某地鐵盾構(gòu)區(qū)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(xué)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(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

武漢市軌道交通機場線工程土建工程盾構(gòu)區(qū)間塊石密集，在對隧道進(jìn)行盾構(gòu)法施工的過程中，發(fā)現(xiàn)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(nèi)巖土層軟硬不均。這類地層增加了盾構(gòu)機掘進(jìn)的難度，使得盾構(gòu)機推進(jìn)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(jìn)路線發(fā)生偏移等問題，嚴(yán)重影響盾構(gòu)施工的正常開展，致使進(jìn)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(jīng)濟效益，如何處理好盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中所遇到的塊石，是盾構(gòu)施工過程中的技術(shù)難題。

宗成兵指出在地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，經(jīng)常遇到“孤石”導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤卡住及損壞的情況，目前國內(nèi)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(chǔ)上，從勘察、盾構(gòu)機選型和具體工程處理措施出發(fā)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(gòu)破巖機理及工程應(yīng)用[3]；羅利銳研究了超前地質(zhì)預(yù)報在棋盤石巖溶隧道中的應(yīng)用[4]；鞠海峰進(jìn)行了地鐵隧道孤石區(qū)段施工工法比選[5]；路耀邦總結(jié)出了針對海底盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破預(yù)處理的施工方法[6]；李術(shù)才進(jìn)行了基于跨孔電阻率CT的地鐵盾構(gòu)區(qū)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(gòu)穿越孤石地層的難點和風(fēng)險，重點介紹了破除孤石的主要方法和施工中的掘進(jìn)技術(shù)[8]；張恒，戴亞軍等深入分析了孤石的形成機理和分布規(guī)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(yīng)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(gòu)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(gòu)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(fēng)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(gòu)法施工技術(shù)[12]；張紹輝等基于武漢地鐵某區(qū)間隧道工程，介紹了黏土地區(qū)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(guān)技術(shù)[13]；周誠等以武漢軌道交通2號線越江段為依托，系統(tǒng)介紹了基于冷凍法加固的地鐵盾構(gòu)隧道地下清障相關(guān)技術(shù)[14]；賀朝榮分析和討論了盾構(gòu)法隧道孤石處理的關(guān)鍵技術(shù)[15]。

針對武漢市軌道交通機場線工程土建工程盾構(gòu)區(qū)間塊石密集的情況，探討采用以彈性波CT檢測為主，地質(zhì)鉆探為輔的方式進(jìn)行塊石探測；針對不同塊石提出相應(yīng)處置方法；根據(jù)詳勘及補勘結(jié)果，選用盾構(gòu)機及其刀盤裝配，提出盾構(gòu)機在塊石地段掘進(jìn)時的盾構(gòu)參數(shù)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(yè)園盾構(gòu)始發(fā)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(gòu)始發(fā)井(不含)盾構(gòu)區(qū)間。盤龍城站(含)—宏圖大道站區(qū)間較長，設(shè)中間風(fēng)井1座。本工程共一站一井四區(qū)間。區(qū)間隧道從佳—管區(qū)間盾構(gòu)井出發(fā)，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(dá)常青車輛段?？傞L13.46 km，其間設(shè)置10個聯(lián)絡(luò)通道，其中一個在中間風(fēng)井之內(nèi)。

本方案涉及的塊石區(qū)間有3個：佳—管盾構(gòu)區(qū)間、管—盤盾構(gòu)區(qū)間、盤—宏盾構(gòu)區(qū)間?；诠こ烫攸c及詳勘與補勘結(jié)果，采用2臺鐵建重工復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行掘進(jìn)。

2 不良地質(zhì)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(gòu)區(qū)間塊石密集，勘察范圍內(nèi)地貌形態(tài)主要為剝蝕堆積隴崗區(qū)，相當(dāng)于長江Ⅲ級階地，區(qū)間隧道穿越的主要地層為：粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾碎石、局部存在中風(fēng)化灰?guī)r，部分探孔揭示有塊石不良地質(zhì)體發(fā)育，不良地質(zhì)主要為塊石。

2.2 孤石成因及分布情況

隧道范圍內(nèi)分布的塊石主要為巖石在風(fēng)化作用下出現(xiàn)破碎、疏松及礦物成分次生變化所致，且主要為中風(fēng)化灰?guī)r，強度在100 MPa左右。

根據(jù)詳勘報告以及第一階段鉆孔和彈性波CT成果得知，盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)孤石分布面積廣，區(qū)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(qū)間存在大量塊石，且塊石分布于隧道區(qū)域內(nèi)，對鉆孔探測到的塊石進(jìn)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(qū)內(nèi)前期勘察資料進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵工程方案，采取以地球物理勘探為主，常規(guī)地質(zhì)鉆探為輔，并結(jié)合其他方法的綜合勘察。

3.3 塊石勘探具體實施步驟

根據(jù)詳勘報告所揭露的各個區(qū)間孤石分布情況，為滿足各個區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)節(jié)點工期要求，以及達(dá)到此次勘探的實際目的，為孤石處理提供準(zhǔn)確依據(jù)，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(zhì)鉆探為輔。

