城市地铁施工盾构刀盘前孤石处理

樊 济 新

(中铁十七局集团第六工程有限公司,福建 福州 350000)



城市地铁施工盾构刀盘前孤石处理

樊 济 新

(中铁十七局集团第六工程有限公司,福建 福州 350000)

以厦门地铁1号线集美中心站—诚毅广场站盾构区间为例，介绍了其工程水文地质及推进情况，总结了城市地铁盾构施工过程中刀盘前孤石的探测及处理方法，可为类似工程施工提供借鉴与参考。

盾构法，孤石，地铁，施工工期

1 工程简介

厦门市轨道交通1号线是厦门市的第一条地铁线路，具有划时代的历史意义。集美中心站—诚毅广场站为其中一个区间，采用盾构法施工。该区间从集美中心站开始，呈南北走向，沿着在建的纵八路敷设，经过新洲路后，从地下穿过在建的钟楼工程，最后到达该区间的终点，即诚毅广场站。该区间的南端部分位于在建的市民公园下面，北端则位于在建的纵八路下面。区间沿线地面环境为在建市民公园、在建高层建筑，下穿新洲路共同沟和在建的钟楼。集美中心站—诚毅广场站盾构区间含1段平面曲线，曲线半径450 m，线间距约15 m；纵断面为“V”字坡，最大坡度25.5‰，隧道埋深范围为9.6 m～31 m。

2 工程水文地质

根据设计详勘图，集—诚区间左线213环～214环工程地质自上而下分别为粘土质素填土、粉质粘土、粗砂、砂质粘性土、全风化花岗岩，213环～214环位置处于粗砂、砂质粘性土和全风化花岗岩内。所处位置砂土富水性好，为强透水层，含水量较大。

3 推进异常说明

2014年11月21日凌晨，“成功二号”盾构机在推进集—诚区间左线213环最后0.3 m时，盾构司机发现推进参数异常(推力大、扭矩大、速度低)，土仓内疑似有岩石碰撞声，每次都得收铰接才能启动刀盘。在214环推进时，螺旋机出土口有大量水、砂涌出，并伴随有大颗粒的花岗岩块(见图1)。214环推进参数为刀盘扭矩2 000 Nm,推力20 000 kN,推进速度0 mm～5 mm。在214环推进0.3 m后，决定停机处理。

4 处理方案确定

虽然在盾构施工前进行了加密补勘，但未在213环位置处布置探孔。根据现场情况，我们判定盾构刀盘前方遇到孤石，属于漏网之鱼。盾构施工中最怕遇到这种情况，因为孤石紧挨刀盘，不仅处理困难，而且在处理孤石的同时，盾构施工不得不暂时停下来，导致工期延误。

从目前国内经验来看，孤石处理多采用爆破法和机械法处理。爆破处理方法简便、速度快，但考虑到本次处理孤石紧挨刀盘，爆破作业风险较大，对药量控制非常严格，控制不好便会对刀盘甚至盾构机造成破坏。而机械处理虽然速度慢，但对刀盘影响小，相对比较稳妥。权衡利弊，最终选用旋挖钻进行处理。我们最终的处理思路是：先测量确定地面位置，进行围挡施工，再采用地质钻探明孤石大小，然后用旋挖钻进行孤石处理，处理完毕后进行回填，最后恢复盾构掘进。

5 孤石处理过程

5.1 施工围挡

2014年11月22日，采用长1.9 m×高1.8 m(含立柱0.2 m)的临时围挡板进行围挡，共长96 m，如图2所示。

5.2 探明孤石大小

2014年11月23日～12月5日，采用地质钻机钻孔，探测孤石大小和分布情况。根据地质钻孔情况，判定孤石由3块独立的孤石组成，形状不规则，3块孤石总体尺寸为7 m(长)×11.2 m(宽)×7.2 m(厚)，位于刀盘(刀盘尺寸6 480 mm)中下部(如图3所示)；另外，我们分别取6个孔芯样进行抗压强度试验，试验结果显示抗压强度分别为130 MPa，90 MPa，97 MPa，92.5 MPa，98.3 MPa，101.2 MPa。

