淺談盾構(gòu)孤石段地層掘進(jìn)技術(shù)

槐榮國/HUAI Rong-guo

（中鐵五局集團(tuán) 電務(wù)城通工程有限公司，湖南 長沙 410117)

1 引 言

由于孤石的影響，盾構(gòu)施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有:掘進(jìn)困難并頻繁卡刀盤；盾構(gòu)姿態(tài)難以控制；刀具磨損非常嚴(yán)重、刀座變形、更換困難；刀盤磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，刀盤變形；刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞開口率降低、盾構(gòu)負(fù)載加大；被刀盤推向隧道側(cè)面的大漂石甚至導(dǎo)致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，偏離隧道軸線；掘進(jìn)振動大，對保護(hù)地面建筑物不利等。

目前國內(nèi)盾構(gòu)施工過程中探明孤石的地層較多，處理的方法眾說紛紜，但總體效果仍不理想，處于摸索階段，并且尚未找到一種切實有效的處理方法。迄今為止，盾構(gòu)施工過程中，通過孤石段地層主要依靠盾構(gòu)直接推進(jìn)，控制參數(shù)通過。本文結(jié)合個人施工經(jīng)驗詳細(xì)介紹盾構(gòu)掘進(jìn)孤石地層時的措施和注意事項。

2 工程概況

本工程為深圳地鐵11號線寶安站至碧海站區(qū)間施工，區(qū)間隧道主要穿越地層為：礫砂、粘土、砂質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土及全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部穿越中風(fēng)化巖層、微風(fēng)化巖層。對局部通過中風(fēng)化片麻狀混合花崗巖和中風(fēng)化片麻狀混合花崗巖和突起段，采用礦山法開挖初支盾構(gòu)空推拼裝管片通過的方式施工。寶碧區(qū)間有兩段采用礦山法暗挖隧道+盾構(gòu)空推的方法進(jìn)行施工。在盾構(gòu)順利通過礦山法隧道后，多次遇到孤石。巖石抗壓強(qiáng)度40～80MPa，直徑最大的3m。

3 孤石分布規(guī)律及施工中的針對性措施

3.1 孤石的成因

孤石的成因主要有兩種：①由人工回填造成的存在于回填土層中的大孤石，如：拋石起淤，軟基處理等，該類孤石勘探難度較大，很難找到其分布規(guī)律。②由于巖石巖性不均勻、抗風(fēng)化能力差異大，加之?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育及巖體的次生裂隙導(dǎo)致巖體破碎，抗風(fēng)化能力減弱，在深度風(fēng)化情況下所形成的。當(dāng)花崗巖中發(fā)育有幾組交叉的節(jié)理時節(jié)理把巖石分割成棱角形塊，風(fēng)化特別集中在3組節(jié)理相交的棱角部位，風(fēng)化速度快，久而久之，棱角逐漸被圓化。風(fēng)化作用不斷進(jìn)行時，漸趨于使巖塊變圓，形成球狀花崗巖孤石。

加密補(bǔ)充地質(zhì)勘探，掌握孤石的分布情況，為探明孤石的分布情況，采用以鉆探為主，多種方法聯(lián)合運用相互印證的綜合探測方案。在工程初勘和詳勘基礎(chǔ)上，首先采用瑞利波法和高密度電阻率法同時沿隧道中軸線進(jìn)行勘探，大致探出盾構(gòu)隧道中軸線洞身及上下一定深度影響范圍內(nèi)孤石的分布、發(fā)育情況和接觸關(guān)系等。然后結(jié)合區(qū)間隧道中線和開挖輪廓線，根據(jù)物探確定的孤石位置，布設(shè)地質(zhì)探孔，進(jìn)行取芯補(bǔ)勘。

補(bǔ)勘孔沿線路中線間距10m布置，具體步驟是，在揭露有孤石存在的區(qū)域中心利用原來的物探孔打眼，根據(jù)所取芯樣中巖層的情況判別補(bǔ)勘范圍是否要向外延伸或向內(nèi)縮進(jìn)，再沿縱、橫向軸線增加新補(bǔ)勘孔，直至探明孤石的大小及分布范圍。如果地質(zhì)鉆顯示下方有孤石，以第1個地質(zhì)探下鉆點為中心，以2m為半徑畫圓，然后在圓上的4個方向上定出4個點位分別下鉆繼續(xù)勘探，直到確定出孤石的具體位置、大小、埋深、強(qiáng)度以及孤石周圍地層的軟硬程度，并認(rèn)真核對是否和詳勘地質(zhì)報告所提供的地質(zhì)情況相符。

