盾構(gòu)區(qū)間上懸孤石群導(dǎo)洞法加固技術(shù)

蔣浩梁

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 前言

隨著社會不斷發(fā)展，越來越多的城市正在進(jìn)行大規(guī)模的軌道交通建設(shè)，在施工過程中將會遇到更復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，也將面臨更多更難的工程地質(zhì)問題［1］。廣州地區(qū)廣泛分布著燕山期花崗巖，其受地質(zhì)構(gòu)造條件、巖漿成分和圍巖物質(zhì)成分的控制和影響，在風(fēng)化過程中很容易發(fā)育出中風(fēng)化或者微風(fēng)化的堅(jiān)硬球狀體，即“孤石”［2-3］。盾構(gòu)施工自動(dòng)化、信息化程度高，已成為我國地鐵隧道施工的主要方式［4-5］，孤石的存在對盾構(gòu)施工影響極大，施工過程中掘進(jìn)異常［6］，容易導(dǎo)致地面沉降和設(shè)備損壞，從而影響工期。對于孤石通常情況下可采用人工挖孔樁挖除、地面鉆孔爆破等手段進(jìn)行孤石預(yù)處理或者在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中采用洞內(nèi)液壓劈裂機(jī)消除［7］。前者適用于地面工況好、無其他建筑物等情況；后者適用于掌子面穩(wěn)定、地質(zhì)條件好等情況。然而實(shí)際施工中往往會遇到盾構(gòu)下穿既有建筑物并且區(qū)間上懸孤石群的情況，區(qū)間上懸孤石群若得不到有效加固處理，盾構(gòu)施工時(shí)，由于掌子面前方和上方卸載，孤石容易掉落，導(dǎo)致卡機(jī)，嚴(yán)重者還會出現(xiàn)地面塌陷事故。本文針對盾構(gòu)下穿既有建筑物并且區(qū)間上懸孤石群的情況，研發(fā)出導(dǎo)洞法加固技術(shù)，取得良好的效果。

2 工程背景

莞惠城際鐵路GZH-3標(biāo)位于東莞市區(qū)，起止里程GDK15+025～GDK19+780，標(biāo)段控制性工程為盾構(gòu)始發(fā)井～東城南站盾構(gòu)區(qū)間，因地質(zhì)原因（上軟下硬地層中含大量孤石）導(dǎo)致工期風(fēng)險(xiǎn)極大。

左線隧道拱頂埋深31.5 m，盾構(gòu)機(jī)位于東莞市瑞輝鞋廠一棟三層天然基礎(chǔ)廠房下方；右線隧道拱頂埋深31.5 m，盾構(gòu)機(jī)位于東莞市中云智慧產(chǎn)業(yè)園一棟三層天然基礎(chǔ)廠房下方。全、強(qiáng)風(fēng)化巖面分界線位于隧道洞身，處于上軟下硬地層，且全風(fēng)化層內(nèi)含大量孤石。因場地條件限制，無法對孤石進(jìn)行預(yù)處理。隧道與房屋平面位置關(guān)系如圖1所示。

右線在掘進(jìn)第451環(huán)時(shí)，大量孤石進(jìn)入土倉內(nèi)，導(dǎo)致刀盤主動(dòng)上三根主動(dòng)攪拌棒及倉壁上一根被動(dòng)攪拌棒斷裂，且大量孤石堆積在螺旋機(jī)出土口，導(dǎo)致螺旋機(jī)無法出土。左線在掘進(jìn)第452環(huán)時(shí)，大量孤石進(jìn)入土倉，在出土過程中，螺旋機(jī)葉片磨損嚴(yán)重，且螺旋機(jī)前段70 cm葉片斷裂，導(dǎo)致螺旋機(jī)無法出土。

圖1 隧道與房屋平面位置關(guān)系

盾構(gòu)區(qū)間過上軟下硬孤石群地層，刀盤前方大量孤石并非主要來自掌子面正前方，而來自隧道上方因不均勻風(fēng)化形成的塊石。隧道拱頂埋深達(dá)31.5 m且盾構(gòu)機(jī)上方均存在既有建筑物，地面無處理?xiàng)l件。隧道與孤石位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 隧道與孤石位置關(guān)系示意

