城市复杂环境下孤石发育地层盾构机脱困技术研究

张远辉

（粤水电轨道交通建设有限公司，广东 广州 510610）

0 引言

盾构法作为隧道施工的主要施工方法，以其安全、速度快、质量好、环境影响小等优点，广泛应用到铁路、公路、城市轨道交通、电力隧道、引水工程等工程领域［1］。在实际施工过程中，复杂的地质条件工况往往会造成许多施工难题，特别是在孤石发育地层中的隧道施工时，盾构掘进极易造成土体扰动及地层沉降，地面塌陷和盾构无法通过现象也较为频繁发生，严重影响工程安全和进度。

目前，国内相关学者就复杂地质条件工况盾构法隧道施工有不同的研究分析，如针对盾构掘进过程中刀盘卡停，米仕鹏［2］依托成都地铁 6 号线某盾构区间遇到的多次刀盘卡停为例，从盾构刀盘扭矩及影响因素揭示了刀盘卡停的原因和机理，并提出了富水砂卵石地层不同情况下的脱困处置和卡停预防措施。贾璐等［3］通过理论分析得出盾构脱困所需的最小总推力，并建立了脱困操作流程及脱困成功判定标准。祝超［4］详细阐述了利用爆破破除岩层解决盾构受困问题。蔡光伟、李应川、张明东等［5～7］介绍了通过地层加固辅以开仓换刀来实现盾构脱困的目的。

由于城市复杂环境下临近既有建构筑物、不良地质中的盾构法隧道工程越来越多，特别是在广州地区典型复合地层的盾构施工中，工程地质复杂多变，局部孤石或孤石群发育，盾构停机受困风险高，脱困难度大。本文依托广州轨道交通十四号线支线 5 标盾构隧道工程，针对城市复杂环境下孤石群发育地层盾构施工遇到的多次停机问题，研究不同情况下盾构脱困、防困措施。

1 工程概况

广州市轨道交通十四号线支线工程［施工 5 标］盾构区间，包括马头庄站－枫下站区间与枫下站－知识城站区间，区间基本沿着路面交通繁忙的九龙大道下敷设，采用土压平衡盾构施工。区间隧道穿越地层主要为中粗砂层、粉质黏土、花岗岩硬塑状残积土层、花岗岩全风化层、花岗岩强风化层和少量花岗岩微风化层，局部孤石发育度高，存在大量分布不规律的微风化花岗孤石。掘进过程中遇到未探明和补勘探明的孤石达十余次，强度在 70 ～120 MPa。在此条件下施工影响大，风险高，盾构掘进期间经历了多次遇孤石停机被困。

2 盾构脱困处理措施

依托工程盾构法隧道施工时盾构机遇孤石停机受困，所处地质水文情况、周边环境及土层扰动情况、盾构掘进参数情况等均有所不同。为确保盾构顺利脱困的同时，减少对周边环境的不利影响，对不同盾构停机受困工况采取了不同的盾构脱困处理措施，如图 1 所示；针对地层有塌方、砂层较厚、含水量丰富的情况采取地层袖阀管注浆加固结合“衡盾泥”辅助带压开仓的盾构脱困处置措施，处理工况为马－枫区间右线 YDK 48+777 处；针对地层有扰动的情况，为减少地面周边环境、地下管线和既有路面的安全风险，采取“衡盾泥”辅助带压开仓的脱困处置措施，处理工况为马－枫区间左线 ZDK 48+860、ZDK 48+627 处以及枫－知区间右线YDK 51+122.5 处；针对采用地层加固结合带压开仓脱困处置措施仍无法实现盾构脱困情况，采取液氮冻结加固开仓方案进行盾构脱困处理，处理工况为枫－知区间右线 1 920 m 处。

图1 盾构脱困方案实施流程图

2.1 袖阀管注浆加固

地层塌方处采用水泥砂浆回填后，考虑地质条件和周边环境情况，通过旋喷桩、搅拌桩、袖阀管注浆及WSS 工法等加固方案比选后，采用袖阀管双液注浆加固。袖阀管注浆水平向加固范围：刀盘上部 9 m×10 m，其中刀盘前方 5 m，后方 4 m，隧道轴线两侧各 5 m。为避免浆液注入到土仓内影响后期衡盾泥泥膜的制作和质量，袖阀管注浆竖向加固范围为隧道顶部 8 m 以上地层，加固深度为 12 m。袖阀管间距 1.2 m×1.2 m，注浆扩散半径 0.8 m，注浆压力控制在 0.5～1.5 MPa，注浆压力上升至 1.5 MPa 以上，达到理论注浆量时终止注浆，再进行下一孔注浆，依次循环完成塌陷地层袖阀管注浆加固。

