盾构区间孤石处理技术研究

邓金成

(中铁隧道集团三处有限公司，广州市)

摘要：文章针对广州地铁隧道盾构施工作业中的孤石处理问题，分析了孤石处理的技术，以柯木塱站～高塘石站地铁区间盾构施工为例，详细介绍了孤石的施工处理技术，通过对两种方案的对比分析，可以为相关工程施工作业的开展提供合理的技术方案支持与参考。

关键词：地铁盾构；孤石处理；方案对比

一、工程概况

广州市轨道交通六号线二期施工二标土建工程位于广州市天河区与萝岗区交界处，线路沿广汕公路大致呈东西方向布置，工程包含2站、2区间，即：【龙洞站～柯木塱站区间】、【柯木塱站】、【柯木塱站～高塘石站区间】、【高塘石站】。线路起于龙洞站，顺延广汕路向东，止于广汕路与高普路“T”字交叉路口的高塘石站。标段起止里程为YDK27+737.109～YCK31+025.545，全长3288.436m。

【柯木塱站～高塘石站】区间需近距离穿越成龙二中人行天桥、广汕路延长线高架、广汕路高塘石人行天桥等桩基础，沿着广汕公路两侧分布有大量的村镇居民用房，多为天然基础，对地表沉降变形较为敏感，盾构施工过程中需重点关注。

二、工程地质

本段区间沿线为丘陵地貌，沿线为剥蚀残丘和山间冲洪积小盆地或小沟谷。本区段在地质构造上属于华南地槽褶皱系的一部分，区域内各时代地层发育较齐全，沉积建造类型复杂，并经历了多个构造阶段发展演化历史，形成了较复杂的地质构造格局。区间地质情况从上到下具体如下：

<1>人工填土层、<3-1>冲积～洪积粉细砂层、<3-2>冲积～洪积中粗砾砂岩、<4-1>冲积～洪积土层、<4-2>河湖相淤泥质土层、<4-3>坡积土层、<5H-1>可塑状花岗岩残积土层、<5H-2>硬塑～坚硬状花岗岩残积土层、<6H>花岗岩全风化带、<7H>花岗岩强风化带、<8H>花岗岩中风化带和<9H>花岗岩微风化带。

标段地下水情况较丰富，地下水位受季节影响大，水位变化较大。

三、孤石分布

2012年10月至2013年5月，对沿线柯木塱站～高塘石站盾构区间隧道范围的地层进行了详细的补充勘察，按10米间距布孔。发现盾构隧道范围内存在多处孤石，孤石厚度在1.1m～2.5m，岩性为花岗岩，详见图3-1所示，为保证后续盾构机顺利通过，需提前处理。

四、孤石处理方案

孤石处理方法将根据孤石的大小、位置、形状、周边环境等因素确定。孤石处理首选地面处理方式进行处理，地面处理条件不具备时再考虑洞内处理。

综合考虑孤石情况及周边环境，孤石处理方法采用以下两种方案：

1、具备地面处理条件，且周边环境允许的，采用地表深孔爆破隧道断面范围内的孤石。

2、具备地面条件，周边环境复杂不允许进行深孔爆破的，采用加密钻孔，把孤石钻成蜂窝状，以破坏球状孤石的整体性，使得盾构机刀盘可以将其破碎并通过。

4.1深孔爆破处理

1、火工器材选型

雷管选用瞬发电雷管和导爆管雷管，炸药选用防水乳化炸药，标准直径为Φ60mm，但考虑到周围施工环境，距离软件园大楼，柯木塱医院等建筑较近，现场使用Φ32的炸药。炸药段与PVC管之间的空隙用米石进行填充，详见图4-1所示。

2、起爆网路设计

药包装在特制的PVC管体内，该起爆体须具有较好的防水性能。炮孔采用正向装药起爆，起爆雷管选用两发瞬发电雷管，且分别属于两个非电起爆网路，两套网路并联后起爆。

3、爆破安全距离计算

由于项目两侧主要为临街商铺、厂房、民居，根据国家《爆破安全规程》规定，钢筋混凝土结构房屋所能承受的最大允许安全震动速度为3.0～5.0cm/s。为了保证爆破震动不影响周围建筑物的安全及居民生活，按2.0cm/s以下进行装药设计施工，反算一次爆破允许的最大装药Qmax。计算公式：V=k(Qm/R)α公式中：V为爆破地震安全速度，cm/s；Q为最大一段装药量，kg；R为爆破区至被保护物距离，m；m为药量指数，取m=1/3；K为与爆破场地条件有关系数，一般取值k=150；α为与地质条件有关系数，一般取值1.6。经计算，各种距离条件下的最大一段装药量如下表所示：

