盾構穿越密集古建筑群孤石地層開挖技術研究

姚新尚，沈亞超，陳列豪

(1.中鐵隧道股份有限公司 鄭州市 450001；2.杭州市地鐵集團有限責任公司 杭州市 310017；3.浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

0 引言

在隧道盾構施工過程中，常常會遇到大小不一、形狀多樣、強度不等的孤石隨機分布在隧道四周，使得地層軟硬不均，這類地層增加了盾構掘進的難度[1]。由于孤石的影響，施工過程中容易造成刀盤受力不均影響盾構掘進姿態出現刀盤堵塞、卡機等現象，且極易損壞刀盤，影響掘進效率，甚至引起地面沉降、周邊建筑物變形開裂[2-5]。因此，如何處理好地層中的孤石，是盾構施工過程中的技術難題。目前，關于孤石地層中隧道掘進的研究主要集中在勘探和工程技術方面。章飛亮[6]等采用微動技術對南方某城市地鐵隧道區間的孤石進行探測，取得了良好的效果；楊亞璋[7]等從物探方法、探測設備等多個方面介紹了孤石探測技術，并證明了地震反射波CDP技術探測孤石的可行性；王鵬華[8]通過分析珠三角地區及臺山盾構隧道工程的孤石處理工藝方法，得出不同地質條件和不同工況條件下有效的孤石處理技術；吳克寶[1]等通過對武漢市軌道交通機場線進行有效的地質勘探，并在此基礎上采取合適的塊石處理方法，取得良好效果；路耀邦[9]等總結出了一套針對海底盾構區間孤石爆破預處理的施工方法。

針對杭州地鐵7號線吳山廣場站-江城路站盾構始發段穿越古建筑群大粒徑孤石隨機分布的情況，提出了采用微動探測和地質鉆探相結合的方式進行孤石探測；并根據孤石性狀、分布位置和地面環境采取鉆孔爆破的處理方法；同時，對盾構機刀盤刀具選取進行了探討分析，嚴格控制掘進參數，保證施工順利進行。

1 工程概況

杭州地鐵7號線吳山廣場站-江城路站區間盾構始發段位于杭州市上城區河坊街道路以下，周邊有博物館、花鳥城、河坊街商鋪等古建筑群，隧道采用雙洞雙線布置型式，埋深15.8～27.7m。該區段盾構掘進范圍位于黏土混角礫土層，地層中含有大量孤石需進行爆破預處理，孤石分布無序，錯綜復雜，其厚度粒徑大小不一，最大厚度達19.5m。該段孤石成因主要是崩積，主要成分為灰巖(硅質灰巖和生物碎屑灰巖)，其強度在11.4～125.5MPa之間，多為裂隙較發育或裂隙發育，完整性差。孤石分布及周邊環境平面位置見圖1。

圖1 孤石分布區域及周邊環境平面圖

2 孤石處理及工藝措施

2.1 孤石的探測

為探明孤石的分布情況，一般采用鉆探、物探方法。但鉆探方法不僅費用較高，而且探測范圍有限；物探方法雖然方便快捷、覆蓋全面，但因城市特殊的環境條件影響及物探方法的局限性，探測精度較差。因此通常采用鉆探、物探等多種方法聯合運用相互印證的綜合探測方案。近年來，微動探測技術逐漸在地下空洞、活動斷裂、土石分界面及球狀分化方面得到廣泛運用。該技術是通過發射體波和面波產生振動后，通過提取微動信號的頻散曲線，并對頻散曲線進行反演以獲得所需探測介質的橫波速度結構特征，從而有效反應介質物理屬性的一種物探方法[4]。

在工程初勘和詳勘的基礎上，首先利用微動探測技術，大致探出該區間盾構始發段隧道中軸線洞身及上下一定深度影響范圍內孤石的分布、發育情況等，然后根據微動探測結果對預測孤石位置進行加密地質補勘鉆探，補勘孔沿線路中線間距10m布置，進而確定孤石的具體位置、大小、埋深、強度以及孤石周圍地層的軟硬程度。通過微動探測技術和鉆探方法結合的探測方案，有效確定了左線隧道在里程ZDK0+674.370～ZDK0+728(長度53.63m)范圍內分布有8塊孤石，右線隧道在里程YDK0+604.822～YDK0+729(長度124.178m)、YDK1+440～YDK1+480(長度40m)范圍內共計15塊孤石，其強度在11.4～125.5MPa之間，為后續孤石的處理以及盾構的選型提供了基礎。

2.2 孤石爆破

為滿足爆破后破碎巖體尺寸小于30cm的施工要求，該始發段采用鉆孔爆破法。同時，為了控制爆破振動對周邊建筑物、地下管線等影響采用多段毫秒延時爆破、單孔單響或分層多響等技術措施。根據微動探測及鉆孔驗證結果，采用地質鉆進行垂直取孔，鉆孔直徑為89mm，為了充分破碎巖體進行梅花形布孔，當孤石在盾構開挖范圍內時，則全取孔爆破，并且在垂直方向上炮孔均穿透孤石，在水平方向上取孔超出孤石范圍；若孤石僅局部存在盾構開挖范圍內，則在開挖范圍內的巖石全取孔爆破，炮孔均穿透孤石，超出開挖邊界1.0m范圍內的巖石也需取孔爆破。炮孔平面布置示意圖如圖2。圖中孔距、排距a=b=40～80cm，其根據孤石不同體積、厚度、埋深等情況適當調整。