本工程所在場地地質(zhì)從上到下依次為：素填土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土，全、強(qiáng)、弱風(fēng)化混合片麻巖。洞身所處地層為全風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖，夾孤石。

3 導(dǎo)洞加固

本項(xiàng)目采用在左、右線隧道之間開挖平行導(dǎo)洞對隧道正洞上方采用“管棚+注漿”對孤石段進(jìn)行處理。考慮施工安全、隧道出碴以及注漿機(jī)、管棚施工所需作業(yè)空間，設(shè)計(jì)導(dǎo)洞凈空尺寸3.5 m（寬）×3.5 m（高）。導(dǎo)洞與隧道平面位置示意見圖3。

圖3 導(dǎo)洞與隧道正洞平面位置關(guān)系（單位：cm）

3.1 導(dǎo)洞開洞

導(dǎo)洞位置選擇在全斷面硬巖段，根據(jù)地質(zhì)情況及始發(fā)井盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)洞在距右線盾構(gòu)機(jī)刀盤后方20 m處硬巖段開洞，開洞中心里程為GDK18+938.3。施工工序如下：

（1）對開洞處前后10環(huán)管片進(jìn)行補(bǔ)充注漿，保證管片背后密實(shí)。

（2）對開洞兩側(cè)各4環(huán)管片進(jìn)行鋼支撐加固，先對導(dǎo)洞兩側(cè)各4環(huán)管片進(jìn)行鋼支撐加固，開洞環(huán)及其與緊鄰的非開洞環(huán)的接縫處架設(shè)鋼支架環(huán)（25工字鋼），其余非開洞環(huán)鋼支架環(huán)撐于管片正中，通過4根40b工字鋼實(shí)現(xiàn)縱向連接。鋼支撐環(huán)安裝完成后若與管片存在間隙用木楔揳緊。鋼支撐加固示意圖見圖4、圖5。

圖4 開口環(huán)鋼支撐布置（單位：mm）

圖5 相鄰環(huán)鋼支撐布置（單位：mm）

（3）對開洞位置進(jìn)行放樣，并標(biāo)識于管片上。距開挖輪廓線外50 cm處對需切割管片施工φ108管棚（t＝6 mm）進(jìn)行加固，管棚長度3 m，環(huán)向間距50 cm，施工完成后，對管棚進(jìn)行注漿。

（4）切割管片。

（5）施作開洞環(huán)梁，開洞環(huán)梁尺寸45 cm（寬）×40 cm（厚），采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。待開洞環(huán)梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)100%，完成受力體系轉(zhuǎn)換后進(jìn)行礦山法開挖導(dǎo)洞。

3.2 導(dǎo)洞開挖

根據(jù)地面初步探測右線隧道GDK18+918.3～GDK18+849段均為上軟下硬孤石群地層，導(dǎo)洞終止里程暫定為GDK18+849，總長度90 m，具體長度根據(jù)導(dǎo)洞開挖后，導(dǎo)洞內(nèi)水平取芯情況確定。

為降低爆破施工對成型盾構(gòu)隧道的影響，硬巖段導(dǎo)洞開挖采用臺階法爆破開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，全斷面軟土地層導(dǎo)洞采用全斷面注漿加固，臺階法開挖。注漿采用水泥～水玻璃雙液漿，注漿范圍為開挖輪廓線外2 m，斷面注漿以右線進(jìn)入上軟下硬里程GDK18+924為起點(diǎn)。

3.3 導(dǎo)洞支護(hù)

導(dǎo)洞采用噴錨構(gòu)筑法施工，拱部180°范圍采用φ42雙排超前小導(dǎo)管（L＝3 m）進(jìn)行超前支護(hù)，初期支護(hù)全環(huán)設(shè)置 18工字鋼間距0.5 m，全環(huán)設(shè)置φ8雙層鋼筋網(wǎng)片、邊墻設(shè)置φ22玻璃纖維筋錨桿（防止盾構(gòu)掘進(jìn)影響導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)安全），拱架采用φ22連接筋連接，拱架未落腳處打設(shè)2根φ42鎖腳錨管。導(dǎo)洞施工完成后，底板施作20 cm厚C30鋼筋混凝土，加強(qiáng)導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止底板隆起。導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

