不同地質條件下盾構工程孤石處理工藝及實例

王鵬華

(臺山核電合營有限公司，廣東 臺山 529228)

0 引言

孤石是指存在于軟質風化層中的花崗巖球狀風化體，球狀風化是花崗巖層中十分常見的現象，屬于花崗巖的不均勻風化。花崗巖球狀風化體在珠三角地區常見于廣州北部、深圳的大部分地區以及珠海沿岸大部分地區，搬遷作用在廣東臺山海底淤泥層，成都、長沙的少數卵石地層中被發現，但分布數量較少。孤石有自然風化產物和搬遷作用2種成因，花崗巖球狀風化體以及大型卵石都可能成為孤石，成為盾構法隧道掘進過程中的巨大障礙［1－3］。

由于孤石埋藏分布是隨機的，且形狀各異，大小不一，強度可達到200 MPa以上，對地鐵盾構工程施工極為不利。盾構隧道施工前多采用盾構機破巖和人工破巖、或進行洞內靜態爆破、火藥爆破孤石，也有的利用地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石等方法進行預處理［4－10］。本文以廣東省內某核電站取水隧洞采用地下深孔爆破處理孤石的成功實例為背景，參考深圳地鐵5號線民治站—五和站區間通過冷凍、地面沖孔和人工挖孔等綜合方法進行提前預處理的成功案例，長沙地鐵2號線7標通過地表注漿固定孤石進行預處理的成功案例以及廣州地鐵3號線天河客運站通過盾構機直接切削孤石的工程實例，重點研究解決不同地質和工況條件下盾構施工孤石處理的技術難題。

1 孤石分布規律

雖然孤石分布具有離散性大、埋藏深度范圍廣、空間賦存特征不規則的特點，但仍具一定規律，為:

1)孤石的自然風化產物主要分布于花崗巖的全風化帶和強風化帶中;

2)孤石大小一般為0～5 m，對于盾構隧道施工，300 mm以上的孤石應重點關注;

3)孤石主要集中在埋深10～30 m處，正是國內大多數盾構隧道所處的深度范圍;

4)在垂直風化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特點，即隨著高程的增加，孤石的密集程度愈來愈大，而體積越來越小;

5)孤石的大小隨風化程度的增強而減小，而數量卻隨著風化程度的增強而增加。

2 孤石對盾構隧道的危害

1)由于孤石單軸抗壓強度非常高，與四周風化碎屑強度差異較大，在刀盤切削時，孤石將發生滾動，很難被刀具破碎，掘進效率低下，極易造成刀具過載，甚至嚴重損壞刀盤結構。

2)由于盾構掘進時孤石在地層內隨機滾動，極易造成刀盤偏載，盾構姿態難以控制。

3)在此條件下掘進，刀具貫入度極低，掘進過程對周邊土體擾動大，容易造成地層沉降超標，甚至危及周邊建(構)筑物安全。

4)由于孤石周圍強風化和全風化地層的穩定性差，遇水極易軟化崩解，且其滲透性因風化程度的差異極不均勻，更換刀具時往往需要采取非常規手段，效率低且安全保障性差。

3 孤石處理的主要方法

孤石處理的總體思路首先是通過必要的手段進行詳細勘探，查清其分布的具體位置、形狀和大小，再根據地面條件和地層條件決定處理方法。但無論采用何種方法進行勘探，都具有一定的不確定性，都可能產生漏判;所以，在孤石地層中掘進，盾構必須具備相應的破巖能力。

針對孤石對盾構掘進危害的類型，在工程中常用的孤石處理方法有:

1)盾構直接破除孤石。這需要滿足2個條件:一是盾構及刀具必須具備足夠的破巖能力;二是在切削過程中，孤石必須處于固定狀態。若要直接破除，一般情況下需提前采用注漿或冷凍等措施固定孤石，然后破除。

2)地面預處理人工破除。通常有地面沖孔、地下深孔爆破以及人工挖孔破碎或者液壓劈裂機法等措施。

3)洞內人工破除。采用靜態爆破、定向爆破和巖石分裂機等設備破除，通常需要對土體進行加固或者采用氣壓作業的方式，但由于施工風險問題，洞內人工破除方法不能作為孤石處理的常規手段。

4 孤石處理工藝及工程實例

4.1 地下深孔爆破

4.1.1 工程概況

廣東省內某核電站取水隧洞全長4 300 m，采用直徑9.03 m的復合泥水盾構，所采用泥水盾構設備要求出碴粒徑不能大于140 mm，進入刀盤的石塊粒徑不能大于300 mm，否則石塊將不能進入碎石機進行二次破碎，而在碎石機進口產生堆積，造成堵塞。

