一种针对盾构区间上悬孤石群加固处理的方法与流程

本发明涉及隧道盾构技术领域，具体是提供的一种针对盾构区间上悬孤石群加固处理的方法，该加固方法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。

背景技术：

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。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未风化或者微风化的坚硬球状体，即“孤石”。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，孤石的存在对盾构施工影响极大，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。前者适用于地面工况好、无其他建筑物的等情况；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。

技术实现要素：

本发明是针对盾构下穿既有建筑物并且区间上悬孤石群的情况，提供的一种针对盾构区间上悬孤石群加固处理的方法，可以阻止隧道上方孤石、抛石进入刀盘前方，保证盾构顺利掘进，能够取得良好的效果。

本发明提供的技术方案：所述一种针对盾构区间上悬孤石群加固处理的方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)在盾构隧道一侧或两盾构隧道之间施工平行于盾构隧道的导洞，其导洞部分或整体高于盾构隧道的顶面，其导洞是从上悬孤石群的盾构区间后方已施工完成的盾构隧道内壁开洞施工而成，其具体施工步骤如下：

a.确定导洞开洞的位置，其开洞部位选择上悬孤石群的盾构区间后方的全断面应岩段，并针对开洞处前后8～12环管片进行补充注浆，保证管片背后密实；

b.对开洞部位两侧各3～5环管片进行钢支撑加固；

c.对开洞位置进行放样，并标识于管片上，距开挖轮廓线外45～55cm处对需切割管片施工管棚支护进行加固，加固完成对开洞部位的管片进行切割，并在开洞部位施作开洞环梁，待开洞环梁混凝土强度达到设计100％时，采用进矿山法开挖导洞；

d.导洞沿着与盾构隧道平行的线路向盾构方向开挖，其中，硬岩段导洞开挖采用台阶法爆破开挖，全断面软土地层导洞采用全断面注浆加固，台阶法开挖；

e.在导洞开挖完成后，针对导洞采用喷锚构筑法施工导洞支护结构，其底板施作15～25cm厚的钢筋混凝土；

(2)在导洞开挖支护完成后，由导洞内向隧道正洞拱顶上方1～1.5m的位置施作管棚支护；

(3)管棚支护施工完成后，采用wss注浆工艺，对隧道洞顶上方3米、隧道洞身及隧道外边线轮廓线外5米范围内进行注浆加固；

(4)在导洞及支护体系施工完成后，可通过盾构机刀盘开口进入刀盘前方，对刀盘面板进行清理，并盾构掘进过程中，每掘进30～50cm开仓对刀盘前方进行检查，并采用液压破碎锤对落入的小直径孤石进行破碎；

(5)在盾构机通过上软下硬孤石群地段后对导洞进行回填，回填完成后，采用地质雷达对导洞及隧道正洞上方进行扫描，对不密实和存在孔洞部位进行补注浆，确保地面安全。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)的b步骤中的钢支撑包括钢支架环和多根工字钢架设的钢支架，钢支架的每根工字钢与钢支架环焊接；设置在开洞环的钢支架环安装在开洞环与其紧邻的非开洞环接缝处，设置在非开洞环的钢支架环撑设在管片正中间，且钢支架环与环片紧贴或通过木楔楔紧。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)的c步骤中施工的管棚长度2.5～3.5m，环向间距45～50cm，施工完成后，对管棚进行注浆；开洞环梁采用c35钢筋混凝土结构；在导洞开挖之前针对支撑件的受力情况进行检算，确保其支撑件的稳定及强度达到设计要求之后，进行导洞开挖。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)的d步骤中在开挖前，采用风枪在拱顶打设超前探孔，确认为硬岩时，采用台阶法爆破开挖，并在爆破开挖过程中针对盾构机进行防护，防护体设置于盾构机台车上，长7～10米，高至管片顶部，采用25～35cm宽、4～6cm厚双层木板，木板间填塞棉被，木板靠管片侧覆盖橡胶皮，并将木板采用钢筋定位，铁丝固定，并将防护体采用工字钢与管片支撑钢架进行连接固定。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)的d步骤中，针对全断面软土地层导洞开挖，其注浆采用水泥～水玻璃双液浆，注浆范围为开挖轮廓线外1.5～2.5m。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)的e步骤中在导洞支护的拱部180°范围采用双排超前小导管进行超前支护，初期支护全环设置工字钢、双层钢筋网片、边墙设置玻璃纤维筋锚杆，拱架采用连接筋连接，拱架未落脚处打设锁脚锚管；导洞施工完成后，底板施作15～25cm厚的钢筋混凝土。

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中的管棚支护采用热轧无缝钢管，分节为2～2.5m的，采用丝扣连接；其钢管内插入3根螺纹钢，呈三角形布置；第一节管棚尾端设置成锥形，钢管上开注浆孔，尾端设置0.8～1.2m的止浆段；管棚打设时，相邻两钢管接头采用不同管节组合方式错开

