城市地鐵施工盾構(gòu)刀盤前孤石處理

樊 濟(jì) 新

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司,福建 福州 350000)

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城市地鐵施工盾構(gòu)刀盤前孤石處理

樊 濟(jì) 新

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司,福建 福州 350000)

以廈門地鐵1號(hào)線集美中心站—誠毅廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間為例，介紹了其工程水文地質(zhì)及推進(jìn)情況，總結(jié)了城市地鐵盾構(gòu)施工過程中刀盤前孤石的探測(cè)及處理方法，可為類似工程施工提供借鑒與參考。

盾構(gòu)法，孤石，地鐵，施工工期

1 工程簡(jiǎn)介

廈門市軌道交通1號(hào)線是廈門市的第一條地鐵線路，具有劃時(shí)代的歷史意義。集美中心站—誠毅廣場(chǎng)站為其中一個(gè)區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工。該區(qū)間從集美中心站開始，呈南北走向，沿著在建的縱八路敷設(shè)，經(jīng)過新洲路后，從地下穿過在建的鐘樓工程，最后到達(dá)該區(qū)間的終點(diǎn)，即誠毅廣場(chǎng)站。該區(qū)間的南端部分位于在建的市民公園下面，北端則位于在建的縱八路下面。區(qū)間沿線地面環(huán)境為在建市民公園、在建高層建筑，下穿新洲路共同溝和在建的鐘樓。集美中心站—誠毅廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間含1段平面曲線，曲線半徑450 m，線間距約15 m；縱斷面為“V”字坡，最大坡度25.5‰，隧道埋深范圍為9.6 m～31 m。

2 工程水文地質(zhì)

根據(jù)設(shè)計(jì)詳勘圖，集—誠區(qū)間左線213環(huán)～214環(huán)工程地質(zhì)自上而下分別為粘土質(zhì)素填土、粉質(zhì)粘土、粗砂、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖，213環(huán)～214環(huán)位置處于粗砂、砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化花崗巖內(nèi)。所處位置砂土富水性好，為強(qiáng)透水層，含水量較大。

3 推進(jìn)異常說明

2014年11月21日凌晨，“成功二號(hào)”盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)集—誠區(qū)間左線213環(huán)最后0.3 m時(shí)，盾構(gòu)司機(jī)發(fā)現(xiàn)推進(jìn)參數(shù)異常(推力大、扭矩大、速度低)，土倉內(nèi)疑似有巖石碰撞聲，每次都得收鉸接才能啟動(dòng)刀盤。在214環(huán)推進(jìn)時(shí)，螺旋機(jī)出土口有大量水、砂涌出，并伴隨有大顆粒的花崗巖塊(見圖1)。214環(huán)推進(jìn)參數(shù)為刀盤扭矩2 000 Nm,推力20 000 kN,推進(jìn)速度0 mm～5 mm。在214環(huán)推進(jìn)0.3 m后，決定停機(jī)處理。

4 處理方案確定

雖然在盾構(gòu)施工前進(jìn)行了加密補(bǔ)勘，但未在213環(huán)位置處布置探孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，我們判定盾構(gòu)刀盤前方遇到孤石，屬于漏網(wǎng)之魚。盾構(gòu)施工中最怕遇到這種情況，因?yàn)楣率o挨刀盤，不僅處理困難，而且在處理孤石的同時(shí)，盾構(gòu)施工不得不暫時(shí)停下來，導(dǎo)致工期延誤。

從目前國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)來看，孤石處理多采用爆破法和機(jī)械法處理。爆破處理方法簡(jiǎn)便、速度快，但考慮到本次處理孤石緊挨刀盤，爆破作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)藥量控制非常嚴(yán)格，控制不好便會(huì)對(duì)刀盤甚至盾構(gòu)機(jī)造成破壞。而機(jī)械處理雖然速度慢，但對(duì)刀盤影響小，相對(duì)比較穩(wěn)妥。權(quán)衡利弊，最終選用旋挖鉆進(jìn)行處理。我們最終的處理思路是：先測(cè)量確定地面位置，進(jìn)行圍擋施工，再采用地質(zhì)鉆探明孤石大小，然后用旋挖鉆進(jìn)行孤石處理，處理完畢后進(jìn)行回填，最后恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)。

