盾構穿越孤石及帶壓換刀技術研究

李 冰

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

近年來，軌道交通建設迅猛發展，車站區間施工應用盾構掘進技術也日益成熟。由于詳勘資料不能全面反映地層情況，給施工帶來一定風險。廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區間，盾構掘進過程中多次遇到未探明的孤石，之后對孤石隨機鉆芯取樣，巖石單軸抗壓強度高達137 MPa，與周圍地層強度有巨大差異。期間針對孤石不同的發現時間、深度、影響范圍等，采取相應的處理措施，確保區間順利貫通。

2 工程概況

廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區間沿縱八路南北敷設，經新洲路后側穿在建鐘樓到達誠毅廣場站。沿線主要有在建公園、高層房屋，下穿有新洲路共同溝、鐘樓［1］。該段以坡殘積臺地為主，局部為海侵洼地或沖海積階地。集美中心站-誠毅廣場站區間右線盾構機所處位置影響范圍內地層依次為粉質黏土、中粗砂、碎裂狀全風化花崗巖等。孤石所處空間位置水文地質情況總體較差，中粗砂和全風化花崗巖富水性好，為強透水層，含水量較大［2］。

3 孤石探測及處理措施

3.1 遇孤石過程

盾構機在推進到166環時，發現推進油泵異常，盾構前方土倉內有異常聲響，隨后刀盤出現卡死事故。經盾構工區與中鐵裝備商議，利用前盾刀盤啟動裝置，刀盤實現了正常轉動。在166環后續的掘進過程中，一把邊緣刮刀隨泥水一起被螺旋機從土倉中旋出。在167環掘進過程中，千斤頂總推力為15 000 kN，掘進速度10mm/min左右，螺旋機出土口有大量水、砂涌出，并伴隨有大顆粒的花崗巖塊。過程中主軸承扭矩驟增。盾構機停止推進后，刀盤進行了試空轉，主軸承扭矩仍未減少，且盾構機底部有振動、異響。由此預測盾構機前方存在孤石，需進一步處理之后方可掘進。

3.2 孤石探測

根據現場實際測量與地質鉆孔情況，判定盾構機盾尾距鐘樓南側為3.3 m，刀盤距鐘樓南側6.2 m，刀盤距集美國投施工的圍護樁中心線為6.63 m。孤石平面為不規則多邊，尺寸3.7 m（長）×5.2 m（寬），最深為2.4 m，位置主要靠近盾構機刀盤右下方，具體位置關系見圖1。

圖1 孤石與地面、盾構平面關系

3.3 渣土置換與孤石清除

3.3.1 渣土置換

為保證在清除孤石過程中刀盤前方掌子面的穩定，必須對土倉采取保壓措施［3］。保壓的方法是利用盾構機膨潤土系統向土倉內注入膨潤土，對盾構機土倉內渣土進行置換和保壓，確保徹底置換渣土以保證掌子面的穩定。將置換出的渣土進行洗渣，確認渣土內較大塊狀物種類［4］。

3.3.2 孤石清除

因孤石與刀盤緊靠在一起，不宜采用爆破、沖擊鉆等方法處理孤石。經多方研究，最終選擇定位精準、安全、速度快的全回轉套管鉆的方法［5］。另外，利用地質鉆機在刀盤前方20 cm處鉆設兩排隔離孔，使孤石呈蜂窩狀，與刀盤隔離，以避免盾構前方刀盤在清除孤石時受損。全回轉套管鉆作業時液壓驅動套管轉動，并利用鋼套管底部的高強刀頭對土、巖體等障礙物進行切削，利用夯錘對套管內孤石進行破碎，最后利用抓斗將石塊抓出。清理完成后，將套管內回填水泥土。回填土可采用塑性較好的盾構施工的出土，并摻入少量水泥。后期應對松散的回填土進行注漿，確保回填土的密實度及強度，以免盾構穿越孤石時，地表發生溢冒現象。

根據地質鉆探結果，確定孤石平面位置、形狀，見圖2，并按圖中所示位置對孤石進行清理。采用全回轉套管鉆機清除孤石主要工藝為：地質鉆探明孤石→全回轉套管鉆機定位→同步進行全套管設備場地布置與機械及電力系統、后臺作業指揮系統定位→作業平臺就位→吊裝設備就位→套管回轉壓入→回轉偏心切削→全斷面回轉切斷→清除障礙物→障礙物裝卸處理→分段清除至作業深度→起拔套管→同步回填水泥土作業→主機臺定位銷撤除→轉場施工重復上述步驟循環至全部施工完畢→盾構機推進［6］。

