城市復(fù)雜環(huán)境下孤石發(fā)育地層盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)研究

張遠(yuǎn)輝

（粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

盾構(gòu)法作為隧道施工的主要施工方法，以其安全、速度快、質(zhì)量好、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到鐵路、公路、城市軌道交通、電力隧道、引水工程等工程領(lǐng)域［1］。在實(shí)際施工過(guò)程中，復(fù)雜的地質(zhì)條件工況往往會(huì)造成許多施工難題，特別是在孤石發(fā)育地層中的隧道施工時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)極易造成土體擾動(dòng)及地層沉降，地面塌陷和盾構(gòu)無(wú)法通過(guò)現(xiàn)象也較為頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響工程安全和進(jìn)度。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者就復(fù)雜地質(zhì)條件工況盾構(gòu)法隧道施工有不同的研究分析，如針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)卡停，米仕鵬［2］依托成都地鐵 6 號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間遇到的多次刀盤(pán)卡停為例，從盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩及影響因素揭示了刀盤(pán)卡停的原因和機(jī)理，并提出了富水砂卵石地層不同情況下的脫困處置和卡停預(yù)防措施。賈璐等［3］通過(guò)理論分析得出盾構(gòu)脫困所需的最小總推力，并建立了脫困操作流程及脫困成功判定標(biāo)準(zhǔn)。祝超［4］詳細(xì)闡述了利用爆破破除巖層解決盾構(gòu)受困問(wèn)題。蔡光偉、李應(yīng)川、張明東等［5～7］介紹了通過(guò)地層加固輔以開(kāi)倉(cāng)換刀來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)脫困的目的。

由于城市復(fù)雜環(huán)境下臨近既有建構(gòu)筑物、不良地質(zhì)中的盾構(gòu)法隧道工程越來(lái)越多，特別是在廣州地區(qū)典型復(fù)合地層的盾構(gòu)施工中，工程地質(zhì)復(fù)雜多變，局部孤石或孤石群發(fā)育，盾構(gòu)停機(jī)受困風(fēng)險(xiǎn)高，脫困難度大。本文依托廣州軌道交通十四號(hào)線支線 5 標(biāo)盾構(gòu)隧道工程，針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下孤石群發(fā)育地層盾構(gòu)施工遇到的多次停機(jī)問(wèn)題，研究不同情況下盾構(gòu)脫困、防困措施。

1 工程概況

廣州市軌道交通十四號(hào)線支線工程［施工 5 標(biāo)］盾構(gòu)區(qū)間，包括馬頭莊站－楓下站區(qū)間與楓下站－知識(shí)城站區(qū)間，區(qū)間基本沿著路面交通繁忙的九龍大道下敷設(shè)，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間隧道穿越地層主要為中粗砂層、粉質(zhì)黏土、花崗巖硬塑狀殘積土層、花崗巖全風(fēng)化層、花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層和少量花崗巖微風(fēng)化層，局部孤石發(fā)育度高，存在大量分布不規(guī)律的微風(fēng)化花崗孤石。掘進(jìn)過(guò)程中遇到未探明和補(bǔ)勘探明的孤石達(dá)十余次，強(qiáng)度在 70 ～120 MPa。在此條件下施工影響大，風(fēng)險(xiǎn)高，盾構(gòu)掘進(jìn)期間經(jīng)歷了多次遇孤石停機(jī)被困。

2 盾構(gòu)脫困處理措施

依托工程盾構(gòu)法隧道施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)遇孤石停機(jī)受困，所處地質(zhì)水文情況、周邊環(huán)境及土層擾動(dòng)情況、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)情況等均有所不同。為確保盾構(gòu)順利脫困的同時(shí)，減少對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，對(duì)不同盾構(gòu)停機(jī)受困工況采取了不同的盾構(gòu)脫困處理措施，如圖 1 所示；針對(duì)地層有塌方、砂層較厚、含水量豐富的情況采取地層袖閥管注漿加固結(jié)合“衡盾泥”輔助帶壓開(kāi)倉(cāng)的盾構(gòu)脫困處置措施，處理工況為馬－楓區(qū)間右線 YDK 48+777 處；針對(duì)地層有擾動(dòng)的情況，為減少地面周邊環(huán)境、地下管線和既有路面的安全風(fēng)險(xiǎn)，采取“衡盾泥”輔助帶壓開(kāi)倉(cāng)的脫困處置措施，處理工況為馬－楓區(qū)間左線 ZDK 48+860、ZDK 48+627 處以及楓－知區(qū)間右線YDK 51+122.5 處；針對(duì)采用地層加固結(jié)合帶壓開(kāi)倉(cāng)脫困處置措施仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)脫困情況，采取液氮凍結(jié)加固開(kāi)倉(cāng)方案進(jìn)行盾構(gòu)脫困處理，處理工況為楓－知區(qū)間右線 1 920 m 處。

