代昂

【摘 要】根据武汉市轨道交通三号线工程详勘、补勘成果，结合设计文件，分析了王家湾-宗关整个区间面临的突出岩土工程问题，对盾构施工过程中可能引发的岩溶塌陷、管片抗浮及突涌问题进行了深入探讨，分析了粘性土下伏灰岩地区土洞的形成及岩溶塌陷机理、管片上浮的各种影响因素，探讨了高压富水砂层中盾构施工可能面临的突涌风险，并根据勘察剖面，结合隧道洞身实际穿越地层情况对以上突出岩土工程问题进行了分析，最后针对性提出了本区间地铁施工盾构选型及设计、施工注意事项。

【关键词】盾构;岩溶塌陷;抗浮;突涌

中图分类号： U231.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）11-0174-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.083

【Abstract】According to the results of detailed geological investigation and supplemental geological investigation combining design document of Wuhan rail transit line Ⅲ， possible problems of projecting geotechnical engineering in Wangjiawan-Zongguan region are analysed in this essay. Karst collapse， anti floating tube and sudden surge which may appear during shield construction are discussed in depth. We discuss various factors affecting the formation of soil cave， the mechanism of karst collapse and the floating of segments in the clay underlying limestone area. Risk of burst in shield construction under high pressure and water rich sand layer are also discussed in this eassay. Finally， combining the geological explorative cross-sections， the problems of the above geotechnical engineering are analyzed and matters needing attention in selection， design and construction of shield for subway construction in this interval are put forward.

【Key words】Shield; Karst collapse; Anti-floating; Surge

武汉地区总体地貌形态由剥蚀堆积垄岗区过渡为冲洪积区，城区内自北向南分布有多条可溶岩条带，同时在汉江、长江一级阶地分布大量富含承压水的砂土地层，特殊的地质条件导致区内岩土工程问题复杂多变。近年来，由于城市建设尤其是轨道交通建设规模的不断加大，因施工造成的岩溶塌陷、富水粉细砂层突涌及塌陷灾害，以其突发性、群发性以及强破坏性等显著特征，给工程建设带来了潜在威胁。

武汉市轨道交通三号线工程全线长28.0Km，其中第三标段王宗区间（王家湾-宗关）线路区段里程右AK10+095～AK12+426，长度约2.331Km，其中AK11+600～AK11+920段穿越汉江，区间隧道采用双线上、下行通道，钢筋混凝土圆拱结构，洞径6米，底板埋深15～36米，采用盾构法施工。过江段地铁隧道布置情况见表1。

结合上表，根据详细勘察报告成果可知，拟建地铁线路按照设计基底标高，越江段属于水下淺覆隧道，洞身穿越多种特殊地层，包括富含承压水的砂土层及软硬不均的复合地层，而在汉阳段线路穿越较长的岩溶地层。

因此，整个区间面临着特殊的岩土工程问题，最主要的即为盾构施工过程中的岩溶塌陷及管片抗浮问题，尤其是越江段及汉口段高压富水砂层中往往因抗浮问题而诱发严重的盾构施工突涌及塌陷事故，给工程建设带来巨大的潜在危害。

1 场地岩土构成与分布特征

根据详勘成果，结合区域地质资料及前期勘察资料综合分析，勘区岩土主要为第四系全新统冲积土层、中-上更新统老粘性土，下伏基岩主要是石炭-二叠系灰岩、泥灰岩，泥盆系石英砂岩，基底为志留系泥岩，局部相变为泥质砂岩、砂岩。因此本区间岩土种类多，工程性质差异巨大，软硬不均，且存在可溶岩，砂土层富含承压水，属于典型的复杂场地。根据工程分区，沿线不同地形地貌单元区间内岩土层空间展布规律及厚度变化情况如图1所示。

2 突出岩土工程问题影响分析与评价

2.1 岩溶塌陷问题

范士凯[1]总结了1931年以来武汉市区发生的岩溶地面塌陷分布规律，发现武汉市岩溶地面塌陷不仅在南部石灰岩带长江一级阶地上的二元结构地层中出现，而周边的老黏土分布区在地下水变动较大或存在土洞时也会发生塌陷，从“真空吸蚀机理”和“潜蚀机理”分别阐述了塌陷发生的原因。李勇峰[2]根据勘察资料及工程实例，通过静力学分析了已发生的塌陷，发现岩溶塌陷的直接诱因为人类工程活动产生的外力，并以岩溶探测及地质勘察资料为基础，将岩溶塌陷区的盖层结构概化成两种地质模型：“黏性土+砂岩+灰岩”及“黏性土+灰岩”。