孤石的成因雖然簡單，但是較難探出具體位置和具體數(shù)量，主要是補(bǔ)充地質(zhì)勘探場地受限，其次是成本較高，再是收獲相對費用支出性價比較低。

3.2 分布規(guī)律

雖然花崗巖球狀風(fēng)化體的分布具有離散性大、埋藏深度大、空間賦存特征不規(guī)則的特點，但仍具有一定規(guī)律:①主要分布于全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶；②在垂直風(fēng)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，球狀風(fēng)化體越來越密集，而體積越來越小；③孤石的大小隨著風(fēng)化程度增強(qiáng)而減小，而數(shù)量卻隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)而增加，這一特征正好與第2點相吻合；④在全風(fēng)化帶中也可能存在較大的孤石，在強(qiáng)風(fēng)化帶中，也有可能出現(xiàn)較小直徑的孤石，這說明球狀風(fēng)化體的大小也受到局部巖性條件和地質(zhì)條件等因素的影響。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)中遇到孤石的處理措施

根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定處理方法。當(dāng)隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，應(yīng)首先采用地面處理方式；當(dāng)?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時，采用洞內(nèi)處理方式。

孤石處理的方法主要有：①地層注漿加固后盾構(gòu)推進(jìn)；②鉆孔爆破孤石；③人工挖孔破碎孤石；④沖孔樁破碎法；⑤盾構(gòu)超前注漿孔注漿，盾構(gòu)掘進(jìn)；⑥靜態(tài)爆破巖石分裂機(jī)破碎孤石；⑦盾構(gòu)直接掘進(jìn)。

由于孤石的勘探難度較大，地面處理條件限制因素較多，土倉內(nèi)處理風(fēng)險較大，且處理后效果不明顯，加之成本較高等原因，在施工過程中施工單位比較普遍采用的辦法為盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石地層。

4 盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石地層技術(shù)

4.1 依據(jù)參數(shù)判別孤石

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)中扭矩頻繁波動量在正負(fù)500kNm以上時，推進(jìn)速度頻繁波動量在30mm/min時，土壓的變化對推進(jìn)速度、刀盤扭矩、推力等重要參數(shù)影響較小，加上對所出渣土的取樣分析，結(jié)合地質(zhì)勘探報告很容易判斷出刀盤前方是否遇到孤石。

4.2 盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石段的參數(shù)及說明

4.2.1 盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石段的參數(shù)

盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石段的參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)孤石段參數(shù)表

4.2.2 盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石段的參數(shù)說明

1)土倉壓力土倉壓力主要根據(jù)地層埋深進(jìn)行設(shè)定（10m約1bar),但是掘進(jìn)過程中盡量控制好壓力波動，防止地面沉降，可將螺旋轉(zhuǎn)速控制在1r/min，以螺旋倉門開啟度控制出土，盡量將壓力波動控制在正負(fù)0.2bar。遇到孤石后難免會出現(xiàn)噴涌，無論如何噴涌，都須將螺旋轉(zhuǎn)速控制在1r/min，嚴(yán)禁長時間不轉(zhuǎn)螺旋，僅開啟螺旋倉門開啟度泄壓，這樣很容易造成泥水分離，石渣沉底，堆積過多后，長時間推力擠壓很容易形成泥餅。為了減少噴涌可適當(dāng)注入聚合物以緩解噴涌。

2)刀盤轉(zhuǎn)速（及轉(zhuǎn)向）刀盤轉(zhuǎn)速的控制直接影響到孤石的磨損周期，轉(zhuǎn)速越快，扭矩越大，孤石磨損周期縮短，但存在滾刀刀刃被崩，刀箱變形，盾體扭轉(zhuǎn)等風(fēng)險。刀盤轉(zhuǎn)速過慢，孤石磨損周期加長，推進(jìn)速度緩慢。合理的選擇刀盤轉(zhuǎn)速直接影響到盾構(gòu)掘進(jìn)孤石段的安全及功效，個人建議控制在0.8～1.0r/min為佳，但仍需根據(jù)扭矩做出適當(dāng)調(diào)整。頻繁切換刀盤轉(zhuǎn)向有利于孤石的磨損，建議多次切換刀盤轉(zhuǎn)動方向（每環(huán)至少4次）。