圖1 盾構(gòu)脫困方案實(shí)施流程圖

2.1 袖閥管注漿加固

地層塌方處采用水泥砂漿回填后，考慮地質(zhì)條件和周邊環(huán)境情況，通過(guò)旋噴樁、攪拌樁、袖閥管注漿及WSS 工法等加固方案比選后，采用袖閥管雙液注漿加固。袖閥管注漿水平向加固范圍：刀盤(pán)上部 9 m×10 m，其中刀盤(pán)前方 5 m，后方 4 m，隧道軸線兩側(cè)各 5 m。為避免漿液注入到土倉(cāng)內(nèi)影響后期衡盾泥泥膜的制作和質(zhì)量，袖閥管注漿豎向加固范圍為隧道頂部 8 m 以上地層，加固深度為 12 m。袖閥管間距 1.2 m×1.2 m，注漿擴(kuò)散半徑 0.8 m，注漿壓力控制在 0.5～1.5 MPa，注漿壓力上升至 1.5 MPa 以上，達(dá)到理論注漿量時(shí)終止注漿，再進(jìn)行下一孔注漿，依次循環(huán)完成塌陷地層袖閥管注漿加固。

考慮到加固漿液固結(jié)在盾構(gòu)機(jī)周邊形成握裹狀態(tài)可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)進(jìn)一步受困，為此注漿加固期間，在結(jié)合土倉(cāng)保壓情況下，往盾體周邊注入膨潤(rùn)土。同時(shí)每 30 min 伸縮鉸接及驅(qū)動(dòng)千斤頂推動(dòng)使盾體前后移動(dòng) 5 cm，防止盾構(gòu)機(jī)被困；每間隔 30 min 轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán) 1 圈，防止刀盤(pán)被困。

2.2 “衡盾泥”輔助帶壓開(kāi)倉(cāng)

圖2 “衡盾泥”輔助帶壓開(kāi)倉(cāng)原理示意圖

為防止后部來(lái)水沿管片外間隙滲入到開(kāi)挖面和土倉(cāng)，對(duì)脫出盾尾 5 環(huán)管片范圍注入雙液漿形成盾尾雙液漿止水環(huán)，確保土倉(cāng)壓力和周邊地層穩(wěn)定。雙液漿注入完成后，在相應(yīng)管片上開(kāi)孔檢查是否漏水、漏漿，直至無(wú)水漿泄漏為止，保證止水環(huán)止水密封效果。同時(shí)，通過(guò)盾體徑向預(yù)留孔往盾體徑向注入衡盾泥或膨潤(rùn)土，填充盾體與土層間的間隙，確保周邊地層穩(wěn)定止水和防止盾構(gòu)機(jī)在停機(jī)開(kāi)倉(cāng)期間被周圍土體固結(jié)受困。

“泥墻”護(hù)壁制作完成并經(jīng)保壓試驗(yàn)合格后，檢查人閘密封、供氣、應(yīng)急等系統(tǒng)，待相應(yīng)工作達(dá)到規(guī)范及施工作業(yè)要求后，進(jìn)行下一步進(jìn)倉(cāng)作業(yè)，對(duì)刀盤(pán)和土倉(cāng)內(nèi)障礙物進(jìn)行清理，檢查刀盤(pán)刀具，對(duì)磨損達(dá)到更換要求的刀具進(jìn)行拆除更換，在倉(cāng)內(nèi)保壓穩(wěn)定前提下，分倉(cāng)連續(xù)作業(yè)至全部倉(cāng)內(nèi)故障處理完畢，確保后續(xù)盾構(gòu)正常掘進(jìn)脫困。

2.3 液氮凍結(jié)法加固開(kāi)倉(cāng)

液氮凍結(jié)法加固開(kāi)倉(cāng)［9］是通過(guò)利用液氮低溫的特性，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方、左右側(cè)及上部一定范圍的土體進(jìn)行凍結(jié)，使得在刀盤(pán)附近土體形成一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的“∩”狀凍結(jié)帷幕，以滿足盾構(gòu)機(jī)常壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)要求。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)受困時(shí)盾構(gòu)所處位置的地質(zhì)水文、盾構(gòu)機(jī)直徑、隧道埋深以及地面車輛及其他情況，確定凍結(jié)加固體厚度和凍結(jié)孔布置?，F(xiàn)場(chǎng)采用 5 排（A～E）垂直液氮凍結(jié)孔，排間距分別為 0.733、0.716、0.784 m 和 0.679 m，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方和左右兩側(cè)凍結(jié)孔孔深 22 m，第三排、第五排盾構(gòu)機(jī)上部范圍凍結(jié)孔孔深分別至盾構(gòu)機(jī)頂部 1.5 m 和盾構(gòu)機(jī)頂部，凍結(jié)孔布置詳如圖 3～圖 5 所示。

