特殊環(huán)境下城市地鐵盾構(gòu)施工孤石預(yù)處理技術(shù)

黃春來(lái) 張合海

（中交三航（廈門(mén)）工程有限公司 廈門(mén) 361006）

引言

孤石是指存在于軟質(zhì)風(fēng)化層中的花崗巖球狀風(fēng)化體，球狀風(fēng)化是花崗巖層中十分常見(jiàn)的現(xiàn)象，屬于花崗巖的不均勻風(fēng)化。由于孤石埋藏分布是隨機(jī)的，且形狀各異，大小不一，巖土分布變化劇烈。盾構(gòu)施工過(guò)程中遭遇孤石可能出現(xiàn)的主要問(wèn)題有：刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形，且更換困難；刀盤(pán)磨耗導(dǎo)致刀盤(pán)強(qiáng)度和剛度降低，刀盤(pán)變形；刀盤(pán)受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞、刀盤(pán)堵塞、盾構(gòu)負(fù)載加大；被刀盤(pán)推向隧道側(cè)面的大漂石甚至導(dǎo)致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，偏離隧道軸線；地層裂隙發(fā)育，地下水豐富，螺旋機(jī)易噴涌等；對(duì)盾構(gòu)工程施工極為不利。

目前，為盡量減少施工風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)隧道施工對(duì)孤石多采用地面深孔爆破或沖孔破除孤石等方法進(jìn)行預(yù)處理，但上述方法在周邊環(huán)境受限的情況下具有較大的局限性。本文以廈門(mén)一號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間在緊鄰高風(fēng)險(xiǎn)建構(gòu)筑物的情況下采用新方法處理孤石及其應(yīng)用效果為例，闡述密集鉆孔預(yù)處理孤石技術(shù)。

1 工程概況

廈門(mén)地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)562m，隧道外徑6200mm，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，所采用盾構(gòu)設(shè)備刀盤(pán)設(shè)計(jì)通過(guò)粒徑不能大于340×560mm。

區(qū)間隧道地表自上而下依次為：<1-1>雜填土、<1-2-1>黏土質(zhì)素填土、<1-2-3>砂質(zhì)素填土、<1-2-4>碎石素填土、<4-2>淤泥質(zhì)土、<8-1-2>黏土、<8-1-3>黏土、<11-1-2>殘積砂質(zhì)黏性土、<11-1-3>殘積砂質(zhì)黏性土、<17-1>全風(fēng)化花崗巖、<17-2>散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<17-3>碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<17-4-1>中等風(fēng)化花崗巖。設(shè)計(jì)提供勘察資料顯示隧道輪廓范圍內(nèi)在殘積砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖層存在孤石，尺寸從0.5～7.9m 不等，強(qiáng)度 40～80MPa。

工程實(shí)施前期，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行補(bǔ)充勘察。結(jié)合初步勘察資料首先采用地質(zhì)雷達(dá)、電磁波CT等物探方法初步確定孤石位置，然后采用鉆探對(duì)物探探明的疑似孤石進(jìn)行鉆孔明確，進(jìn)一步探明孤石埋深、大小等分布情況。確定在里程ZDK14+432～ZDK14+452存在孤石16處，其中侵入隧道的有11處，見(jiàn)圖1。孤石最大尺寸為8.10m（長(zhǎng)）×5.6m（寬）×2.4m（高），最小尺寸 0.57m（長(zhǎng)）×0.55m（寬）×0.0.3m（高），需提前進(jìn)行預(yù)處理。

由于孤石分布區(qū)域在鐵路貨場(chǎng)進(jìn)出通道上，西側(cè)距離鐵路貨場(chǎng)單層磚木結(jié)構(gòu)貨倉(cāng)僅6.3m，距離鐵路貨倉(cāng)貨運(yùn)股道僅13m，屬于鐵路管制區(qū)段；東側(cè)25m處為一彩印廠，廠家布設(shè)有3臺(tái)進(jìn)口高精彩印大型設(shè)備。原計(jì)劃采用的地面深孔爆破、旋挖機(jī)取孔等預(yù)處理方法由于對(duì)周邊振動(dòng)影響或施工占地面積較大，周邊環(huán)境制約較大，施工手續(xù)無(wú)法辦理，多種方法均無(wú)法實(shí)施。經(jīng)過(guò)多方比選，確定采取密集鉆孔法處理孤石。

圖1 孤石分布平縱斷面示意圖

2 施工原理

密集鉆孔預(yù)處理技術(shù)利用“蜂窩煤”多孔分布的特點(diǎn)，采取地面鉆孔方法在孤石上密集取孔，在孤石內(nèi)部創(chuàng)造較多的自由面，在不改變整個(gè)孤石外形的前提下降低孤石的整體性，然后盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)破碎通過(guò)孤石地段。

3 施工工藝

3.1 加密鉆孔

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)巖石粒徑要求，對(duì)孤石所在區(qū)域范圍采用間距250～350mm、梅花形布置密集鉆孔，見(jiàn)圖2。密集鉆孔處理范圍為隧道兩側(cè)50cm范圍內(nèi)，上下各1m范圍內(nèi)孤石。

鉆孔過(guò)程中必須確保鉆機(jī)擺放的垂直度，堅(jiān)決避免串孔；其次鉆進(jìn)過(guò)程中必須將巖石芯樣取出，嚴(yán)禁封孔的時(shí)候做回填用。

