盾構(gòu)穿越密集古建筑群孤石地層開挖技術(shù)研究

姚新尚，沈亞超，陳列豪

(1.中鐵隧道股份有限公司 鄭州市 450001；2.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 杭州市 310017；3.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

在隧道盾構(gòu)施工過程中，常常會遇到大小不一、形狀多樣、強(qiáng)度不等的孤石隨機(jī)分布在隧道四周，使得地層軟硬不均，這類地層增加了盾構(gòu)掘進(jìn)的難度[1]。由于孤石的影響，施工過程中容易造成刀盤受力不均影響盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)出現(xiàn)刀盤堵塞、卡機(jī)等現(xiàn)象，且極易損壞刀盤，影響掘進(jìn)效率，甚至引起地面沉降、周邊建筑物變形開裂[2-5]。因此，如何處理好地層中的孤石，是盾構(gòu)施工過程中的技術(shù)難題。目前，關(guān)于孤石地層中隧道掘進(jìn)的研究主要集中在勘探和工程技術(shù)方面。章飛亮[6]等采用微動技術(shù)對南方某城市地鐵隧道區(qū)間的孤石進(jìn)行探測，取得了良好的效果；楊亞璋[7]等從物探方法、探測設(shè)備等多個方面介紹了孤石探測技術(shù)，并證明了地震反射波CDP技術(shù)探測孤石的可行性；王鵬華[8]通過分析珠三角地區(qū)及臺山盾構(gòu)隧道工程的孤石處理工藝方法，得出不同地質(zhì)條件和不同工況條件下有效的孤石處理技術(shù)；吳克寶[1]等通過對武漢市軌道交通機(jī)場線進(jìn)行有效的地質(zhì)勘探，并在此基礎(chǔ)上采取合適的塊石處理方法，取得良好效果；路耀邦[9]等總結(jié)出了一套針對海底盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破預(yù)處理的施工方法。

針對杭州地鐵7號線吳山廣場站-江城路站盾構(gòu)始發(fā)段穿越古建筑群大粒徑孤石隨機(jī)分布的情況，提出了采用微動探測和地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方式進(jìn)行孤石探測；并根據(jù)孤石性狀、分布位置和地面環(huán)境采取鉆孔爆破的處理方法；同時，對盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具選取進(jìn)行了探討分析，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，保證施工順利進(jìn)行。

1 工程概況

杭州地鐵7號線吳山廣場站-江城路站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)段位于杭州市上城區(qū)河坊街道路以下，周邊有博物館、花鳥城、河坊街商鋪等古建筑群，隧道采用雙洞雙線布置型式，埋深15.8～27.7m。該區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)范圍位于黏土混角礫土層，地層中含有大量孤石需進(jìn)行爆破預(yù)處理，孤石分布無序，錯綜復(fù)雜，其厚度粒徑大小不一，最大厚度達(dá)19.5m。該段孤石成因主要是崩積，主要成分為灰?guī)r(硅質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r)，其強(qiáng)度在11.4～125.5MPa之間，多為裂隙較發(fā)育或裂隙發(fā)育，完整性差。孤石分布及周邊環(huán)境平面位置見圖1。

圖1 孤石分布區(qū)域及周邊環(huán)境平面圖

2 孤石處理及工藝措施

2.1 孤石的探測

為探明孤石的分布情況，一般采用鉆探、物探方法。但鉆探方法不僅費(fèi)用較高，而且探測范圍有限；物探方法雖然方便快捷、覆蓋全面，但因城市特殊的環(huán)境條件影響及物探方法的局限性，探測精度較差。因此通常采用鉆探、物探等多種方法聯(lián)合運(yùn)用相互印證的綜合探測方案。近年來，微動探測技術(shù)逐漸在地下空洞、活動斷裂、土石分界面及球狀分化方面得到廣泛運(yùn)用。該技術(shù)是通過發(fā)射體波和面波產(chǎn)生振動后，通過提取微動信號的頻散曲線，并對頻散曲線進(jìn)行反演以獲得所需探測介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)特征，從而有效反應(yīng)介質(zhì)物理屬性的一種物探方法[4]。

