1 前言
广州位于广东省中部，濒临南海，地处珠江三角洲北端，地势东北部高西南部低，地形地貌有平原、残丘、谷地、台地等，地层基岩中有大量石灰岩岩溶存在。广州西部及北部在区域地质上属于广花凹陷，沉积了巨厚的石灰岩构造。根据已有工程地质资料，灰岩主要分布在广州西部的大坦沙，北部的嘉禾至新机场一带，有石炭系壶天群、石灰系石蹬子段、第三系幸庄村组、晚古生代泥盆系、二叠系栖霞组、三叠系大冶组、侏罗系金鸡组。岩性为灰岩、白云质灰岩、质纯、层厚且岩性坚硬，特别是石炭系壶天群、石蹬子段、第三系幸庄村组岩溶较发育。广州到2010年共计划建成城市地铁隧道255千米，地铁5号线、6号线、2号线北延段、3号线北延段通过大面积的岩溶隐伏区。盾构掘进施工时会引起岩溶水和泥沙大量涌入隧道，产生涌水、突水工程事故，并导致产生地面塌陷和盾构机陷落事故。岩溶对工程施工的安全、质量、工期、投资等均造成不利影响。对于该地层中城市地铁隧道工程设计施工技术的研究，具有重大的现实意义。
本文结合广州地铁5号线草暖公园一小北站区间国内首例盾构通过熔岩地区的设计及施工，深入分析研究岩溶地区城市地铁盾构隧道的设计施工技术，以期得出有实际意义的研究成果。
2 工程概况
广州地铁5号线草暖公园一小北站区间盾构隧道工程，西起于草暖公园东端，经过解放北路，沿环市中路，大致呈东偏南方向行进，下穿越秀山，进小北站。
隧道右线起屹里程分别为YDK7+760.050-YDK9+442.476,长度1682.426米，隧道左线起屹里程分别为ZDK7+757.962-ZDK9+446.476,长度1680.163米（短链长度8.35米）。盾构掘进总长度3362.589米。左右线间距11.81至34.35米。
区间线路纵坡为V形节能坡，最大坡度百分之18.隧道最大覆土厚度58米（越秀山位置），最小16米（雅阁花园位置）。
2.1 工程地质及水文地质概况
(1)岩土分层及地质概况
本区间穿越的地层主要有上古生界石炭系、中生界侏罗系和白垩系、新生界第四系以及燕山期侵入岩。主要为：人工填土层①、②冲积-洪积粉细砂层③1、冲积-洪积粉粗砂层③2、冲积-洪积黏性土层④1、河湖相淤泥质土层④2、④3坡积土层、⑤1残积土层、⑥碎屑岩岩石全风化带、⑥H花岗岩岩石风化带、⑦碎屑岩岩石强风化带、⑦H花岗岩岩石风化带、⑧碎屑岩岩石中等风化带、⑧2石灰岩岩石中等风化带、⑧H花岗岩岩石中风化带、⑨碎屑岩岩石微风化带、⑨H花岗岩岩石微风化带、⑨2石灰岩岩石微风化带。
(2)区间特殊地质构造
本区间穿越二束广从断裂F1，F2.广从断裂总体产状NE20°至50°，倾向NW,倾角40°至70°。与线路近垂直相交，隧道全断面通过。穿越长度约15米，局部达30米。
在F1，F2两断裂带间地石炭系灰岩地层149.105米（YDK7+903.505-YDK8+052.610）范围内，详勘阶段有7个钻孔揭示存在溶洞。其溶蚀空洞和溶洞大部分在盾构隧道之中或隧道洞身上下部，为潜在不良地质。
(3)水文地质
本区间的地下水类型主要分为第四系松散岩类空隙水，层状基岩裂隙水，块状基岩裂隙，碳酸盐岩裂隙溶洞水。区间大气降水和地表水体（越秀湖）是地下水的主要补给来源，排泄主要表现为大气蒸发，地下水位受季节的影响明显。地下水及地表水对混凝土结构无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。
2.2 工程设计施工中难点问题
本区间在广从断裂控制范围的石灰岩分布地段，岩溶较发育，溶洞埋藏较浅（埋深6.90米），且溶洞上部与冲积砂层接触。盾构隧道遇溶洞时，会产生突水、突泥现象，并导致产生地面塌陷和盾构机陷落事故。
