盾构区间上悬孤石群导洞法加固技术

蒋浩梁

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074）

1 前言

随着社会不断发展，越来越多的城市正在进行大规模的轨道交通建设，在施工过程中将会遇到更复杂的工程地质条件，也将面临更多更难的工程地质问题［1］。广州地区广泛分布着燕山期花岗岩，其受地质构造条件、岩浆成分和围岩物质成分的控制和影响，在风化过程中很容易发育出中风化或者微风化的坚硬球状体，即“孤石”［2-3］。盾构施工自动化、信息化程度高，已成为我国地铁隧道施工的主要方式［4-5］，孤石的存在对盾构施工影响极大，施工过程中掘进异常［6］，容易导致地面沉降和设备损坏，从而影响工期。对于孤石通常情况下可采用人工挖孔桩挖除、地面钻孔爆破等手段进行孤石预处理或者在盾构掘进过程中采用洞内液压劈裂机消除［7］。前者适用于地面工况好、无其他建筑物等情况；后者适用于掌子面稳定、地质条件好等情况。然而实际施工中往往会遇到盾构下穿既有建筑物并且区间上悬孤石群的情况，区间上悬孤石群若得不到有效加固处理，盾构施工时，由于掌子面前方和上方卸载，孤石容易掉落，导致卡机，严重者还会出现地面塌陷事故。本文针对盾构下穿既有建筑物并且区间上悬孤石群的情况，研发出导洞法加固技术，取得良好的效果。

2 工程背景

莞惠城际铁路GZH-3标位于东莞市区，起止里程GDK15+025～GDK19+780，标段控制性工程为盾构始发井～东城南站盾构区间，因地质原因（上软下硬地层中含大量孤石）导致工期风险极大。

左线隧道拱顶埋深31.5 m，盾构机位于东莞市瑞辉鞋厂一栋三层天然基础厂房下方；右线隧道拱顶埋深31.5 m，盾构机位于东莞市中云智慧产业园一栋三层天然基础厂房下方。全、强风化岩面分界线位于隧道洞身，处于上软下硬地层，且全风化层内含大量孤石。因场地条件限制，无法对孤石进行预处理。隧道与房屋平面位置关系如图1所示。

右线在掘进第451环时，大量孤石进入土仓内，导致刀盘主动上三根主动搅拌棒及仓壁上一根被动搅拌棒断裂，且大量孤石堆积在螺旋机出土口，导致螺旋机无法出土。左线在掘进第452环时，大量孤石进入土仓，在出土过程中，螺旋机叶片磨损严重，且螺旋机前段70 cm叶片断裂，导致螺旋机无法出土。

图1 隧道与房屋平面位置关系

盾构区间过上软下硬孤石群地层，刀盘前方大量孤石并非主要来自掌子面正前方，而来自隧道上方因不均匀风化形成的块石。隧道拱顶埋深达31.5 m且盾构机上方均存在既有建筑物，地面无处理条件。隧道与孤石位置关系如图2所示。

图2 隧道与孤石位置关系示意

本工程所在场地地质从上到下依次为：素填土，淤泥质粉质黏土，粉质黏土，全、强、弱风化混合片麻岩。洞身所处地层为全风化、微风化混合片麻岩，夹孤石。

3 导洞加固

本项目采用在左、右线隧道之间开挖平行导洞对隧道正洞上方采用“管棚+注浆”对孤石段进行处理。考虑施工安全、隧道出碴以及注浆机、管棚施工所需作业空间，设计导洞净空尺寸3.5 m（宽）×3.5 m（高）。导洞与隧道平面位置示意见图3。

图3 导洞与隧道正洞平面位置关系（单位：cm）

3.1 导洞开洞

导洞位置选择在全断面硬岩段，根据地质情况及始发井盾构机结构，导洞在距右线盾构机刀盘后方20 m处硬岩段开洞，开洞中心里程为GDK18+938.3。施工工序如下：

（1）对开洞处前后10环管片进行补充注浆，保证管片背后密实。

（2）对开洞两侧各4环管片进行钢支撑加固，先对导洞两侧各4环管片进行钢支撑加固，开洞环及其与紧邻的非开洞环的接缝处架设钢支架环（25工字钢），其余非开洞环钢支架环撑于管片正中，通过4根40b工字钢实现纵向连接。钢支撑环安装完成后若与管片存在间隙用木楔揳紧。钢支撑加固示意图见图4、图5。

图4 开口环钢支撑布置（单位：mm）

图5 相邻环钢支撑布置（单位：mm）

（3）对开洞位置进行放样，并标识于管片上。距开挖轮廓线外50 cm处对需切割管片施工φ108管棚（t＝6 mm）进行加固，管棚长度3 m，环向间距50 cm，施工完成后，对管棚进行注浆。