4.1.2 孤石探測方法

通過海上走航式地震法物探和鉆孔驗證相結合的方法對陸域側基巖及孤石存在的區域進行勘探，基本準確地探測出孤石及孤石群的具體位置，確定在盾構始發階段約360 m范圍內都存在孤石及孤石群的分布(見圖1)。

圖1 基巖及孤石群分布圖Fig.1 Distribution of bedrocks and boulders

4.1.3 孤石處理工藝

由于盾構隧洞處于海域條件下施工，隧道埋深在水面下20 m(水深為0～8 m)，在這個深度和地表條件下，不適合采用冷凍、注漿、地面沖孔、人工挖孔等預處理方法，故選用地表及海面鉆孔進行地下深孔爆破的方法進行預處理。在此之前，國內尚無在海面條件下進行如此大規模爆破預處理的先例。

需處理的基巖段長126 m(處理里程 DK0+157～+283)、孤石群段216 m(DK0+283～+499)。沖擊鉆孔區域擬投入1臺型號為JB106B液壓鑿巖鉆機，爆破區域投入4臺跟管潛孔鉆機和12臺地質鉆機。

4.1.4 孤石處理成效

由于DK0+218～+283段處于近海海域，為了加快施工進度，該區段采用石碴回填填筑平臺，海域段采用多鉆機鉆孔平臺作業，多作業面進行施工。本段基巖及孤石群的實際處理共計90 d。

自2010年8月15日—12月14日，盾構順利穿過基巖及孤石群長度342.2 m(K0+157～+499.2)僅歷時4月，在這個過程中，仍遭遇遺漏的大約600 mm以內的小型孤石，更換滾刀166把、切刀201把、邊刮刀186把，爆破后的石碴尺寸基本都維持在100 mm以內，完全滿足本項目泥水系統的要求。盾構刀盤得到了很好的保護，在盾構通過4 300 m的掘進后僅進行少量修復就再次投入了2號隧道的施工。

本項目的處理工藝和方法在國內外盾構界罕有先例，為總體工期和安全保障提供了有力保障，為國內海底盾構第一難的隧洞按期貫通排除了最大的障礙。沖擊鉆沖孔和水下爆破方式進行基巖和孤石處理技術在盾構隧道尤其是越海工程中取得了良好成效，是盾構順利通過基巖和孤石群的成功案例。

4.2 冷凍、地面沖孔和人工挖孔

4.2.1 工程概況

深圳地鐵5號線民治站—五和站區間在深圳梅林關外，盾構機直徑6.28 m，隧道埋深為12～18 m。項目設計勘查階段發現有基巖突起及孤石存在，通過施工階段的詳勘，發現從隧道始發井開始近800 m的范圍內存在孤石(見圖2)。

4.2.2 孤石處理工藝及成效

始發井端頭為全風化的花崗巖地層，地下水位在地面以下1 m，必須進行加固處理，考慮到端頭以外3 m有一個暗渠，如采用注漿或旋噴樁加固方式，地面條件不足，根據各方案比選，采用冷凍方式進行端頭加固。在這個范圍內存在的孤石也通過冷凍方式予以固結，采用盾構直接切削，盾構平穩始發，未發生刀具損壞等現象。

圖2 孤石分布示意圖Fig.2 Distribution of boulders

在其余約800 m的隧道范圍內，地面條件相對較好。通過瑞雷波物探和地質鉆孔相結合的方式，探測出19處孤石，大小為1.1～3.6 m。由于距線路10 m處地面為平南鐵路，軌線與線路平行，爆破法可能會對鐵路路基造成難以預見的損害。經協調、論證后，決定采用人工挖孔和地面沖孔相結合的方法，多個工作面同步作業，以減少對周邊環境的影響。最終在盾構掘進之前完成了孤石的預處理，僅用5月就完成了800 m長的孤石區段盾構掘進，10月內完成了整個項目2 100 m的區間隧道掘進任務。這在孤石普遍存在的深圳地鐵隧道施工中是一個典型的成功案例，具有積極的借鑒意義。

4.3 地表注漿

4.3.1 長沙地鐵2號線7標概況

由于古河床沖刷搬運的作用，在石灰巖溶巖群中存在大量泥沙及卵石，五一廣場站的施工也揭示有直徑超過1 m的大型卵石。如此大型卵石同花崗巖風化層內的孤石一樣，對盾構施工來說是一個巨大的風險。

地層分布的卵石粒徑一般為2～10 cm，存在極少數大型卵石。因同時需要對該區段存在的溶洞進行填充，通過密集的鉆孔注漿，既對溶洞起到填充作用，也對分布在該區段的卵石進行了相應的固結。在左右線盾構掘進都遭遇孤石后，通過調整掘進參數，降低刀盤轉速，減少沖擊等技術措施，盾構順利通過，按期完成了五一廣場站—芙蓉廣場站區間隧道的掘進。

