盾构穿越孤石及带压换刀技术研究

李 冰

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

近年来，轨道交通建设迅猛发展，车站区间施工应用盾构掘进技术也日益成熟。由于详勘资料不能全面反映地层情况，给施工带来一定风险。厦门地铁1号线集美中心站-诚毅广场站区间，盾构掘进过程中多次遇到未探明的孤石，之后对孤石随机钻芯取样，岩石单轴抗压强度高达137 MPa，与周围地层强度有巨大差异。期间针对孤石不同的发现时间、深度、影响范围等，采取相应的处理措施，确保区间顺利贯通。

2 工程概况

厦门地铁1号线集美中心站-诚毅广场站区间沿纵八路南北敷设，经新洲路后侧穿在建钟楼到达诚毅广场站。沿线主要有在建公园、高层房屋，下穿有新洲路共同沟、钟楼［1］。该段以坡残积台地为主，局部为海侵洼地或冲海积阶地。集美中心站-诚毅广场站区间右线盾构机所处位置影响范围内地层依次为粉质黏土、中粗砂、碎裂状全风化花岗岩等。孤石所处空间位置水文地质情况总体较差，中粗砂和全风化花岗岩富水性好，为强透水层，含水量较大［2］。

3 孤石探测及处理措施

3.1 遇孤石过程

盾构机在推进到166环时，发现推进油泵异常，盾构前方土仓内有异常声响，随后刀盘出现卡死事故。经盾构工区与中铁装备商议，利用前盾刀盘启动装置，刀盘实现了正常转动。在166环后续的掘进过程中，一把边缘刮刀随泥水一起被螺旋机从土仓中旋出。在167环掘进过程中，千斤顶总推力为15 000 kN，掘进速度10mm/min左右，螺旋机出土口有大量水、砂涌出，并伴随有大颗粒的花岗岩块。过程中主轴承扭矩骤增。盾构机停止推进后，刀盘进行了试空转，主轴承扭矩仍未减少，且盾构机底部有振动、异响。由此预测盾构机前方存在孤石，需进一步处理之后方可掘进。

3.2 孤石探测

根据现场实际测量与地质钻孔情况，判定盾构机盾尾距钟楼南侧为3.3 m，刀盘距钟楼南侧6.2 m，刀盘距集美国投施工的围护桩中心线为6.63 m。孤石平面为不规则多边，尺寸3.7 m（长）×5.2 m（宽），最深为2.4 m，位置主要靠近盾构机刀盘右下方，具体位置关系见图1。

图1 孤石与地面、盾构平面关系

3.3 渣土置换与孤石清除

3.3.1 渣土置换

为保证在清除孤石过程中刀盘前方掌子面的稳定，必须对土仓采取保压措施［3］。保压的方法是利用盾构机膨润土系统向土仓内注入膨润土，对盾构机土仓内渣土进行置换和保压，确保彻底置换渣土以保证掌子面的稳定。将置换出的渣土进行洗渣，确认渣土内较大块状物种类［4］。

3.3.2 孤石清除

因孤石与刀盘紧靠在一起，不宜采用爆破、冲击钻等方法处理孤石。经多方研究，最终选择定位精准、安全、速度快的全回转套管钻的方法［5］。另外，利用地质钻机在刀盘前方20 cm处钻设两排隔离孔，使孤石呈蜂窝状，与刀盘隔离，以避免盾构前方刀盘在清除孤石时受损。全回转套管钻作业时液压驱动套管转动，并利用钢套管底部的高强刀头对土、岩体等障碍物进行切削，利用夯锤对套管内孤石进行破碎，最后利用抓斗将石块抓出。清理完成后，将套管内回填水泥土。回填土可采用塑性较好的盾构施工的出土，并掺入少量水泥。后期应对松散的回填土进行注浆，确保回填土的密实度及强度，以免盾构穿越孤石时，地表发生溢冒现象。

根据地质钻探结果，确定孤石平面位置、形状，见图2，并按图中所示位置对孤石进行清理。采用全回转套管钻机清除孤石主要工艺为：地质钻探明孤石→全回转套管钻机定位→同步进行全套管设备场地布置与机械及电力系统、后台作业指挥系统定位→作业平台就位→吊装设备就位→套管回转压入→回转偏心切削→全断面回转切断→清除障碍物→障碍物装卸处理→分段清除至作业深度→起拔套管→同步回填水泥土作业→主机台定位销撤除→转场施工重复上述步骤循环至全部施工完毕→盾构机推进［6］。