上述研究中，岩溶塌陷机理基本可以总结为土洞型塌陷机理，从土洞开始形成至土洞顶板厚度达到极限值是一个渐进性破坏过程。在土洞拱效应不断生成和丧失过程中，土洞规模不断增大，洞顶不断上移。土洞洞顶坍塌过程中，地下水流不断搬运带走洞底堆积物，这使得坍塌土体始终存在着一定的存储空间;随着时间的推移，土洞洞顶逐渐靠近隧道基底，此时，在触发因素作用下，基底极易产生塌陷。

钻探揭示汉阳段（长江三级阶地）王家湾～江汉二桥沿江大堤，分布三叠、二叠～石炭系灰岩。其中王家湾～江汉二桥汉阳体育训练基地段的三叠、二叠系灰岩岩溶相对发育，钻探揭示多处溶洞分布，洞径一般在0.5～1米，个别大于3米，充填不均，灰岩面埋深多在25～30m之间、岩面起伏不大，上覆连续分布硬塑～坚硬状厚层粉质粘土、粘土隔水层，上层滞水难以直接渗流到岩层;但由于岩溶水受岩溶发育程度及周边水文环境控制，其富水性、承压性与岩溶裂隙的大小、贯通性及水源压力密切相关，存在极大的差异性，根据抽水试验资料显示，场区岩溶裂隙水有一定发育。

根据范士凯及李勇峰的研究成果可知，该段符合“黏性土+灰岩”的致灾模式，由于地铁施工活动有可能改变局部的水文地质环境条件而产生吸蚀和潜蚀作用，从而导至岩溶活动的加剧或加速发展在土层与灰岩界面附近形成土洞并进一步发展为塌陷地质灾害，工程设计与施工治理需要引起足够的重视。

2.2 盾构管片抗浮问题

越江段根据设计提供的资料，汉江河段的河床300年一遇冲刷线标高约为-2.8m，该段拟建地铁隧道顶板标高-7.5m，距历史最深冲刷线仅约4.7m，上覆土层自重过小，在汛期洪水的局部冲刷作用下可能引发严重的隧道盾构管片上浮问题。

我国现行的相关设计规范在盾构隧道抗浮设计理论和施工控制措施上还没有做出具体的规定，传统的隧道抗浮分析主要是建立在相关假设模型的基础上，通过简化，以管片为研究对象利用简单的受力平衡公式进行校核来验证隧道抗浮稳定性，未能考虑衬砌管片与周围土体之间的相互作用，并且对隧道周围土体在上浮力作用下的变形规律的研究还比较少[3]。导致的直接后果就是施工事故多发，例如：

上海地铁七号线23A标下行线隧道工程区间，0～50环管片最大上浮量达82mm，平均上浮量59mm[4]，如图2所示。

图3为武汉长江越江隧道实测的管片位移曲线，第 560～580 环，盾尾注浆出现了堵管事故，导致注浆不及时，未能及时填充盾尾间隙，导致管片上浮较大[5]。

近年来，盾构隧道上浮问题受到国内外越来越多学者的重视，隧道上浮问题主要由下列几种因素共同作用产生：

（1）泥水浮力：当盾构处于饱和土中时，盾尾间隙未能及时填充，将被泥浆水占据，此时管片将会受到的泥水浮力作用，当上覆土与衬砌管片自重之和的抗浮效应已无法抵抗泥水浮力时，管片将会发生整体上浮。

（2）浆液浮力：当管片脱离盾尾并进行同步注浆时，由于浆液的时效性，在一定的时间内不能达到初凝和一定的早期强度，此时管片受到的浆液浮力比泥水浮力要大，更容易发生上浮，进而挤压上覆土体产生隆起变形。

（3）注浆压力：为防止土体损失引起的变形过大，应及时进行注浆以填充盾尾间隙，而若注浆压力过大极易引起管片整体上浮、错台、开裂、压碎等破坏，注浆压力的大小和分布形式与实际工程所采用的注浆工艺密切相关。

（4）泥浆后窜：隧道盾构开挖过程中为保持开挖面的稳定，泥水盾构施工通常采用较大的泥水压力来平衡切口处的水土压力，较大的泥水压力极易造成泥浆向隧道后方流窜，从而产生较大的浮力，造成隧道上浮。

（5）卸载回弹：盾构机重量一般要比实际开挖出来的土体重量要小，从而导致隧道底部产生卸载回弹力，卸载回弹力与管片受到的水浮力或浆液浮力共同作用导致管片上浮。

（6） 盾尾间隙：由于盾构施工工法的特性与管片拼装的要求，盾构开挖外径往往比管片外径要大，当管片脱离盾尾后，管片与围岩之间形成一定厚度的盾尾间隙，该间隙若不能及时有效地填充，将给管片的上浮提供有利的条件。