圖2 全回轉鉆機孔位布置

4 盾構穿越孤石

盾構穿越孤石過程中，需制定合理的掘進參數，盡量減小刀盤轉速，采用低轉速、低速度、低扭矩平穩掘進，減少刀盤與孤石之間的沖擊力、刀盤磨損和對地層的擾動。具體掘進參數見表1。

集誠區間右線孤石處理完成后（共23 d），盾構機開始穿越孤石，并于3 d后到達原集美國投施工的圍護樁處（173環處，里程YDK26＋275.629，原集美國投施工的圍護樁為φ1000@1200 mm，圍護樁內主筋為玻璃纖維筋，樁間設有φ800咬合150 mm的止水高壓旋噴樁）。原施工方案為盾構機直接磨樁通過。

表1 盾構機掘進參數

盾構機在掘進到原集美國投施工的圍護樁時掘進速度極其緩慢，2 d時間僅推進500 mm。盾構機刀盤推至圍護樁內500 mm后，土倉內水量極大（達到1.67 m3/min，且土倉內水溫達到60℃左右，刀盤旋轉有異響），隨后對土倉內注入高分子聚合物止水，止水效果不佳［7］。

經專家分析，認為盾構機因掘進大段砂層并遇高強度孤石，使刀具受到一定損壞，在磨原集美國投基坑圍護樁后，導致盾構機滾刀偏磨的可能性很大；目前盾構掘進存在水溫高、渣土溫高、掘進速度低于5 mm/min、刀盤扭矩過高問題［8］，已不適宜繼續掘進，需加固止水、更換刀具，待刀具更換后方可繼續掘進。

5 盾構機帶壓開倉換刀技術措施

5.1 地層止水

由于地層中水量較大，為防止螺旋機出渣口噴涌，利用盾構機前部渣土改良系統向土倉內注入高濃度膨潤土，止水效果并不理想。經專家研究，最終采用止水環＋井點降水＋高壓旋噴樁加固等綜合技術措施進行止水。為防止高壓旋噴樁施工中的高壓漿液破壞降水井，優先安排高壓旋噴樁作業，最后鉆設降水井。

為了防止盾構機尾部地層中的水持續不斷地流入土倉，擬在盾尾后每隔5環位置進行補充注漿，以形成10個環狀止水帷幕［9］。材料選用普通硅酸鹽水泥和水玻璃按體積比1∶1配制使用，其中水泥漿水灰比亦為1∶1。

參考以往施工經驗并結合集美中心站-誠毅廣場站區間工程地質條件，盾尾每環管片的注漿量宜為1～2 m3，注漿量多少與注漿壓力呈線性關系，實際注漿量多少還要以注漿壓力來控制。當注漿壓力設定過大時，地層中的空隙被過度填充，導致土體體積大大增加，從而出現管片變形、地面上拱等現象；而注漿壓力控制較小時，注漿量也呈線性減少，則無法達到止水的預期效果［10］。

由于集美中心站-誠毅廣場站區間地層中自上而下分別為素填土、粉質黏土、中粗砂、殘積土及全風化花崗巖等，故根據公式：靜止土壓力＝靜止土壓力系數×土重度×深度。經計算得，理論注漿壓力應不小于0.17 MPa，考慮實際土層的不均勻性及設備誤差等情況，操作過程中將注漿壓力值控制在0.2 MPa左右。

注漿過程中，應實時監測管片縱、橫縫漏漿漏水情況。當已注入的雙液漿失效時，調整同一環管片的注漿順序，先注滲漏水病害較輕部位，直至循序漸進整環封閉；若滲漏水情況無明顯改善，則應從處理相鄰管片滲漏水著手，由外至內逐步形成止水帷幕。另外，注漿過程中注漿壓力保持在0.2 MPa且10 min后方可停止注漿，若流量計讀數未達到注漿量，則應再重新補足漿液。

5.2 高壓旋噴樁加固

為防止高壓旋噴漿液對盾尾密封、泡沫注入口及其它部件造成損壞，在高壓旋噴樁施工前將高濃度膨潤土通過注漿系統向土倉和盾殼外注入。膨潤土漿液配合比見表2。

表2 膨潤土漿液配合比 kg

高壓旋噴樁采用三重管旋噴鉆機施工，樁位按800@600布置。對盾構換刀區域進行加固，左、右、前設置兩排，上部4排（共95根，具體見圖3～圖4）。其中盾構機上方4排旋噴樁按20 cm搭接加固，范圍從盾殼上方3 m至距盾殼0.45 m位置；左、右、前三側面加固深度均為盾殼上方3 m至盾殼底部2 m（圖中DBC代表地表沉降點；DSW代表地下水位觀測孔；JSJ代表降水井）。