图2 全回转钻机孔位布置

4 盾构穿越孤石

盾构穿越孤石过程中，需制定合理的掘进参数，尽量减小刀盘转速，采用低转速、低速度、低扭矩平稳掘进，减少刀盘与孤石之间的冲击力、刀盘磨损和对地层的扰动。具体掘进参数见表1。

集诚区间右线孤石处理完成后（共23 d），盾构机开始穿越孤石，并于3 d后到达原集美国投施工的围护桩处（173环处，里程YDK26＋275.629，原集美国投施工的围护桩为φ1000@1200 mm，围护桩内主筋为玻璃纤维筋，桩间设有φ800咬合150 mm的止水高压旋喷桩）。原施工方案为盾构机直接磨桩通过。

表1 盾构机掘进参数

盾构机在掘进到原集美国投施工的围护桩时掘进速度极其缓慢，2 d时间仅推进500 mm。盾构机刀盘推至围护桩内500 mm后，土仓内水量极大（达到1.67 m3/min，且土仓内水温达到60℃左右，刀盘旋转有异响），随后对土仓内注入高分子聚合物止水，止水效果不佳［7］。

经专家分析，认为盾构机因掘进大段砂层并遇高强度孤石，使刀具受到一定损坏，在磨原集美国投基坑围护桩后，导致盾构机滚刀偏磨的可能性很大；目前盾构掘进存在水温高、渣土温高、掘进速度低于5 mm/min、刀盘扭矩过高问题［8］，已不适宜继续掘进，需加固止水、更换刀具，待刀具更换后方可继续掘进。

5 盾构机带压开仓换刀技术措施

5.1 地层止水

由于地层中水量较大，为防止螺旋机出渣口喷涌，利用盾构机前部渣土改良系统向土仓内注入高浓度膨润土，止水效果并不理想。经专家研究，最终采用止水环＋井点降水＋高压旋喷桩加固等综合技术措施进行止水。为防止高压旋喷桩施工中的高压浆液破坏降水井，优先安排高压旋喷桩作业，最后钻设降水井。

为了防止盾构机尾部地层中的水持续不断地流入土仓，拟在盾尾后每隔5环位置进行补充注浆，以形成10个环状止水帷幕［9］。材料选用普通硅酸盐水泥和水玻璃按体积比1∶1配制使用，其中水泥浆水灰比亦为1∶1。

参考以往施工经验并结合集美中心站-诚毅广场站区间工程地质条件，盾尾每环管片的注浆量宜为1～2 m3，注浆量多少与注浆压力呈线性关系，实际注浆量多少还要以注浆压力来控制。当注浆压力设定过大时，地层中的空隙被过度填充，导致土体体积大大增加，从而出现管片变形、地面上拱等现象；而注浆压力控制较小时，注浆量也呈线性减少，则无法达到止水的预期效果［10］。

由于集美中心站-诚毅广场站区间地层中自上而下分别为素填土、粉质黏土、中粗砂、残积土及全风化花岗岩等，故根据公式：静止土压力＝静止土压力系数×土重度×深度。经计算得，理论注浆压力应不小于0.17 MPa，考虑实际土层的不均匀性及设备误差等情况，操作过程中将注浆压力值控制在0.2 MPa左右。

注浆过程中，应实时监测管片纵、横缝漏浆漏水情况。当已注入的双液浆失效时，调整同一环管片的注浆顺序，先注渗漏水病害较轻部位，直至循序渐进整环封闭；若渗漏水情况无明显改善，则应从处理相邻管片渗漏水着手，由外至内逐步形成止水帷幕。另外，注浆过程中注浆压力保持在0.2 MPa且10 min后方可停止注浆，若流量计读数未达到注浆量，则应再重新补足浆液。

5.2 高压旋喷桩加固

为防止高压旋喷浆液对盾尾密封、泡沫注入口及其它部件造成损坏，在高压旋喷桩施工前将高浓度膨润土通过注浆系统向土仓和盾壳外注入。膨润土浆液配合比见表2。

表2 膨润土浆液配合比 kg

高压旋喷桩采用三重管旋喷钻机施工，桩位按800@600布置。对盾构换刀区域进行加固，左、右、前设置两排，上部4排（共95根，具体见图3～图4）。其中盾构机上方4排旋喷桩按20 cm搭接加固，范围从盾壳上方3 m至距盾壳0.45 m位置；左、右、前三侧面加固深度均为盾壳上方3 m至盾壳底部2 m（图中DBC代表地表沉降点；DSW代表地下水位观测孔；JSJ代表降水井）。

