盾构开仓孤石处理中膨胀剂的应用

孙娣飞,高重阳,张进云

[1.广州地铁建设管理有限公司,广东 广州 510000; 2.北京建工集团（广州）建设有限公司,广东 广州 510000]

0 引言

复合式土压平衡盾构机能够很好地适应强度差别较大及断面分布不均匀等复杂地质条件，被广泛应用于城市轨道交通工程区间盾构隧道施工中。在花岗岩分布地区，孤石对盾构施工影响很大，易引起地层极大的扰动，还可能撞击刀盘损坏刀具，极大地影响盾构机掘进安全。因此，在孤石发育地区进行盾构施工时，孤石处理极为重要。孤石处理一般分为主动处理和被动处理，文献[1-3]介绍了几种处理孤石的方法，包括地层注浆加固法、钻孔爆破法、人工挖孔破碎法、冲孔桩破碎法、静态爆破法等。

1 工程概况

广州市轨道交通五号线东延段及同步实施工程线路长约9.76 km，均为地下线敷设方式，共施作6座车站（不含文冲站）、6个区间、1座新建停车场及出入线，平均站间距1.64 km，其中换乘站2座。

该工程文冲站～双岗站区间盾构隧道施工采用海瑞克土压平衡盾构机完成。盾构机刀盘为复合式刀盘，开口率约32%，最大可通过粒径约29 cm，开挖直径6 300 mm，配置32把单刃滚刀和4把中心双刃滚刀。

区间隧道穿越地层主要为全、强、中风化（混合）花岗岩和残积土地层，除始发段的全断面中风化混合花岗岩地层外，在右线隧道505~540环范围内（如图1），还存在饱和单轴抗压强度70~90 MPa的微风化花岗岩突起，侵入开挖断面约二分之一；在基岩突起区域隧道覆土厚度约7.3 m，隧道断面从上到下为中粗砂、砂质黏性土、全风化花岗岩、微风化花岗岩，是典型的上软下硬地层。见图1。

图1 施工部位地质纵断面图

2 施工过程介绍

2.1 掘进参数变化

根据盾构掘进记录，盾构机刀盘掘进至517环开始进入基岩突起上软下硬段，现场交底降低刀盘转速、掘进速度继续掘进至534环过程中，刀盘扭矩维持在2 000 kN·m上下，掘进速度约5~10 mm/min，掘进参数未见异常。

535~536环掘进过程中，刀盘扭矩开始持续增大，最大达到5 000 kN·m，与此同时掘进速度降低至5 mm/min以下。由于此前已在第500环位置完成刀盘全部滚刀刀具的更换，且该区域地层不具备开仓条件，通过详勘断面判断刀盘即将通过基岩突起段，项目部决定调整参数后继续掘进通过，但在537环掘进后半段，刀盘持续卡转停机，无法继续掘进。

2.2 施工情况分析

通过参数分析，结合地层情况，项目部初步判断刀盘卡转的原因有两个，其一，可能由于开挖仓内堆积的石块过多，沉积在下部与螺旋输送机轴、前盾和刀盘搅拌棒共同作用导致刀盘卡钻；其二，刀盘前方有孤石存在并跟随刀盘转动，遇到下部基岩后卡住导致刀盘卡转。

针对第一个原因，现场尝试收回螺旋输送机轴后再次启动刀盘，刀盘多次加载到6 000 kN·m仍无法启动；针对第二个原因，现场尝试后推盾构机约10 cm，刀盘依然无法启动。基于上述问题，项目部决定进行开仓检查。

2.3 带压开仓准备

由于盾构机所处区域存在砂层和淤泥层，且覆土厚度仅7.3 m左右，难以实现常压开仓和长时间带压开仓，项目部决定采取地层加固后进行带压开仓检查。根据地层特点和地面环境情况，采用磷酸+水玻璃浆液和水泥浆+水玻璃浆液进行地层加固。具体为盾体/刀盘外扩1 m范围内采用磷酸+水玻璃浆液注浆加固防止裹盾体，盾体/刀盘外扩6~1 m采用水泥浆+水玻璃浆液注浆加固，向下加固至岩层0.5 m，以达到带压开仓的气密性要求。

地层注浆加固期间，开挖仓内填充有高浓度膨润土泥浆，防止加固浆液进入开挖仓内。加固完成后进行排仓后完成保压实验，达到规范要求后由有资质的人员进行带压开仓作业。

3 孤石和刀具检查情况

根据进仓人员介绍及现场拍摄照片，开挖仓底部堆积有少量的石块未排出，但不影响刀盘旋转。刀盘掌子面4~8点位以下为硬岩地层，上部为风化残积土，岩土交界面有大量石块堆积，最大的长约1.5 m，部分石块刚好卡在刀盘开口位置，导致刀盘无法旋转。另外，刀盘刀具约三分之二已损坏。

刀盘前方堆积石块绝大多数呈现不规则形状并存在棱角或较平整的表面，不像典型孤石那样具备圆润的表面，见图2。结合孤石出现在基岩突起的后段，项目部判断这些石块可能来自微风化花岗岩与残积土交界面，或由于裂隙薄弱，在刀盘的作用下从基岩上脱落，随刀盘转动。

