泉域地質條件下的盾構施工孤石處理技術

史文迪 劉 洋

（1.濟南城建集團有限公司，濟南 250031；2.中鐵三局集團有限公司，晉中 030600）

濟南軌道交通2號線隧道穿過千佛山斷裂及其次生斷裂，風化差異度較大。隧道施工常遇到上軟下硬或全斷面閃長巖的風化巖情況，如圖1所示。680～720環之間甚至出現了殘留風化巖塊的孤石情況。這部分地區的孤石具有直徑大、硬度高等特點，對盾構施工掘進造成了極大影響。當盾構推進到這一區域時，掘進參數變化較大，掘進速度慢，姿態難以控制，對刀具的磨損嚴重。僅推進3環，更換刀具及刀箱兩次。若仍然按照原方案推進，施工進度緩慢、刀具更換頻繁，隧道每米成本將提升3倍以上，給項目造成了巨大的經濟損失。因此，需要在施工時需提前處理這部分孤石，以降低施工成本和施工工期。

圖1 區間地質圖

1 工程概況

1.1 工程簡介

濟南軌道交通2號線寶華街站至長途汽車站站，全長944 m，含一個聯絡通道。區間采用盾構法施工，下穿建筑物、地下車庫、工商河后到達長途汽車站。隧道最大坡度7.16‰，最小坡度2‰，沿線地形總體平緩，地面高程介于23.66～26.30 m，最大高差約2.64 m，起伏相對較小[1]。工商河河岸處地面高程較低。

1.2 工程地質

區間沿線地層自上而向依次由近代人工填土、第四系全新統沖積粉質黏土、第四系全新統沖洪擊粉質黏土、黏土及伏燕山期輝長巖以及閃長巖等構成。本區間盾構機主要穿越地層為全風化閃長巖地層、強風化閃長巖地層和中風化閃長巖地層，局部穿越微風化輝長巖地層。其中，680環開始進入孤石密集區。區間CK13+295.294處下穿西工商河，并在河底沿西工商河走向敷設約400 m。隧道頂板距河床底12.3～14.5 m。

1.3 孤石探測

680～720環區間內，經過探測，孤石范圍集中且數量較大，幾乎覆蓋整個區間。區間孤石RQD值大于25%，不能通過盾構機直接破除孤石。孤石平均強度為144 MPa，最大強度為243 MPa，掘進經過此處極易出現刀箱受損、刀圈崩刃以及斷裂等情況，且掘進進度也會因此下降到0.3～0.7環/天。

2 孤石處理

2.1 地面鉆孔

鑒于孤石區域對盾構機刀具的損害和對工期的嚴重影響，加之土倉積水較多、人工洞內破除孤石風險較大，此區間的地面段較為空曠，決定在此區間進行置換作業。首先，在680～720環的對應地面區域使用旋挖鉆進行鉆孔。按照每環4～5根的密度進行垂直鉆孔，鉆孔深度為17.5～20.0 m，單個孔面積約為0.8 m2。依次從680環打樁至720環，共計150根，如圖2所示。最淺在地下10 m左右的地方發現孤石。通過旋挖鉆和破孔錘大面積、高深度的密集鉆孔破石，將這一區域內的高硬度孤石由地下置換到地面[2]。

圖2 鉆孔打樁區域

2.2 混凝土回填

由于置換區臨近工商河，且濟南為泉域地區，地下水較多，若采用素土、雜填土回填，可能會導致地面沉降，且置換區距離河道及高架橋較近，附近建筑物眾多，一旦發生大規模沉降，后果不堪設想。于是，在保證安全施工的條件下，采用c15標號的不含石子的素混凝土進行回填。每個鉆孔回填20 m3左右，保證回填的混凝土能夠將空洞填補完整。之后對置換區域進行雷達空洞檢測和地面沉降測量，控制地面沉降量，確保不因置換孤石導致大面積地下空洞。

2.3 盾構推進

當盾構機將要掘進到置換區時，提前更換邊緣的9把滾刀和刀箱，選用整體刀具、調整刀刃厚度以應對孤石的沖擊。推進至置換區區域，控制總推力為8 000～12 000 kN，扭矩≤1 700 kN·m，掘進速度5～10 mm·min-1，貫入度4～8 mm·r-1，轉速0.7～1.2 r·min-1。

推進時采用氣壓輔助模式推進，減少掌子面匯水，縮短清渣時間[3]。此外，及時向土倉加入膨潤土和高分子材料進行渣土改良，減少噴涌。隧道內做好3～5環的止水環箍，阻斷后方來水。推進完畢后及時超量注漿和二次注漿，并通過雷達檢測的方法檢測管片背后空洞，確保孤石群范圍管片背后注漿效果密實。最后，及時開倉檢查，對置換區更換的刀具及時比較檢查，確認磨損程度，確保施工順利進行。

3 置換效果

通過置換680～720環的地下孤石，改善了此區間的地質情況，提升了盾構機掘進速度，刀具更換頻率降低60%。掘進進度較采用置換法之前推進孤石地區的每日平均環數快5～7倍，因換刀而停機的次數較之前明顯減少，且降低了盾構機推進的故障率，減少了機修人員的維保壓力，施工成本較之前節省約50%。

4 結語

地下空間發展是城市中的一個重要組成部分。盾構施工在遇到不同的地質情況所作出的應對情況也千差萬別。在遇到孤石地質的盾構施工情況下，如果場地允許，可以采用置換法進行施工減少施工壓力。若場地較為不理想，在倉內防護措施完善的情況下也可采用隧道內土倉劈剪機破除法或者靜態膨脹劑處理法。