一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法与流程

[0001]
本发明属于地铁盾构孤石置换技术领域，具体涉及一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法。


背景技术：

[0002]
盾构掘进中孤石的存在对盾构掘进造成极大的影响，是盾构掘进中面临的重大技术难题，在实际施工过程中，如果遇到超大直径孤石及大规模孤石群，硬岩岩石强度极高，导致施工难度大，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、断轴及螺栓易松动等现象，对盾构掘进施工影响极大。
[0003]
盾构工法孤石处理主要有以下几种方法：1、地面钻孔预爆破处理：根据勘察情况，采用钻爆法处理孤石，利用炸药对岩石的破坏，结合需求爆破破碎的粒径要求，进行适当的补孔、装药。一次爆破完毕后，清除孔内岩块继续进行下一次爆破，进而达到分裂、瓦解孤石的目的。
[0004]
此方法存在以下问题：1）爆破审批周期长，炮眼钻孔作业，施工效率低，同时爆破孔的数量、分布和装药量对孤石破碎效果影响极大，施工过程控制难度大；2）本区间周边为居民楼、商铺及河道，爆破施工对隧道周边土体造成扰动，对周边建（构）物安全产生极大影响，需要对周边土体进行注浆加固。
[0005]
2、盾构超前注浆孔注浆后盾构掘进：把准备好的钢花管从盾构机预留超前注浆孔插入刀盘前方的土体，注浆加固后，靠刀盘的冲击破碎能力通过孤石区域。
[0006]
此方法存在以下问题：1）全断面注浆对周边环境影响较大，特别是对济南地区泉脉发育地层影响极大；2）仅将孤石通过注浆固定牢固，但掘进过程中对刀盘及刀具的损耗较大，无形中增加了施工成本。
[0007]
3、岩石分裂机破碎孤石：盾构机开仓，对掌子面孤石用岩石分裂机破碎。
[0008]
此方法存在以下问题：1）需要开仓后进行孤石处理，空间小，工人操作难度大，风险高；2）地质条件不好的区域，需要对周边土体提前进行加固。
[0009]
4、静态爆破孤石：刀盘达到孤石表面后，采用盾构机的预留超前注浆孔进行超前注浆，使刀盘前方拱顶形成稳固整体良好的围岩，然后再开仓对孤石采取静态爆破，将碎石进一步粉碎后由螺旋输送机排出土仓。
[0010]
此方法存在以下问题：1）需要开仓后进行孤石处理，空间小，工人操作难度大，风险高；2）刀盘达到孤石表面后，才能对孤石进行处理，处理过程中，盾构无法掘进施工。
[0011]
在泉脉发育区域这种特殊地质条件下，注浆加固施工会对周边泉脉产生污染，同时会使泉脉造成永久性堵塞，严重影响了生态环境。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地铁盾构穿越超大直径孤石及孤石群软弱不均地层孤石预处理方法，避免采用现有技术中使用注浆和爆破的常规手段，保证孤石处理与盾构掘进施工同步进行，互不影响，同时最大化的减少盾构隧道施工对周边生态环境造成影响，提高富水软硬不均超大直径孤石群、空洞地层盾构隧道施工效率。
[0013]
为实现上述目的，提出一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法，包括：在预设地铁开设线路上，采用地球物理探测方法，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石，以对沿线的空洞和孤石进行识别和成像；根据探测结果，进行孤石置换处理：根据地铁开设线路沿线识别的孤石图像，设定处理方案；其中，所述处理方案为：靠近地层一侧的风化闪长岩通过地层采用旋挖钻机挖掘成孔，远离地层一侧的极硬岩采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，并采用低强度砼进行换填；在孤石置换的同时，盾构掘进同步进行，与孤石置换互不影响，整个施工过程无需进行土体注浆加固。
[0014]
其中，在采用地球物理探测方法，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石的步骤中，包括地表普查和区域精查的探测方式；其中，地表普查的探测方式包括：面波探测法、多次覆盖地震波法、高密度电法和瞬变电磁法；区域精查的探测方式包括：地质雷达法、微动探测法和孔中物探法；通过对各探测方法结果进行综合解译，对地铁开设线路掘进面沿线孤石准确识别与成像。
[0015]
其中，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石的步骤中，通过探测可得地铁开设线路上存在孤石或孤石群。
[0016]
其中，在地层钻孔过程中，若孤石最长长度在钻孔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；若孤石最长长度超出钻孔孔桩直径范围时, 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，根据钻孔桩桩径进行调整，确保各咬合桩间无空隙。
[0017]
区别于现有技术，本发明提供了一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法，利用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。本发明采用旋挖钻+潜孔锤接力法进行孤石处理，上部全、强风化闪长岩地层采用旋挖钻机成孔，下部极硬岩，采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，有效提高了成孔效率。通过本发明，能够提前发现盾构掘进范围内空洞，采用低强度砼进行填筑，有效降低了掘进过程中对刀盘及刀具的损耗；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。
附图说明
[0018]
图1是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的多种地球物理探测方法综合探测技术原理示意图；图3是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的置换孤石大小大于孔桩直径时的第一实施方式钻孔布设图；图4是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的置换孤石大小大于孔桩直径时的第二实施方式钻孔布设图；图5是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的置换孤石大小大于孔桩直径时的第三实施方式钻孔布设图；图6是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的置换孤石大小大于孔桩直径时的第四实施方式钻孔布设图；图7是本发明提供的一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法的紧密孤石群置换钻孔布设图。
具体实施方式
[0019]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0020]