圖3 凍結(jié)孔平面布置圖（單位：m）

圖4 A排凍結(jié)孔立面布置圖（單位：m）

圖5 C～E排凍結(jié)孔立面布置圖（單位：m）

為確保凍結(jié)效果、作業(yè)及設(shè)備的安全性，液氮進(jìn)口溫度控制在-150～-170℃，出口溫度控制在-50～-60℃，同時(shí)，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)、刀具等的低溫承受情況和實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整相應(yīng)范圍凍結(jié)管液氮流量，降低或加強(qiáng)液氮凍結(jié)壁的發(fā)展。

進(jìn)倉(cāng)作業(yè)前，需確保凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算厚度，各測(cè)溫孔溫度≤-15℃，并且倉(cāng)內(nèi)氣體檢測(cè)合格后，方可開(kāi)倉(cāng)作業(yè)。作業(yè)過(guò)程中，如出現(xiàn)滲漏水點(diǎn)，應(yīng)停止作業(yè)及時(shí)封堵，以防水土流失，破壞形成的凍結(jié)帷幕，同時(shí)也應(yīng)該避免對(duì)凍結(jié)管造成破壞引起液氮泄露。

2.4 盾構(gòu)前方孤石處理

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方孤石的處理，根據(jù)探明后孤石的大小、分布情況及所處位置情況，采取了預(yù)裂孔+沖樁、旋挖鉆破除、預(yù)爆破和直接通過(guò)等孤石處理措施，同時(shí)總結(jié)提出盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方孤石爆破處理技術(shù)，對(duì)刀盤(pán)前方孤石進(jìn)行了有效處理，使得盾構(gòu)機(jī)安全順利脫困，避免了盾構(gòu)在孤石群發(fā)育地層受困風(fēng)險(xiǎn)。

總之，雖然情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)在目前教學(xué)中確實(shí)還存在著很大問(wèn)題，但我相信隨著時(shí)代的發(fā)展和教師教學(xué)研究的深入，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)會(huì)越來(lái)越好。

2.4.1 預(yù)裂孔+沖樁孤石處理施工

采用φ100mm@400 mm 高風(fēng)壓潛孔鉆對(duì)孤石進(jìn)行預(yù)裂后，再通過(guò)φ1 200mm 咬合 100 mm 沖孔樁破除孤石，破除深度至隧道底部以下 1 m。破除處理孤石后，采用黏土夯實(shí)回填至地面標(biāo)高，如圖 6 所示。

圖6 預(yù)裂孔+沖樁處理孤石示意圖（單位：mm）

2.4.2 旋挖鉆破除孤石處理施工

在探明孤石邊界后，采用旋挖樁徑φ1200 mm 咬合100 mm 旋挖破除孤石，將孤石取出或壓至隧道底部，以達(dá)到孤石處理的效果，孤石處理完成后采用 M 7.5 砂漿回填至地面標(biāo)高，如圖 7 所示。

圖7 旋挖樁破除處理孤石示意圖（單位：mm）

2.4.3 預(yù)爆破孤石處理施工

對(duì)于爆破作業(yè)影響較少且需要快速處理的孤石區(qū)域，采取預(yù)爆破孤石處理方法將孤石破碎，再通過(guò)土倉(cāng)將孤石碎塊排出倉(cāng)外。預(yù)爆破裝藥孔采取向外擴(kuò)展的方式進(jìn)行鉆孔，鉆至孤石輪廓外 0.5 m，確保整個(gè)孤石被包絡(luò)在裝藥孔中。爆破完成后，爆破孔采用水泥漿回填密實(shí)，并采用地面袖閥管注漿加固爆破導(dǎo)致的松散地層，如圖 8 所示。

圖8 預(yù)爆破孤石處理平面示意圖（單位：m）

2.4.4 盾構(gòu)直接切削孤石處理施工

對(duì)于周邊無(wú)建構(gòu)筑物、地層沉降要求低且孤石受擾動(dòng)不易移動(dòng)的孤石區(qū)域，可采取盾構(gòu)直接掘進(jìn)切削處理孤石，即利用盾構(gòu)提供足夠的切削力切削破碎孤石。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)接近孤石，調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，采用小推力、低扭矩，高轉(zhuǎn)速、低貫入度的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行推進(jìn)，直接通過(guò)處理孤石。