（7）上覆土的反向压缩：盾构隧道在浆液浮力与卸载回弹力共同作用下，发生上浮之后，会对被扰动的上覆土产生反向压缩作用进而产生压缩变形，造成隧道进一步上浮。

（8）其它因素：隧道上方的基坑开挖、隧道所处相对不透水地层中地下水位的下降、盾构机从较硬土层进入软土区时的磕头等都会引起隧道上浮现象。

勘察成果及设计文件显示，越江段地铁隧道洞身主要从粉细砂（4-2）中和强风化泥岩（19b-1）中通过，局部穿切了中风化泥岩地基。地铁隧道顶板以上覆盖层厚12.6～19.00m，根据试验成果，粉细砂（4-2）一般中密状，含水饱和，而泥岩强度相对较高，且透水性差。因此该段主要存在泥浆水、注浆浆液上下渗透性不均，易加大隧道上下压差而使浮力增大，以及盾构施工中软硬不均地层易导致刀盘姿态不稳等效应，造成管片变形而失稳。同时刀盘姿态不稳，则易在管片与围岩间形成不均匀间隙，影响浆液的及时填充及均匀填充，将给管片上浮提供有利条件。

2.3 突涌问题

根据设计方案，汉江河床下以及汉口段，特别是汉口段汉江一级阶地范围内，地铁隧道洞身主要从粉细砂（4-2）中和中粗砂（4-3）中通过，根据试验成果，粉细砂（4-1）（4-2）一般稍密—中密状，中粗砂（4-3）一般呈密实状，均含水饱和。该段地下水类型主要是孔隙潜水，孔隙水压力大，与汉江水有直接水力联系。隧道洞身处于高水头含水层中，盾构施工中易形成土层流动或砂层涌水而造成开挖面失稳。地铁隧道衬砌结构将承受较大地下水压力，有可能因结构破损而造成大量地下水渗入。而此类地铁施工突涌事故包括武汉本地在内，各地均有发生，应引起必要的重视。

3 结语及建议

本区间地铁围岩岩性复杂，变化较大，存在各类特殊的岩土工程问题，隧道洞身穿过多种复杂地层，安全隐患巨大，特别是汉江河床至汉口段隧道围岩土体强度低，自稳能力差，并承受较大的外水压力，应引起设计及施工的高度重视。除应选择合适的盾构类型外，还应采取多种施工措施，确保施工顺利进行。

越江段隧道洞身主要穿过河床以下富含承压水的粉细砂、中粗砂层，并局部切割下伏泥岩，盾构施工中面临着复杂的隧道管片上浮问题，以及由于土层流动或砂层涌水而造成开挖面失稳等突涌问题，需选用密闭型盾构施工，建议优选泥水平衡盾构。

考虑到本区间的复杂地层情况，在盾构施工中，建议采用同步压浆或二次压浆方式进行壁后注浆等辅助工法，使衬砌壁后空隙及时回填，使隧道砌体与周围土体凝结在一起，改善衬砌结构的受力状态和防水效能，提高隧道围土稳定性。据大量盾构隧道施工经验，泥水平衡盾构施工中，泥水易后窜至成环隧道，引发成环隧道上浮，故在正常施工前提下，应采取隧道抗浮技术。

过江隧道将堤内外含水层连通，两岸竖井与周围岩、土体接触面不作防渗处理或处理工程失效时，在汛期高水位情况下江水可能沿其接触面形成接触冲刷，导致管涌险情发生。因此两岸竖井设计与施工时应对堤基采取有效防渗透变形措施，竖井开挖应考虑防汛安全，并应有可靠的防汛预案。施工过程中须加强监测，采用信息法施工，完善变形观测系统和质量檢测程序，通过监测数据指导地铁工程施工的全过程。

【参考文献】

[1]范士凯.武汉（湖北）地区岩溶地面塌陷[J].资源环境与工程，2006，S1：608-616.

[2]李勇峰.深圳大运中心场地岩溶地面塌陷危险性评价研究[D].中国地质大学，2013.

[3]杨国祥，林家祥，杨芳勤.超大直径盾构法隧道施工期衬砌结构安全性研究[C].地下施工与风险防范技术.2007年第三届上海国际隧道工程研讨会议论文集，2007：597-606.

[4]王选祥.盾构隧道管片上浮机理及控制技术[J].铁道建筑，2009（5）：52-56.

[5]田华军.武汉长江盾构隧道管片上浮控制技术[J].隧道建设，2009，29（3）：364-367.作者简介：代昂，男（1981.07—），汉族，湖北武汉人，高级工程师，从事岩土设计工作。