圖2 炮孔梅花形布置示意圖

根據孤石不同厚度采用不同的裝藥結構形式，如圖3為本次爆破裝藥結構示意圖，圖中編號1代表雷管，2代表炸藥，3代表沙子間隔段，4代表炮孔堵塞段。當孤石厚度大于3m時，采用分層裝藥結構；當孤石厚度小于3m時，采用連續裝藥結構。同時，根據不同的孤石選擇適當的炸藥單耗，以控制最大段裝藥量和總裝藥量，為保證不破壞地面密集建筑或擾動覆蓋層及地下管線，炸藥單耗控制在0.05kg/m3以下，單孔裝藥量控制在0.88kg/m以下，一次起爆總裝藥量小于60kg。藥包就位后，向炮孔中倒入沙子或瓜米石以堵塞炮孔，堵塞長度大于5m，引爆前地面需重型覆蓋。

圖3 裝藥結構示意圖

2.3 盾構選型及掘進參數控制

盾構機的選型在針對孤石地層掘進方面，需要從機型、刀盤刀具以及排巖通道等幾個方面綜合考慮。同時，針對盾構機的其他參數，除了考慮孤石處理，還應考慮全線的地質情況，結合具體工程實際綜合考慮。

2.3.1刀盤及刀具配置

根據區間工程地質特點，采用2臺直徑為6.5m的復合土壓平衡盾構機進行掘進。盾構在孤石地層掘進時，由于刀具破碎孤石的沖擊荷載較大，造成刀盤受力極不均勻，扭矩波動幅度大，所以盾構刀盤必須具有足夠的強度和剛度[10]。因此盾構機刀盤采用了4主梁+4副梁及外圈梁的結構設計，鋼材型號為Q345B，其開口在整個盤面均勻分布，整體開口率為40%，中心部位設有足夠的開口面積以便于將巖石破除排出。刀盤結構如圖4所示。

圖4 刀盤結構圖

刀具采用立體式布置方式，刀具類型包括：中心雙刃滾刀、正滾刀、刮刀、邊刮刀、保徑刀等。刀具配備情況見表1。其中中心滾刀為17寸滾刀，刀高175mm,刀間距90mm；為保證刀盤中心區域的開口率，正面滾刀分兩類，一類采用17寸滾刀，刀高175mm，另一類為18寸滾刀，刀高187.7mm，刀間距均為100mm。

表1 刀具配備表

由于區間孤石強度大，而周邊土層相對軟弱的特點，掘進滾刀配置使用硬度為HRC55-57的梯度硬度光面刀圈，其形式見圖5，該類滾刀兼顧韌性和強度，其刃口采用直徑為22mm的圓頂。

圖5 滾刀刀圈

2.3.2刀具磨損監測布置

盾構機在孤石地層推進過程中極易損壞刀具，降低施工效率。為了能夠實時監測刀具磨損情況，及時更換刀具，保證盾構機在孤石地層中掘進效率，刀具設置了4個磨損檢測點，配置了兩種刀具的液壓式磨損檢測裝置，分別是：刮刀液壓式磨損檢測裝置、滾刀液壓式磨損檢測裝置。通過這兩種檢測裝置實時了解刀具的磨損狀況，做到了有效及時更換刀具。

2.3.3盾構掘進參數控制

盾構機在孤石地層掘進的同時下穿古建筑群，既要保證盾構機的掘進效率，也要減小對地面及周邊建筑群的擾動，因此需按照“小推力、高轉速、低扭矩”的思想來嚴格控制掘進參數。在該區段掘進過程中采用了全土壓模式掘進，推力控制在1800t以下，扭矩控制在1800～2600kN·m，刀盤轉速0.8～1r/s，貫入度10mm左右，注漿量控制在6～6.8m3，出土量控制在59m3。

3 孤石處理效果驗證

為驗證爆破參數的合理性及爆破后孤石的破碎效果，對左、右線始發段引孔爆破后進行了取芯，左、右線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比見圖6、圖7。可以看出芯樣均小于15cm，滿足盾構施工要求，說明此次爆破預處理孤石起到了良好的效果，為盾構機的順利通過奠定了基礎。

圖6 左線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比

圖7 右線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比

4 結論

針對杭州地鐵7號線吳山廣場站～江城路站區間盾構始發段穿越密集古建筑群孤石地層的施工過程中，通過采取綜合的探測方案，有效確定了該段范圍內孤石分布，并對孤石采取了鉆孔爆破預處理以及相應的盾構掘進措施，保證該段隧道順利掘進，得出了以下結論：

(1)通過微動探測技術和鉆探結合的綜合探測方案，不僅可以有效確定該段地層內孤石的具體分布、大小、強度以及周圍地層軟硬程度，而且為孤石的爆破處理及盾構的選型提供基礎。

(2)從爆破后取芯驗證以及實際爆破情況可以看出，采用毫秒延時爆破技術，能夠改善破碎質量，使區間孤石得以有效處理，同時有效降低爆破地震效應，減小對周邊歷史古建筑、地下管線等影響，保證盾構順利掘進，也為類似工程的施工提供良好的借鑒。

(3)盾構機不僅要適應孤石地層掘進，同時要從全線地質情況、成本等多方面綜合考慮來選型，盾構的刀盤刀具要有一定的強度和剛度，掘進過程中要注意觀察盾構機掘進姿態，及時檢查并更換刀具。

(4)為了破碎孤石的同時減小對周邊古建筑群的擾動，需要加強監測來調整盾構掘進參數，在該類工程盾構掘進過程中，以“小推力、高轉速、低扭矩”的思想控制參數，同時需要針對掘進方向地層條件及刀具磨損情況及時調整參數。