超前導(dǎo)洞孤石處理方法在盾構(gòu)掘進(jìn)中的應(yīng)用

巫裕斌

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

孤石屬于花崗巖殘積土的不均勻風(fēng)化，包括囊狀風(fēng)化巖和球狀風(fēng)化巖[1]。相對周邊的土體，孤石的強(qiáng)度大很多，單軸抗壓強(qiáng)度大部分為80～200 MPa之間，主要位于全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體中，其空間分布的隨機(jī)性很強(qiáng)。工程中遇到的孤石主要有三種類型[2]：①殘積巖層內(nèi)的球狀微風(fēng)化巖塊，②沉積地層內(nèi)的孤石，③人工填石。

由于孤石的分布是隨機(jī)的，前期地勘很難完全探明其存在情況，因此造成盾構(gòu)施工中的困難。孤石很難被盾構(gòu)機(jī)滾刀切割，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，孤石或被刀盤的旋轉(zhuǎn)推力彈開或被推向隧道旁邊，可能會擠壓盾構(gòu)機(jī)使其偏離方向；如果土質(zhì)太差不能固定孤石，孤石會隨著土體的破壞而移動，在刀盤前循環(huán)，最終造成刀具損壞。孤石對盾構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為刀具磨損嚴(yán)重、刀盤變形、刀盤堵塞、盾構(gòu)機(jī)偏離線路等[3]。

孤石處理方法將根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定。主要有三種處理方法[4-5]：

(1)盾構(gòu)機(jī)直接破除。若工期緊且對地表變形要求較低時可以采用此方法。掘進(jìn)時參數(shù)改為低轉(zhuǎn)速、小推力、低扭矩。此種方法的風(fēng)險較大，推進(jìn)速度慢，極有可能出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)偏離原設(shè)計軸線的情況。

(2)洞外人工破除。該方法為常采用的孤石處理方法，具體有地面注漿加固、鉆孔爆破、地面沖孔破碎等。洞外破除工藝相對簡單，效果好，但是成本高和人工費均較高。

(3)洞內(nèi)人工破除。包括盾構(gòu)機(jī)超前注漿、巖石分裂機(jī)破碎等。超前注漿是指通過盾構(gòu)機(jī)上預(yù)留的超前注漿孔對地層進(jìn)行注漿加固，巖石分裂機(jī)指的是直接開艙破碎掌子面孤石。洞內(nèi)人工破除對地質(zhì)條件的要求較高，同時施工也存在一定風(fēng)險。

本文以東莞至惠州城際軌道交通工程為背景，介紹采用超前導(dǎo)洞注漿加固地層處理孤石的新方法。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通東莞東城南～寮步盾構(gòu)區(qū)間，設(shè)計里程GDK18+303.266～GDK19+649。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。盾構(gòu)區(qū)間穿越大量居民住宅樓以及工業(yè)廠房、辦公樓，圖1為該段區(qū)間平面圖，圖2為地質(zhì)縱斷面圖，表1為該段巖土體物理力學(xué)參數(shù)表。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑3.85 m，管片厚度0.4 m。地勘資料顯示，左線GDZK18+889～GDZK18+913、右線GDK18+889～GDK18+938.3段隧道位于上軟下硬地層，且隧道洞身及上方地層中存在孤石，地下水豐富。在掘進(jìn)施工過程中，通過土倉觀察掌子面存在大量孤石，結(jié)果與地勘報告相吻合。孤石進(jìn)入土倉后，不能由螺旋機(jī)排出，對刀盤及土倉內(nèi)攪拌棒造成破壞，需采用人工清理；由于掌子面堆積大量孤石，使盾構(gòu)機(jī)無法繼續(xù)掘進(jìn)。

圖1 隧道區(qū)間平面

從圖1可以看出，盾構(gòu)區(qū)間穿越大量房屋，并且孤石區(qū)域地表建筑物密集，不具備從地表注漿或者鉆孔爆破的條件；該段的地層條件較差，無法采用直接開艙處理孤石的方法，因此采用超前暗挖導(dǎo)洞方式對左右線孤石段地層進(jìn)行加固。

2 暗挖導(dǎo)洞施工方法

暗挖導(dǎo)洞位于直線段左右線盾構(gòu)隧道中間，需先破除部分盾構(gòu)管片。從GDK18+918.3處右線盾構(gòu)隧道管片開洞后，以13.186 %上坡，至GDK18+918.3里程時，變?yōu)榕c左右線縱坡相同的26.5 ‰上坡，直至導(dǎo)洞終點。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 地質(zhì)縱斷面

