超前导洞孤石处理方法在盾构掘进中的应用

兰东双

(济宁壮观建筑工程有限公司，山东 济宁 272000)

1 概述

工程中遇到的孤石主要有3种类型：残积岩层内的球状微风化岩块、沉积地层内的孤石和人工填石。由于孤石的分布是随机的，前期地勘很难完全探明其存在情况，因此造成盾构施工中的困难。孤石很难被盾构机滚刀切割，在盾构机掘进过程中，孤石或被刀盘的旋转推力弹开或被推向隧道旁边，可能会挤压盾构机使其偏离方向；如果土质太差不能固定孤石，孤石会随着土体的破坏而移动，在刀盘前循环，最终造成刀具损坏。孤石对盾构的影响主要表现为刀具磨损严重、刀盘变形、刀盘堵塞、盾构机偏离线路等。

孤石处理方法主要有3种：①盾构机直接破除。若工期紧且对地表变形要求较低时可以采用此方法。掘进时参数改为低转速、小推力、低扭矩。此种方法的风险较大，推进速度慢，极有可能出现盾构机偏离原设计轴线的情况。②洞外人工破除。该方法为常采用的孤石处理方法，具体有地面注浆加固、钻孔爆破、地面冲孔破碎等。洞外破除工艺相对简单，效果好，但是成本和人工费均较高。③洞内人工破除。包括盾构机超前注浆、岩石分裂机破碎等。超前注浆是指通过盾构机上预留的超前注浆孔对地层进行注浆加固；岩石分裂机指的是直接开舱破碎掌子面孤石。洞内人工破除对地质条件的要求较高，同时施工也存在一定风险。本文结合某轨道交通工程为背景，介绍采用超前导洞注浆加固地层处理孤石的新方法。

2 工程概况

本工程所在场地地质从上到下依次为：素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土及全、强、弱风化混合片麻岩。盾构区间穿越大量居民住宅楼以及工业厂房、办公楼，表1为该段岩土体物理力学参数表。盾构隧道内径3.85 m，管片厚度0.4 m。地勘资料显示，该段隧道位于上软下硬地层，且隧道洞身及上方地层中存在孤石，地下水丰富。在掘进施工过程中，通过土仓观察掌子面存在大量孤石。孤石进入土仓后，不能由螺旋机排出，对刀盘及土仓内搅拌棒造成破坏，需采用人工清理；由于掌子面堆积大量孤石，使盾构机无法继续掘进。

表1 岩土体物理力学参数表

注：()内为综合摩擦角

该工程盾构区间穿越大量房屋，并且孤石区域地表建筑物密集，不具备从地表注浆或者钻孔爆破的条件；该段的地层条件较差，无法采用直接开舱处理孤石的方法，因此采用超前暗挖导洞方式对左右线孤石段地层进行加固。

3 暗挖导洞施工方法

暗挖导洞位于直线段左右线盾构隧道中间，须先破除部分盾构管片。从GDK18+918.3处右线盾构隧道管片开洞后，以13.186%上坡，至GDK18+918.3里程时，变为与左右线纵坡相同的26.5‰上坡，直至导洞终点。

暗挖导洞结构为直墙拱顶结构，仅施作初期支护，由喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架组成，为增加底板刚度，在底板上方施作200 mm厚C30钢筋混凝土底板，结构净高3.5 m，净宽3.5 m。

暗挖导洞采用上下台阶法施工。采用洞内注浆加固止水方式，从洞内于管片开洞处先采用小导管超前预注浆，进行地层加固和止水。在加固到达预期效果后，方可进行导洞施工。

导洞向盾构隧道拱顶打设φ108管棚并对盾构掘进掌子面及拱顶实施注浆加固。

4 关键技术指标

4.1 开洞管片加固

管片开洞前，先对暗挖导洞两侧各4环管片进行钢支撑加固，然后于管片开洞处设置注浆管进行全断面注浆加固，待注浆加固完成后，再进行暗挖通道的开挖。

对施工影响范围内的盾构隧道进行钢支撑加固，并对影响范围进行全断面注浆加固，待暗挖导洞达到预期加固效果后，对管片进行切割及开洞环梁施工，待完成受力体系转换后方可进行矿山法施工。导洞进洞处格栅钢架先采用渐变尺寸，后通过扩挖和反挖成型，前三榀格栅密排。暗挖导洞施工完成以后，应对通道中线前后各5环范围内的管片背后进行二次注浆，确保正洞衬砌与围岩密贴。

4.2 超前注浆加固

1)管棚及注浆加固：管棚沿隧道方向布置，与隧道水平夹角50°，垂直偏角2°，纵向间距0.3 m，加固宽度为导洞初支内轮廓至隧道外轮廓线外3 m。管棚采用φ108无缝钢管，壁厚8 mm，分节长度2 m、2.5 m，管节采用丝扣连接，管棚内插3根φ20钢筋以提高刚度。

2)深孔注浆：暗挖导洞深孔注浆加固范围为隧道开挖掌子面范围及隧道下断面开挖轮廓外2.0 m范围，注浆沿隧道掘进方向10 m一循环段。盾构掘进掌子面注浆加固范围为隧道洞顶上方3 m至W3强风化地层、W2中风化地层岩面分界线，宽度至隧道外轮廓线5 m，采用双液浆。注浆孔布置由工作面向开挖方向呈辐射状，钻孔均匀布置成圆形圈，保证注浆充分，不留死角，浆液扩散半径1.5 m。注浆孔开孔直径不小于110 mm，终孔直径不小于91 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm热轧无缝钢管，管长3 m，孔口管应埋设牢固，并有良好止浆措施。

5 结语

该段盾构隧道位于上软下硬地层中，并且地表建筑物密集，不具备地面注浆或者爆破孤石的施工条件。若采用洞内人工破除的方法，盾构机需长时间停止掘进，增加工程风险，因此采用开挖导洞进行注浆加固的方法。现场实际施工情况表明，采用超前导洞注浆加固安全可行并且满足工期要求，该方法可作为今后类似工程条件下处理孤石提供一种新的思路。