泉域地质条件下的盾构施工孤石处理技术

史文迪 刘 洋

（1.济南城建集团有限公司，济南 250031；2.中铁三局集团有限公司，晋中 030600）

济南轨道交通2号线隧道穿过千佛山断裂及其次生断裂，风化差异度较大。隧道施工常遇到上软下硬或全断面闪长岩的风化岩情况，如图1所示。680～720环之间甚至出现了残留风化岩块的孤石情况。这部分地区的孤石具有直径大、硬度高等特点，对盾构施工掘进造成了极大影响。当盾构推进到这一区域时，掘进参数变化较大，掘进速度慢，姿态难以控制，对刀具的磨损严重。仅推进3环，更换刀具及刀箱两次。若仍然按照原方案推进，施工进度缓慢、刀具更换频繁，隧道每米成本将提升3倍以上，给项目造成了巨大的经济损失。因此，需要在施工时需提前处理这部分孤石，以降低施工成本和施工工期。

图1 区间地质图

1 工程概况

1.1 工程简介

济南轨道交通2号线宝华街站至长途汽车站站，全长944 m，含一个联络通道。区间采用盾构法施工，下穿建筑物、地下车库、工商河后到达长途汽车站。隧道最大坡度7.16‰，最小坡度2‰，沿线地形总体平缓，地面高程介于23.66～26.30 m，最大高差约2.64 m，起伏相对较小[1]。工商河河岸处地面高程较低。

1.2 工程地质

区间沿线地层自上而向依次由近代人工填土、第四系全新统冲积粉质黏土、第四系全新统冲洪击粉质黏土、黏土及伏燕山期辉长岩以及闪长岩等构成。本区间盾构机主要穿越地层为全风化闪长岩地层、强风化闪长岩地层和中风化闪长岩地层，局部穿越微风化辉长岩地层。其中，680环开始进入孤石密集区。区间CK13+295.294处下穿西工商河，并在河底沿西工商河走向敷设约400 m。隧道顶板距河床底12.3～14.5 m。

1.3 孤石探测

680～720环区间内，经过探测，孤石范围集中且数量较大，几乎覆盖整个区间。区间孤石RQD值大于25%，不能通过盾构机直接破除孤石。孤石平均强度为144 MPa，最大强度为243 MPa，掘进经过此处极易出现刀箱受损、刀圈崩刃以及断裂等情况，且掘进进度也会因此下降到0.3～0.7环/天。

2 孤石处理

2.1 地面钻孔

鉴于孤石区域对盾构机刀具的损害和对工期的严重影响，加之土仓积水较多、人工洞内破除孤石风险较大，此区间的地面段较为空旷，决定在此区间进行置换作业。首先，在680～720环的对应地面区域使用旋挖钻进行钻孔。按照每环4～5根的密度进行垂直钻孔，钻孔深度为17.5～20.0 m，单个孔面积约为0.8 m2。依次从680环打桩至720环，共计150根，如图2所示。最浅在地下10 m左右的地方发现孤石。通过旋挖钻和破孔锤大面积、高深度的密集钻孔破石，将这一区域内的高硬度孤石由地下置换到地面[2]。

图2 钻孔打桩区域

2.2 混凝土回填

由于置换区临近工商河，且济南为泉域地区，地下水较多，若采用素土、杂填土回填，可能会导致地面沉降，且置换区距离河道及高架桥较近，附近建筑物众多，一旦发生大规模沉降，后果不堪设想。于是，在保证安全施工的条件下，采用c15标号的不含石子的素混凝土进行回填。每个钻孔回填20 m3左右，保证回填的混凝土能够将空洞填补完整。之后对置换区域进行雷达空洞检测和地面沉降测量，控制地面沉降量，确保不因置换孤石导致大面积地下空洞。

2.3 盾构推进

当盾构机将要掘进到置换区时，提前更换边缘的9把滚刀和刀箱，选用整体刀具、调整刀刃厚度以应对孤石的冲击。推进至置换区区域，控制总推力为8 000～12 000 kN，扭矩≤1 700 kN·m，掘进速度5～10 mm·min-1，贯入度4～8 mm·r-1，转速0.7～1.2 r·min-1。

推进时采用气压辅助模式推进，减少掌子面汇水，缩短清渣时间[3]。此外，及时向土仓加入膨润土和高分子材料进行渣土改良，减少喷涌。隧道内做好3～5环的止水环箍，阻断后方来水。推进完毕后及时超量注浆和二次注浆，并通过雷达检测的方法检测管片背后空洞，确保孤石群范围管片背后注浆效果密实。最后，及时开仓检查，对置换区更换的刀具及时比较检查，确认磨损程度，确保施工顺利进行。

3 置换效果

通过置换680～720环的地下孤石，改善了此区间的地质情况，提升了盾构机掘进速度，刀具更换频率降低60%。掘进进度较采用置换法之前推进孤石地区的每日平均环数快5～7倍，因换刀而停机的次数较之前明显减少，且降低了盾构机推进的故障率，减少了机修人员的维保压力，施工成本较之前节省约50%。

4 结语

地下空间发展是城市中的一个重要组成部分。盾构施工在遇到不同的地质情况所作出的应对情况也千差万别。在遇到孤石地质的盾构施工情况下，如果场地允许，可以采用置换法进行施工减少施工压力。若场地较为不理想，在仓内防护措施完善的情况下也可采用隧道内土仓劈剪机破除法或者静态膨胀剂处理法。