盾構(gòu)開倉(cāng)孤石處理中膨脹劑的應(yīng)用

孫娣飛,高重陽,張進(jìn)云

[1.廣州地鐵建設(shè)管理有限公司,廣東 廣州 510000; 2.北京建工集團(tuán)（廣州）建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510000]

0 引言

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能夠很好地適應(yīng)強(qiáng)度差別較大及斷面分布不均勻等復(fù)雜地質(zhì)條件，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通工程區(qū)間盾構(gòu)隧道施工中。在花崗巖分布地區(qū)，孤石對(duì)盾構(gòu)施工影響很大，易引起地層極大的擾動(dòng)，還可能撞擊刀盤損壞刀具，極大地影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)安全。因此，在孤石發(fā)育地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，孤石處理極為重要。孤石處理一般分為主動(dòng)處理和被動(dòng)處理，文獻(xiàn)[1-3]介紹了幾種處理孤石的方法，包括地層注漿加固法、鉆孔爆破法、人工挖孔破碎法、沖孔樁破碎法、靜態(tài)爆破法等。

1 工程概況

廣州市軌道交通五號(hào)線東延段及同步實(shí)施工程線路長(zhǎng)約9.76 km，均為地下線敷設(shè)方式，共施作6座車站（不含文沖站）、6個(gè)區(qū)間、1座新建停車場(chǎng)及出入線，平均站間距1.64 km，其中換乘站2座。

該工程文沖站～雙崗站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工采用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)完成。盾構(gòu)機(jī)刀盤為復(fù)合式刀盤，開口率約32%，最大可通過粒徑約29 cm，開挖直徑6 300 mm，配置32把單刃滾刀和4把中心雙刃滾刀。

區(qū)間隧道穿越地層主要為全、強(qiáng)、中風(fēng)化（混合）花崗巖和殘積土地層，除始發(fā)段的全斷面中風(fēng)化混合花崗巖地層外，在右線隧道505~540環(huán)范圍內(nèi)（如圖1），還存在飽和單軸抗壓強(qiáng)度70~90 MPa的微風(fēng)化花崗巖突起，侵入開挖斷面約二分之一；在基巖突起區(qū)域隧道覆土厚度約7.3 m，隧道斷面從上到下為中粗砂、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，是典型的上軟下硬地層。見圖1。

圖1 施工部位地質(zhì)縱斷面圖

2 施工過程介紹

2.1 掘進(jìn)參數(shù)變化

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)記錄，盾構(gòu)機(jī)刀盤掘進(jìn)至517環(huán)開始進(jìn)入基巖突起上軟下硬段，現(xiàn)場(chǎng)交底降低刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度繼續(xù)掘進(jìn)至534環(huán)過程中，刀盤扭矩維持在2 000 kN·m上下，掘進(jìn)速度約5~10 mm/min，掘進(jìn)參數(shù)未見異常。

535~536環(huán)掘進(jìn)過程中，刀盤扭矩開始持續(xù)增大，最大達(dá)到5 000 kN·m，與此同時(shí)掘進(jìn)速度降低至5 mm/min以下。由于此前已在第500環(huán)位置完成刀盤全部滾刀刀具的更換，且該區(qū)域地層不具備開倉(cāng)條件，通過詳勘斷面判斷刀盤即將通過基巖突起段，項(xiàng)目部決定調(diào)整參數(shù)后繼續(xù)掘進(jìn)通過，但在537環(huán)掘進(jìn)后半段，刀盤持續(xù)卡轉(zhuǎn)停機(jī)，無法繼續(xù)掘進(jìn)。

2.2 施工情況分析

通過參數(shù)分析，結(jié)合地層情況，項(xiàng)目部初步判斷刀盤卡轉(zhuǎn)的原因有兩個(gè)，其一，可能由于開挖倉(cāng)內(nèi)堆積的石塊過多，沉積在下部與螺旋輸送機(jī)軸、前盾和刀盤攪拌棒共同作用導(dǎo)致刀盤卡鉆；其二，刀盤前方有孤石存在并跟隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，遇到下部基巖后卡住導(dǎo)致刀盤卡轉(zhuǎn)。

針對(duì)第一個(gè)原因，現(xiàn)場(chǎng)嘗試收回螺旋輸送機(jī)軸后再次啟動(dòng)刀盤，刀盤多次加載到6 000 kN·m仍無法啟動(dòng)；針對(duì)第二個(gè)原因，現(xiàn)場(chǎng)嘗試后推盾構(gòu)機(jī)約10 cm，刀盤依然無法啟動(dòng)。基于上述問題，項(xiàng)目部決定進(jìn)行開倉(cāng)檢查。

