盾构穿越大直径孤石群兼空洞地层掘进技术

方治纲/FANG Zhi-gang

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

地铁盾构在孤石群中掘进时，孤石在地层内会发生随机滚动，极易造成刀盘偏载，盾构姿态难以控制，在此条件下掘进，刀盘贯入度极低，掘进过程对周边土体扰动大，容易造成底层沉降超标，甚至危及周边建（构）物安全，同时在掘进过程中刀具容易发生崩刃、断轴及螺栓松动等现象，对盾构掘进施工影响极大。

1 工程概况

济南市轨道交通R2 线一期土建工程四标段宝华街站-长途汽车站区间，右线全长992.741m，左线全长998.042m，隧道埋深约9.6～12.3m。宝长区间共计穿越18 处建（构）筑物及1 处河道，首次在富水闪长岩地层中发现了超大直径孤石及大规模孤石群，最大孤石直径超过2.6m，在世界范围内实属罕见，短距离内地层变化剧烈，软硬不均、孤石群、孤石群伴空洞地层交替出现，威胁施工安全，施工难度非常大。

2 施工技术研究

1）研究应用了多种地球物理探测方法综合探测技术，在工程地质调查和钻孔地质分析的基础上，采用多种地球物理探测方法结果进行综合解译，实现对掘进面前方沿线空洞和孤石准确识别与成像，保证了孤石处理可提前进行。

2）研究应用了旋挖钻+潜孔锤接力法孤石处理技术，上部全、强风化闪长岩地层采用旋挖钻机成孔，下部极硬岩（最高强度达264MPa），采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，有效提高了成孔效率。

3）可提前发现盾构掘进范围内空洞，采用低强度混凝土进行填筑，有效降低了掘进过程中对刀盘及刀具的损耗。

4）盾构掘进与孤石置换同步进行，互不影响，整个施工过程无需进行土体注浆加固，最大化的减少盾构隧道施工对周边生态环境造成影响。

3 施工工艺原理

1）多种地球物理探测方法综合探测工艺原理如图1 所示，在工程地质调查和钻孔地质分析的基础上，采用地震波法（面波、地震多次覆盖、微动、洞内超前探测等）、地质雷达法、高密度电法、瞬变电磁法、孔间电阻率CT、孔间声波CT、跨孔地质雷达等方法综合探测，通过对以上多种地球物理探测方法结果进行综合解译，实现对掘进面前方沿线空洞和孤石准确识别与成像。

图1 多种探测方法综合探测工艺原理

2）根据综合探测结果，进行孤石置换处理，上部全、强风化闪长岩地层采用旋挖钻机成孔，下部极硬岩（最高强度达264MPa），采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，孤石置换完成后采用低强度砼进行换填；桩间距咬合长度，根据钻孔桩桩经进行调整，确保各咬合桩间无空隙，钻孔桩长度深入隧道以下1m，置换砼灌注深度到原地面，施工时采用隔桩跳打方式。具体置换方式如下：①置换孤石大小在孔桩直径范围以内时，根据综合探测结果，确定单独孤石位置，进行单孔直接置换；②置换孤石大小大于孔桩直径时，根据综合探测结果，确定单独孤石位置，采用三孔三角布孔置换或四孔、六孔、九孔矩形补孔置换，桩间距咬合长度，根据钻孔桩桩经进行调整，确保各咬合桩间无空隙；③置换紧密孤石群时，采用在盾构掘进范围全断面置换，桩间距咬合长度，根据钻孔桩桩经进行调整，确保各咬合桩间无空隙。

3）空洞处理时，采用低强度砼进行填筑。

4）盾构掘进与孤石置换同步进行，互不影响，盾构最佳掘进参数为：推力7 000～8 000kN，扭 矩1 000Nm，转 速1.3r/min。整个施工过程无须进行土体注浆加固，最大化的减少盾构隧道施工对周边生态环境造成影响。

5）地铁盾构穿越超大直径孤石群软弱不均兼空洞地层掘进施工工艺流程如图2 所示。

图2 施工工艺流程图

4 关键工序施工技术及操作要点

4.1 多种地球物理探测方法综合探测

在工程地质调查和钻孔地质分析的基础上，采用地震波法（面波、地震多次覆盖、微动、洞内超前探测等）、地质雷达法、高密度电法、瞬变电磁法、孔间电阻率CT、孔间声波CT、跨孔地质雷达等方法综合探测，通过对以上多种地球物理探测方法结果进行综合解译，实现对掘进面前方沿线空洞和孤石准确识别与成像。

