特殊环境下城市地铁盾构施工孤石预处理技术

黄春来 张合海

（中交三航（厦门）工程有限公司 厦门 361006）

引言

孤石是指存在于软质风化层中的花岗岩球状风化体，球状风化是花岗岩层中十分常见的现象，属于花岗岩的不均匀风化。由于孤石埋藏分布是随机的，且形状各异，大小不一，岩土分布变化剧烈。盾构施工过程中遭遇孤石可能出现的主要问题有：刀具磨损严重、刀座变形，且更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线；地层裂隙发育，地下水丰富，螺旋机易喷涌等；对盾构工程施工极为不利。

目前，为尽量减少施工风险，盾构隧道施工对孤石多采用地面深孔爆破或冲孔破除孤石等方法进行预处理，但上述方法在周边环境受限的情况下具有较大的局限性。本文以厦门一号线某盾构区间在紧邻高风险建构筑物的情况下采用新方法处理孤石及其应用效果为例，阐述密集钻孔预处理孤石技术。

1 工程概况

厦门地铁1号线某盾构区间长562m，隧道外径6200mm，采用复合式土压平衡盾构机施工，所采用盾构设备刀盘设计通过粒径不能大于340×560mm。

区间隧道地表自上而下依次为：<1-1>杂填土、<1-2-1>黏土质素填土、<1-2-3>砂质素填土、<1-2-4>碎石素填土、<4-2>淤泥质土、<8-1-2>黏土、<8-1-3>黏土、<11-1-2>残积砂质黏性土、<11-1-3>残积砂质黏性土、<17-1>全风化花岗岩、<17-2>散体状强风化花岗岩、<17-3>碎裂状强风化花岗岩、<17-4-1>中等风化花岗岩。设计提供勘察资料显示隧道轮廓范围内在残积砂质黏性土及全风化花岗岩层存在孤石，尺寸从0.5～7.9m 不等，强度 40～80MPa。

工程实施前期，采用物探和钻探相结合的方法进行补充勘察。结合初步勘察资料首先采用地质雷达、电磁波CT等物探方法初步确定孤石位置，然后采用钻探对物探探明的疑似孤石进行钻孔明确，进一步探明孤石埋深、大小等分布情况。确定在里程ZDK14+432～ZDK14+452存在孤石16处，其中侵入隧道的有11处，见图1。孤石最大尺寸为8.10m（长）×5.6m（宽）×2.4m（高），最小尺寸 0.57m（长）×0.55m（宽）×0.0.3m（高），需提前进行预处理。

由于孤石分布区域在铁路货场进出通道上，西侧距离铁路货场单层砖木结构货仓仅6.3m，距离铁路货仓货运股道仅13m，属于铁路管制区段；东侧25m处为一彩印厂，厂家布设有3台进口高精彩印大型设备。原计划采用的地面深孔爆破、旋挖机取孔等预处理方法由于对周边振动影响或施工占地面积较大，周边环境制约较大，施工手续无法办理，多种方法均无法实施。经过多方比选，确定采取密集钻孔法处理孤石。

图1 孤石分布平纵断面示意图

2 施工原理

密集钻孔预处理技术利用“蜂窝煤”多孔分布的特点，采取地面钻孔方法在孤石上密集取孔，在孤石内部创造较多的自由面，在不改变整个孤石外形的前提下降低孤石的整体性，然后盾构机刀盘掘进破碎通过孤石地段。

3 施工工艺

3.1 加密钻孔

根据盾构机通过岩石粒径要求，对孤石所在区域范围采用间距250～350mm、梅花形布置密集钻孔，见图2。密集钻孔处理范围为隧道两侧50cm范围内，上下各1m范围内孤石。