4 孤石處理

4.1 管棚施工

導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后，由導(dǎo)洞內(nèi)向隧道正洞拱頂上方1 m處施作φ108管棚并注漿［8］，管棚施工完成后，對隧道洞頂上方及隧道周邊進(jìn)行注漿加固。

管棚采用壁厚8 mm的熱軋無縫鋼管φ108 mm，分節(jié)長度2m、2.5m，管棚內(nèi)外車絲，連接采用絲扣連接。第一節(jié)管棚尾端設(shè)置成錐形。管棚上開孔，孔徑φ10mm，間距15 cm，梅花形布置，尾端設(shè)置1m止?jié){段。

管棚距隧道正洞拱頂上方1 m，水平間距33 cm（中心間距），豎直偏角1°，為保證潛孔鉆施工空間，其水平偏角取66°。管棚底距隧道外輪廓邊線3 m。管棚打設(shè)時(shí)，相鄰兩鋼管接頭采用不同長度管節(jié)組合方式錯(cuò)開。

為提高管棚剛度，管棚內(nèi)插入3根φ20螺紋鋼，呈三角形布置，示意圖如圖7所示。

注漿采用1∶1水泥單液漿，水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，注漿初始壓力0.5～1.0 MPa，終止壓力1.5～2.0 MPa。

4.2 注漿加固

管棚施工完成后，采用WSS注漿工藝［9-10］，采用后退式注漿方法［11］，對隧道洞頂上方3 m、隧道洞身及隧道外邊線輪廓線外5 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，防止盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，隧道上方及側(cè)面土體坍塌，造成地表失穩(wěn)沉陷及房屋沉降。注漿材料：水泥～水玻璃雙液漿，水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比（重量比）1∶1，水泥漿∶水玻璃漿體積比1∶1，注漿終止壓力2.5～3.0 MPa。

圖7 管棚內(nèi)插鋼筋示意

隧道正洞加固剖面圖如圖8所示。

圖8 隧道正洞加固剖面圖（單位：mm）

5 處理效果

加固后，管棚凈間距為22.2 cm，從管棚間隙掉落的孤石最大直徑為22.2 cm，粒徑小于22.2 cm孤石可通過刀盤開口（30 cm）進(jìn)入土倉，通過螺旋機(jī)運(yùn)出；注漿加固后，刀盤前方土體穩(wěn)定，常壓情況下，可進(jìn)入土倉和刀盤前方，采用人工破除或靜態(tài)爆破方式對積落孤石進(jìn)行清理，使刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)降低刀具非正常磨損。

導(dǎo)洞開挖初期支護(hù)、正洞加固期間以及管棚支護(hù)體系形成后，正常掘進(jìn)過程中均對影響范圍內(nèi)的建筑物、地表沉降、既有盾構(gòu)隧道進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測顯示變形量均在規(guī)范范圍內(nèi)。從而證明盾構(gòu)下穿既有建筑物并且區(qū)間上懸孤石群時(shí)，利用導(dǎo)洞法加固技術(shù)，能有效地控制盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地段掘進(jìn)過程中的超方，阻止隧道上方孤石、拋石進(jìn)入刀盤前方，保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)。

6 結(jié)束語

以莞惠城際軌道交通工程為依托，在盾構(gòu)下穿既有建筑物并且區(qū)間上懸孤石群的工程地質(zhì)條件下，研發(fā)出導(dǎo)洞法加固技術(shù)，有效地控制了盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地段掘進(jìn)過程中的超方，阻止隧道上方孤石、拋石進(jìn)入刀盤前方，保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)，取得了良好的效果，為類似工程地質(zhì)條件的盾構(gòu)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的數(shù)據(jù)資料。