式磨损检测功能，减小了长距离掘进施工风险。

3)刀具安装有旋转、温度及磨损检测系统，发现刀具磨损，则立即更换，防止引起其他刀具磨损。

4)盾构配置了摆动伸缩主驱动，利用伸缩缸回收更换正面刀具，利用伸缩摆动功能实现超挖，便于更换最外圈轨迹线上的刀具。

5)由于破碎带及岩溶地层黏性土较多，盾构配置了大流量分区自动控制的高压冲刷系统。

6)为应对破碎带、上软下硬地层，盾构配置了舱内舱外双碎石机系统、防滞排环流系统。

7)针对本工程岩溶地层，盾构配置了渣土管理系统，一旦发现渣土不同，盾构操作人员立即采用岩溶地层掘进参数掘进，减小施工风险。

8)盾构配置了超前地质预报系统、超前钻机系统，对地面未处理到的岩溶进行洞内探测、洞内注浆加固，确保岩溶隧道掘进安全。

9)为了实现长距离、高水压掘进，盾构配置了5道盾尾刷以及盾构间隙检测系统。

5 结论与建议

本工程长距离穿越海底3段岩溶群，为工程勘察、设计带来了巨大挑战。本文从岩溶勘察方式、岩溶加固范围、岩溶加固检测标准、岩溶处理方案、盾构设计等方面，做了深入研究及分析，结论与建议如下。

1)海域岩溶勘察难度和复杂性远远大于陆域岩溶勘察，勘察前需认真制定详细的勘察大纲及勘察思路，先从地质构造上总体分析海底岩溶的分布形态，然后详勘摸查岩溶分布规律，最后采用“跨孔CT物探+钻探”的方式进行专项勘察。

2)根据试验结果及盾构重心等要求，陆域段、海域段岩溶强烈发育段按照11 m间距布置钻孔，岩溶弱发育段按照20 m间距布置钻孔。

3)本工程岩溶处理范围： 盾构管片上方及侧向3 m、下方5 m范围内为主影响区，此范围溶洞需全部加固；盾构管片上方及侧向3～6 m、下方5～10 m范围为次影响区，此范围需探明直径≥3 m的溶洞并进行加固。

4)岩溶处理检测标准： 通过抗浮计算、理论分析，要求标贯值N≥10；抽芯检测确保溶洞全部填充。

5)海底岩溶隧道盾构针对性设计主要包括常压换刀，滚刀旋转、温度及磨损在线实时检测装置，超前地质预报系统，超前钻机系统，双碎石机及防滞排环流系统等，确保施工安全，降低施工风险。

6)海底岩溶隧道处理应分海面预处理、洞内超前处理、工后处理3阶段，坚持“以洞外处理为主，洞内处理为辅”的原则。

7)海底岩溶隧道施工难度大、风险高，建议在隧道前期研究阶段对勘察做一个全面的总体实施规划，避免出现因初勘、详勘及专勘脱节导致的勘察投入多、工期长、勘察效果差的情况，确保隧道施工安全，提高工程建造质量。