在岩溶地层中采用盾构法施工在国内外尚属首次。只有作好三个方面工作：溶洞的空间分布，大小及充填情况探明;溶洞处理;盾构机掘进施工，才能确保施工及运营安全。
3 溶洞探明
为确保探明溶洞的分布与填充状况，在工程处勘和详勘工作成果基础上，采用以钻探为主，多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。首先，采用高密度电阻率法进行地面物探，总体探查溶洞分布情况。然后在地面物探工作基础上，利用部分加密钻孔，采用电磁波深孔CT剖切面勘查，判断溶洞边界。最后，结合溶洞注浆孔分布，进行加密钻孔，直观掌握溶洞及充填物状况。
3.1 高密度电阻率法物探
对YCK7+880-YCK8+035范围内纵向进行探测，共设计物探剖面6条，剖面长均为177m(图1)。每条剖面均有2个基点控制。
勘察的结果表明，本区地下有4处岩溶发育区。据其成果将勘察范围划分为5个区域单元进一步深入勘察。
3.2 电磁波深孔CT物探
在DK7+982-DK8+041范围内进行了跨孔电磁波法探测工作。完成了与隧道交角约为70°角的22条CT剖面的探测，另外在异常复杂地段又增加了5条剖面，共计完成27条CT剖面的探测，基本上查明了CT剖面上岩溶等不良地质现象的分布情况。
CT相邻孔间距5m，孔深35m，各CT钻孔的终孔高程应基本一致，若在预定终孔深度处为溶洞时，钻孔深入溶洞地板3m，孔径不小于75mm。发射孔与接收孔的间距为26.1 m，定点发射点数5个，各探孔内的动点观测间距为1.0 m，出现的异常特征加密定点发射点距与点数，实测探测点11137个（图2）。
采用跨孔电磁波透视对隐伏岩溶进行探测，弥补了勘探钻孔网点稀少的不足，通过CT资料分析，即自上而下可分为土层软土CT异常带、浅部岩溶CT异常带和较深部岩溶CT异常，岩溶发育具有竖向分带差异。较深部岩溶异常带具有异常强、规模大、呈“串珠状”竖向分布等特点。
为尽可能利用钻探孔，在每个区域单元内应先钻外侧两列的孔并进行空间跨孔CT物探，而后，一般钻孔的顺序进行。
3.3 补充钻孔勘探
在勘察区域内，分别在距离左右线隧道外侧3 m处、区间隧道中线上和左右两隧道中间位置布置5列、25排钻孔。每一排钻孔的间距约为5m，布孔124个(其中技术孔37个)，共计钻孔长度4109m（图3）.因隧道底板埋深22.86~24.30m，位于左右线区间隧道中心线位置的两列钻孔设计深度原则为35m，另外三列钻孔设计深度原则为30m，有溶洞的钻孔要钻至溶洞底下2~3m。
在钻探施工过程中，准确、详细记录异常现象（如缩孔、坍孔、漏水、冒水、掉钻及遇到洞穴等）及其发生的位置和严重程度，描述溶洞空间大小、分布等。
把探到有溶洞的钻孔作为技术孔，采取土样37件、岩样22件、水样2件，标贯试验111次、测量地下水位248次。并抽水实验估算溶洞水流量。
编制了详细的勘察报告，纵剖面图5个，横剖面图24个、投影图2个（隧道顶3m至隧道顶，隧道底至隧道底5m）。并作平切面图7个（隧道上3m，隧道顶、中、底，隧道下1 m，3 m，5 m）。
3.4 探测成果综合地质分析
通过对钻探、高密度电阻率、深孔CT物探勘察成果的综合研究分析，较深入地掌握了溶洞及充填情况。
（1）溶洞分布
有70个钻孔揭示有溶洞，大小总计167个，探明的溶洞分布在左线（ZDK7+948-ZDK8+017）69m、右线（YDK7+969-YDK8+026）57 m的区间内（图4、图5）。溶洞分布主要特点如下:
1）溶洞规模大但分布较集中。124个钻孔中其中大于3.50m的27个，占总数量的16%;探到溶洞最大高度18.30 m(D02），最深溶洞底标高为-31.44;溶洞多呈串珠状，层数为1~12层，以2~4层为最多。平面上主要分于二、三、四区，占揭露到溶洞钻孔的95.7%。在剖面上溶洞分布在标高为5.35~-31.44 m范围内，位于隧道结构顶板以上3 m及隧道结构底板以下3 m范围内揭露到有溶洞的钻孔有56个，占80%。
2）溶洞层间岩板厚小于3.00 m为主，约占2/3，大于3.00m约占1/3。裂隙发育，溶蚀强。
（2）溶洞充填物特征
1）根据钻进过程中钻杆下落、返水情况及芯样特征综合分析判断溶洞的充填物及空洞、半充填、全充填状况。
2）大于等于3.50m的27个溶洞中，4个为无充填物，占15%，其余均为半充填及全充填；小于3.50m的140个溶洞中有72个无充填物，占51%。
3）溶洞充填物较为复杂，主要有黏土、中粗砂、灰岩碎块，岩屑等。根据充填物特征及其物理力学性质，围岩的饱和单轴抗压强度，判断充填物及围岩的承载力特征值。
（3）地下水的赋存
本场地地下水的赋存方式及水力特性为孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主要赋存在第四系松散冲积层中。基岩裂隙水主要赋存于基岩中的溶洞及裂隙中，靠大气降水及上层地下水的补给，涌水量大小及径流规律受地质构造及裂隙以及岩溶洞隙的连通性控制。
4 溶洞处理
4.1 溶洞处理设计原则
（1）溶洞处理的目的
1）尽量避免盾构机突陷等事故及隧道结构后期沉降过大。盾构机（头）本体重320t，长12m，其重心在前3.2m处。掘进时隧道底部若突现大于3.2m以上的空洞或极软弱地层可能致使盾构机栽头或陷落。
2）防止地表坍陷和过大沉降。要对处理范围与外界开放连通的主要地下水裂隙通道进行封闭，防止大量失水以减少地表沉降。
3）满足永久隧道结构的承载力、变形、防水要求。溶洞填充物和灰岩承载力有很大的差别，通过对地层处理，提高填充物的承载力，减小不同地层之间的差异沉降，减少管片渗漏，以满足地铁正常运营。
（2）溶洞处理范围
处理的重点是隧道下部填充物为淤泥、松散砂层、软塑状泥炭质黏土（承载力40~80kpa）的溶洞，处理深度为隧底5m。对隧道中线底部。采用袖阀水泥注浆加固。隧道洞身周围3 m范围内的溶洞要密实充填并注浆固结，有利于建立土压平衡，防止坍塌。
4.2 溶洞处理施工
（1）溶洞处理施工顺序
1）全区先对周圈开放连通的裂隙通道封闭注浆，然后处理中间区域，以确保注浆效果，减少注浆损失。
2）先加固水源一侧（靠近越秀山一侧），添加速凝剂，以确保注浆效果。
3）中间区域补充孔跳跃施工，以防止跑浆、窜浆现象。
4）先对无填充、半填充溶洞填砂处理，然后再进行其他溶洞注浆填充处理。
（2）施工方法及工艺
1）无填充溶洞和半填充溶洞处理。对大于2m以上的无填充溶洞和半填充溶洞，在原钻孔附近（约0.6m）补钻一个∮127mm的投砂孔，填砂处理，后采用注浆加固方法。对小于2m的无填充溶洞和半填充溶洞，直接注浆填充。
2）全填充溶洞处理。采用压力注浆的方法进行填充加固，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。主要采用PVC袖阀管注浆工艺。当填充物为黏土、粉质黏土和泥炭质土，注浆扩散半径按照1—1.5m设计，填充物为砂、碎块按照3m设计。利用补充钻探孔并将注浆孔间距加密至2.5m
3）注浆材料。周边孔：纯水泥浆+速凝剂；中央孔：纯水泥浆。
4）根据设计的要求，注浆终止采用了双重标准。注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%；虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。