考虑到加固浆液固结在盾构机周边形成握裹状态可能导致盾构机进一步受困，为此注浆加固期间，在结合土仓保压情况下，往盾体周边注入膨润土。同时每 30 min 伸缩铰接及驱动千斤顶推动使盾体前后移动 5 cm，防止盾构机被困；每间隔 30 min 转动刀盘 1 圈，防止刀盘被困。

2.2 “衡盾泥”辅助带压开仓

图2 “衡盾泥”辅助带压开仓原理示意图

为防止后部来水沿管片外间隙渗入到开挖面和土仓，对脱出盾尾 5 环管片范围注入双液浆形成盾尾双液浆止水环，确保土仓压力和周边地层稳定。双液浆注入完成后，在相应管片上开孔检查是否漏水、漏浆，直至无水浆泄漏为止，保证止水环止水密封效果。同时，通过盾体径向预留孔往盾体径向注入衡盾泥或膨润土，填充盾体与土层间的间隙，确保周边地层稳定止水和防止盾构机在停机开仓期间被周围土体固结受困。

“泥墙”护壁制作完成并经保压试验合格后，检查人闸密封、供气、应急等系统，待相应工作达到规范及施工作业要求后，进行下一步进仓作业，对刀盘和土仓内障碍物进行清理，检查刀盘刀具，对磨损达到更换要求的刀具进行拆除更换，在仓内保压稳定前提下，分仓连续作业至全部仓内故障处理完毕，确保后续盾构正常掘进脱困。

2.3 液氮冻结法加固开仓

液氮冻结法加固开仓［9］是通过利用液氮低温的特性，对盾构机刀盘前方、左右侧及上部一定范围的土体进行冻结，使得在刀盘附近土体形成一定强度和稳定性的“∩”状冻结帷幕，以满足盾构机常压开仓作业要求。

根据盾构机停机受困时盾构所处位置的地质水文、盾构机直径、隧道埋深以及地面车辆及其他情况，确定冻结加固体厚度和冻结孔布置。现场采用 5 排（A～E）垂直液氮冻结孔，排间距分别为 0.733、0.716、0.784 m 和 0.679 m，盾构机刀盘前方和左右两侧冻结孔孔深 22 m，第三排、第五排盾构机上部范围冻结孔孔深分别至盾构机顶部 1.5 m 和盾构机顶部，冻结孔布置详如图 3～图 5 所示。

图3 冻结孔平面布置图（单位：m）

图4 A排冻结孔立面布置图（单位：m）

图5 C～E排冻结孔立面布置图（单位：m）

为确保冻结效果、作业及设备的安全性，液氮进口温度控制在-150～-170℃，出口温度控制在-50～-60℃，同时，根据盾构机刀盘、刀具等的低温承受情况和实时温度监测数据，及时调整相应范围冻结管液氮流量，降低或加强液氮冻结壁的发展。

进仓作业前，需确保冻结壁厚度达到设计计算厚度，各测温孔温度≤-15℃，并且仓内气体检测合格后，方可开仓作业。作业过程中，如出现渗漏水点，应停止作业及时封堵，以防水土流失，破坏形成的冻结帷幕，同时也应该避免对冻结管造成破坏引起液氮泄露。

2.4 盾构前方孤石处理

对于盾构机刀盘前方孤石的处理，根据探明后孤石的大小、分布情况及所处位置情况，采取了预裂孔+冲桩、旋挖钻破除、预爆破和直接通过等孤石处理措施，同时总结提出盾构机刀盘前方孤石爆破处理技术，对刀盘前方孤石进行了有效处理，使得盾构机安全顺利脱困，避免了盾构在孤石群发育地层受困风险。

总之，虽然情感态度与价值观目标在目前教学中确实还存在着很大问题，但我相信随着时代的发展和教师教学研究的深入，这一目标的实现会越来越好。

2.4.1 预裂孔+冲桩孤石处理施工

采用φ100mm@400 mm 高风压潜孔钻对孤石进行预裂后，再通过φ1 200mm 咬合 100 mm 冲孔桩破除孤石，破除深度至隧道底部以下 1 m。破除处理孤石后，采用黏土夯实回填至地面标高，如图 6 所示。

图6 预裂孔+冲桩处理孤石示意图（单位：mm）

2.4.2 旋挖钻破除孤石处理施工

在探明孤石边界后，采用旋挖桩径φ1200 mm 咬合100 mm 旋挖破除孤石，将孤石取出或压至隧道底部，以达到孤石处理的效果，孤石处理完成后采用 M 7.5 砂浆回填至地面标高，如图 7 所示。