为达到良好的止水效果，已加固土体应具有一定的强度和抗渗特性，其中无侧限抗压强度不小于1.0 MPa，渗透系数不大于10-5mm/s。盾构开仓更换刀具之前应进行钻芯取样检验土体强度，在有代表性的桩心和搭接处位置选取多个芯样，若达不到要求，及时补桩或增加降水井数量。

图3 盾构开仓换刀加固平面（单位：m）

图4 盾构开仓换刀加固断面

5.3 降水设计

为防止盾构开仓换刀期间出现涌水事故，在加固区周围共设计直径0.8 m、深23 m的降水井4口，其中两口位于刀盘前部两侧（距刀盘平面垂直距离2 m），剩余2口降水井位于盾构机中部两侧（距盾壳1.5 m），将水降至隧道底部1 m以下，确保开仓换刀安全。

盾构施工正常时隧道内不涌水，盾尾密封装置损坏时才进行排水，所以盾构隧道施工采用经验公式估算涌水量。根据铁路相关规程，隧道最大涌水量经验公式为：

式中，Q0为隧道最大涌水量（m3/d）；K为土层渗透系数（m/d）；H为静止水位至盾构等价圆中心的距离（m）；d为洞身等价圆直径（m）；L为隧道通过含水体的长度（m）。

渗透系数一般取常水位至隧道底板之间各土层渗透系数的加权平均值。盾构当前所处位置竖向分布有粉质黏土，平均层厚6 m，渗透系数0.1 m/d；粗砂平均层厚为2.5 m，渗透系数20m/d；全风化层平均厚2.5 m，渗透系数0.5 m/d。经计算得渗透系数的加权平均值K＝4.7 m/d。

其中与涌水量计算相关的参数H为7.5 m，等价圆直径d为7 m。由于在盾尾每隔5环注浆形成止水环，故隧道通过含水体的长度为：

式中，r为井管内径；l为滤管长度。

故实际施工中钻设4口降水井。

5.4 监测方案

5.4.1 原监测方案

（1）施工监测测点布设

地表隆陷：地面沉降测点沿轴线进行布设（轴线上测点变化最大），点距 5 m［11］。

（2）施工监测频率

掘进面前后＞50 m时1次/周；掘进面前后＜50 m时1次/2 d；掘进面前后＜20 m时，2次/d。

5.4.2 现监测方案

在原监测方案基础上，增加了以下几项内容：

（1）地面监测

为防止开仓检查、更换刀具时发生安全事故，在盾构刀盘所在位置地表附近加密布置监测点。4个地表沉降观测点布置在加固区的四周，施工过程中严格按照监测方案对地面、钟楼进行监测，监测频率2～3次/d，地表沉降值控制在-30 mm～＋10 mm范围内［12］。

（2）水位监测

加设一个水位观测井，观测点设在盾构机右侧6 m处，监测降水效果（降水速度小于1 m/d），换刀过程中注意水位变化。

（3）隧道监测

在施工过程中对隧道内管片标高（尤其是盾尾10环）进行监测，监测频率1～2次/d，为掌握管片沉降情况、盾构机停机下沉及冲击钻冲孔时对盾构机及管片提供及时、可靠的信息［13］。

（4）盾构机姿态监测

盾构监控室安排调度3人轮流值班，及时掌握盾构机姿态变化，为控制盾构姿态提供保障。

6 结束语

厦门地铁1号线集美中心站-诚毅广场站区间在掘进过程中共遇孤石5处，采用全回转套管钻机清理孤石后，对破损刀具带压开仓进行更换。其余4处均运用综合物探技术提前探明孤石准确位置，采用冲击钻及爆破方法清除后顺利通过。

盾构穿越孤石是施工中的重大风险源，影响工程质量、进度和成本等，也决定了项目成败。由于孤石分布具有随机性，目前微动探测等手段不能准确揭露孤石位置，施工前应加密地质补勘钻探，摸清孤石大小、位置和埋深，提前发现、尽早处理，做到风险可控。