钻孔过程中必须确保钻机摆放的垂直度，坚决避免串孔；其次钻进过程中必须将岩石芯样取出，严禁封孔的时候做回填用。

图2 密集钻孔处理孤石平面示意图

3.2 注浆加固

该区域密集钻孔完成后，对地层进行加固，加固区域为隧道上3m，左右下各1m，加固纵向长度为孤石区域外加1m。

加固主要考虑两个方面：①由于钻孔非常密集，钻进过程中，地层中的残积土层遇水极易崩解，从而造成上部土体失稳，故需要对隧道上部土层进行注浆加固；②对孤石周边地层进行加固，防止推进过程中孤石出现滚动；同时也预留了洞内开仓处理条件。

注浆孔平面布置按间距1m，扩散半径按0.75m考虑，浆液为水泥浆，注浆压力、浆液配比等参数根据现场试验确定，并根据试验调整相应的注浆孔间距。

（1）钻孔。采用套管护壁水冲法钻进成孔，钻进深度应达到注浆固结段高度。在钻孔过程中要做好记录，以供注浆作业参考。

（2）下管。根据注浆要求，在注浆部位下注浆管。首先在连接好的注浆管底部加下闷盖，将注浆管下入钻孔中，要确保注浆管下到孔底，上部要高出地面，然后在注浆管中加满水，利用重力作用，使注浆管不会浮起，之后将套管缓慢地提出，最后在注浆管上部盖上闷盖，以防止杂物进入注浆管，影响注浆作业质量。

（3）封孔。套管拔出后，在地面1m处以下采用砂或碎石填充，在地面1m处以上至地面段和孔口周围采用速凝水泥砂浆封堵，以防止注浆过程中冒浆现象发生。

（4）注浆。采用先外围后中间，同排隔孔注浆，邻排错开注浆的原则。注浆材料为纯水泥浆，水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为po42.5R。注浆压力0.3～0.5MPa，流量15～20L/min，浆液水灰比0.8～1，注浆节长0.5m，单位水泥注入量100～150kg/m。采取分段式注浆，每段注浆长度称为注浆步距。花管长度为注浆步距长度。注浆步距一般选取0.6～1m，这样可以有效地减少地层不均一性对注浆效果的影响。

注浆过程中，每段注浆完成后，向上或向下移动一个步距的芯管长度。人工采用2个管钳对称夹住芯管，两侧同时均匀用力，将芯管移动。每完成3～4m注浆长度，要拆掉一节注浆芯管。注浆结束后，在注浆管上盖上闷盖，以便于复注施工。

3.3 盾构通过孤石

注浆加固完成后，盾构机推进通过孤石区域。盾构在孤石密集钻孔区段推进时，严重控制推进速度不超过20mm/min，刀盘转速小于0.8r/min。

施工过程中严格观察盾构机掘进的异常情况及掘进参数的异常变化，必要时采取开仓措施。

4 实施效果

孤石分布区段长20m，密集钻孔共耗时10d，通过加密钻孔破碎处理孤石后，盾构机刀盘可以轻易将孤石破碎，螺旋机可轻易将孤石破碎排出，排出岩块粒径80%在30cm以下，见图3。盾构掘进过程中刀盘扭矩1800～2300kN·m，推力 1500～1800t，平均推进速度可达 10～15mm/min，推进参数相对正常，在孤石段掘进未出现异常情况，路面及周边建筑情况一切正常，处理效果较理想，同时不存在掘不动或掘进时刀盘异常磨损等现象，盾构接收后除2把滚刀轴承密封渗漏、4把刮刀有合金脱落外，刀具无其他损伤。整体处理效果较理想。

图3 密集钻孔处理孤石渣样图

5 结语

采用密集钻孔方法处理孤石，与地面深孔爆破方案相比，无需办理前期复杂手续，且不存在炸药危险品管理等较大风险源，节省工期；采用小型机具，有着占地小、移动灵活及震动噪音小等优点，无需长期复杂的交通疏解，对周边的建筑物无损害且不会产生过大噪音扰乱周边居民生活，较为适宜城市复杂环境下盾构施工孤石预处理。

[1]祁世亮.隧道孤石处理技术应用研究[J].隧道建设，2010，30（1）：110～113.