某地鐵盾構區間塊石處理方法

吳克寶，肖德剛，李博文，吳賢國，王彥玉

(1.華中科技大學土木工程檢測中心，武漢 430074；2.武漢地鐵集團有限公司，武漢 430074；3.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢 430074)

武漢市軌道交通機場線工程土建工程盾構區間塊石密集，在對隧道進行盾構法施工的過程中，發現各種大小不一、形狀多樣、強度不等的塊石，隨機分布在隧道四周，使得隧道內巖土層軟硬不均。這類地層增加了盾構機掘進的難度，使得盾構機推進緩慢，且極易損壞刀盤刀具，造成刀盤卡死、刀具脫落、偏磨、掘進路線發生偏移等問題，嚴重影響盾構施工的正常開展，致使進度滯后。這一方面增加了施工成本，另一方面也削弱了項目的經濟效益，如何處理好盾構機掘進過程中所遇到的塊石，是盾構施工過程中的技術難題。

宗成兵指出在地鐵隧道盾構掘進過程中，經常遇到“孤石”導致盾構刀盤卡住及損壞的情況，目前國內外尚未找到有效途徑解決這個問題[1]；李乾提出孤石分類，在此基礎上，從勘察、盾構機選型和具體工程處理措施出發論述不同種類的孤石的處理對策[2]；張晉勛研究了大粒徑卵漂石地層盾構破巖機理及工程應用[3]；羅利銳研究了超前地質預報在棋盤石巖溶隧道中的應用[4]；鞠海峰進行了地鐵隧道孤石區段施工工法比選[5]；路耀邦總結出了針對海底盾構區間孤石爆破預處理的施工方法[6]；李術才進行了基于跨孔電阻率CT的地鐵盾構區間孤石探測方法及物理模型試驗研究[7]；鄭成均以福州地鐵1號線為工程背景，分析探討了盾構穿越孤石地層的難點和風險，重點介紹了破除孤石的主要方法和施工中的掘進技術[8]；張恒，戴亞軍等深入分析了孤石的形成機理和分布規律，提出了孤石的探測方法，介紹了破除孤石的主要方法和施工中應采取的措施[9-10]；李劍明以深圳地鐵2號線某工程實例為研究背景，介紹了城市地鐵盾構施工遭遇極硬巖、孤石群或上軟下硬地層時采用的礦山法開挖并施工隧道初期支護，然后再利用盾構空推拼裝管片通過礦山法隧道的特殊工法[11]；李玉春介紹了球狀風化花崗巖“孤石”成因，分析了城市地鐵在上軟下硬地層和孤石地層的盾構法施工技術[12]；張紹輝等基于武漢地鐵某區間隧道工程，介紹了黏土地區倒掛井壁施作豎井加暗挖隧道法處理小范圍地下障礙物施工相關技術[13]；周誠等以武漢軌道交通2號線越江段為依托，系統介紹了基于冷凍法加固的地鐵盾構隧道地下清障相關技術[14]；賀朝榮分析和討論了盾構法隧道孤石處理的關鍵技術[15]。

針對武漢市軌道交通機場線工程土建工程盾構區間塊石密集的情況，探討采用以彈性波CT檢測為主，地質鉆探為輔的方式進行塊石探測；針對不同塊石提出相應處置方法；根據詳勘及補勘結果，選用盾構機及其刀盤裝配，提出盾構機在塊石地段掘進時的盾構參數控制。

1 工程概況

武漢市軌道交通機場線工程土建工程包括3部分：佳海工業園盾構始發井(不含)—管委會站(不含)—盤龍城站(含)—宏圖大道站(不含)—常青車輛段盾構始發井(不含)盾構區間。盤龍城站(含)—宏圖大道站區間較長，設中間風井1座。本工程共一站一井四區間。區間隧道從佳—管區間盾構井出發，沿巨龍大道一直前行至盤龍大道，沿盤龍大道一直前行到金銀潭大道，再沿金銀潭大道前行到達常青車輛段。總長13.46 km，其間設置10個聯絡通道，其中一個在中間風井之內。

本方案涉及的塊石區間有3個：佳—管盾構區間、管—盤盾構區間、盤—宏盾構區間。基于工程特點及詳勘與補勘結果，采用2臺鐵建重工復合式土壓平衡盾構機進行掘進。

2 不良地質狀況分析

2.1 地層特征

武漢市軌道交通機場線工程土建工程盾構區間塊石密集，勘察范圍內地貌形態主要為剝蝕堆積隴崗區，相當于長江Ⅲ級階地，區間隧道穿越的主要地層為：粉質黏土、粉質黏土夾碎石、局部存在中風化灰巖，部分探孔揭示有塊石不良地質體發育，不良地質主要為塊石。