為達到良好的止水效果，已加固土體應具有一定的強度和抗滲特性，其中無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，滲透系數不大于10-5mm/s。盾構開倉更換刀具之前應進行鉆芯取樣檢驗土體強度，在有代表性的樁心和搭接處位置選取多個芯樣，若達不到要求，及時補樁或增加降水井數量。

圖3 盾構開倉換刀加固平面（單位：m）

圖4 盾構開倉換刀加固斷面

5.3 降水設計

為防止盾構開倉換刀期間出現涌水事故，在加固區周圍共設計直徑0.8 m、深23 m的降水井4口，其中兩口位于刀盤前部兩側（距刀盤平面垂直距離2 m），剩余2口降水井位于盾構機中部兩側（距盾殼1.5 m），將水降至隧道底部1 m以下，確保開倉換刀安全。

盾構施工正常時隧道內不涌水，盾尾密封裝置損壞時才進行排水，所以盾構隧道施工采用經驗公式估算涌水量。根據鐵路相關規程，隧道最大涌水量經驗公式為：

式中，Q0為隧道最大涌水量（m3/d）；K為土層滲透系數（m/d）；H為靜止水位至盾構等價圓中心的距離（m）；d為洞身等價圓直徑（m）；L為隧道通過含水體的長度（m）。

滲透系數一般取常水位至隧道底板之間各土層滲透系數的加權平均值。盾構當前所處位置豎向分布有粉質黏土，平均層厚6 m，滲透系數0.1 m/d；粗砂平均層厚為2.5 m，滲透系數20m/d；全風化層平均厚2.5 m，滲透系數0.5 m/d。經計算得滲透系數的加權平均值K＝4.7 m/d。

其中與涌水量計算相關的參數H為7.5 m，等價圓直徑d為7 m。由于在盾尾每隔5環注漿形成止水環，故隧道通過含水體的長度為：

式中，r為井管內徑；l為濾管長度。

故實際施工中鉆設4口降水井。

5.4 監測方案

5.4.1 原監測方案

（1）施工監測測點布設

地表隆陷：地面沉降測點沿軸線進行布設（軸線上測點變化最大），點距 5 m［11］。

（2）施工監測頻率

掘進面前后＞50 m時1次/周；掘進面前后＜50 m時1次/2 d；掘進面前后＜20 m時，2次/d。

5.4.2 現監測方案

在原監測方案基礎上，增加了以下幾項內容：

（1）地面監測

為防止開倉檢查、更換刀具時發生安全事故，在盾構刀盤所在位置地表附近加密布置監測點。4個地表沉降觀測點布置在加固區的四周，施工過程中嚴格按照監測方案對地面、鐘樓進行監測，監測頻率2～3次/d，地表沉降值控制在-30 mm～＋10 mm范圍內［12］。

（2）水位監測

加設一個水位觀測井，觀測點設在盾構機右側6 m處，監測降水效果（降水速度小于1 m/d），換刀過程中注意水位變化。

（3）隧道監測

在施工過程中對隧道內管片標高（尤其是盾尾10環）進行監測，監測頻率1～2次/d，為掌握管片沉降情況、盾構機停機下沉及沖擊鉆沖孔時對盾構機及管片提供及時、可靠的信息［13］。

（4）盾構機姿態監測

盾構監控室安排調度3人輪流值班，及時掌握盾構機姿態變化，為控制盾構姿態提供保障。

6 結束語

廈門地鐵1號線集美中心站-誠毅廣場站區間在掘進過程中共遇孤石5處，采用全回轉套管鉆機清理孤石后，對破損刀具帶壓開倉進行更換。其余4處均運用綜合物探技術提前探明孤石準確位置，采用沖擊鉆及爆破方法清除后順利通過。

盾構穿越孤石是施工中的重大風險源，影響工程質量、進度和成本等，也決定了項目成敗。由于孤石分布具有隨機性，目前微動探測等手段不能準確揭露孤石位置，施工前應加密地質補勘鉆探，摸清孤石大小、位置和埋深，提前發現、盡早處理，做到風險可控。