参阅图1，本发明提出一种地铁盾构穿越超大直径孤石的预处理方法，通过本发明的方法，能够避免采用现有技术中使用注浆和爆破的常规手段，具体包括：在预设地铁开设线路上，采用地球物理探测方法，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石，以对沿线的空洞和孤石进行识别和成像；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；在孤石置换的同时，盾构掘进同步进行，与孤石置换互不影响，整个施工过程无需进行土体注浆加固。
[0021]
根据探测结果，进行孤石置换处理：根据地铁开设线路沿线识别的孤石图像，设定处理方案；其中，所述处理方案为：靠近地层一侧的风化闪长岩通过地层采用旋挖钻机挖掘成孔，远离地层一侧的极硬岩采用潜孔锤钻机进行孤石置换作业，并采用低强度砼进行换填。
[0022]
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。
[0023]
在具体实施过程中，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。
[0024]
本发明中，富水软硬不均超大直径孤石群、空洞地层，孤石和空洞处理完成后，盾构最佳掘进参数为：推力7000-8000kn，扭矩1000n
·
m，转速1.3r/min。
[0025]
其中，在采用地球物理探测方法，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石的步骤
中，包括地表普查和区域精查的探测方式；其中，地表普查的探测方式包括：面波探测法、多次覆盖地震波法、高密度电法和瞬变电磁法；区域精查的探测方式包括：地质雷达法、微动探测法和孔中物探法；通过对各探测方法结果进行综合解译，对地铁开设线路掘进面沿线孤石准确识别与成像。
[0026]
其中，探测所述地铁开设线路上是否存在孤石的步骤中，通过探测可得地铁开设线路上存在孤石或孤石群。
[0027]
其中，在地层钻孔过程中，若孤石最长长度在钻孔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；若孤石最长长度超出钻孔孔桩直径范围时, 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，根据钻孔桩桩径进行调整，确保各咬合桩间无空隙。
[0028]
具体的，济南市轨道交通r2线一期土建工程施工四标段宝华街站～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。宝长区间地处泉脉发育地区，穿越风险源较多，共计穿越18处建、构筑物及1处河道，在区间隧道范围内，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，硬岩岩石强度平均134mpa，最高达到264mpa，最大孤石直径超过2.6m，在世界范围内实属罕见，同时，在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，威胁隧洞施工安全，施工难度非常大。
[0029]
在该隧道掘进通过富水软硬不均超大直径孤石群、空洞地层时，采用了一种地铁盾构穿越超大直径孤石群软弱不均兼空洞地层孤石预处理方法，具体实施步骤如下：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。具体包括：步骤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1.5~3 m，累计布置检波器108个(单条测线 54 个)；检波器安装在路面上，采用冲击钻施做直径约为2 cm、深度为7-10 cm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，每个点锤击三次并采集。
[0030]
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4 m；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，采用冲击钻施做直径约为2 cm、深度为7-10 cm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，每个点锤击三次并采集。
[0031]
3、高密度电法：在两个隧道外轮廓分别向两侧外扩2 m，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2 m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1.5~2 m，采用冲击钻施做直径约为2 cm、深度为10 cm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。
[0032]
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。
[0033]
步骤二：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2 m布置2条测线，在两个隧道中轴线向两侧2 m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12~25 m。
[0034]
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。
[0035]
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(共施做四排探测孔)；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。
[0036]
步骤三：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。
[0037]
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。
[0038]
具体的，通过比较孤石在水平面的投影面积与打桩机桩孔面积，确定打桩机打孔数量。在打桩过程中，打桩孔直径取r=1.2m，桩间咬合长度设置为l=0.35m，图示s为桩间距，则s=r-l=0.85m。通过比较，若孤石投影面积可被一个桩孔覆盖，则在孤石正上方进行打桩；若孤石投影无法被一个桩孔覆盖，结合孤石位置及投影面积，调整打桩位置，通过两个或两个以上的桩孔，以覆盖孤石投影。图3-图6，分别对应通过3个、4个、6个及9个桩孔覆盖的情况。图7所示为遇到孤石群时的打桩桩孔设置情况。
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富水软硬不均超大直径孤石群、空洞地层，孤石和空洞处理完成后，盾构最佳掘进参数为：推力7000-8000kn，扭矩1000n
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m，转速1.3r/min。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。
[0040]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。