圖2 密集鉆孔處理孤石平面示意圖

3.2 注漿加固

該區(qū)域密集鉆孔完成后，對(duì)地層進(jìn)行加固，加固區(qū)域?yàn)樗淼郎?m，左右下各1m，加固縱向長(zhǎng)度為孤石區(qū)域外加1m。

加固主要考慮兩個(gè)方面：①由于鉆孔非常密集，鉆進(jìn)過(guò)程中，地層中的殘積土層遇水極易崩解，從而造成上部土體失穩(wěn)，故需要對(duì)隧道上部土層進(jìn)行注漿加固；②對(duì)孤石周邊地層進(jìn)行加固，防止推進(jìn)過(guò)程中孤石出現(xiàn)滾動(dòng)；同時(shí)也預(yù)留了洞內(nèi)開(kāi)倉(cāng)處理?xiàng)l件。

注漿孔平面布置按間距1m，擴(kuò)散半徑按0.75m考慮，漿液為水泥漿，注漿壓力、漿液配比等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并根據(jù)試驗(yàn)調(diào)整相應(yīng)的注漿孔間距。

（1）鉆孔。采用套管護(hù)壁水沖法鉆進(jìn)成孔，鉆進(jìn)深度應(yīng)達(dá)到注漿固結(jié)段高度。在鉆孔過(guò)程中要做好記錄，以供注漿作業(yè)參考。

（2）下管。根據(jù)注漿要求，在注漿部位下注漿管。首先在連接好的注漿管底部加下悶蓋，將注漿管下入鉆孔中，要確保注漿管下到孔底，上部要高出地面，然后在注漿管中加滿水，利用重力作用，使注漿管不會(huì)浮起，之后將套管緩慢地提出，最后在注漿管上部蓋上悶蓋，以防止雜物進(jìn)入注漿管，影響注漿作業(yè)質(zhì)量。

（3）封孔。套管拔出后，在地面1m處以下采用砂或碎石填充，在地面1m處以上至地面段和孔口周?chē)捎盟倌嗌皾{封堵，以防止注漿過(guò)程中冒漿現(xiàn)象發(fā)生。

（4）注漿。采用先外圍后中間，同排隔孔注漿，鄰排錯(cuò)開(kāi)注漿的原則。注漿材料為純水泥漿，水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為po42.5R。注漿壓力0.3～0.5MPa，流量15～20L/min，漿液水灰比0.8～1，注漿節(jié)長(zhǎng)0.5m，單位水泥注入量100～150kg/m。采取分段式注漿，每段注漿長(zhǎng)度稱為注漿步距。花管長(zhǎng)度為注漿步距長(zhǎng)度。注漿步距一般選取0.6～1m，這樣可以有效地減少地層不均一性對(duì)注漿效果的影響。

注漿過(guò)程中，每段注漿完成后，向上或向下移動(dòng)一個(gè)步距的芯管長(zhǎng)度。人工采用2個(gè)管鉗對(duì)稱夾住芯管，兩側(cè)同時(shí)均勻用力，將芯管移動(dòng)。每完成3～4m注漿長(zhǎng)度，要拆掉一節(jié)注漿芯管。注漿結(jié)束后，在注漿管上蓋上悶蓋，以便于復(fù)注施工。

3.3 盾構(gòu)通過(guò)孤石

注漿加固完成后，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)通過(guò)孤石區(qū)域。盾構(gòu)在孤石密集鉆孔區(qū)段推進(jìn)時(shí)，嚴(yán)重控制推進(jìn)速度不超過(guò)20mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速小于0.8r/min。

施工過(guò)程中嚴(yán)格觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的異常情況及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，必要時(shí)采取開(kāi)倉(cāng)措施。

4 實(shí)施效果

孤石分布區(qū)段長(zhǎng)20m，密集鉆孔共耗時(shí)10d，通過(guò)加密鉆孔破碎處理孤石后，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)可以輕易將孤石破碎，螺旋機(jī)可輕易將孤石破碎排出，排出巖塊粒徑80%在30cm以下，見(jiàn)圖3。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩1800～2300kN·m，推力 1500～1800t，平均推進(jìn)速度可達(dá) 10～15mm/min，推進(jìn)參數(shù)相對(duì)正常，在孤石段掘進(jìn)未出現(xiàn)異常情況，路面及周邊建筑情況一切正常，處理效果較理想，同時(shí)不存在掘不動(dòng)或掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)異常磨損等現(xiàn)象，盾構(gòu)接收后除2把滾刀軸承密封滲漏、4把刮刀有合金脫落外，刀具無(wú)其他損傷。整體處理效果較理想。

圖3 密集鉆孔處理孤石渣樣圖

5 結(jié)語(yǔ)

采用密集鉆孔方法處理孤石，與地面深孔爆破方案相比，無(wú)需辦理前期復(fù)雜手續(xù)，且不存在炸藥危險(xiǎn)品管理等較大風(fēng)險(xiǎn)源，節(jié)省工期；采用小型機(jī)具，有著占地小、移動(dòng)靈活及震動(dòng)噪音小等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需長(zhǎng)期復(fù)雜的交通疏解，對(duì)周邊的建筑物無(wú)損害且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大噪音擾亂周邊居民生活，較為適宜城市復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)施工孤石預(yù)處理。

[1]祁世亮.隧道孤石處理技術(shù)應(yīng)用研究[J].隧道建設(shè)，2010，30（1）：110～113.