4 孤石处理方案制定与实施

4.1 方案比选

目前孤石处理的方案主要有地层注浆加固法、钻孔爆破法、人工挖孔破碎法、冲孔桩破碎法、静态爆破法、破碎机破碎法等。

4.1.1 地层注浆加固法

该方法是通过注浆的方式加固孤石周边一定范围内的地层，从而提高土体对孤石的包裹力，使得孤石受到刀盘正面的切削作用而破碎，不会跟随刀盘转动使土体产生较大的扰动。由于该工程查明的孤石情况，并不适用该方法。

4.1.2 钻孔爆破法

该方法是按照一定密度从地面垂直钻孔至孤石内部，并在孤石内部埋设炸药，通过炸药爆破使孤石破碎形成可通过刀盘开口的小块，实现盾构掘进正常开挖出渣，降低盾构掘进施工对土体的扰动。由于该工程查明的孤石已堆积在刀盘前方并卡住刀盘，不适用该方法。

4.1.3 人工挖孔破碎法

该方法是通过人工挖孔至孤石位置，然后采用劈裂机结合风钻钻孔对孤石进行破碎。由于盾构机所在位置存在较厚的淤泥层和砂层，不具备人工挖孔条件，不适用该方法。

4.1.4 冲孔桩破碎法

该方法是通过冲孔桩机成孔后采用十字冲击锤破碎孤石。由于该工程查明的孤石已堆积在刀盘前方并卡住刀盘，冲击锤易对刀盘刀具造成损坏，该方法不适用。

4.1.5 静态爆破法

该方法是在开挖仓内通过静态爆破对掌子面孤石进行破碎，然后将破碎后较小的石块直接搬运至螺旋输送机口排出，通过吊具将较大较长的石块吊运至人舱内排出。静态爆破主要分为液压静态爆破和膨胀剂静态爆破两种，由于开挖仓内作业空间狭小，无法完成较大的钻孔，根据该工程已查明的孤石大小和分布情况，膨胀剂静态爆破较为适用。

4.2 静爆法方案的实施

4.2.1 设备选择

根据开挖仓内作业空间狭小的特点，该工程选用手持式YO18型气动凿岩机，长度约55 cm，重量仅18 kg左右（如图3），体积小巧、操作灵活，打孔效率高。

4.2.2 定位钻孔

根据该工程刀盘开口大小，钻孔间距取20~25 cm。钻孔时，先采用50 cm钻杆开孔，然后换100 cm钻杆钻孔到位，钻孔深度约50 cm，并适当向下倾斜，方便灌入膨胀剂。

4.2.3 灌入膨胀剂

严格按照说明书配置膨胀剂，膨胀剂应在人舱外配置好后，通过副舱带入仓内使用。配置过程中保持作业面通风条件良好，并做好防尘防护。灌装作业人员佩戴防水手套，使用特制的带软管漏斗灌入开凿好的孔内，灌满后使用软木塞或棉布封堵，保证膨胀效果。

4.2.4 等待岩石碎裂

根据孤石尺寸大小，岩石一般在1~3 h内碎裂。岩石碎裂后，进行碎块清理。

4.3 清理破碎石块

4.3.1 较小石块的清理

使用撬棒插入岩石裂缝中将碎块分离，然后将尺寸小于20 cm的碎块搬运至土仓底部，待人员撤离开挖仓并关闭仓门后通过螺旋输送机排出。

4.3.2 较大石块的清理

清理完小石块后，使用撬棍配合吊带和手拉葫芦，依次将可通过刀盘开口的尺寸超过20 cm的石块吊运至人舱内，然后搬出。

4.4 施工注意事项

（1）带压开仓过程中，备好应急气源，同时安排专人看守空压机并记录加载卸载时长，确保加载时长与卸载时长的比值不超过25%，否则应采取必要的保压措施。

（2）带压作业人员一次不超过3人，其中至少有一人在开挖仓门口专门观察掌子面稳定情况，如有异常及时通知仓内人员撤离。

（3）钻孔过程中应保持钻孔淋水，避免出现火花控制扬尘，同时避免出现火花。

（4）开挖仓排气口安排人员不间断地进行气体检测，确保仓内气体满足规范要求。

（5）钻孔和处理碎石过程中，开挖仓底部不得站人。吊运过程中，作业人员应避开吊物投影范围。

（6）搬运和罐装膨胀剂的过程中，作业人员应穿戴必要的防护用具，如不慎接触膨胀剂，第一时间用清水冲洗干净。

5 检查并恢复掘进

孤石处理完成后，进行刀具检查更换，更换完成后，左、右试转刀盘各1圈，然后再次检查刀盘前方是否有石块出现，与此同时对刀具螺栓进行复紧。全部开仓工作完成后，使用高浓度膨润土泥浆填仓后，逐步恢复掘进。

6 结语

针对该工程盾构机刀盘前方存在的孤石，项目部结合现场实际情况，选择传统静态爆破法并运用合适的机具顺利完成孤石处理，确保盾构机恢复掘进。通过此次孤石处理施工，项目部总结了四点经验：第一，盾构机在花岗岩上软下硬地层掘进过程中，岩土交界面易产生孤石堆积，严重时卡死刀盘；第二，进行静态爆破钻孔施工时，应根据刀盘开口尺寸进行钻孔排布，钻孔条件较好的部位适当减小钻孔间距，确保破碎效果；第三，钻孔施工过程中，不间断浇水，降低扬尘的同时避免火花产生，确保作业安全；第四，刀具更换完成后进行刀盘试转，检查孤石是否清理完成并复紧刀具。