盾構(gòu)穿越孤石及帶壓換刀技術(shù)研究

李 冰

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

近年來，軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展，車站區(qū)間施工應(yīng)用盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)也日益成熟。由于詳勘資料不能全面反映地層情況，給施工帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中多次遇到未探明的孤石，之后對孤石隨機(jī)鉆芯取樣，巖石單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)137 MPa，與周圍地層強(qiáng)度有巨大差異。期間針對孤石不同的發(fā)現(xiàn)時(shí)間、深度、影響范圍等，采取相應(yīng)的處理措施，確保區(qū)間順利貫通。

2 工程概況

廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間沿縱八路南北敷設(shè)，經(jīng)新洲路后側(cè)穿在建鐘樓到達(dá)誠毅廣場站。沿線主要有在建公園、高層房屋，下穿有新洲路共同溝、鐘樓［1］。該段以坡殘積臺(tái)地為主，局部為海侵洼地或沖海積階地。集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)所處位置影響范圍內(nèi)地層依次為粉質(zhì)黏土、中粗砂、碎裂狀全風(fēng)化花崗巖等。孤石所處空間位置水文地質(zhì)情況總體較差，中粗砂和全風(fēng)化花崗巖富水性好，為強(qiáng)透水層，含水量較大［2］。

3 孤石探測及處理措施

3.1 遇孤石過程

盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)到166環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)油泵異常，盾構(gòu)前方土倉內(nèi)有異常聲響，隨后刀盤出現(xiàn)卡死事故。經(jīng)盾構(gòu)工區(qū)與中鐵裝備商議，利用前盾刀盤啟動(dòng)裝置，刀盤實(shí)現(xiàn)了正常轉(zhuǎn)動(dòng)。在166環(huán)后續(xù)的掘進(jìn)過程中，一把邊緣刮刀隨泥水一起被螺旋機(jī)從土倉中旋出。在167環(huán)掘進(jìn)過程中，千斤頂總推力為15 000 kN，掘進(jìn)速度10mm/min左右，螺旋機(jī)出土口有大量水、砂涌出，并伴隨有大顆粒的花崗巖塊。過程中主軸承扭矩驟增。盾構(gòu)機(jī)停止推進(jìn)后，刀盤進(jìn)行了試空轉(zhuǎn)，主軸承扭矩仍未減少，且盾構(gòu)機(jī)底部有振動(dòng)、異響。由此預(yù)測盾構(gòu)機(jī)前方存在孤石，需進(jìn)一步處理之后方可掘進(jìn)。

3.2 孤石探測

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量與地質(zhì)鉆孔情況，判定盾構(gòu)機(jī)盾尾距鐘樓南側(cè)為3.3 m，刀盤距鐘樓南側(cè)6.2 m，刀盤距集美國投施工的圍護(hù)樁中心線為6.63 m。孤石平面為不規(guī)則多邊，尺寸3.7 m（長）×5.2 m（寬），最深為2.4 m，位置主要靠近盾構(gòu)機(jī)刀盤右下方，具體位置關(guān)系見圖1。

圖1 孤石與地面、盾構(gòu)平面關(guān)系

3.3 渣土置換與孤石清除

3.3.1 渣土置換

為保證在清除孤石過程中刀盤前方掌子面的穩(wěn)定，必須對土倉采取保壓措施［3］。保壓的方法是利用盾構(gòu)機(jī)膨潤土系統(tǒng)向土倉內(nèi)注入膨潤土，對盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)渣土進(jìn)行置換和保壓，確保徹底置換渣土以保證掌子面的穩(wěn)定。將置換出的渣土進(jìn)行洗渣，確認(rèn)渣土內(nèi)較大塊狀物種類［4］。

3.3.2 孤石清除

因孤石與刀盤緊靠在一起，不宜采用爆破、沖擊鉆等方法處理孤石。經(jīng)多方研究，最終選擇定位精準(zhǔn)、安全、速度快的全回轉(zhuǎn)套管鉆的方法［5］。另外，利用地質(zhì)鉆機(jī)在刀盤前方20 cm處鉆設(shè)兩排隔離孔，使孤石呈蜂窩狀，與刀盤隔離，以避免盾構(gòu)前方刀盤在清除孤石時(shí)受損。全回轉(zhuǎn)套管鉆作業(yè)時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)套管轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用鋼套管底部的高強(qiáng)刀頭對土、巖體等障礙物進(jìn)行切削，利用夯錘對套管內(nèi)孤石進(jìn)行破碎，最后利用抓斗將石塊抓出。清理完成后，將套管內(nèi)回填水泥土?；靥钔量刹捎盟苄暂^好的盾構(gòu)施工的出土，并摻入少量水泥。后期應(yīng)對松散的回填土進(jìn)行注漿，確?；靥钔恋拿軐?shí)度及強(qiáng)度，以免盾構(gòu)穿越孤石時(shí)，地表發(fā)生溢冒現(xiàn)象。