4.3.2 經驗教訓

該項目通過地表注漿固定孤石進行預處理的成功技術值得推廣，但在盾構掘進過程中，大塊卵石進入螺旋輸送機導致設備被卡死的情況多次出現，故在刀盤設計時應考慮類似條件下格柵的尺寸和形式，避免螺旋機卡死。

4.4 盾構直接切削孤石

廣州地鐵3號線天河客運站采用直徑6.28 m復合式土壓平衡盾構進行掘進，由于對孤石存在的判斷和勘探工作未受重視，盾構選型時僅對刀盤及其支撐機構進行了相應的改造。

隧道右線第一次遭遇孤石時，未提前進行處理，采用盾構直接切削的方式進行孤石處理，導致歷時107 d，僅掘進15 m(YDK1+691～+706)孤石區域，期間更換刀具51把，對刀盤產生了嚴重的損壞，滾刀刀座出現變形(圖3)，導致刀具更換困難，還嚴重影響到地面環境安全(圖4)。

在通過YDK1+691～+706段僅10 m后，再一次遭遇孤石，由于對孤石的認識和危害不充分，仍采用盾構直接通過的方法進行施工。在加強刀具檢查和更換時，氣壓作業壓力無法建立，最終通過盾構后退，采用洞內注漿、掌子面噴射混凝土等方法進行作業面封閉，并進行了3次帶壓進倉換刀，耗時85 d。

本工程是采用盾構刀盤直接切削并進行人工洞內處理孤石的一個典型實例，在總計不到30 m的隧道范圍內，共耗時192 d，工程付出了巨大代價。實踐證明，在未探明孤石分布并采取相應的預處理措施的情況下，盾構直接掘進孤石區，是一種不可取的方法。

5 結論與建議

因孤石分布隨機、形狀大小各異且強度不一，致使盾構掘進范圍內土層軟硬不均，在盾構隧道施工過程中對刀盤、刀具產生極大傷害，盾構姿態控制困難、對周邊環境造成極大破壞，嚴重影響施工進度、大幅增加工程成本，甚至因處理條件問題導致工程失敗。如何處理隧道范圍內的孤石，是盾構隧道施工的一大技術難題。

對于復雜地質條件下的盾構施工，尤其是存在花崗巖全風化或者強風化地層的隧道區間的施工，在項目策劃時需要將其作為一個重大風險予以對待。針對這類地層的盾構施工，應遵循以下基本原則進行施工決策:

1)在地質勘探方面，詳實的地質勘察工作是不可缺少的。對花崗巖風化地層，采用30～50 m間距的地質鉆孔難以滿足對孤石探測的要求，需要采用合適的物探工藝和鉆孔探查相結合的方式，準確探測孤石存在的位置分布、大小及形狀。

2)對孤石處理應遵循預處理在先的原則，嚴禁在毫無措施的條件下直接采用盾構進行切削，否則將造成不可挽回的損失，輕則造成工期嚴重滯后、工程成本大幅增加，重則造成工程失敗。

3)根據不同地質和環境條件制定不同的處理工藝。地下深孔爆破是處理孤石運用最新也最有效率的方法之一，建議優先選用;冷凍法、注漿固結、人工挖孔、沖孔破碎等各種輔助工藝都在工程實踐中有過成功的先例，具體工藝措施要根據項目的不同條件來選取。

4)應合理選擇盾構類型，優化刀盤設計和刀具選擇，增強其破巖能力，使其能夠滿足經預處理后可能遺漏的孤石的需求。

5)盾構在預處理過的孤石地段掘進時，掘進參數的監控尤為重要，刀具貫入度應保持相對較小的數值;同時，刀盤轉速的變化是刀盤前負載情況最直觀的反映，一旦產生明顯變化，需引起特別注意。

6)刀盤的保護是孤石地層掘進過程中的重點。刀具的完好和正常工作是保護刀盤不受損失的最直接手段，掘進過程中對刀具應做到勤檢查、勤更換。

7)泥水盾構漿液的配比對保護刀具和刀盤、提高掘進效率至關重要，漿液要有利于提高泥水管路攜渣能力，有利于降低對刀具、刀盤的磨損;土壓平衡盾構能改善渣土的流動性、降低土倉溫度，是保護刀具的有效手段。

8)必須防止在盾構掘進困難時進行盲目作業，降低刀盤結構性損傷的風險。

9)孤石預處理是一項工藝復雜且耗資巨大的輔助工程，在地面無條件進行預處理的情況下，盾構機本身尚無有效措施處理孤石，建議在項目初步設計階段就將該風險納入工程策劃決策中。

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