在工程初勘和詳勘的基礎(chǔ)上，首先利用微動探測技術(shù)，大致探出該區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)段隧道中軸線洞身及上下一定深度影響范圍內(nèi)孤石的分布、發(fā)育情況等，然后根據(jù)微動探測結(jié)果對預(yù)測孤石位置進(jìn)行加密地質(zhì)補(bǔ)勘鉆探，補(bǔ)勘孔沿線路中線間距10m布置，進(jìn)而確定孤石的具體位置、大小、埋深、強(qiáng)度以及孤石周圍地層的軟硬程度。通過微動探測技術(shù)和鉆探方法結(jié)合的探測方案，有效確定了左線隧道在里程ZDK0+674.370～ZDK0+728(長度53.63m)范圍內(nèi)分布有8塊孤石，右線隧道在里程YDK0+604.822～YDK0+729(長度124.178m)、YDK1+440～YDK1+480(長度40m)范圍內(nèi)共計15塊孤石，其強(qiáng)度在11.4～125.5MPa之間，為后續(xù)孤石的處理以及盾構(gòu)的選型提供了基礎(chǔ)。

2.2 孤石爆破

為滿足爆破后破碎巖體尺寸小于30cm的施工要求，該始發(fā)段采用鉆孔爆破法。同時，為了控制爆破振動對周邊建筑物、地下管線等影響采用多段毫秒延時爆破、單孔單響或分層多響等技術(shù)措施。根據(jù)微動探測及鉆孔驗(yàn)證結(jié)果，采用地質(zhì)鉆進(jìn)行垂直取孔，鉆孔直徑為89mm，為了充分破碎巖體進(jìn)行梅花形布孔，當(dāng)孤石在盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)時，則全取孔爆破，并且在垂直方向上炮孔均穿透孤石，在水平方向上取孔超出孤石范圍；若孤石僅局部存在盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)，則在開挖范圍內(nèi)的巖石全取孔爆破，炮孔均穿透孤石，超出開挖邊界1.0m范圍內(nèi)的巖石也需取孔爆破。炮孔平面布置示意圖如圖2。圖中孔距、排距a=b=40～80cm，其根據(jù)孤石不同體積、厚度、埋深等情況適當(dāng)調(diào)整。

圖2 炮孔梅花形布置示意圖

根據(jù)孤石不同厚度采用不同的裝藥結(jié)構(gòu)形式，如圖3為本次爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖，圖中編號1代表雷管，2代表炸藥，3代表沙子間隔段，4代表炮孔堵塞段。當(dāng)孤石厚度大于3m時，采用分層裝藥結(jié)構(gòu)；當(dāng)孤石厚度小于3m時，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。同時，根據(jù)不同的孤石選擇適當(dāng)?shù)恼ㄋ巻魏?，以控制最大段裝藥量和總裝藥量，為保證不破壞地面密集建筑或擾動覆蓋層及地下管線，炸藥單耗控制在0.05kg/m3以下，單孔裝藥量控制在0.88kg/m以下，一次起爆總裝藥量小于60kg。藥包就位后，向炮孔中倒入沙子或瓜米石以堵塞炮孔，堵塞長度大于5m，引爆前地面需重型覆蓋。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 盾構(gòu)選型及掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)機(jī)的選型在針對孤石地層掘進(jìn)方面，需要從機(jī)型、刀盤刀具以及排巖通道等幾個方面綜合考慮。同時，針對盾構(gòu)機(jī)的其他參數(shù)，除了考慮孤石處理，還應(yīng)考慮全線的地質(zhì)情況，結(jié)合具體工程實(shí)際綜合考慮。

2.3.1刀盤及刀具配置

根據(jù)區(qū)間工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用2臺直徑為6.5m的復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)在孤石地層掘進(jìn)時，由于刀具破碎孤石的沖擊荷載較大，造成刀盤受力極不均勻，扭矩波動幅度大，所以盾構(gòu)刀盤必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度[10]。因此盾構(gòu)機(jī)刀盤采用了4主梁+4副梁及外圈梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼材型號為Q345B，其開口在整個盤面均勻分布，整體開口率為40%，中心部位設(shè)有足夠的開口面積以便于將巖石破除排出。刀盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 刀盤結(jié)構(gòu)圖

