穿越障礙物爆破區(qū)域的盾構(gòu)施工技術(shù)

仲登堂(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司， 上海 200433)

1 工程概況

Z1線尖山路站—Z1線文化中心站盾構(gòu)區(qū)間工程，區(qū)間里程 DK68＋675.047～DK68+836.000，盾構(gòu)區(qū)間下穿文化中心樞紐地下商業(yè)空間（地下一層）的地下連續(xù)墻和立柱樁。地下商業(yè)空間的底板距離隧道最小凈距為 7.109 m，區(qū)間穿越范圍內(nèi)有 11 根立柱樁基（樁徑 1.2～1.6 m）及 2 幅地下連續(xù)墻(墻厚 0.8 m),其中:盾構(gòu)以 50° 夾角穿越文化中心2 幅地下連續(xù)墻，盾構(gòu)施工前將影響盾構(gòu)掘進(jìn)的 11 根立柱樁基和 2 幅地下連續(xù)墻采用爆破法處理。如圖1 所示。

圖1 區(qū)間穿越樁基和地下連續(xù)墻平面圖

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越的水文地質(zhì)為⑦粉質(zhì)黏土層、⑧1粉質(zhì)黏土層、⑧2粉土、⑨1粉質(zhì)黏土層、⑨2粉砂層、⑩1粉質(zhì)黏土層，區(qū)間穿越承壓含水層。

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)介紹

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)如下。

（1）立柱樁及地下連續(xù)墻經(jīng)過爆破后，所形成的爆破物混凝土塊大小不一，有可能會(huì)形成＞30 cm 的孤石，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)以下風(fēng)險(xiǎn)：①大塊孤石頂在盾構(gòu)機(jī)刀盤外；②大塊孤石卡在盾構(gòu)機(jī)土倉進(jìn)土口；③大塊孤石卡在盾構(gòu)螺旋機(jī)內(nèi)，這 3 種極端不利情況都會(huì)對盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)造成嚴(yán)重的影響。

（2）前期爆破地下連續(xù)墻和立柱樁作業(yè)時(shí)遺留下的混凝土塊大小不一，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中對周邊的地層影響較大，掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)，極易引起地下商業(yè)空間的主體結(jié)構(gòu)及周邊建（構(gòu)）筑物的不均勻沉降。

3 應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 機(jī)械設(shè)備選型與設(shè)計(jì)改造

3.1.1 設(shè)備選型

針對工程特點(diǎn)，選用海瑞克Ф6450 mm 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率為 43%、推力 42 550 kN、刀盤扭矩達(dá)到 6 100 kN·m、螺旋機(jī)扭矩達(dá)到 115 kN·m，配備 3道加強(qiáng)型盾尾刷、2 道防噴涌閘門、65 把切混凝土先行刀。

3.1.2 設(shè)備設(shè)計(jì)改造

（1）增加超前注漿系統(tǒng)。在盾構(gòu)機(jī)上加設(shè)鉸接式超前注漿孔及徑向注漿孔，可全斷面加固刀盤前土體，對土體進(jìn)行改良。為防止盾構(gòu)在通過爆破區(qū)域時(shí)，爆破后的注漿效果達(dá)不到理想狀態(tài)，避免爆破區(qū)出現(xiàn)“孤石”堵卡盾構(gòu)機(jī)刀盤，盾構(gòu)機(jī)加設(shè)超前注漿系統(tǒng)，必要時(shí)實(shí)施超前注漿。

（2）增加螺旋機(jī)回縮功能。盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)桿液壓回縮功能，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中可將卡在螺旋機(jī)上的大塊孤石拉碎清除。

（3）其他部位的設(shè)計(jì)改造。對原有的先行刀進(jìn)一步加固，刀盤面板及周邊增加耐磨堆焊層，以及增加具備帶壓進(jìn)倉施工的人孔，有效地應(yīng)對穿越過程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 對大孤石的處理技術(shù)

（1）大塊孤石頂在刀盤外。對策：首先，通過盾構(gòu)機(jī)的超前注漿系統(tǒng)對刀盤前土體進(jìn)行加固，確保孤石不“孤”，然后再通過刀盤上的滾刀或者撕裂刀將孤石磨碎。如圖2 所示。

圖2 大塊孤石頂在刀盤外

（2）大塊孤石卡在螺旋機(jī)進(jìn)土口上。對策：在隧道內(nèi)設(shè)置氣閘艙，通過盾構(gòu)機(jī)超前注漿系統(tǒng)和氣閘艙在全氣壓狀態(tài)下對盾構(gòu)機(jī)前部出土艙中的大混凝土碎塊進(jìn)行人工處理。操作工藝為：大塊孤石卡在進(jìn)土口→超前注漿加固土體→設(shè)置氣閘艙→清空刀盤土倉及清除大塊逛孤石→回倉→恢復(fù)到正常掘進(jìn)狀態(tài)。如圖3 所示。

圖3 大塊孤石卡在土倉進(jìn)土口

（3）大塊孤石卡在螺旋機(jī)內(nèi)。對策：當(dāng)大塊孤石卡在螺旋桿上時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)螺旋桿液壓回縮功能，可通過盾構(gòu)機(jī)螺旋桿正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，使孤石不再卡死，再通過螺旋機(jī)的回縮功能，直接將孤石壓碎、帶出。如圖4 所示。