根據(jù)地質(zhì)鉆探結(jié)果，確定孤石平面位置、形狀，見圖2，并按圖中所示位置對孤石進(jìn)行清理。采用全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)清除孤石主要工藝為：地質(zhì)鉆探明孤石→全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)定位→同步進(jìn)行全套管設(shè)備場地布置與機(jī)械及電力系統(tǒng)、后臺(tái)作業(yè)指揮系統(tǒng)定位→作業(yè)平臺(tái)就位→吊裝設(shè)備就位→套管回轉(zhuǎn)壓入→回轉(zhuǎn)偏心切削→全斷面回轉(zhuǎn)切斷→清除障礙物→障礙物裝卸處理→分段清除至作業(yè)深度→起拔套管→同步回填水泥土作業(yè)→主機(jī)臺(tái)定位銷撤除→轉(zhuǎn)場施工重復(fù)上述步驟循環(huán)至全部施工完畢→盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)［6］。

圖2 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)孔位布置

4 盾構(gòu)穿越孤石

盾構(gòu)穿越孤石過程中，需制定合理的掘進(jìn)參數(shù)，盡量減小刀盤轉(zhuǎn)速，采用低轉(zhuǎn)速、低速度、低扭矩平穩(wěn)掘進(jìn)，減少刀盤與孤石之間的沖擊力、刀盤磨損和對地層的擾動(dòng)。具體掘進(jìn)參數(shù)見表1。

集誠區(qū)間右線孤石處理完成后（共23 d），盾構(gòu)機(jī)開始穿越孤石，并于3 d后到達(dá)原集美國投施工的圍護(hù)樁處（173環(huán)處，里程YDK26＋275.629，原集美國投施工的圍護(hù)樁為φ1000@1200 mm，圍護(hù)樁內(nèi)主筋為玻璃纖維筋，樁間設(shè)有φ800咬合150 mm的止水高壓旋噴樁）。原施工方案為盾構(gòu)機(jī)直接磨樁通過。

表1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)到原集美國投施工的圍護(hù)樁時(shí)掘進(jìn)速度極其緩慢，2 d時(shí)間僅推進(jìn)500 mm。盾構(gòu)機(jī)刀盤推至圍護(hù)樁內(nèi)500 mm后，土倉內(nèi)水量極大（達(dá)到1.67 m3/min，且土倉內(nèi)水溫達(dá)到60℃左右，刀盤旋轉(zhuǎn)有異響），隨后對土倉內(nèi)注入高分子聚合物止水，止水效果不佳［7］。

經(jīng)專家分析，認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)因掘進(jìn)大段砂層并遇高強(qiáng)度孤石，使刀具受到一定損壞，在磨原集美國投基坑圍護(hù)樁后，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)滾刀偏磨的可能性很大；目前盾構(gòu)掘進(jìn)存在水溫高、渣土溫高、掘進(jìn)速度低于5 mm/min、刀盤扭矩過高問題［8］，已不適宜繼續(xù)掘進(jìn)，需加固止水、更換刀具，待刀具更換后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

5 盾構(gòu)機(jī)帶壓開倉換刀技術(shù)措施

5.1 地層止水

由于地層中水量較大，為防止螺旋機(jī)出渣口噴涌，利用盾構(gòu)機(jī)前部渣土改良系統(tǒng)向土倉內(nèi)注入高濃度膨潤土，止水效果并不理想。經(jīng)專家研究，最終采用止水環(huán)＋井點(diǎn)降水＋高壓旋噴樁加固等綜合技術(shù)措施進(jìn)行止水。為防止高壓旋噴樁施工中的高壓漿液破壞降水井，優(yōu)先安排高壓旋噴樁作業(yè)，最后鉆設(shè)降水井。