2.2 孤石成因及分布情況

隧道范圍內分布的塊石主要為巖石在風化作用下出現破碎、疏松及礦物成分次生變化所致，且主要為中風化灰巖，強度在100 MPa左右。

根據詳勘報告以及第一階段鉆孔和彈性波CT成果得知，盾構區間內孤石分布面積廣，區域大，孤石并不是單個存在，而是密集成片分布。

3 塊石探測

3.1 詳勘情況

在巖土工程勘測報告中顯示本區間存在大量塊石，且塊石分布于隧道區域內，對鉆孔探測到的塊石進行承載力強度試驗，顯示其強度在80～110 MPa。

3.2 塊石專項補勘情況

補充勘察工作在對場區內前期勘察資料進行綜合分析的基礎上，結合地鐵工程方案，采取以地球物理勘探為主，常規地質鉆探為輔，并結合其他方法的綜合勘察。

3.3 塊石勘探具體實施步驟

根據詳勘報告所揭露的各個區間孤石分布情況，為滿足各個區間盾構始發節點工期要求，以及達到此次勘探的實際目的，為孤石處理提供準確依據，勘探共分為以下兩個階段。

第一階段：以彈性波CT檢測為主，地質鉆探為輔。

孔間彈性波CT是對孤石進行探測的主要物探方法，該方法是以孤石與土層存在明顯的波速差異為基礎進行探測。沿左、右線隧道軸線附近布置2條勘探剖面，每條剖面按(20.0±1.0) m的間隔布置1個鉆孔，相鄰鉆孔間進行縱向彈性波CT檢測。對詳勘階段勘察揭露出的碎塊石分布較密集的區段，進行加密探測，即在兩軸線間相鄰鉆孔進行橫向和斜交CT探測。本次勘察鉆孔深度設計為30.0 m，保證彈性波CT檢測深度至少穿過擬建地鐵隧道底板以下5.0 m。圖1為鉆孔孔位及彈性波CT布置示意。

勘探鉆孔沿左線隧道中心線及右線隧道中心線布置，鉆孔孔位與巖溶專項勘察鉆孔孔位交叉，鉆孔間距為20 m，鉆孔深度為30 m。物探剖面沿中心線布置，并根據實際需要在兩條隧道之間布置部分物探剖面。

圖1 第一階段鉆孔孔位及彈性波CT布置示意

第二階段：排除法勘測

由于第一階段鉆孔勘探和彈性波CT的縱向布置間距為20 m，間距較大，適用于大面積粗勘，所以第二階段采取排除法勘測。對第一階段鉆孔勘探和彈性波CT揭露出的塊石密集區進行驗證和排除。具體實施方法為：沿著第一階段鉆孔線路中線，以兩個鉆孔之間為一區域，對存在孤石的區域加鉆探孔，利用加布的鉆探孔，再次進行彈性波CT探測。

4 塊石處置措施及效果評價

4.1 塊石處理方案

根據國內相關單位及本單位施工經驗，盾構機穿越塊石的主要處理方案有如下幾種：

(1)對于小直徑(1.5 m以下)塊石采取旋挖鉆，大直徑塊石采用沖擊鉆孔破碎；

(2)地面深孔爆破；

(3)盾構機破巖直接通過；

(4)以開挖豎井方式將塊石掏取出來。

根據現有的設備以及工期要求，優先考慮采用“旋挖鉆+沖擊鉆”對塊石沖擊破碎進行預處理，若沖擊破碎無法達到預期效果，則進行深孔爆破。刀盤配置全滾刀破巖，特殊情況下采用地表(洞內)注漿加固，為人工進倉破巖提供條件。

對于地下埋設管線和地上布設高壓線的區域，旋挖鉆等大型機械不適合施工，應首先排除。要首先探明管線的位置、埋深、走向，避開管線的位置進行深孔爆破。對于管線下方有塊石的地方，采取先挖探溝將管線臨時遷開，然后進行深孔爆破處理。

對于塊石地面預處理過程中存在有未發現的塊石，嚴密監控盾構掘進參數的變化，采用盾構機直接破巖通過。

4.2 塊石處理步驟

4.2.1 旋挖鉆+沖擊鉆對塊石進行預處理

根據塊石探測所在的位置進行旋挖鉆機就位旋挖，開挖到塊石高程后，若旋挖鉆機能將塊石破碎或攪入渣斗內，則采用旋挖鉆將塊石抓取出來；若塊石太大，旋挖鉆不能將塊石取出，則立即更換沖擊鉆將塊石破碎，破碎至直徑0.3 m以下，鉆孔深度要求在塊石高程以下1.0 m。圖2為沖擊鉆對塊石進行預處理后，采用旋挖鉆將塊石抓取出來的石塊。