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中的管棚支护的注浆采用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0.5～1.0mpa，终止压力1.5～2.0mpa。

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中其注浆加固的注浆材料采用水泥～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)为1:1，水泥浆：水玻璃浆体积比1:1，注浆终止压力2.5～3.0mpa。

本发明较优的技术方案：所述步骤(5)中的导洞回填具体是在地面设置多个投料孔，采用c15素混凝土对导洞进行回填，素混凝土回填完成后，对导洞进行注浆回填，注浆浆液采用水灰比1:1的水泥单液浆。

采用本发明的处理方法进行加固处理后，其小于管棚净间距的孤石可通过刀盘开口进入土仓，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，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；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，取得了良好的效果。

附图说明

图1是实施例中的加固结构分布示意图；

图2是图1的纵向切割截面图；

图3是实施例中右线地质断面示意图；

图4是实施例中左线地质断面示意图；

图5是实施例中导洞开洞口部位的管片加固示意图；

图6是本实施例中导洞洞口部位相邻管片的加固示意图；

图7是本实施例中导洞纵向切割截面示意图；

图8是本发明的管棚截面示意图。

图中：1—盾构隧道，1-1—右线盾构隧道，1-2—左右线盾构隧道，2—导洞，2-1—导洞开洞口，2-2—导洞支护，2-3—钢筋混凝土加固层，3—上悬孤石群，4—管棚支护结构，4-1—管棚钢管，4-2—螺纹钢筋，5—钢支架环，6—工字钢支架，7—盾构机，8—注浆加固层，9—盾构管片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

下面结合实施例对本发明的施工过程进一步说明，其具体实施例是针对莞惠城际轨道交通工程中某个区域项目施工，该区间起止里程gdk15+025～gdk19+780，左右线长度均为1345.7米，由盾构始发井始发，往东城南站掘进。右线刀盘里程为gdk18+918.3，隧道拱顶埋深31.5米，盾构机也位于一栋三层天然基础厂房下，全、强风化岩面分界线位于隧道洞身，为上软下硬地层，且全风化层内含大量孤石，其地质断面如图3所示；左线刀盘里程为gdzk18+913，隧道拱顶埋深31.5米，盾构机位于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吗，其地质断面如图4所示。经地面地质补勘显示，目前隧道前方gdk18+918.3～gdk18+849段为上软下硬地层，且全风化层内含大量孤石，因场地条件限制，无法进行预处理。

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公分叶片断裂，导致螺旋机无法出土。

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米且盾构机上方均存在既有建筑物，地面无加固条件。若设置新的竖井，征地协调难度大，工程量大，竖井及暗挖隧道施工受干扰大，施工周期长，成本高。本工程所在场地地质从上到下依次为：素填土，淤泥质粉质粘土，粉质粘土，全、强、弱风化混合片麻岩。根据取水样试验成果，地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性。

为了能够使盾构机顺利通过，采用了本发明中的加固方法进行加固，如图1所示，在左、右线隧道1-1、1-2之间开挖平行导洞2对隧道正洞上方采用“管棚+注浆”对孤石段进行处理，其施工的具体结构图2所示，导洞2部分或整体高于盾构隧道的顶面，且导洞是从上悬孤石群盾构区间后方已施工完成的盾构隧道1内壁开洞施工而成，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3.5m(宽)×3.5m(高)。其具体施工步骤如下：

(1)导洞开洞：为了避免导洞开洞时需对地层进行加固，将导洞开洞位置选择在全断面应岩段，根据地质情况及始发井盾构机结构，导洞在距右线盾构机7的刀盘后方20米处硬岩段开洞，开洞中心里程为gdk18+938.3导洞2洞门设置在右线盾构机7盾体后方第8、9、10环处；由于考虑后期施工机具、材料、渣土运输及通风换气等因素，管片开洞切割尺寸为3.8m(宽)*2.8m(高)。其导洞施工的具体工序如下：

a.针对开洞处前后10环管片进行补充注浆，保证管片背后密实。

b.对开洞两侧各4环管片进行钢支撑加固，其管片钢支撑是由钢支架环5和工字钢支架6组成，设置在开洞环管片的钢支架环5安装在开洞环管片与其紧邻的非开洞环管片接缝处，设置在非开洞环的钢支架环5撑设在管片正中间，工字钢支架6包括4根i40b工字钢，并通过4根i40b工字钢实现纵向连接，钢支架环安装完成后若与管片存在间隙用木楔楔紧；钢支撑加固示意图见图5、图6所示。

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

d.切割管片，并施作开洞环梁，开洞环梁尺寸45cm(宽)×40cm(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。

e.支撑受力检算；

①其材料名称为q235，构件截面的最大厚度:16.50(mm)，设计强度:205.00(n/mm²)，屈服强度:235.00(n/mm²)；

②截面名称为工字钢组合π形截面(gb706-88):xh＝i40b(型号)，工字钢为40b(型号)，两工字钢腹板轴线距离[100≤w≤600]:250(mm)，构件高度:4.000(m)，容许强度安全系数:1.00，容许稳定性安全系数:1.00；