為了防止盾構(gòu)機(jī)尾部地層中的水持續(xù)不斷地流入土倉，擬在盾尾后每隔5環(huán)位置進(jìn)行補(bǔ)充注漿，以形成10個(gè)環(huán)狀止水帷幕［9］。材料選用普通硅酸鹽水泥和水玻璃按體積比1∶1配制使用，其中水泥漿水灰比亦為1∶1。

參考以往施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間工程地質(zhì)條件，盾尾每環(huán)管片的注漿量宜為1～2 m3，注漿量多少與注漿壓力呈線性關(guān)系，實(shí)際注漿量多少還要以注漿壓力來控制。當(dāng)注漿壓力設(shè)定過大時(shí)，地層中的空隙被過度填充，導(dǎo)致土體體積大大增加，從而出現(xiàn)管片變形、地面上拱等現(xiàn)象；而注漿壓力控制較小時(shí)，注漿量也呈線性減少，則無法達(dá)到止水的預(yù)期效果［10］。

由于集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間地層中自上而下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、殘積土及全風(fēng)化花崗巖等，故根據(jù)公式：靜止土壓力＝靜止土壓力系數(shù)×土重度×深度。經(jīng)計(jì)算得，理論注漿壓力應(yīng)不小于0.17 MPa，考慮實(shí)際土層的不均勻性及設(shè)備誤差等情況，操作過程中將注漿壓力值控制在0.2 MPa左右。

注漿過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測管片縱、橫縫漏漿漏水情況。當(dāng)已注入的雙液漿失效時(shí)，調(diào)整同一環(huán)管片的注漿順序，先注滲漏水病害較輕部位，直至循序漸進(jìn)整環(huán)封閉；若滲漏水情況無明顯改善，則應(yīng)從處理相鄰管片滲漏水著手，由外至內(nèi)逐步形成止水帷幕。另外，注漿過程中注漿壓力保持在0.2 MPa且10 min后方可停止注漿，若流量計(jì)讀數(shù)未達(dá)到注漿量，則應(yīng)再重新補(bǔ)足漿液。

5.2 高壓旋噴樁加固

為防止高壓旋噴漿液對盾尾密封、泡沫注入口及其它部件造成損壞，在高壓旋噴樁施工前將高濃度膨潤土通過注漿系統(tǒng)向土倉和盾殼外注入。膨潤土漿液配合比見表2。

表2 膨潤土漿液配合比 kg

高壓旋噴樁采用三重管旋噴鉆機(jī)施工，樁位按800@600布置。對盾構(gòu)換刀區(qū)域進(jìn)行加固，左、右、前設(shè)置兩排，上部4排（共95根，具體見圖3～圖4）。其中盾構(gòu)機(jī)上方4排旋噴樁按20 cm搭接加固，范圍從盾殼上方3 m至距盾殼0.45 m位置；左、右、前三側(cè)面加固深度均為盾殼上方3 m至盾殼底部2 m（圖中DBC代表地表沉降點(diǎn)；DSW代表地下水位觀測孔；JSJ代表降水井）。

為達(dá)到良好的止水效果，已加固土體應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和抗?jié)B特性，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa，滲透系數(shù)不大于10-5mm/s。盾構(gòu)開倉更換刀具之前應(yīng)進(jìn)行鉆芯取樣檢驗(yàn)土體強(qiáng)度，在有代表性的樁心和搭接處位置選取多個(gè)芯樣，若達(dá)不到要求，及時(shí)補(bǔ)樁或增加降水井?dāng)?shù)量。

圖3 盾構(gòu)開倉換刀加固平面（單位：m）

圖4 盾構(gòu)開倉換刀加固斷面

5.3 降水設(shè)計(jì)

為防止盾構(gòu)開倉換刀期間出現(xiàn)涌水事故，在加固區(qū)周圍共設(shè)計(jì)直徑0.8 m、深23 m的降水井4口，其中兩口位于刀盤前部兩側(cè)（距刀盤平面垂直距離2 m），剩余2口降水井位于盾構(gòu)機(jī)中部兩側(cè)（距盾殼1.5 m），將水降至隧道底部1 m以下，確保開倉換刀安全。