2.3 帶壓開倉(cāng)準(zhǔn)備

由于盾構(gòu)機(jī)所處區(qū)域存在砂層和淤泥層，且覆土厚度僅7.3 m左右，難以實(shí)現(xiàn)常壓開倉(cāng)和長(zhǎng)時(shí)間帶壓開倉(cāng)，項(xiàng)目部決定采取地層加固后進(jìn)行帶壓開倉(cāng)檢查。根據(jù)地層特點(diǎn)和地面環(huán)境情況，采用磷酸+水玻璃漿液和水泥漿+水玻璃漿液進(jìn)行地層加固。具體為盾體/刀盤外擴(kuò)1 m范圍內(nèi)采用磷酸+水玻璃漿液注漿加固防止裹盾體，盾體/刀盤外擴(kuò)6~1 m采用水泥漿+水玻璃漿液注漿加固，向下加固至巖層0.5 m，以達(dá)到帶壓開倉(cāng)的氣密性要求。

地層注漿加固期間，開挖倉(cāng)內(nèi)填充有高濃度膨潤(rùn)土泥漿，防止加固漿液進(jìn)入開挖倉(cāng)內(nèi)。加固完成后進(jìn)行排倉(cāng)后完成保壓實(shí)驗(yàn)，達(dá)到規(guī)范要求后由有資質(zhì)的人員進(jìn)行帶壓開倉(cāng)作業(yè)。

3 孤石和刀具檢查情況

根據(jù)進(jìn)倉(cāng)人員介紹及現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片，開挖倉(cāng)底部堆積有少量的石塊未排出，但不影響刀盤旋轉(zhuǎn)。刀盤掌子面4~8點(diǎn)位以下為硬巖地層，上部為風(fēng)化殘積土，巖土交界面有大量石塊堆積，最大的長(zhǎng)約1.5 m，部分石塊剛好卡在刀盤開口位置，導(dǎo)致刀盤無法旋轉(zhuǎn)。另外，刀盤刀具約三分之二已損壞。

刀盤前方堆積石塊絕大多數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則形狀并存在棱角或較平整的表面，不像典型孤石那樣具備圓潤(rùn)的表面，見圖2。結(jié)合孤石出現(xiàn)在基巖突起的后段，項(xiàng)目部判斷這些石塊可能來自微風(fēng)化花崗巖與殘積土交界面，或由于裂隙薄弱，在刀盤的作用下從基巖上脫落，隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 孤石處理方案制定與實(shí)施

4.1 方案比選

目前孤石處理的方案主要有地層注漿加固法、鉆孔爆破法、人工挖孔破碎法、沖孔樁破碎法、靜態(tài)爆破法、破碎機(jī)破碎法等。

4.1.1 地層注漿加固法

該方法是通過注漿的方式加固孤石周邊一定范圍內(nèi)的地層，從而提高土體對(duì)孤石的包裹力，使得孤石受到刀盤正面的切削作用而破碎，不會(huì)跟隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)使土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。由于該工程查明的孤石情況，并不適用該方法。

4.1.2 鉆孔爆破法

該方法是按照一定密度從地面垂直鉆孔至孤石內(nèi)部，并在孤石內(nèi)部埋設(shè)炸藥，通過炸藥爆破使孤石破碎形成可通過刀盤開口的小塊，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)正常開挖出渣，降低盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)土體的擾動(dòng)。由于該工程查明的孤石已堆積在刀盤前方并卡住刀盤，不適用該方法。

4.1.3 人工挖孔破碎法

該方法是通過人工挖孔至孤石位置，然后采用劈裂機(jī)結(jié)合風(fēng)鉆鉆孔對(duì)孤石進(jìn)行破碎。由于盾構(gòu)機(jī)所在位置存在較厚的淤泥層和砂層，不具備人工挖孔條件，不適用該方法。

4.1.4 沖孔樁破碎法

該方法是通過沖孔樁機(jī)成孔后采用十字沖擊錘破碎孤石。由于該工程查明的孤石已堆積在刀盤前方并卡住刀盤，沖擊錘易對(duì)刀盤刀具造成損壞，該方法不適用。

4.1.5 靜態(tài)爆破法

該方法是在開挖倉(cāng)內(nèi)通過靜態(tài)爆破對(duì)掌子面孤石進(jìn)行破碎，然后將破碎后較小的石塊直接搬運(yùn)至螺旋輸送機(jī)口排出，通過吊具將較大較長(zhǎng)的石塊吊運(yùn)至人艙內(nèi)排出。靜態(tài)爆破主要分為液壓靜態(tài)爆破和膨脹劑靜態(tài)爆破兩種，由于開挖倉(cāng)內(nèi)作業(yè)空間狹小，無法完成較大的鉆孔，根據(jù)該工程已查明的孤石大小和分布情況，膨脹劑靜態(tài)爆破較為適用。

4.2 靜爆法方案的實(shí)施

4.2.1 設(shè)備選擇

根據(jù)開挖倉(cāng)內(nèi)作業(yè)空間狹小的特點(diǎn)，該工程選用手持式Y(jié)O18型氣動(dòng)鑿巖機(jī)，長(zhǎng)度約55 cm，重量?jī)H18 kg左右（如圖3），體積小巧、操作靈活，打孔效率高。