5 孤石處理過程

5.1 施工圍擋

2014年11月22日，采用長1.9 m×高1.8 m(含立柱0.2 m)的臨時(shí)圍擋板進(jìn)行圍擋，共長96 m，如圖2所示。

5.2 探明孤石大小

2014年11月23日～12月5日，采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，探測(cè)孤石大小和分布情況。根據(jù)地質(zhì)鉆孔情況，判定孤石由3塊獨(dú)立的孤石組成，形狀不規(guī)則，3塊孤石總體尺寸為7 m(長)×11.2 m(寬)×7.2 m(厚)，位于刀盤(刀盤尺寸6 480 mm)中下部(如圖3所示)；另外，我們分別取6個(gè)孔芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示抗壓強(qiáng)度分別為130 MPa，90 MPa，97 MPa，92.5 MPa，98.3 MPa，101.2 MPa。

5.3 孤石處理

2014年12月6日～2014年12月20日，我們對(duì)已探明的孤石進(jìn)行了處理，歷時(shí)15 d。

5.3.1 渣土置換

由于盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)水量較大，我們利用盾構(gòu)機(jī)膨潤土系統(tǒng)向土倉內(nèi)注入膨潤土，對(duì)土倉內(nèi)渣土進(jìn)行置換和保壓，以確保徹底置換渣土，防止掌子面塌方。

5.3.2 B280型旋挖鉆機(jī)處理孤石

渣土置換完畢后，采用B280型旋挖鉆機(jī)(直徑1.0 m)進(jìn)行孤石處理，共42個(gè)處理孔，孔位布置如圖4所示。具體處理工藝為：旋挖鉆機(jī)定位→調(diào)整垂直度→配置護(hù)壁泥漿→反循環(huán)成孔→采用不取芯嵌巖筒破除孤石→用嵌巖旋挖鉆斗鉆進(jìn)取渣→孔位灌注C15混凝土→重復(fù)上述步驟循環(huán)至全部施工完畢。

5.3.3 施工方法

1)泥漿制備。

根據(jù)旋挖鉆孔施工方法和工藝，在旋挖鉆鉆進(jìn)過程中，泥皮不容易形成，因而泥皮的護(hù)壁性能也就會(huì)不太理想，容易造成鉆孔縮徑，甚至塌孔。所以，在施工過程中，為了防止鉆孔坍塌、穩(wěn)定鉆孔里的水位，同時(shí)為了方便鉆渣的挾帶，我們采用了膨潤土、鋸末等材料調(diào)配適宜的泥漿濃度。

2)鉆桿、鉆頭類型和選用。

在施工過程中，基于不同的地質(zhì)條件，我們選用不同的鉆桿、鉆頭和施工方法及工藝。在較軟地層鉆進(jìn)時(shí)，如淤泥層、泥土、砂層、風(fēng)化巖層等地質(zhì)條件下，我們采用摩擦鉆桿和回轉(zhuǎn)鉆頭。進(jìn)入硬巖、孤石地層時(shí)，我們則選用摩擦桿，同時(shí)配置了嵌巖鉆頭，如短螺旋鉆頭、牙輪鉆頭和嵌巖筒鉆等。

對(duì)于入巖旋挖鉆機(jī)，其所配置的鉆斗，通過合理的牙齒布置，牙齒之間可互相提供自由面，提高了入巖效率。根據(jù)巖石破碎理論，自由面有益于巖石的破碎，自由面則要依據(jù)巖石的脆性、硬度、分形維度與表面能綜合進(jìn)行考慮。對(duì)于相同的地層條件，使用同一個(gè)鉆進(jìn)扭矩，選擇不同的斗齒刃前角度，鉆進(jìn)效率也會(huì)不同。所以，只有選擇合適的刃前角，才能夠提升機(jī)器的進(jìn)尺效率。對(duì)于較小硬度的第四層和強(qiáng)風(fēng)化層，在較松軟地層中鉆進(jìn)時(shí)，斗齒刃前角應(yīng)稍大些，可采用45°～65°；在較硬的地層或孤石地層中鉆進(jìn)時(shí)，斗齒刃前角可稍微小些，采用25°～45°。