盾構(gòu)施工正常時(shí)隧道內(nèi)不涌水，盾尾密封裝置損壞時(shí)才進(jìn)行排水，所以盾構(gòu)隧道施工采用經(jīng)驗(yàn)公式估算涌水量。根據(jù)鐵路相關(guān)規(guī)程，隧道最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，Q0為隧道最大涌水量（m3/d）；K為土層滲透系數(shù)（m/d）；H為靜止水位至盾構(gòu)等價(jià)圓中心的距離（m）；d為洞身等價(jià)圓直徑（m）；L為隧道通過含水體的長度（m）。

滲透系數(shù)一般取常水位至隧道底板之間各土層滲透系數(shù)的加權(quán)平均值。盾構(gòu)當(dāng)前所處位置豎向分布有粉質(zhì)黏土，平均層厚6 m，滲透系數(shù)0.1 m/d；粗砂平均層厚為2.5 m，滲透系數(shù)20m/d；全風(fēng)化層平均厚2.5 m，滲透系數(shù)0.5 m/d。經(jīng)計(jì)算得滲透系數(shù)的加權(quán)平均值K＝4.7 m/d。

其中與涌水量計(jì)算相關(guān)的參數(shù)H為7.5 m，等價(jià)圓直徑d為7 m。由于在盾尾每隔5環(huán)注漿形成止水環(huán)，故隧道通過含水體的長度為：

式中，r為井管內(nèi)徑；l為濾管長度。

故實(shí)際施工中鉆設(shè)4口降水井。

5.4 監(jiān)測方案

5.4.1 原監(jiān)測方案

（1）施工監(jiān)測測點(diǎn)布設(shè)

地表隆陷：地面沉降測點(diǎn)沿軸線進(jìn)行布設(shè)（軸線上測點(diǎn)變化最大），點(diǎn)距 5 m［11］。

（2）施工監(jiān)測頻率

掘進(jìn)面前后＞50 m時(shí)1次/周；掘進(jìn)面前后＜50 m時(shí)1次/2 d；掘進(jìn)面前后＜20 m時(shí)，2次/d。

5.4.2 現(xiàn)監(jiān)測方案

在原監(jiān)測方案基礎(chǔ)上，增加了以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1）地面監(jiān)測

為防止開倉檢查、更換刀具時(shí)發(fā)生安全事故，在盾構(gòu)刀盤所在位置地表附近加密布置監(jiān)測點(diǎn)。4個(gè)地表沉降觀測點(diǎn)布置在加固區(qū)的四周，施工過程中嚴(yán)格按照監(jiān)測方案對地面、鐘樓進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率2～3次/d，地表沉降值控制在-30 mm～＋10 mm范圍內(nèi)［12］。

（2）水位監(jiān)測

加設(shè)一個(gè)水位觀測井，觀測點(diǎn)設(shè)在盾構(gòu)機(jī)右側(cè)6 m處，監(jiān)測降水效果（降水速度小于1 m/d），換刀過程中注意水位變化。

（3）隧道監(jiān)測

在施工過程中對隧道內(nèi)管片標(biāo)高（尤其是盾尾10環(huán)）進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率1～2次/d，為掌握管片沉降情況、盾構(gòu)機(jī)停機(jī)下沉及沖擊鉆沖孔時(shí)對盾構(gòu)機(jī)及管片提供及時(shí)、可靠的信息［13］。

（4）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)監(jiān)測

盾構(gòu)監(jiān)控室安排調(diào)度3人輪流值班，及時(shí)掌握盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化，為控制盾構(gòu)姿態(tài)提供保障。

6 結(jié)束語

廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間在掘進(jìn)過程中共遇孤石5處，采用全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)清理孤石后，對破損刀具帶壓開倉進(jìn)行更換。其余4處均運(yùn)用綜合物探技術(shù)提前探明孤石準(zhǔn)確位置，采用沖擊鉆及爆破方法清除后順利通過。

盾構(gòu)穿越孤石是施工中的重大風(fēng)險(xiǎn)源，影響工程質(zhì)量、進(jìn)度和成本等，也決定了項(xiàng)目成敗。由于孤石分布具有隨機(jī)性，目前微動(dòng)探測等手段不能準(zhǔn)確揭露孤石位置，施工前應(yīng)加密地質(zhì)補(bǔ)勘鉆探，摸清孤石大小、位置和埋深，提前發(fā)現(xiàn)、盡早處理，做到風(fēng)險(xiǎn)可控。