3)刀盤扭矩的變化主要由孤石的大小、硬度和嵌入刀盤的方式?jīng)Q定，合理的設(shè)置扭矩上限值是保證掘進(jìn)安全的前提，一般控制在2 000kNm以內(nèi)，當(dāng)然越小越好。當(dāng)扭矩過大時可適當(dāng)注入聚合物（有一定的潤滑作用，且可以防止噴涌），可大大降低扭矩（注意：聚合物和膨潤土不能同時使用，若同時聚集在土倉內(nèi)極易形成泥餅）。

4)推力在孤石段掘進(jìn)，推力控制難度較大，推力過小盾構(gòu)無進(jìn)尺，推力過大易造成刀盤扭矩大且盾構(gòu)抖動較大，只能根據(jù)刀盤扭矩變化控制推力即“扭矩控制推力法”。

5)推進(jìn)速度孤石段掘進(jìn)與正常掘進(jìn)截然不同，由于地質(zhì)愿意盾構(gòu)不能正常發(fā)揮其功能，各項參數(shù)波動頻繁，設(shè)備負(fù)載波動頻繁，在此期間要嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，不能追求速度，盲目掘進(jìn)，最終只能適得其反。推進(jìn)速度嚴(yán)格控制在20mm/min以內(nèi)（孤石抗壓強(qiáng)度在80MPa以內(nèi)），根據(jù)孤石的抗壓強(qiáng)度可適當(dāng)將上限值調(diào)低。

6)渣土改良孤石地段掘進(jìn)參數(shù)較難控制，刀具非正常磨損風(fēng)險增加，且容易噴涌，排渣不暢，極易形成泥餅。所以該段地層的渣土改良尤為重要，建議用優(yōu)質(zhì)泡沫，另可用膨潤土系統(tǒng)注入適量的聚合物，可有效地控制噴涌并能大大降低刀盤扭矩。

4.3 注意事項

1)孤石段掘進(jìn)不比正常掘進(jìn)，盾構(gòu)猶如逆水行舟，舉步維艱，在此過程中盾構(gòu)司機(jī)要隨時注意參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)異常立刻停機(jī)匯報，待找到原因后方可恢復(fù)推進(jìn)，以免造成不必要的損失。

2)盾構(gòu)司機(jī)須如實記錄好每環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)變化，工程技術(shù)人員對每班掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，若參數(shù)向好可繼續(xù)按此參數(shù)掘進(jìn)直到順利穿越孤石層，若參數(shù)趨勢越來越差時，必須立即停機(jī)檢查刀具后方可繼續(xù)掘進(jìn)，以免造成刀箱變形、刀盤磨損等重大后果。

3)在此期間盡量做到勤檢查、勤更換刀具。具備常壓開倉條件的地段，盡量多次開倉檢查，不具備常壓開倉條件的地段，則必須要有計劃地進(jìn)行帶壓開倉檢查及更換刀具。

4)此方法適合處理較大型孤石，且孤石與刀盤的接觸面較大，若孤石強(qiáng)度在60MPa以內(nèi)且直徑較小的孤石也可采用此辦法，但需要隨時注意參數(shù)變化并做好分析總結(jié)，做好隨時檢查刀具的準(zhǔn)備。

5 結(jié) 語

本文針對深圳地鐵11號線11303標(biāo)寶碧區(qū)間盾構(gòu)孤石段掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究、分析與實踐，詳細(xì)闡述了盾構(gòu)掘進(jìn)孤石段參數(shù)的控制和注意事項。對孤石的成因做了簡單概述，對孤石段掘進(jìn)的風(fēng)險進(jìn)行了闡述，結(jié)合本項目左右線成功穿越孤石段地層施工經(jīng)驗進(jìn)行分析總結(jié)。本次盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石段地層參數(shù)控制技術(shù)的成功運用，為今后盾構(gòu)穿越孤石段地層及類似施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 竺維彬，鞠世健．地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險源及典型事故的研究[M]．廣州：暨南大學(xué)出版社，2009.

[2] 劉建國．深圳地鐵盾構(gòu)隧道技術(shù)研究與實踐[M].北京：人民交通出版社，2011．