城市地鐵施工盾構刀盤前孤石處理

樊 濟 新

(中鐵十七局集團第六工程有限公司,福建 福州 350000)

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城市地鐵施工盾構刀盤前孤石處理

樊 濟 新

(中鐵十七局集團第六工程有限公司,福建 福州 350000)

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

盾構法，孤石，地鐵，施工工期

1 工程簡介

廈門市軌道交通1號線是廈門市的第一條地鐵線路，具有劃時代的歷史意義。集美中心站—誠毅廣場站為其中一個區(qū)間，采用盾構法施工。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，經(jīng)過新洲路后，從地下穿過在建的鐘樓工程，最后到達該區(qū)間的終點，即誠毅廣場站。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—誠毅廣場站盾構區(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

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

3 推進異常說明

2014年11月21日凌晨，“成功二號”盾構機在推進集—誠區(qū)間左線213環(huán)最后0.3 m時，盾構司機發(fā)現(xiàn)推進參數(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刀盤。在214環(huán)推進時，螺旋機出土口有大量水、砂涌出，并伴隨有大顆粒的花崗巖塊(見圖1)。214環(huán)推進參數(shù)為刀盤扭矩2 000 Nm,推力20 000 kN,推進速度0 mm～5 mm。在214環(huán)推進0.3 m后，決定停機處理。

4 處理方案確定

雖然在盾構施工前進行了加密補勘，但未在213環(huán)位置處布置探孔。根據(jù)現(xiàn)場情況，我們判定盾構刀盤前方遇到孤石，屬于漏網(wǎng)之魚。盾構施工中最怕遇到這種情況，因為孤石緊挨刀盤，不僅處理困難，而且在處理孤石的同時，盾構施工不得不暫時停下來，導致工期延誤。

從目前國內(nèi)經(jīng)驗來看，孤石處理多采用爆破法和機械法處理。爆破處理方法簡便、速度快，但考慮到本次處理孤石緊挨刀盤，爆破作業(yè)風險較大，對藥量控制非常嚴格，控制不好便會對刀盤甚至盾構機造成破壞。而機械處理雖然速度慢，但對刀盤影響小，相對比較穩(wěn)妥。權衡利弊，最終選用旋挖鉆進行處理。我們最終的處理思路是：先測量確定地面位置，進行圍擋施工，再采用地質鉆探明孤石大小，然后用旋挖鉆進行孤石處理，處理完畢后進行回填，最后恢復盾構掘進。

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)的臨時圍擋板進行圍擋，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，采用地質鉆機鉆孔，探測孤石大小和分布情況。根據(jù)地質鉆孔情況，判定孤石由3塊獨立的孤石組成，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個孔芯樣進行抗壓強度試驗，試驗結果顯示抗壓強度分別為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，我們對已探明的孤石進行了處理，歷時15 d。

5.3.1 渣土置換

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

5.3.2 B280型旋挖鉆機處理孤石

渣土置換完畢后，采用B280型旋挖鉆機(直徑1.0 m)進行孤石處理，共42個處理孔，孔位布置如圖4所示。具體處理工藝為：旋挖鉆機定位→調(diào)整垂直度→配置護壁泥漿→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取渣→孔位灌注C15混凝土→重復上述步驟循環(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，在旋挖鉆鉆進過程中，泥皮不容易形成，因而泥皮的護壁性能也就會不太理想，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。在較軟地層鉆進時，如淤泥層、泥土、砂層、風化巖層等地質條件下，我們采用摩擦鉆桿和回轉鉆頭。進入硬巖、孤石地層時，我們則選用摩擦桿，同時配置了嵌巖鉆頭，如短螺旋鉆頭、牙輪鉆頭和嵌巖筒鉆等。

對于入巖旋挖鉆機，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行考慮。對于相同的地層條件，使用同一個鉆進扭矩，選擇不同的斗齒刃前角度，鉆進效率也會不同。所以，只有選擇合適的刃前角，才能夠提升機器的進尺效率。對于較小硬度的第四層和強風化層，在較松軟地層中鉆進時，斗齒刃前角應稍大些，可采用45°～65°；在較硬的地層或孤石地層中鉆進時，斗齒刃前角可稍微小些，采用25°～45°。

針對不同的巖石特性，我們選擇了不同類型的鉆頭。對于脆性巖層，采用截齒作為刀具，截齒在鉆頭公轉的帶動下進行自轉，使截齒發(fā)生滑動，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。

在黏土、粉土、砂土、淤泥質土、人工回填土及含有部分碎石等軟土地層鉆進時，旋挖鉆機采用摩擦鉆桿和回轉鉆頭鉆進。首先在護筒里注滿泥漿，然后開始鉆進。在鉆進過程中，根據(jù)情況不斷補充泥漿，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，依據(jù)土質的情況，對泥漿配方和比重進行調(diào)整。

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

4)旋挖鉆機處理孤石。

當施工到孤石地層時，這種地層的密度較大，摩擦鉆桿和回轉鉆頭都無法成孔。這時候，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，對巖芯周邊范圍進行松動，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取渣，從而達到破除孤石目的，如圖5所示。

5.3.4 鉆孔回填

孤石被破碎后，需對該孔進行回填，以防止盾構經(jīng)過時引起地面塌方等危險?；靥頒15混凝土采用常見的水下樁灌注法。

5.3.5 恢復掘進

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

6 結語

孤石處理是城市地鐵盾構施工中的攔路虎，只要地面具備條件，一般都提前探明處理，但由于地質條件的復雜性和地面條件，難免會出現(xiàn)一些漏網(wǎng)之魚，成為盾構施工中的棘手問題。本文案例中采取旋挖鉆處理刀盤前孤石，避免了爆破對刀盤造成沖擊影響，事實證明不失為一種穩(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.復合地層中的盾構施工技術[M].北京:中國科學技術出版社,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

樊濟新(1973- ),男，工程師

U455.43

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