2.4.5 刀盤(pán)前方孤石爆破處理施工

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方不遠(yuǎn)處的孤石處理，提出采用盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方孤石爆破技術(shù)處理孤石，通過(guò)設(shè)置減震孔、控制爆破孔間距、裝藥量和爆破方式、刀盤(pán)與掌子面間及土倉(cāng)注入泥漿填充等措施，在實(shí)現(xiàn)快速處理孤石盾構(gòu)脫困的同時(shí)，降低對(duì)盾構(gòu)機(jī)、成型隧道及周邊建構(gòu)筑物的影響。

1）盾構(gòu)機(jī)后退及掌子面、土倉(cāng)內(nèi)注漿。利用盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接使盾構(gòu)機(jī)向后移動(dòng) 10 cm 左右，后退的同時(shí)通過(guò)渣漿置換往掌子面間隙和土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土泥漿，土倉(cāng)內(nèi)壓力略小于平衡壓力，使泥漿起到孤石爆破減震作用。

2）減震孔、爆破孔設(shè)計(jì)。距盾構(gòu)機(jī)停機(jī)刀盤(pán) 0.3 m處設(shè)置一排φ90 cm 減震孔，孔間距 0.3 m，孔深至盾構(gòu)機(jī)底部 0.5 m，孔內(nèi)插入φ75 cm PVC 塑料空管來(lái)緩沖爆破沖擊，進(jìn)一步降低爆破震動(dòng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備等的損害。為充分破碎孤石，確保破碎后的孤石塊可順利進(jìn)入土倉(cāng)通過(guò)螺旋機(jī)排出，爆破孔采用梅花型布置，孔間距 0.5 m。減震孔、爆破孔布置如圖 9 所示。

圖9 減震孔、爆破孔布置示意圖（單位：m）

3）裝藥及起爆方式。盾構(gòu)機(jī)近端爆破以保護(hù)性爆破為主，即靠近盾構(gòu)機(jī)近端的兩排爆破孔以單孔單段裝藥為主，裝藥量為設(shè)計(jì)藥量的 80 %；其他爆破區(qū)域則是以加強(qiáng)松動(dòng)爆破為主，采用間隔裝藥或其他加強(qiáng)裝藥方式，并根據(jù)孤石實(shí)際情況調(diào)整炸藥單耗或單孔裝藥量，使得孤石爆破破碎后達(dá)到排出要求。厚度較大孤石采取間隔裝藥、間隔空腔（預(yù)裂爆破裝藥）和孔內(nèi)分段裝藥來(lái)控制等單段最大藥量；厚度較少的則是采取連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形式。

起爆方式采取排間微差起爆，并根據(jù)實(shí)際情況確定合理的微差間隔時(shí)間。爆破時(shí)對(duì)周邊建構(gòu)筑物進(jìn)行爆破震速監(jiān)測(cè)，必要時(shí)對(duì)建構(gòu)筑物及管線進(jìn)行保護(hù)；爆破后，爆破孔采用水泥漿回填密實(shí)；盾構(gòu)通過(guò)后，采用洞內(nèi)注漿加固爆破導(dǎo)致的松散地層。

3 實(shí)施效果

項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)遇到未探明孤石和經(jīng)補(bǔ)勘探明孤石達(dá)30余處，四臺(tái)盾構(gòu)機(jī)遇孤石停機(jī)受困，通過(guò)采取袖閥管注漿加固、“衡盾泥”輔助帶壓開(kāi)倉(cāng)、液氮凍結(jié)加固開(kāi)倉(cāng)以及盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方孤石爆破處理、預(yù)裂孔+沖樁等多孤石處理技術(shù)手段，有效處理了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向存在的孤石，成功克服了城市復(fù)雜環(huán)境下孤石群發(fā)育地層盾構(gòu)機(jī)停機(jī)脫困和防困難題，確保了項(xiàng)目各節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，從而保證了總工期目標(biāo)的如期實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1）城市復(fù)雜環(huán)境下孤石發(fā)育地層盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)遇孤石頻率高，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)受困風(fēng)險(xiǎn)高，脫困難度大。

2）盾構(gòu)機(jī)脫困要充分考慮受困所處地質(zhì)水文情況、土層擾動(dòng)、周邊環(huán)境及設(shè)備等情況，為確保盾構(gòu)機(jī)順利脫困，提高脫困工作效率，縮短脫困處理時(shí)間，降低對(duì)周邊環(huán)境、設(shè)備等的不利影響，應(yīng)因地因時(shí)地采取合適的脫困處理方案。

3）針對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向孤石的處理，應(yīng)根據(jù)探明后孤石的大小、分布及周邊環(huán)境情況等選擇對(duì)應(yīng)的孤石處理措施，特別是刀盤(pán)前方的孤石爆破處理，更應(yīng)在確保孤石快速處理的同時(shí)，采取措施來(lái)降低爆破對(duì)盾構(gòu)機(jī)、成型隧道及周邊建構(gòu)筑物的影響。Q