4.1.1 地表普查

1）面波法探测 在两条隧道顶部，沿隧道轴线布置两条地震测线，测线上沿隧道轴线相邻观测台间距为1.5～3m，累计布置检波器108 个（单条测线54 个）；检波器安装在路面上，采用冲击钻施作直径约为2cm、深度为7～10cm 的钻孔，辅以速凝剂耦合；采用大锤在每个观测点相近处（＜0.3m）进行锤击依次激发地震波，每个点锤击3次并采集。

2）多次覆盖地震波法 在两条隧道上方地表阵列式布置观测点，观测点连线呈正交网状形式（网格点为观测点）；沿隧道轴线方向布置6 条观测测线，相邻测线间距为4m；单条测线上共布置18 个观测点，观测点间距3m；检波器安装在路面上，采用冲击钻施作直径约为2cm、深度为7～10cm 的钻孔，辅以速凝剂耦合；在每个观测点相近处（＜0.3m）采用大锤进行锤击，依次激发地震波，每个点锤击3 次并采集。

3）高密度电法 在两个隧道外轮廓分别向两侧外扩2m，并在地表布置2 条测线、在两条隧道拱顶上方地表沿隧道轴线布置2 条测线；在两个隧道中轴线向两侧外扩2m 的上方地表分别布置4 条测线；在两条隧洞轴线中间的地表布置1 条测线；每条测线上电极点距为1.5～2m，采用冲击钻施作直径约为2cm、深度为10cm 的钻孔，电极插入孔中并深入下方土体，累计布置电极约120 个；9 条测线依次数据采集。

4）瞬变电磁法 在两个隧道外轮廓外延3m布置2 条测线、在两条隧道顶部沿隧道轴线布置2条测线；在两条隧洞轴线中间布置1 条测线；每条测线上测量点距为2m，5 条测线依次数据采集。

4.1.2 区域精查

1）地质雷达法 一方面，沿隧道方向共布置9条测线，在两条隧道外轮廓外延2m 布置2 条测线，在两个隧道中轴线向两侧2m 处的上方地表分别布置4 条测线，在两条隧道拱顶正上方地表沿隧道轴线布置2 条测线，在两条隧道轴线中间布置1 条雷达测线；另一方面，在垂直隧道轴线方向布置相交叉的测线，该测线以间距2m 依次排列分布，共布置约32 条测线，受建筑物影响，测线长度为12～25m。

2）微动探测法 沿盾构隧道左、右线的中心线布设两条纵向测线，单条测线长度为143m，测线按照直线布设，采用4m 点距进行数据采集，以满足分辨率和探测深度的要求。探测采用圆形台阵来获取单道信息，探测深度约为台阵布设半径的4 倍。

3）孔中物探法 以两条隧道左右两侧外廓为基准，分别各向外延伸1m 进行地质钻孔（共施作4 排探测孔）；隧道轴线方向相邻钻孔的间距为6m；部分建筑物位于测线上无法钻孔时，沿建筑物外边墙1m 处布置探测孔；钻孔深度为25m。

4.1.3 多种物探法综合解译

通过多种地球物理探测方法结果进行综合解译，对掘进面前方沿线空洞和孤石准确识别与成像。

4.2 旋挖钻+潜孔锤接力法孤石处理

根据综合探测结果，进行孤石置换处理，上部全、强风化闪长岩地层采用旋挖钻机成孔，下部极硬岩（最高强度达260MPa），采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，孤石置换完成后采用低强度砼进行换填；桩间距咬合长度，根据钻孔桩桩经进行调整，确保各咬合桩间无空隙，钻孔桩长度深入隧道以下1m，置换砼灌注深度到原地面，施工时采用隔桩跳打方式。

4.3 盾构同步掘进

盾构掘进与孤石置换同步进行，互不影响，整个施工过程无须进行土体注浆加固，最大化的减少盾构隧道施工对周边生态环境造成影响。

盾构最佳掘进参数为：推力7 000～8 000kN，扭矩1 000Nm，转速1.3r/min。

5 施工控制要点

1）为保证置换桩孤石置换准确性，钻机就位必须进行开孔前验收钻机转盘中心与用于定位的“.+”字线点基本重合，误差不得超过5cm，并检查钻机水平，主动钻杆、立轴导管垂直，整体机架周正稳固。

2）成孔孔径不得小于设计桩径，要经常检查被磨损的钻头外出刃的大小，防止缩颈。成桩后的有效桩径不得超差士5cm。钻头合金遭到破坏应及时更换、修复。

3）严格控制孔底沉渣，杜绝孔底沉淤、残留泥砂过厚，或孔壁泥土塌落在孔底，使沉渣超标。