图7 旋挖桩破除处理孤石示意图（单位：mm）

2.4.3 预爆破孤石处理施工

对于爆破作业影响较少且需要快速处理的孤石区域，采取预爆破孤石处理方法将孤石破碎，再通过土仓将孤石碎块排出仓外。预爆破装药孔采取向外扩展的方式进行钻孔，钻至孤石轮廓外 0.5 m，确保整个孤石被包络在装药孔中。爆破完成后，爆破孔采用水泥浆回填密实，并采用地面袖阀管注浆加固爆破导致的松散地层，如图 8 所示。

图8 预爆破孤石处理平面示意图（单位：m）

2.4.4 盾构直接切削孤石处理施工

对于周边无建构筑物、地层沉降要求低且孤石受扰动不易移动的孤石区域，可采取盾构直接掘进切削处理孤石，即利用盾构提供足够的切削力切削破碎孤石。盾构机掘进接近孤石，调整盾构掘进参数，采用小推力、低扭矩，高转速、低贯入度的掘进参数进行推进，直接通过处理孤石。

2.4.5 刀盘前方孤石爆破处理施工

对于盾构机刀盘前方不远处的孤石处理，提出采用盾构机刀盘前方孤石爆破技术处理孤石，通过设置减震孔、控制爆破孔间距、装药量和爆破方式、刀盘与掌子面间及土仓注入泥浆填充等措施，在实现快速处理孤石盾构脱困的同时，降低对盾构机、成型隧道及周边建构筑物的影响。

1）盾构机后退及掌子面、土仓内注浆。利用盾构机主动铰接使盾构机向后移动 10 cm 左右，后退的同时通过渣浆置换往掌子面间隙和土仓内注入膨润土泥浆，土仓内压力略小于平衡压力，使泥浆起到孤石爆破减震作用。

2）减震孔、爆破孔设计。距盾构机停机刀盘 0.3 m处设置一排φ90 cm 减震孔，孔间距 0.3 m，孔深至盾构机底部 0.5 m，孔内插入φ75 cm PVC 塑料空管来缓冲爆破冲击，进一步降低爆破震动对盾构机设备等的损害。为充分破碎孤石，确保破碎后的孤石块可顺利进入土仓通过螺旋机排出，爆破孔采用梅花型布置，孔间距 0.5 m。减震孔、爆破孔布置如图 9 所示。

图9 减震孔、爆破孔布置示意图（单位：m）

3）装药及起爆方式。盾构机近端爆破以保护性爆破为主，即靠近盾构机近端的两排爆破孔以单孔单段装药为主，装药量为设计药量的 80 %；其他爆破区域则是以加强松动爆破为主，采用间隔装药或其他加强装药方式，并根据孤石实际情况调整炸药单耗或单孔装药量，使得孤石爆破破碎后达到排出要求。厚度较大孤石采取间隔装药、间隔空腔（预裂爆破装药）和孔内分段装药来控制等单段最大药量；厚度较少的则是采取连续装药结构形式。

起爆方式采取排间微差起爆，并根据实际情况确定合理的微差间隔时间。爆破时对周边建构筑物进行爆破震速监测，必要时对建构筑物及管线进行保护；爆破后，爆破孔采用水泥浆回填密实；盾构通过后，采用洞内注浆加固爆破导致的松散地层。

3 实施效果

项目建设过程中，盾构掘进遇到未探明孤石和经补勘探明孤石达30余处，四台盾构机遇孤石停机受困，通过采取袖阀管注浆加固、“衡盾泥”辅助带压开仓、液氮冻结加固开仓以及盾构机刀盘前方孤石爆破处理、预裂孔+冲桩等多孤石处理技术手段，有效处理了盾构机掘进方向存在的孤石，成功克服了城市复杂环境下孤石群发育地层盾构机停机脱困和防困难题，确保了项目各节点目标的实现，从而保证了总工期目标的如期实现。

4 结论

1）城市复杂环境下孤石发育地层盾构法隧道掘进遇孤石频率高，盾构机停机受困风险高，脱困难度大。

2）盾构机脱困要充分考虑受困所处地质水文情况、土层扰动、周边环境及设备等情况，为确保盾构机顺利脱困，提高脱困工作效率，缩短脱困处理时间，降低对周边环境、设备等的不利影响，应因地因时地采取合适的脱困处理方案。

3）针对盾构机掘进方向孤石的处理，应根据探明后孤石的大小、分布及周边环境情况等选择对应的孤石处理措施，特别是刀盘前方的孤石爆破处理，更应在确保孤石快速处理的同时，采取措施来降低爆破对盾构机、成型隧道及周边建构筑物的影响。Q