5.3 孤石处理

2014年12月6日～2014年12月20日，我们对已探明的孤石进行了处理，历时15 d。

5.3.1 渣土置换

由于盾构机土仓内水量较大，我们利用盾构机膨润土系统向土仓内注入膨润土，对土仓内渣土进行置换和保压，以确保彻底置换渣土，防止掌子面塌方。

5.3.2 B280型旋挖钻机处理孤石

渣土置换完毕后，采用B280型旋挖钻机(直径1.0 m)进行孤石处理，共42个处理孔，孔位布置如图4所示。具体处理工艺为：旋挖钻机定位→调整垂直度→配置护壁泥浆→反循环成孔→采用不取芯嵌岩筒破除孤石→用嵌岩旋挖钻斗钻进取渣→孔位灌注C15混凝土→重复上述步骤循环至全部施工完毕。

5.3.3 施工方法

1)泥浆制备。

根据旋挖钻孔施工方法和工艺，在旋挖钻钻进过程中，泥皮不容易形成，因而泥皮的护壁性能也就会不太理想，容易造成钻孔缩径，甚至塌孔。所以，在施工过程中，为了防止钻孔坍塌、稳定钻孔里的水位，同时为了方便钻渣的挟带，我们采用了膨润土、锯末等材料调配适宜的泥浆浓度。

2)钻杆、钻头类型和选用。

在施工过程中，基于不同的地质条件，我们选用不同的钻杆、钻头和施工方法及工艺。在较软地层钻进时，如淤泥层、泥土、砂层、风化岩层等地质条件下，我们采用摩擦钻杆和回转钻头。进入硬岩、孤石地层时，我们则选用摩擦杆，同时配置了嵌岩钻头，如短螺旋钻头、牙轮钻头和嵌岩筒钻等。

对于入岩旋挖钻机，其所配置的钻斗，通过合理的牙齿布置，牙齿之间可互相提供自由面，提高了入岩效率。根据岩石破碎理论，自由面有益于岩石的破碎，自由面则要依据岩石的脆性、硬度、分形维度与表面能综合进行考虑。对于相同的地层条件，使用同一个钻进扭矩，选择不同的斗齿刃前角度，钻进效率也会不同。所以，只有选择合适的刃前角，才能够提升机器的进尺效率。对于较小硬度的第四层和强风化层，在较松软地层中钻进时，斗齿刃前角应稍大些，可采用45°～65°；在较硬的地层或孤石地层中钻进时，斗齿刃前角可稍微小些，采用25°～45°。

针对不同的岩石特性，我们选择了不同类型的钻头。对于脆性岩层，采用截齿作为刀具，截齿在钻头公转的带动下进行自转，使截齿发生滑动，从而使岩石在剪切条件下碎岩，因此选用短螺旋钻头。

3)上部土层旋挖钻进。

在黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分碎石等软土地层钻进时，旋挖钻机采用摩擦钻杆和回转钻头钻进。首先在护筒里注满泥浆，然后开始钻进。在钻进过程中，根据情况不断补充泥浆，使孔里的泥浆高度始终保持比地下水位高出1 m～1.5 m的水头。与此同时，依据土质的情况，对泥浆配方和比重进行调整。

旋挖钻进施工过程中，依据电子控制系统的显示，对钻进垂直度进行调整。同时，也要辅助通过作业人员的现场观察来确保钻杆的垂直度，从而保证孔位垂直度。

4)旋挖钻机处理孤石。

当施工到孤石地层时，这种地层的密度较大，摩擦钻杆和回转钻头都无法成孔。这时候，我们选择摩擦钻杆和短螺旋、嵌岩筒钻(不取芯)等不同钻头相互配合施工。首先采用0.8 m小直径不取芯嵌岩筒钻施工，对岩芯周边范围进行松动，然后再下短螺旋钻头破碎岩芯，创造破碎自由面，最后再采用嵌岩旋挖钻头钻进取渣，从而达到破除孤石目的，如图5所示。

5.3.4 钻孔回填

孤石被破碎后，需对该孔进行回填，以防止盾构经过时引起地面塌方等危险。回填C15混凝土采用常见的水下桩灌注法。

5.3.5 恢复掘进

孤石处理完毕后，盾构顺利推进，各项参数正常，证明这种处理孤石的方法还是比较成功的。

6 结语

孤石处理是城市地铁盾构施工中的拦路虎，只要地面具备条件，一般都提前探明处理，但由于地质条件的复杂性和地面条件，难免会出现一些漏网之鱼，成为盾构施工中的棘手问题。本文案例中采取旋挖钻处理刀盘前孤石，避免了爆破对刀盘造成冲击影响，事实证明不失为一种稳妥有效的孤石处理方法，可为城市地铁类似问题的处理所借鉴。

[1] 鞠世健,竺维彬.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,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

樊济新(1973- ),男，工程师

U455.43

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