盾构穿越密集古建筑群孤石地层开挖技术研究

姚新尚，沈亚超，陈列豪

(1.中铁隧道股份有限公司 郑州市 450001；2.杭州市地铁集团有限责任公司 杭州市 310017；3.浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014)

0 引言

在隧道盾构施工过程中，常常会遇到大小不一、形状多样、强度不等的孤石随机分布在隧道四周，使得地层软硬不均，这类地层增加了盾构掘进的难度[1]。由于孤石的影响，施工过程中容易造成刀盘受力不均影响盾构掘进姿态出现刀盘堵塞、卡机等现象，且极易损坏刀盘，影响掘进效率，甚至引起地面沉降、周边建筑物变形开裂[2-5]。因此，如何处理好地层中的孤石，是盾构施工过程中的技术难题。目前，关于孤石地层中隧道掘进的研究主要集中在勘探和工程技术方面。章飞亮[6]等采用微动技术对南方某城市地铁隧道区间的孤石进行探测，取得了良好的效果；杨亚璋[7]等从物探方法、探测设备等多个方面介绍了孤石探测技术，并证明了地震反射波CDP技术探测孤石的可行性；王鹏华[8]通过分析珠三角地区及台山盾构隧道工程的孤石处理工艺方法，得出不同地质条件和不同工况条件下有效的孤石处理技术；吴克宝[1]等通过对武汉市轨道交通机场线进行有效的地质勘探，并在此基础上采取合适的块石处理方法，取得良好效果；路耀邦[9]等总结出了一套针对海底盾构区间孤石爆破预处理的施工方法。

针对杭州地铁7号线吴山广场站-江城路站盾构始发段穿越古建筑群大粒径孤石随机分布的情况，提出了采用微动探测和地质钻探相结合的方式进行孤石探测；并根据孤石性状、分布位置和地面环境采取钻孔爆破的处理方法；同时，对盾构机刀盘刀具选取进行了探讨分析，严格控制掘进参数，保证施工顺利进行。

1 工程概况

杭州地铁7号线吴山广场站-江城路站区间盾构始发段位于杭州市上城区河坊街道路以下，周边有博物馆、花鸟城、河坊街商铺等古建筑群，隧道采用双洞双线布置型式，埋深15.8～27.7m。该区段盾构掘进范围位于黏土混角砾土层，地层中含有大量孤石需进行爆破预处理，孤石分布无序，错综复杂，其厚度粒径大小不一，最大厚度达19.5m。该段孤石成因主要是崩积，主要成分为灰岩(硅质灰岩和生物碎屑灰岩)，其强度在11.4～125.5MPa之间，多为裂隙较发育或裂隙发育，完整性差。孤石分布及周边环境平面位置见图1。

图1 孤石分布区域及周边环境平面图

2 孤石处理及工艺措施

2.1 孤石的探测

为探明孤石的分布情况，一般采用钻探、物探方法。但钻探方法不仅费用较高，而且探测范围有限；物探方法虽然方便快捷、覆盖全面，但因城市特殊的环境条件影响及物探方法的局限性，探测精度较差。因此通常采用钻探、物探等多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。近年来，微动探测技术逐渐在地下空洞、活动断裂、土石分界面及球状分化方面得到广泛运用。该技术是通过发射体波和面波产生振动后，通过提取微动信号的频散曲线，并对频散曲线进行反演以获得所需探测介质的横波速度结构特征，从而有效反应介质物理属性的一种物探方法[4]。

在工程初勘和详勘的基础上，首先利用微动探测技术，大致探出该区间盾构始发段隧道中轴线洞身及上下一定深度影响范围内孤石的分布、发育情况等，然后根据微动探测结果对预测孤石位置进行加密地质补勘钻探，补勘孔沿线路中线间距10m布置，进而确定孤石的具体位置、大小、埋深、强度以及孤石周围地层的软硬程度。通过微动探测技术和钻探方法结合的探测方案，有效确定了左线隧道在里程ZDK0+674.370～ZDK0+728(长度53.63m)范围内分布有8块孤石，右线隧道在里程YDK0+604.822～YDK0+729(长度124.178m)、YDK1+440～YDK1+480(长度40m)范围内共计15块孤石，其强度在11.4～125.5MPa之间，为后续孤石的处理以及盾构的选型提供了基础。

2.2 孤石爆破

为满足爆破后破碎岩体尺寸小于30cm的施工要求，该始发段采用钻孔爆破法。同时，为了控制爆破振动对周边建筑物、地下管线等影响采用多段毫秒延时爆破、单孔单响或分层多响等技术措施。根据微动探测及钻孔验证结果，采用地质钻进行垂直取孔，钻孔直径为89mm，为了充分破碎岩体进行梅花形布孔，当孤石在盾构开挖范围内时，则全取孔爆破，并且在垂直方向上炮孔均穿透孤石，在水平方向上取孔超出孤石范围；若孤石仅局部存在盾构开挖范围内，则在开挖范围内的岩石全取孔爆破，炮孔均穿透孤石，超出开挖边界1.0m范围内的岩石也需取孔爆破。炮孔平面布置示意图如图2。图中孔距、排距a=b=40～80cm，其根据孤石不同体积、厚度、埋深等情况适当调整。