刀具采用立體式布置方式，刀具類型包括：中心雙刃滾刀、正滾刀、刮刀、邊刮刀、保徑刀等。刀具配備情況見表1。其中中心滾刀為17寸滾刀，刀高175mm,刀間距90mm；為保證刀盤中心區(qū)域的開口率，正面滾刀分兩類，一類采用17寸滾刀，刀高175mm，另一類為18寸滾刀，刀高187.7mm，刀間距均為100mm。

表1 刀具配備表

由于區(qū)間孤石強(qiáng)度大，而周邊土層相對軟弱的特點(diǎn)，掘進(jìn)滾刀配置使用硬度為HRC55-57的梯度硬度光面刀圈，其形式見圖5，該類滾刀兼顧韌性和強(qiáng)度，其刃口采用直徑為22mm的圓頂。

圖5 滾刀刀圈

2.3.2刀具磨損監(jiān)測布置

盾構(gòu)機(jī)在孤石地層推進(jìn)過程中極易損壞刀具，降低施工效率。為了能夠?qū)崟r監(jiān)測刀具磨損情況，及時更換刀具，保證盾構(gòu)機(jī)在孤石地層中掘進(jìn)效率，刀具設(shè)置了4個磨損檢測點(diǎn)，配置了兩種刀具的液壓式磨損檢測裝置，分別是：刮刀液壓式磨損檢測裝置、滾刀液壓式磨損檢測裝置。通過這兩種檢測裝置實(shí)時了解刀具的磨損狀況，做到了有效及時更換刀具。

2.3.3盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)機(jī)在孤石地層掘進(jìn)的同時下穿古建筑群，既要保證盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，也要減小對地面及周邊建筑群的擾動，因此需按照“小推力、高轉(zhuǎn)速、低扭矩”的思想來嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)。在該區(qū)段掘進(jìn)過程中采用了全土壓模式掘進(jìn)，推力控制在1800t以下，扭矩控制在1800～2600kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1r/s，貫入度10mm左右，注漿量控制在6～6.8m3，出土量控制在59m3。

3 孤石處理效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性及爆破后孤石的破碎效果，對左、右線始發(fā)段引孔爆破后進(jìn)行了取芯，左、右線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比見圖6、圖7。可以看出芯樣均小于15cm，滿足盾構(gòu)施工要求，說明此次爆破預(yù)處理孤石起到了良好的效果，為盾構(gòu)機(jī)的順利通過奠定了基礎(chǔ)。

圖6 左線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比

圖7 右線隧道爆破前后鉆孔取芯樣對比

4 結(jié)論

針對杭州地鐵7號線吳山廣場站～江城路站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)段穿越密集古建筑群孤石地層的施工過程中，通過采取綜合的探測方案，有效確定了該段范圍內(nèi)孤石分布，并對孤石采取了鉆孔爆破預(yù)處理以及相應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)措施，保證該段隧道順利掘進(jìn)，得出了以下結(jié)論：

(1)通過微動探測技術(shù)和鉆探結(jié)合的綜合探測方案，不僅可以有效確定該段地層內(nèi)孤石的具體分布、大小、強(qiáng)度以及周圍地層軟硬程度，而且為孤石的爆破處理及盾構(gòu)的選型提供基礎(chǔ)。

(2)從爆破后取芯驗(yàn)證以及實(shí)際爆破情況可以看出，采用毫秒延時爆破技術(shù)，能夠改善破碎質(zhì)量，使區(qū)間孤石得以有效處理，同時有效降低爆破地震效應(yīng)，減小對周邊歷史古建筑、地下管線等影響，保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)，也為類似工程的施工提供良好的借鑒。

(3)盾構(gòu)機(jī)不僅要適應(yīng)孤石地層掘進(jìn)，同時要從全線地質(zhì)情況、成本等多方面綜合考慮來選型，盾構(gòu)的刀盤刀具要有一定的強(qiáng)度和剛度，掘進(jìn)過程中要注意觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)，及時檢查并更換刀具。

(4)為了破碎孤石的同時減小對周邊古建筑群的擾動，需要加強(qiáng)監(jiān)測來調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，在該類工程盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，以“小推力、高轉(zhuǎn)速、低扭矩”的思想控制參數(shù)，同時需要針對掘進(jìn)方向地層條件及刀具磨損情況及時調(diào)整參數(shù)。