（4）切割管片。

（5）施作开洞环梁，开洞环梁尺寸45 cm（宽）×40 cm（厚），采用C35钢筋混凝土结构。待开洞环梁混凝土强度达到设计100%，完成受力体系转换后进行矿山法开挖导洞。

3.2 导洞开挖

根据地面初步探测右线隧道GDK18+918.3～GDK18+849段均为上软下硬孤石群地层，导洞终止里程暂定为GDK18+849，总长度90 m，具体长度根据导洞开挖后，导洞内水平取芯情况确定。

为降低爆破施工对成型盾构隧道的影响，硬岩段导洞开挖采用台阶法爆破开挖，单循环进尺1.0 m，全断面软土地层导洞采用全断面注浆加固，台阶法开挖。注浆采用水泥～水玻璃双液浆，注浆范围为开挖轮廓线外2 m，断面注浆以右线进入上软下硬里程GDK18+924为起点。

3.3 导洞支护

导洞采用喷锚构筑法施工，拱部180°范围采用φ42双排超前小导管（L＝3 m）进行超前支护，初期支护全环设置 18工字钢间距0.5 m，全环设置φ8双层钢筋网片、边墙设置φ22玻璃纤维筋锚杆（防止盾构掘进影响导洞结构安全），拱架采用φ22连接筋连接，拱架未落脚处打设2根φ42锁脚锚管。导洞施工完成后，底板施作20 cm厚C30钢筋混凝土，加强导洞结构稳定，防止底板隆起。导洞支护结构示意见图6。

图6 导洞支护结构示意（单位：mm）

4 孤石处理

4.1 管棚施工

导洞开挖支护完成后，由导洞内向隧道正洞拱顶上方1 m处施作φ108管棚并注浆［8］，管棚施工完成后，对隧道洞顶上方及隧道周边进行注浆加固。

管棚采用壁厚8 mm的热轧无缝钢管φ108 mm，分节长度2m、2.5m，管棚内外车丝，连接采用丝扣连接。第一节管棚尾端设置成锥形。管棚上开孔，孔径φ10mm，间距15 cm，梅花形布置，尾端设置1m止浆段。

管棚距隧道正洞拱顶上方1 m，水平间距33 cm（中心间距），竖直偏角1°，为保证潜孔钻施工空间，其水平偏角取66°。管棚底距隧道外轮廓边线3 m。管棚打设时，相邻两钢管接头采用不同长度管节组合方式错开。

为提高管棚刚度，管棚内插入3根φ20螺纹钢，呈三角形布置，示意图如图7所示。

注浆采用1∶1水泥单液浆，水泥采用P.O42.5硅酸盐水泥，注浆初始压力0.5～1.0 MPa，终止压力1.5～2.0 MPa。

4.2 注浆加固

管棚施工完成后，采用WSS注浆工艺［9-10］，采用后退式注浆方法［11］，对隧道洞顶上方3 m、隧道洞身及隧道外边线轮廓线外5 m范围内进行注浆加固，防止盾构机掘进过程中，隧道上方及侧面土体坍塌，造成地表失稳沉陷及房屋沉降。注浆材料：水泥～水玻璃双液浆，水泥采用P.O42.5硅酸盐水泥，水泥浆水灰比（重量比）1∶1，水泥浆∶水玻璃浆体积比1∶1，注浆终止压力2.5～3.0 MPa。

图7 管棚内插钢筋示意

隧道正洞加固剖面图如图8所示。

图8 隧道正洞加固剖面图（单位：mm）

5 处理效果

加固后，管棚净间距为22.2 cm，从管棚间隙掉落的孤石最大直径为22.2 cm，粒径小于22.2 cm孤石可通过刀盘开口（30 cm）进入土仓，通过螺旋机运出；注浆加固后，刀盘前方土体稳定，常压情况下，可进入土仓和刀盘前方，采用人工破除或静态爆破方式对积落孤石进行清理，使刀盘运转，同时降低刀具非正常磨损。

导洞开挖初期支护、正洞加固期间以及管棚支护体系形成后，正常掘进过程中均对影响范围内的建筑物、地表沉降、既有盾构隧道进行了实时监测，监测显示变形量均在规范范围内。从而证明盾构下穿既有建筑物并且区间上悬孤石群时，利用导洞法加固技术，能有效地控制盾构机在上软下硬地段掘进过程中的超方，阻止隧道上方孤石、抛石进入刀盘前方，保证盾构顺利掘进。

6 结束语

以莞惠城际轨道交通工程为依托，在盾构下穿既有建筑物并且区间上悬孤石群的工程地质条件下，研发出导洞法加固技术，有效地控制了盾构机在上软下硬地段掘进过程中的超方，阻止隧道上方孤石、抛石进入刀盘前方，保证盾构顺利掘进，取得了良好的效果，为类似工程地质条件的盾构提供宝贵的经验和丰富的数据资料。