圖2 沖擊鉆對塊石進行預處理后取出來的石塊

4.2.2 引孔爆破法施工

(1)引爆法處理原則

為規避和降低洞內處理空間不足對引爆造成限制及其衍生的安全風險，可采用在地面鉆深孔以控制爆破的預處理方式。

(2)處理方法

針對已經確定的塊石，采用地面地質鉆打設垂直孔，并對隧道范圍內的巖石進行炸藥爆破，保證巖石碎塊的單邊長度不超過30 cm。圖3為厚度3.0 m的塊石爆破示意。

圖3 厚度3.0 m的塊石爆破示意(a=0.5 m)(單位：m)

在進行地面鉆孔的過程中，要遵循地表深孔與水下鉆孔兩種爆破形式的相關規定，即在進行地表深孔爆破時，深孔周圍(半徑0.5 m范圍內)的碎石、雜物應清除干凈。孔口巖石不穩固者，應進行維護。且爆破必須采用電力、導爆索或導爆管起爆法；水下鉆孔爆破應按開挖斷面與船位有序地進行，一般是由下至上，由外向內，由深而淺分段進行。基于項目的工程特點，開展爆破施工。

4.2.3 盾構直接破巖通過

塊石地面預處理過程中不排除有未發現的塊石，此時宜采用盾構直接破巖通過。

4.3 塊石處理效果

在對塊石進行預處理的過程中，旋挖鉆將部分塊石破碎并對破碎后的塊石進行了清除；部分塊石由于直徑較大，無法通過旋挖鉆取出。在更換沖擊鉆后，大直徑塊石在被破碎成細小的石塊后取出。該方法清除了隧道施工范圍內約60%的塊石。

通過采用地面地質打設垂直孔的方式，對施工過程中已經確定的塊石進行引孔爆破，成功將隧道范圍內的巖石破碎成細小的石塊，且巖石碎塊的單邊長度不超過30 cm。該方法清除了隧道施工范圍內約30%的塊石。

在盾構機掘進過程中，發現了地面預處理過程中未發現的塊石，通過采用盾構直接破巖通過的方式，盾構機順利通過該塊石區。該方法清除了隧道施工范圍內約10%的塊石。

5 盾構掘進參數及控制

5.1 盾構機選型

根據詳勘及補勘結果，武漢市軌道交通機場線工程區間采用鐵建重工復合式土壓平衡盾構機進行掘進。

5.1.1 刀具比選

根據施工經驗，海瑞克原裝滾刀施工壽命130 m，國產刀具使用壽命300 m，一般選用國產刀具。

5.1.2 刀具配置

本盾構區間考慮到地層中塊石含量大，所以刀盤裝配全盤滾刀用于破碎塊石。考慮到刀盤開口率及其地層因素，滾刀間距控制在100 mm。圖4為盾構刀盤。

嚴密監控盾構掘進參數的變化，首選盾構機直接破巖通過，如塊石粒徑較大，無法通過螺旋機輸出，則需要進行開倉處理，開倉前做好掌子面的加固工作，確保掌子面的自立性。

圖4 盾構刀盤

5.2 盾構機在塊石地段掘進參數控制

盾構機掘進速度10～20 mm/min、刀盤轉速1.3 r/min、土壓力控制在2.0 bar、推力14 000 kN、刀盤扭矩3.1 MN·m、渣土改良泡沫劑用量140 L/環、出土量控制在49.6 m3/環。

6 結論及經驗總結

通過有效的地質勘探，事先探明盾構前方石塊情況，在此基礎上采取合適的石塊方法處理，選用適當的刀盤配置，嚴格控制盾構參數，武漢市軌道交通機場線盾構順利通過塊石密集區。

(1)地鐵盾構區間存在塊石，需要事先探明塊石大小和位置，一般采用以彈性波CT檢測為主，地質鉆探為輔進行塊石探測。CT檢測一般是沿左、右線隧道軸線附近布置2條勘探剖面，每條剖面按(20.0±1.0) m的間隔布置一鉆孔，相鄰鉆孔間進行縱向彈性波CT檢測。

(2)針對不同情況的塊石采取不同處理方法，一般對于小直徑(1.5 m以下)塊石，優先采取旋挖鉆對塊石沖擊破碎進行預處理，大直徑塊石采用沖擊鉆孔破碎、開挖豎井方式將塊石掏取出來，若沖擊破碎達不到效果，則進行深孔爆破等方法處理，塊石地面預處理過程中不排除有未發現的塊石，則采用盾構機破巖直接通過。

(3)當塊石含量大，盾構刀盤宜裝配全盤滾刀用于破碎塊石，國產刀具使用壽命長，目前國內所有盾構施工單位基本選用國產的刀具。盾構機進入塊石區域前進行刀具檢查和更換，掘進過程中注意觀察盾構機掘進的異常情況以及掘進參數的異常變化，嚴格控制盾構機在塊石地段的掘進參數。

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