超前導洞孤石處理方法在盾構掘進中的應用

巫裕斌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

孤石屬于花崗巖殘積土的不均勻風化，包括囊狀風化巖和球狀風化巖[1]。相對周邊的土體，孤石的強度大很多，單軸抗壓強度大部分為80～200 MPa之間，主要位于全風化、強風化巖體中，其空間分布的隨機性很強。工程中遇到的孤石主要有三種類型[2]：①殘積巖層內的球狀微風化巖塊，②沉積地層內的孤石，③人工填石。

由于孤石的分布是隨機的，前期地勘很難完全探明其存在情況，因此造成盾構施工中的困難。孤石很難被盾構機滾刀切割，在盾構機掘進過程中，孤石或被刀盤的旋轉推力彈開或被推向隧道旁邊，可能會擠壓盾構機使其偏離方向；如果土質太差不能固定孤石，孤石會隨著土體的破壞而移動，在刀盤前循環，最終造成刀具損壞。孤石對盾構的影響主要表現為刀具磨損嚴重、刀盤變形、刀盤堵塞、盾構機偏離線路等[3]。

孤石處理方法將根據孤石的大小、位置、形狀、周邊環境等因素確定。主要有三種處理方法[4-5]：

(1)盾構機直接破除。若工期緊且對地表變形要求較低時可以采用此方法。掘進時參數改為低轉速、小推力、低扭矩。此種方法的風險較大，推進速度慢，極有可能出現盾構機偏離原設計軸線的情況。

(2)洞外人工破除。該方法為常采用的孤石處理方法，具體有地面注漿加固、鉆孔爆破、地面沖孔破碎等。洞外破除工藝相對簡單，效果好，但是成本高和人工費均較高。

(3)洞內人工破除。包括盾構機超前注漿、巖石分裂機破碎等。超前注漿是指通過盾構機上預留的超前注漿孔對地層進行注漿加固，巖石分裂機指的是直接開艙破碎掌子面孤石。洞內人工破除對地質條件的要求較高，同時施工也存在一定風險。

本文以東莞至惠州城際軌道交通工程為背景，介紹采用超前導洞注漿加固地層處理孤石的新方法。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通東莞東城南～寮步盾構區間，設計里程GDK18+303.266～GDK19+649。本工程所在場地地質從上到下依次為：素填土，淤泥質粉質黏土，粉質黏土，全、強、弱風化混合片麻巖。盾構區間穿越大量居民住宅樓以及工業廠房、辦公樓，圖1為該段區間平面圖，圖2為地質縱斷面圖，表1為該段巖土體物理力學參數表。盾構隧道內徑3.85 m，管片厚度0.4 m。地勘資料顯示，左線GDZK18+889～GDZK18+913、右線GDK18+889～GDK18+938.3段隧道位于上軟下硬地層，且隧道洞身及上方地層中存在孤石，地下水豐富。在掘進施工過程中，通過土倉觀察掌子面存在大量孤石，結果與地勘報告相吻合。孤石進入土倉后，不能由螺旋機排出，對刀盤及土倉內攪拌棒造成破壞，需采用人工清理；由于掌子面堆積大量孤石，使盾構機無法繼續掘進。

圖1 隧道區間平面

從圖1可以看出，盾構區間穿越大量房屋，并且孤石區域地表建筑物密集，不具備從地表注漿或者鉆孔爆破的條件；該段的地層條件較差，無法采用直接開艙處理孤石的方法，因此采用超前暗挖導洞方式對左右線孤石段地層進行加固。

2 暗挖導洞施工方法

暗挖導洞位于直線段左右線盾構隧道中間，需先破除部分盾構管片。從GDK18+918.3處右線盾構隧道管片開洞后，以13.186 %上坡，至GDK18+918.3里程時，變為與左右線縱坡相同的26.5 ‰上坡，直至導洞終點。

表1 巖土體物理力學參數

圖2 地質縱斷面

暗挖導洞結構為直墻拱頂結構，僅施作初期支護，由噴射混凝土、鋼筋網、格柵鋼架組成，為增加底板剛度，在底板上方施作200 mm厚C30鋼筋混凝土底板，結構凈高3.5 m，凈寬3.5 m。圖3為暗挖導洞橫斷面圖，圖4為導洞和盾構正線平面關系圖，圖5為導洞和盾構隧道斷面關系圖。

暗挖導洞采用上下臺階法施工。采用洞內注漿加固止水方式，從洞內于管片開洞處先采用小導管超前預注漿，進行地層加固和止水。在加固到達預期效果后，方可進行導洞施工。

導洞向盾構隧道拱頂打設Φ108 mm管棚并對盾構掘進掌子面及拱頂實施注漿加固。

圖3 暗挖導洞襯砌斷面(單位:mm)

圖4 暗挖導洞與盾構正線平面關系

圖5 暗挖導洞與盾構正線斷面關系

3 關鍵技術指標

3.1 開洞管片加固

管片開洞前，先對暗挖導洞兩側各4環管片進行鋼支撐加固，然后于管片開洞處設置注漿管進行全斷面注漿加固，待注漿加固完成后，再進行暗挖通道的開挖。

對施工影響范圍內的盾構隧道進行鋼支撐加固，并對影響范圍進行全斷面注漿加固，待暗挖導洞達到預期加固效果后，對管片進行切割及開洞環梁施工，待完成受力體系轉換后方可進行礦山法施工。導洞進洞處格柵鋼架先采用漸變尺寸，后通過擴挖和反挖成型，前三榀格柵密排。暗挖導洞施工完成以后，應對通道中線前后各5環范圍內的管片背后進行二次注漿，確保正洞襯砌與圍巖密貼(圖6)。

圖6 盾構管片開洞支護設計(單位：mm)

3.2 超前注漿加固

(1)管棚及注漿加固：加固范圍左線GDZK18+913～GDZK18+889，右線GDK18+918.3～GDK18+889。管棚沿隧道方向布置，與隧道水平夾角50 °，垂直偏角2 °，縱向間距0.3 m，加固寬度為導洞初支內輪廓至隧道外輪廓線外3 m。管棚采用Φ108 mm無縫鋼管，壁厚8 mm，分節長度2 m、2.5 m，管節采用絲扣連接，管棚內插3根Φ20 mm鋼筋以提高剛度。

(2)深孔注漿：暗挖導洞深孔注漿加固范圍為隧道開挖掌子面范圍及隧道下斷面開挖輪廓外2.0 m范圍，注漿沿隧道掘進方向10 m一循環段。盾構掘進掌子面注漿加固范圍為隧道洞頂上方3 m至W3強風化地層、W2中風化地層巖面分界線，寬度至隧道外輪廓線5 m，采用雙液漿(圖7)。注漿孔布置由工作面向開挖方向呈輻射狀，鉆孔均勻布置成圓形圈，保證注漿充分，不留死角，漿液擴散半徑1.5 m。注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm熱軋無縫鋼管，管長3 m，孔口管應埋設牢固，并有良好止漿措施。

4 結束語

該段盾構隧道位于上軟下硬地層中，并且地表建筑物密集，不具備地面注漿或者爆破孤石的施工條件。若采用洞內人工破除的方法，盾構機需長時間停止掘進，增加工程風險，因此采用開挖導洞進行注漿加固的方法。現場實際施工情況表明采用超前導洞注漿加固安全可行并且滿足工期要求，該方法可作為今后類似工程條件下處理孤石提供一種新的思路。

圖7 注漿加固斷面范圍