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(fā)展，車站區(qū)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(qū)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(fā)現(xiàn)時間、深度、影響范圍等，采取相應的處理措施，確保區(qū)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(qū)間沿縱八路南北敷設，經(jīng)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(qū)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(huán)時，發(fā)現(xiàn)推進油泵異常，盾構前方土倉內有異常聲響，隨后刀盤出現(xiàn)卡死事故。經(jīng)盾構工區(qū)與中鐵裝備商議，利用前盾刀盤啟動裝置，刀盤實現(xiàn)了正常轉動。在166環(huán)后續(xù)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(huán)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(jù)現(xiàn)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(guī)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(wěn)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(tǒng)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(wěn)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(jīng)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(yè)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?；靥钔量刹捎盟苄暂^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?；靥钔恋拿軐嵍燃皬姸?，以免盾構穿越孤石時，地表發(fā)生溢冒現(xiàn)象。

根據(jù)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(tǒng)、后臺作業(yè)指揮系統(tǒng)定位→作業(yè)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(yè)深度→起拔套管→同步回填水泥土作業(yè)→主機臺定位銷撤除→轉場施工重復上述步驟循環(huán)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(shù)，盡量減小刀盤轉速，采用低轉速、低速度、低扭矩平穩(wěn)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(shù)見表1。

集誠區(qū)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(huán)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(shù)

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(jīng)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(xù)掘進，需加固止水、更換刀具，待刀具更換后方可繼續(xù)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(tǒng)向土倉內注入高濃度膨潤土，止水效果并不理想。經(jīng)專家研究，最終采用止水環(huán)＋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(yōu)先安排高壓旋噴樁作業(yè)，最后鉆設降水井。

為了防止盾構機尾部地層中的水持續(xù)不斷地流入土倉，擬在盾尾后每隔5環(huán)位置進行補充注漿，以形成10個環(huán)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(jīng)驗并結合集美中心站-誠毅廣場站區(qū)間工程地質條件，盾尾每環(huán)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(xiàn)管片變形、地面上拱等現(xiàn)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(qū)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(jù)公式：靜止土壓力＝靜止土壓力系數(shù)×土重度×深度。經(jīng)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(jiān)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(huán)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(huán)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(shù)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(tǒng)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(qū)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?jié)B特性，其中無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，滲透系數(shù)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(shù)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(xiàn)涌水事故，在加固區(qū)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(jīng)驗公式估算涌水量。根據(jù)鐵路相關規(guī)程，隧道最大涌水量經(jīng)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(shù)（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(shù)一般取常水位至隧道底板之間各土層滲透系數(shù)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(shù)0.1 m/d；粗砂平均層厚為2.5 m，滲透系數(shù)20m/d；全風化層平均厚2.5 m，滲透系數(shù)0.5 m/d。經(jīng)計算得滲透系數(shù)的加權平均值K＝4.7 m/d。

其中與涌水量計算相關的參數(shù)H為7.5 m，等價圓直徑d為7 m。由于在盾尾每隔5環(huán)注漿形成止水環(huán)，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(jiān)測方案

5.4.1 原監(jiān)測方案

（1）施工監(jiān)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(jiān)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(xiàn)監(jiān)測方案

在原監(jiān)測方案基礎上，增加了以下幾項內容：

（1）地面監(jiān)測

為防止開倉檢查、更換刀具時發(fā)生安全事故，在盾構刀盤所在位置地表附近加密布置監(jiān)測點。4個地表沉降觀測點布置在加固區(qū)的四周，施工過程中嚴格按照監(jiān)測方案對地面、鐘樓進行監(jiān)測，監(jiān)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(jiān)測

加設一個水位觀測井，觀測點設在盾構機右側6 m處，監(jiān)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(jiān)測

在施工過程中對隧道內管片標高（尤其是盾尾10環(huán)）進行監(jiān)測，監(jiān)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(tài)監(jiān)測

盾構監(jiān)控室安排調度3人輪流值班，及時掌握盾構機姿態(tài)變化，為控制盾構姿態(tài)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(qū)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(fā)現(xiàn)、盡早處理，做到風險可控。