③荷载信息：恒载分项系数1.20，活载分项系数1.00，活载调整系数1.00考虑自重，轴向恒载标准值1300.000(kn)，轴向活载标准值0.000(kn)，偏心距ex:0.0(cm)，偏心距ey:0.0(cm)，

④抗拉强度:205.00(n/mm2)，抗压强度:205.00(n/mm2)，抗弯强度:205.00(n/mm2)，抗剪强度:120.00(n/mm2)，屈服强度:235.00(n/mm2)，密度:785.00(kg/m3)；

⑤稳定信息

绕x轴弯曲:

长细比:λx＝16.67

轴心受压构件截面分类(按受压特性):b类

轴心受压整体稳定系数:

最小稳定性安全系数:2.42

最大稳定性安全系数:2.42

最小稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:4.000(m)

最大稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:0.000(m)

绕x轴最不利位置稳定应力按《钢结构规范》公式(5.1.2-1)

绕y轴弯曲:

长细比:λy＝42.13

轴心受压构件截面分类(按受压特性):b类

轴心受压整体稳定系数:

最小稳定性安全系数:2.20

最大稳定性安全系数:2.20

最小稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:4.000(m)

最大稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:0.000(m)

绕x轴最不利位置稳定应力按《钢结构规范》公式(5.1.2-1)

⑥强度信息：最大强度安全系数2.47，最小强度安全系数2.47，最大强度安全系数对应的截面到构件顶端的距离0.000(m)，最小强度安全系数对应的截面到构件顶端的距离4.000(m)，计算荷载1560.77kn，受力状态轴压，最不利位置强度应力按《钢结构规范》公式(5.1.1-1)

通过理正结构软件计算得出构件的稳定及强度满足要求。

f.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米，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，开挖前，必须采用风枪在拱顶打设3m长超前探孔，确认为硬岩时，方可进行爆破,开洞前5m单循环进尺0.5米；并针对盾构机进行防护，防护体设置于盾构机台车上，长8米，高至管片顶部，采用30cm宽、5cm厚双层木板，木板间填塞棉被，木板靠管片侧覆盖橡胶皮，木板采用φ25钢筋定位，铁丝固定，防护体采用i18工字钢与管片支撑钢架进行连接固定；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2m，断面注浆以右线进入上软下硬里程gdk18+924为起点。

g.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＝3m)进行超前支护，初期支护全环设置i18工字钢，间距0.5m，全环设置双层钢筋网片、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20cm厚c30钢筋混凝土，加强导洞结构稳定，防止底板隆起；导洞支护结构如图7所示。

(2)管棚施工：在导洞开挖支护完成后，由导洞内向隧道正洞拱顶上方1m处施作φ108管棚并注浆，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8mm的热轧无缝钢管φ108mm，分节长度2米、2.5米，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，孔径间距15cm，梅花形布置，尾端设置1m止浆段；管棚距隧道正洞拱顶上方1m，水平间距33cm(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米；管棚打设时，相邻两钢管接头采用不同管节组合方式错开。为提高管棚刚度，如图8所示，管棚内插入3根φ20螺纹钢，呈三角形布置，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0.5～1.0mpa，终止压力1.5～2.0mpa。

(3)注浆加固：管棚施工完成后，采用wss注浆工艺，对隧道洞顶上方3米、隧道洞身及隧道外边线轮廓线外5米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。其注浆材料：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2.5～3.0mpa。

(4)孤石处理：因管棚净间距仅22.2cm，管棚及注浆加固在隧道周边形成支护体系，能有效控制盾构机在上软下硬地段掘进过程中的超方，有效阻止隧道上方孤石、抛石进入刀盘前方；从管棚间隙掉落的孤石最大直径为22.2cm，粒径小于22.2cm孤石可通过刀盘开口(30cm)进入土仓，通过螺旋机运出；所以在导洞及支护体系施工完成后，可通过盾构机刀盘开口进入刀盘前方，对刀盘面板进行清理，使刀盘运转，盾构掘进过程中，每掘进30～50cm开仓对刀盘前方进行检查，若能常压开仓，则及时采用液压破碎锤对孤石进行破碎。

(5)导洞回填：导洞在盾构机通过上软下硬孤石群地段后进行回填，具体是在地面设置2个投料孔，采用c15素混凝土对导洞进行回填，素混凝土回填完成后，对导洞进行注浆回填，注浆采用水灰比1:1的水泥单液浆。回填完成后，采用地质雷达对导洞及隧道正洞上方进行扫描，对不密实和存在孔洞部位进行补注浆，确保地面安全。

利用本发明中的处理方法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；实施例中孤石层地段经过加固处理，在上软下硬孤石群地层且下穿房屋地段，盾构机每天能完成1环1.6米的掘进。

以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。