（3）注浆加固效果检查
结合盾构施工特点，注浆加固效果的检查重点以加固体强度为主。
1）检测方法。灌浆加固效果的检测方法是在处理后的溶洞灌浆固结体内钻孔取芯，以检查其充填情况及胶结状况，再对取芯孔进行抽水试验，以检查处理后溶洞的渗透民生，采用钻孔取芯，作抗压试验为主，抽水试验为辅（左右线各做1个，尽量设在换刀位置）；溶洞填充物为砂层，作渗透系数试验。
2）检测标准。隧道周边加固范围：试块无侧限抗压强度≥0.3MPa；隧道中心加固范围：试块无侧限抗压强度≥0.5MPa；渗透系数≤1.0×10-7cm/s。
3）检测结果。共取9个检测孔，试样指标均满足设计要求。
5 盾构机掘进施工
5.1 对盾构机设计的重要改进
为适应本区间困难的地质条件，对盾构机设计作了如下重要改进：
1）刀盘驱动功率由945KW增至1200KW并改善了扭矩特性曲线，使盾构机在较高转速下扭矩得到较大提高。
2）采用重型刀座及刀具，滚刀配置到40刃，减小刀间距增强了破岩能力。
3）的盾构机正面区设置了4个钻探注浆孔，配置30m自动钻探钻机，可对隧道断面内实施超前钻探地质预报与注浆加固。
5.2 主要掘进技术措施
（1）严格控制盾构机掘进姿态
盾构机刀盘切削面地层软硬不均，切口环切削地层时的阻力不同以及盾构机表面与隧道间的摩阻力不均匀，方向不容易控制，防止形成偏差。按照给定的容许偏差值进行控制，当接近偏差值时及时调整，纠正于微小偏差之时。减缓掘进速度，使刀盘上下部位掘进的瞬间受力尽量相同，减少盾构机的仰俯现象。
（2）做好碴样分析和管理
溶洞段掌子面及围岩的自稳性较差并大量涌水，掘进中密切观察出土排碴量、碴土成分和含水量等，分析判断前方地层异常，做好盾构超前钻控和双液注浆加固溶洞地层准备。另外，严格控制出碴量，维持掘进速度与出碴量的相对平衡。
（3）管片背衬注浆
足量同步注浆，并及时进行二次双液注浆，对地下水通道进行封堵，稳固管片。
（4）确保铰接密封和盾尾密封的防水效果
进入溶洞段前，对铰接密封和盾尾密封要进行认真的检查、维护和调整。掘进时，要严格控制各铰接油缸的行程差，确保饺接密封效果。加强对盾尾刷密封油脂的注入检查，确保其密封的防渗漏效果。
（5）主要掘进技术参数
在硬岩及软硬不均区：土舱压力：0.05-0.11Pa;转速2.3-2.5r/min;贯人量10mm/r左右；扭矩2500-3200kN•m；总推力10000-13000kN。在较软或全断面为充填物加固区；土舱压力：0.06Pa；转速2.0r/min;贯人量25mm/r左右；扭矩2000kN•m；总推力7000-9000kN。
6 结语
1）广州地铁5号线草小的盾构区间左右线分别于2006年8月20日及8月7日顺利完成岩溶段盾构隧道掘进施工，填补了国内空白，为岩溶地区城市地铁盾构隧道工程设计施工积累了宝贵的经验。
2）本工程项目在初勘和详勘工作成果基础上，采用了以钻探为主，多种方法联合运用相互印证的综合探测方案，重点突出了工程地质研究，较深入地掌握了溶洞分布及充填情况，为后续溶洞处理及盾构掘进施工作好准备。
3）合理确定并实施了溶洞处理方案。处理隧道洞身周围3m范围，重点是隧道下部填充物为淤泥、松散砂层、软塑状泥炭质黏土的溶洞，当填充物为黏土、粉质黏土和泥炭质土，注浆扩散半径按照1~1.5m设计，填充物为砂、碎块按照3m设计。采用分区及跳注顺序较好解决溶洞处理。
4）盾构法施工中，要对盾构机的姿态，渣样、阻力及水压等不断监测，及时发现异常分析原因，对岩溶地段采取措施，做到信息化施工。
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