針對(duì)不同的巖石特性，我們選擇了不同類型的鉆頭。對(duì)于脆性巖層，采用截齒作為刀具，截齒在鉆頭公轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下進(jìn)行自轉(zhuǎn)，使截齒發(fā)生滑動(dòng)，從而使巖石在剪切條件下碎巖，因此選用短螺旋鉆頭。

3)上部土層旋挖鉆進(jìn)。

在黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分碎石等軟土地層鉆進(jìn)時(shí)，旋挖鉆機(jī)采用摩擦鉆桿和回轉(zhuǎn)鉆頭鉆進(jìn)。首先在護(hù)筒里注滿泥漿，然后開始鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)情況不斷補(bǔ)充泥漿，使孔里的泥漿高度始終保持比地下水位高出1 m～1.5 m的水頭。與此同時(shí)，依據(jù)土質(zhì)的情況，對(duì)泥漿配方和比重進(jìn)行調(diào)整。

旋挖鉆進(jìn)施工過程中，依據(jù)電子控制系統(tǒng)的顯示，對(duì)鉆進(jìn)垂直度進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，也要輔助通過作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)觀察來確保鉆桿的垂直度，從而保證孔位垂直度。

4)旋挖鉆機(jī)處理孤石。

當(dāng)施工到孤石地層時(shí)，這種地層的密度較大，摩擦鉆桿和回轉(zhuǎn)鉆頭都無法成孔。這時(shí)候，我們選擇摩擦鉆桿和短螺旋、嵌巖筒鉆(不取芯)等不同鉆頭相互配合施工。首先采用0.8 m小直徑不取芯嵌巖筒鉆施工，對(duì)巖芯周邊范圍進(jìn)行松動(dòng)，然后再下短螺旋鉆頭破碎巖芯，創(chuàng)造破碎自由面，最后再采用嵌巖旋挖鉆頭鉆進(jìn)取渣，從而達(dá)到破除孤石目的，如圖5所示。

5.3.4 鉆孔回填

孤石被破碎后，需對(duì)該孔進(jìn)行回填，以防止盾構(gòu)經(jīng)過時(shí)引起地面塌方等危險(xiǎn)。回填C15混凝土采用常見的水下樁灌注法。

5.3.5 恢復(fù)掘進(jìn)

孤石處理完畢后，盾構(gòu)順利推進(jìn)，各項(xiàng)參數(shù)正常，證明這種處理孤石的方法還是比較成功的。

6 結(jié)語

孤石處理是城市地鐵盾構(gòu)施工中的攔路虎，只要地面具備條件，一般都提前探明處理，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和地面條件，難免會(huì)出現(xiàn)一些漏網(wǎng)之魚，成為盾構(gòu)施工中的棘手問題。本文案例中采取旋挖鉆處理刀盤前孤石，避免了爆破對(duì)刀盤造成沖擊影響，事實(shí)證明不失為一種穩(wěn)妥有效的孤石處理方法，可為城市地鐵類似問題的處理所借鑒。

[1] 鞠世健,竺維彬.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006：77-79.

Isolated stone treatment before shield cutter head in city metro construction

Fan Jixin

(Sixth Engineering Limited Company, China Railway 17 Bureau Group, Fuzhou 350000, China)

Taking the shield section of Jimei central station-Chengyi square station of Xiamen Metro Line 1 as the example, this paper introduced its engineering hydrology geology and promotion conditions, summarized the exploration and treatment method of cutter head front boulder in city subway shield construction process, could provide reference for similar engineering construction.

shield method, boulder, subway, construction period

1009-6825(2017)16-0175-02

2017-03-23

樊濟(jì)新(1973- ),男，工程師

U455.43

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