4、安全防护措施

防止地下深孔爆破后产生的高压气体会将炮孔内的泥浆压出孔外，影响周边环境安全，爆破作业时，采取沙包+铁板的联合防护体系，如图4-2所示。

5、爆破质量检验

基岩处理后的爆破质量通过地质钻机钻孔取芯进行验证，以抽取出的完整岩芯单向长度≤30cm为合格。隧道纵向每5延长米抽检一个孔，验证抽芯孔应在爆破处理范围内随机指定。如果抽检区域不合格，则补孔进行二次爆破。在本项目中，通过对爆破区域前后钻孔取芯检查，发现爆破效果非常明显，孤石已经得到彻底破碎，爆破前后同一区域取芯结果如图3-1,4-3所示。

6、注浆加固

由于隧道范围孤石爆破处理后，爆破震动造成地层松散，尤其是隧道顶部存在砂层、填石层特殊地层，在盾构掘进过程中需要掺加泡沫剂等润滑剂和保压需要。经爆破扰动过地层极易出现泡沫剂等沿松散孔隙流失甚至到地面上，造成污染和浪费；同时，松散地层无法保压。为确保安全，在爆破处理后对隧道周边松动围岩采用注浆方式充填加固，以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。注浆方式选择袖阀管注浆的方式，注浆浆液选用水泥-水玻璃双液浆加固地层。注浆加固范围主要是对加固深度从地面至隧道结构底板下1m，加固宽度隧道中线左右开挖轮廓线外各1m范围全部进行注浆加固。

4.2加密钻孔破碎

由于柯木塱村沿线周边建筑物广泛分布，且周边房屋基础差，开裂严重，爆破对房屋安全影响严重。故对此处范围内的孤石区域的处理方案如下：在地面对未处理的孤石进行密集的钻孔，孔距400mm，将软弱地层中的孤石钻成蜂窝状，以破坏球状孤石的整体性，使得盾构机刀盘可以将其破碎并通过。

1、加密钻孔

如图4-4所示，对孤石所在区域范围采用间距400mm、梅花形布置钻孔。首先钻孔过程中必须确保钻机摆放的垂直度，坚决避免串孔；其次钻进过程中必须将花岗岩岩心取出，严禁封孔的时候做回填用。

2、下管注浆

在钻孔至设计孔深后下袖阀管，进行注浆加固，加固区域为隧道以上3米，左右下各一米，加固长度4米，共计4m×8m×10m的土体范围内进行注浆加固。

注浆加固主要考虑两个方面：一是由于钻孔非常密集，钻进过程中，地层中的残积土层遇水极易崩解，从而造成上部土体失稳，故需要对隧道上部土层进行注浆加固；二是由于此孤石处理方案在此前未有过成功经验，即盾构机能否将处理后的孤石破碎并顺利通过是个未知数，故在此做最坏打算，对该处区域地层进行加固使其具有开仓的条件，使得当盾构机不能通过该孤石区时，可以在土仓内对孤石进人工破碎处理。

3、处理效果验证

2014年5月份【柯木塱站～高塘石站区间】左线盾构掘进通过此处孤石，掘进过程中盾构机速度较慢，无其他问题出现，也较为顺利的通过此处孤石。掘进过程中采集到破碎岩样如图4-5所示。

五、小结

通过对本工程孤石处理的两种方案结果对比可以得出：

1、在盾构区间采用深孔爆破的方式能够较好的对孤石进行破碎，此方案安全可靠，对后续盾构施工影响小，是盾构区间孤石处理的首选方案。

2、当周边环境复杂不具备深孔爆破处理条件时，可以考虑采用密集钻孔破碎处理孤石，此方案实施前必须全面的调查策划。做好布孔间距的计算分析及盾构刀盘开口率的选择，避免破碎不彻底影响盾构掘进施工。