4.2.2 定位鉆孔

根據(jù)該工程刀盤開口大小，鉆孔間距取20~25 cm。鉆孔時(shí)，先采用50 cm鉆桿開孔，然后換100 cm鉆桿鉆孔到位，鉆孔深度約50 cm，并適當(dāng)向下傾斜，方便灌入膨脹劑。

4.2.3 灌入膨脹劑

嚴(yán)格按照說明書配置膨脹劑，膨脹劑應(yīng)在人艙外配置好后，通過副艙帶入倉(cāng)內(nèi)使用。配置過程中保持作業(yè)面通風(fēng)條件良好，并做好防塵防護(hù)。灌裝作業(yè)人員佩戴防水手套，使用特制的帶軟管漏斗灌入開鑿好的孔內(nèi)，灌滿后使用軟木塞或棉布封堵，保證膨脹效果。

4.2.4 等待巖石碎裂

根據(jù)孤石尺寸大小，巖石一般在1~3 h內(nèi)碎裂。巖石碎裂后，進(jìn)行碎塊清理。

4.3 清理破碎石塊

4.3.1 較小石塊的清理

使用撬棒插入巖石裂縫中將碎塊分離，然后將尺寸小于20 cm的碎塊搬運(yùn)至土倉(cāng)底部，待人員撤離開挖倉(cāng)并關(guān)閉倉(cāng)門后通過螺旋輸送機(jī)排出。

4.3.2 較大石塊的清理

清理完小石塊后，使用撬棍配合吊帶和手拉葫蘆，依次將可通過刀盤開口的尺寸超過20 cm的石塊吊運(yùn)至人艙內(nèi)，然后搬出。

4.4 施工注意事項(xiàng)

（1）帶壓開倉(cāng)過程中，備好應(yīng)急氣源，同時(shí)安排專人看守空壓機(jī)并記錄加載卸載時(shí)長(zhǎng)，確保加載時(shí)長(zhǎng)與卸載時(shí)長(zhǎng)的比值不超過25%，否則應(yīng)采取必要的保壓措施。

（2）帶壓作業(yè)人員一次不超過3人，其中至少有一人在開挖倉(cāng)門口專門觀察掌子面穩(wěn)定情況，如有異常及時(shí)通知倉(cāng)內(nèi)人員撤離。

（3）鉆孔過程中應(yīng)保持鉆孔淋水，避免出現(xiàn)火花控制揚(yáng)塵，同時(shí)避免出現(xiàn)火花。

（4）開挖倉(cāng)排氣口安排人員不間斷地進(jìn)行氣體檢測(cè)，確保倉(cāng)內(nèi)氣體滿足規(guī)范要求。

（5）鉆孔和處理碎石過程中，開挖倉(cāng)底部不得站人。吊運(yùn)過程中，作業(yè)人員應(yīng)避開吊物投影范圍。

（6）搬運(yùn)和罐裝膨脹劑的過程中，作業(yè)人員應(yīng)穿戴必要的防護(hù)用具，如不慎接觸膨脹劑，第一時(shí)間用清水沖洗干凈。

5 檢查并恢復(fù)掘進(jìn)

孤石處理完成后，進(jìn)行刀具檢查更換，更換完成后，左、右試轉(zhuǎn)刀盤各1圈，然后再次檢查刀盤前方是否有石塊出現(xiàn)，與此同時(shí)對(duì)刀具螺栓進(jìn)行復(fù)緊。全部開倉(cāng)工作完成后，使用高濃度膨潤(rùn)土泥漿填倉(cāng)后，逐步恢復(fù)掘進(jìn)。

6 結(jié)語

針對(duì)該工程盾構(gòu)機(jī)刀盤前方存在的孤石，項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇傳統(tǒng)靜態(tài)爆破法并運(yùn)用合適的機(jī)具順利完成孤石處理，確保盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。通過此次孤石處理施工，項(xiàng)目部總結(jié)了四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：第一，盾構(gòu)機(jī)在花崗巖上軟下硬地層掘進(jìn)過程中，巖土交界面易產(chǎn)生孤石堆積，嚴(yán)重時(shí)卡死刀盤；第二，進(jìn)行靜態(tài)爆破鉆孔施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)刀盤開口尺寸進(jìn)行鉆孔排布，鉆孔條件較好的部位適當(dāng)減小鉆孔間距，確保破碎效果；第三，鉆孔施工過程中，不間斷澆水，降低揚(yáng)塵的同時(shí)避免火花產(chǎn)生，確保作業(yè)安全；第四，刀具更換完成后進(jìn)行刀盤試轉(zhuǎn)，檢查孤石是否清理完成并復(fù)緊刀具。