图2 炮孔梅花形布置示意图

根据孤石不同厚度采用不同的装药结构形式，如图3为本次爆破装药结构示意图，图中编号1代表雷管，2代表炸药，3代表沙子间隔段，4代表炮孔堵塞段。当孤石厚度大于3m时，采用分层装药结构；当孤石厚度小于3m时，采用连续装药结构。同时，根据不同的孤石选择适当的炸药单耗，以控制最大段装药量和总装药量，为保证不破坏地面密集建筑或扰动覆盖层及地下管线，炸药单耗控制在0.05kg/m3以下，单孔装药量控制在0.88kg/m以下，一次起爆总装药量小于60kg。药包就位后，向炮孔中倒入沙子或瓜米石以堵塞炮孔，堵塞长度大于5m，引爆前地面需重型覆盖。

图3 装药结构示意图

2.3 盾构选型及掘进参数控制

盾构机的选型在针对孤石地层掘进方面，需要从机型、刀盘刀具以及排岩通道等几个方面综合考虑。同时，针对盾构机的其他参数，除了考虑孤石处理，还应考虑全线的地质情况，结合具体工程实际综合考虑。

2.3.1刀盘及刀具配置

根据区间工程地质特点，采用2台直径为6.5m的复合土压平衡盾构机进行掘进。盾构在孤石地层掘进时，由于刀具破碎孤石的冲击荷载较大，造成刀盘受力极不均匀，扭矩波动幅度大，所以盾构刀盘必须具有足够的强度和刚度[10]。因此盾构机刀盘采用了4主梁+4副梁及外圈梁的结构设计，钢材型号为Q345B，其开口在整个盘面均匀分布，整体开口率为40%，中心部位设有足够的开口面积以便于将岩石破除排出。刀盘结构如图4所示。

图4 刀盘结构图

刀具采用立体式布置方式，刀具类型包括：中心双刃滚刀、正滚刀、刮刀、边刮刀、保径刀等。刀具配备情况见表1。其中中心滚刀为17寸滚刀，刀高175mm,刀间距90mm；为保证刀盘中心区域的开口率，正面滚刀分两类，一类采用17寸滚刀，刀高175mm，另一类为18寸滚刀，刀高187.7mm，刀间距均为100mm。

表1 刀具配备表

由于区间孤石强度大，而周边土层相对软弱的特点，掘进滚刀配置使用硬度为HRC55-57的梯度硬度光面刀圈，其形式见图5，该类滚刀兼顾韧性和强度，其刃口采用直径为22mm的圆顶。

图5 滚刀刀圈

2.3.2刀具磨损监测布置

盾构机在孤石地层推进过程中极易损坏刀具，降低施工效率。为了能够实时监测刀具磨损情况，及时更换刀具，保证盾构机在孤石地层中掘进效率，刀具设置了4个磨损检测点，配置了两种刀具的液压式磨损检测装置，分别是：刮刀液压式磨损检测装置、滚刀液压式磨损检测装置。通过这两种检测装置实时了解刀具的磨损状况，做到了有效及时更换刀具。

2.3.3盾构掘进参数控制

盾构机在孤石地层掘进的同时下穿古建筑群，既要保证盾构机的掘进效率，也要减小对地面及周边建筑群的扰动，因此需按照“小推力、高转速、低扭矩”的思想来严格控制掘进参数。在该区段掘进过程中采用了全土压模式掘进，推力控制在1800t以下，扭矩控制在1800～2600kN·m，刀盘转速0.8～1r/s，贯入度10mm左右，注浆量控制在6～6.8m3，出土量控制在59m3。

3 孤石处理效果验证

为验证爆破参数的合理性及爆破后孤石的破碎效果，对左、右线始发段引孔爆破后进行了取芯，左、右线隧道爆破前后钻孔取芯样对比见图6、图7。可以看出芯样均小于15cm，满足盾构施工要求，说明此次爆破预处理孤石起到了良好的效果，为盾构机的顺利通过奠定了基础。

图6 左线隧道爆破前后钻孔取芯样对比

图7 右线隧道爆破前后钻孔取芯样对比

4 结论

针对杭州地铁7号线吴山广场站～江城路站区间盾构始发段穿越密集古建筑群孤石地层的施工过程中，通过采取综合的探测方案，有效确定了该段范围内孤石分布，并对孤石采取了钻孔爆破预处理以及相应的盾构掘进措施，保证该段隧道顺利掘进，得出了以下结论：

(1)通过微动探测技术和钻探结合的综合探测方案，不仅可以有效确定该段地层内孤石的具体分布、大小、强度以及周围地层软硬程度，而且为孤石的爆破处理及盾构的选型提供基础。

(2)从爆破后取芯验证以及实际爆破情况可以看出，采用毫秒延时爆破技术，能够改善破碎质量，使区间孤石得以有效处理，同时有效降低爆破地震效应，减小对周边历史古建筑、地下管线等影响，保证盾构顺利掘进，也为类似工程的施工提供良好的借鉴。

(3)盾构机不仅要适应孤石地层掘进，同时要从全线地质情况、成本等多方面综合考虑来选型，盾构的刀盘刀具要有一定的强度和刚度，掘进过程中要注意观察盾构机掘进姿态，及时检查并更换刀具。

(4)为了破碎孤石的同时减小对周边古建筑群的扰动，需要加强监测来调整盾构掘进参数，在该类工程盾构掘进过程中，以“小推力、高转速、低扭矩”的思想控制参数，同时需要针对掘进方向地层条件及刀具磨损情况及时调整参数。