暗挖導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)為直墻拱頂結(jié)構(gòu)，僅施作初期支護(hù)，由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架組成，為增加底板剛度，在底板上方施作200 mm厚C30鋼筋混凝土底板，結(jié)構(gòu)凈高3.5 m，凈寬3.5 m。圖3為暗挖導(dǎo)洞橫斷面圖，圖4為導(dǎo)洞和盾構(gòu)正線平面關(guān)系圖，圖5為導(dǎo)洞和盾構(gòu)隧道斷面關(guān)系圖。

暗挖導(dǎo)洞采用上下臺階法施工。采用洞內(nèi)注漿加固止水方式，從洞內(nèi)于管片開洞處先采用小導(dǎo)管超前預(yù)注漿，進(jìn)行地層加固和止水。在加固到達(dá)預(yù)期效果后，方可進(jìn)行導(dǎo)洞施工。

導(dǎo)洞向盾構(gòu)隧道拱頂打設(shè)Φ108 mm管棚并對盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面及拱頂實施注漿加固。

圖3 暗挖導(dǎo)洞襯砌斷面(單位:mm)

圖4 暗挖導(dǎo)洞與盾構(gòu)正線平面關(guān)系

圖5 暗挖導(dǎo)洞與盾構(gòu)正線斷面關(guān)系

3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

3.1 開洞管片加固

管片開洞前，先對暗挖導(dǎo)洞兩側(cè)各4環(huán)管片進(jìn)行鋼支撐加固，然后于管片開洞處設(shè)置注漿管進(jìn)行全斷面注漿加固，待注漿加固完成后，再進(jìn)行暗挖通道的開挖。

對施工影響范圍內(nèi)的盾構(gòu)隧道進(jìn)行鋼支撐加固，并對影響范圍進(jìn)行全斷面注漿加固，待暗挖導(dǎo)洞達(dá)到預(yù)期加固效果后，對管片進(jìn)行切割及開洞環(huán)梁施工，待完成受力體系轉(zhuǎn)換后方可進(jìn)行礦山法施工。導(dǎo)洞進(jìn)洞處格柵鋼架先采用漸變尺寸，后通過擴(kuò)挖和反挖成型，前三榀格柵密排。暗挖導(dǎo)洞施工完成以后，應(yīng)對通道中線前后各5環(huán)范圍內(nèi)的管片背后進(jìn)行二次注漿，確保正洞襯砌與圍巖密貼(圖6)。

圖6 盾構(gòu)管片開洞支護(hù)設(shè)計(單位：mm)

3.2 超前注漿加固

(1)管棚及注漿加固：加固范圍左線GDZK18+913～GDZK18+889，右線GDK18+918.3～GDK18+889。管棚沿隧道方向布置，與隧道水平夾角50 °，垂直偏角2 °，縱向間距0.3 m，加固寬度為導(dǎo)洞初支內(nèi)輪廓至隧道外輪廓線外3 m。管棚采用Φ108 mm無縫鋼管，壁厚8 mm，分節(jié)長度2 m、2.5 m，管節(jié)采用絲扣連接，管棚內(nèi)插3根Φ20 mm鋼筋以提高剛度。

(2)深孔注漿：暗挖導(dǎo)洞深孔注漿加固范圍為隧道開挖掌子面范圍及隧道下斷面開挖輪廓外2.0 m范圍，注漿沿隧道掘進(jìn)方向10 m一循環(huán)段。盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面注漿加固范圍為隧道洞頂上方3 m至W3強(qiáng)風(fēng)化地層、W2中風(fēng)化地層巖面分界線，寬度至隧道外輪廓線5 m，采用雙液漿(圖7)。注漿孔布置由工作面向開挖方向呈輻射狀，鉆孔均勻布置成圓形圈，保證注漿充分，不留死角，漿液擴(kuò)散半徑1.5 m。注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm熱軋無縫鋼管，管長3 m，孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好止?jié){措施。

4 結(jié)束語

該段盾構(gòu)隧道位于上軟下硬地層中，并且地表建筑物密集，不具備地面注漿或者爆破孤石的施工條件。若采用洞內(nèi)人工破除的方法，盾構(gòu)機(jī)需長時間停止掘進(jìn)，增加工程風(fēng)險，因此采用開挖導(dǎo)洞進(jìn)行注漿加固的方法?，F(xiàn)場實際施工情況表明采用超前導(dǎo)洞注漿加固安全可行并且滿足工期要求，該方法可作為今后類似工程條件下處理孤石提供一種新的思路。

圖7 注漿加固斷面范圍