圖4 大塊孤石卡在螺旋機(jī)上

若大孤石仍卡死在螺旋機(jī)上，螺旋機(jī)回縮無法清除時(shí)，則需采用人工清除，操作工藝為：大塊孤石卡在螺旋機(jī)→螺旋機(jī)回縮功能直接清除大塊孤石→超前注漿加固土體→土倉內(nèi)壓注膨潤土漿液進(jìn)行止水→螺旋機(jī)桿回縮→關(guān)閉前閘門→打開天窗→人工清除螺旋機(jī)上的混凝土碎塊→排除險(xiǎn)情，再加固土體→回復(fù)正常掘進(jìn)狀態(tài)。

3.3 穿越障礙物區(qū)域時(shí)防止地面隆沉技術(shù)控制措施

3.3.1 開挖控制措施

根據(jù)土壓和排土量的大小，結(jié)合模擬推進(jìn)段收集到的掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制在 10～20 mm/min，扭矩超過 70% 后停止推進(jìn)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，扭矩降低至 50%后繼續(xù)推進(jìn)。穿越地下連續(xù)墻和立柱樁的爆破區(qū)域時(shí)，確保刀盤以相同的旋轉(zhuǎn)方向穿越，降低刀具磨損以及合金崩裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 線性控制措施

在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)爆破區(qū)域前 100 m、50 m 和 8 m 前通過第三方測量，嚴(yán)格將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的軸線控制在設(shè)計(jì)允許的誤差范圍之內(nèi)（Δ＜30 mm）。在爆破穿越區(qū)，應(yīng)按照“勤測勤糾、小角度糾偏”的原則進(jìn)行糾偏控制，盡可能使盾構(gòu)機(jī)勻速、直線通過，減少盾構(gòu)機(jī)糾偏量和糾偏次數(shù)。

3.3.3 一次襯砌控制措施

在盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)束之后等待 2～3 min，使周圍土體與盾構(gòu)機(jī)間固結(jié)在一起再進(jìn)行千斤頂?shù)幕乜s，回縮的千斤頂應(yīng)盡可能少，滿足管片拼裝即可。拼裝過程中，保證土壓力穩(wěn)定，必要時(shí)通過反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)維持盾構(gòu)前方土體平衡。

襯砌管片拼裝采用兩次拼裝工藝，確保管片之間的錯(cuò)臺量和橢圓度，以及管片的密封膠條與臨接管片的接觸面緊貼；螺栓采取一次緊固，三次復(fù)緊的工藝，即襯砌出盾尾后，進(jìn)行第一次復(fù)緊，待襯砌出臺車位置前，進(jìn)行第二次復(fù)緊，在隧道貫通后進(jìn)行第三次復(fù)緊。

3.3.4 注漿控制措施

本工程采用的同步注漿漿液材料為水泥砂漿，結(jié)合前期模擬掘進(jìn)試驗(yàn)時(shí)確定的注漿量和注漿壓力及理論計(jì)算值，每環(huán)壓入量一般控制在“建筑空隙”理論計(jì)算值的150%～200%，即 4.68～6.24 m3/環(huán)；注漿壓力須大于隧道底處的土壓力值，保證漿液只是填充而不是劈裂，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取為 1.1～1.2 倍的靜止土壓力，在爆破區(qū)段根據(jù)過程檢測數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力，并加強(qiáng)地面監(jiān)測，嚴(yán)格控制地面隆起量≤10 mm。注漿材料配比如表1 所示。

表1 注漿材料配比 單位：kg·m-3

4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工效及環(huán)境監(jiān)測分析

盾構(gòu)機(jī)實(shí)際掘進(jìn)速度為 13～18 mm/min，盾構(gòu)機(jī)總推力為 12 100～14 600 kN，穿越 800 mm 地下連續(xù)墻爆破區(qū)域用時(shí) 55 min，穿越 1 600 mm 立柱樁基爆破區(qū)域用時(shí) 130 min（含 1.5 m 寬管片拼裝 25 min）。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告理論計(jì)算出土壓力為 0.27 MPa，管片理論出土量為 48.40 m3/環(huán)。實(shí)際掘進(jìn)時(shí)土壓力為 0.25～0.27 MPa，管片出土量 48.00～48.40 m3/環(huán)。同步注漿壓力 0.41 MPa，注漿量 5.5 m3。建筑物累計(jì)沉降 5 mm，符合規(guī)范規(guī)定累計(jì)沉降≤20 mm 的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)是地鐵施工中的關(guān)鍵工作，隨著地下環(huán)境日趨復(fù)雜，施工前正確預(yù)判施工風(fēng)險(xiǎn)因素，并合理地進(jìn)行設(shè)備選型和施工過程參數(shù)的控制，成為決定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)成敗的關(guān)鍵。通過科學(xué)管理、合理組織、精心施工、總結(jié)出一套盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)穿越爆破障礙物區(qū)域的施工技術(shù)，對今后類似工程施工具有借鑒意義。