孔間彈性波CT是對孤石進(jìn)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(chǔ)進(jìn)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(jìn)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(qū)段，進(jìn)行加密探測，即在兩軸線間相鄰鉆孔進(jìn)行橫向和斜交CT探測。本次勘察鉆孔深度設(shè)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(jù)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(qū)進(jìn)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(qū)域，對存在孤石的區(qū)域加鉆探孔，利用加布的鉆探孔，再次進(jìn)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(jù)國內(nèi)相關(guān)單位及本單位施工經(jīng)驗，盾構(gòu)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(gòu)機破巖直接通過；

(4)以開挖豎井方式將塊石掏取出來。

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備以及工期要求，優(yōu)先考慮采用“旋挖鉆+沖擊鉆”對塊石沖擊破碎進(jìn)行預(yù)處理，若沖擊破碎無法達(dá)到預(yù)期效果，則進(jìn)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(nèi))注漿加固，為人工進(jìn)倉破巖提供條件。

對于地下埋設(shè)管線和地上布設(shè)高壓線的區(qū)域，旋挖鉆等大型機械不適合施工，應(yīng)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(jìn)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(jìn)行深孔爆破處理。

對于塊石地面預(yù)處理過程中存在有未發(fā)現(xiàn)的塊石，嚴(yán)密監(jiān)控盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化，采用盾構(gòu)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(jìn)行預(yù)處理

根據(jù)塊石探測所在的位置進(jìn)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(nèi)，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(jìn)行預(yù)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(jìn)行預(yù)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(guī)避和降低洞內(nèi)處理空間不足對引爆造成限制及其衍生的安全風(fēng)險，可采用在地面鉆深孔以控制爆破的預(yù)處理方式。

(2)處理方法

針對已經(jīng)確定的塊石，采用地面地質(zhì)鉆打設(shè)垂直孔，并對隧道范圍內(nèi)的巖石進(jìn)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(jìn)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(guān)規(guī)定，即在進(jìn)行地表深孔爆破時，深孔周圍(半徑0.5 m范圍內(nèi))的碎石、雜物應(yīng)清除干凈?？卓趲r石不穩(wěn)固者，應(yīng)進(jìn)行維護。且爆破必須采用電力、導(dǎo)爆索或?qū)П芷鸨ǎ凰裸@孔爆破應(yīng)按開挖斷面與船位有序地進(jìn)行，一般是由下至上，由外向內(nèi)，由深而淺分段進(jìn)行?；陧椖康墓こ烫攸c，開展爆破施工。

4.2.3 盾構(gòu)直接破巖通過

塊石地面預(yù)處理過程中不排除有未發(fā)現(xiàn)的塊石，此時宜采用盾構(gòu)直接破巖通過。

4.3 塊石處理效果

在對塊石進(jìn)行預(yù)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(jìn)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(xì)小的石塊后取出。該方法清除了隧道施工范圍內(nèi)約60%的塊石。

通過采用地面地質(zhì)打設(shè)垂直孔的方式，對施工過程中已經(jīng)確定的塊石進(jìn)行引孔爆破，成功將隧道范圍內(nèi)的巖石破碎成細(xì)小的石塊，且?guī)r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(nèi)約30%的塊石。

在盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)了地面預(yù)處理過程中未發(fā)現(xiàn)的塊石，通過采用盾構(gòu)直接破巖通過的方式，盾構(gòu)機順利通過該塊石區(qū)。該方法清除了隧道施工范圍內(nèi)約10%的塊石。

5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及控制

5.1 盾構(gòu)機選型

根據(jù)詳勘及補勘結(jié)果，武漢市軌道交通機場線工程區(qū)間采用鐵建重工復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行掘進(jìn)。

5.1.1 刀具比選

根據(jù)施工經(jīng)驗，海瑞克原裝滾刀施工壽命130 m，國產(chǎn)刀具使用壽命300 m，一般選用國產(chǎn)刀具。

5.1.2 刀具配置

本盾構(gòu)區(qū)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?？紤]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(gòu)刀盤。

嚴(yán)密監(jiān)控盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化，首選盾構(gòu)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(jìn)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(gòu)刀盤

5.2 盾構(gòu)機在塊石地段掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)機掘進(jìn)速度10～20 mm/min、刀盤轉(zhuǎn)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(huán)、出土量控制在49.6 m3/環(huán)。

6 結(jié)論及經(jīng)驗總結(jié)

通過有效的地質(zhì)勘探，事先探明盾構(gòu)前方石塊情況，在此基礎(chǔ)上采取合適的石塊方法處理，選用適當(dāng)?shù)牡侗P配置，嚴(yán)格控制盾構(gòu)參數(shù)，武漢市軌道交通機場線盾構(gòu)順利通過塊石密集區(qū)。

(1)地鐵盾構(gòu)區(qū)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(zhì)鉆探為輔進(jìn)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(jìn)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(yōu)先采取旋挖鉆對塊石沖擊破碎進(jìn)行預(yù)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(dá)不到效果，則進(jìn)行深孔爆破等方法處理，塊石地面預(yù)處理過程中不排除有未發(fā)現(xiàn)的塊石，則采用盾構(gòu)機破巖直接通過。

(3)當(dāng)塊石含量大，盾構(gòu)刀盤宜裝配全盤滾刀用于破碎塊石，國產(chǎn)刀具使用壽命長，目前國內(nèi)所有盾構(gòu)施工單位基本選用國產(chǎn)的刀具。盾構(gòu)機進(jìn)入塊石區(qū)域前進(jìn)行刀具檢查和更換，掘進(jìn)過程中注意觀察盾構(gòu)機掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機在塊石地段的掘進(jìn)參數(shù)。

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