盾構穿越花崗巖球狀風化孤石群的施工關鍵技術

黃恒儒

(廣州市盾建地下工程有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引言

花崗巖地層由于其物質(zhì)組成特點，在風化過程中很容易發(fā)育出未風化或者微風化的堅硬球狀體，即“孤石”。孤石的存在對地下工程尤其是盾構隧道工程施工影響極大，容易導致地面沉降、設備損壞、隧道質(zhì)量事故等風險，是盾構施工的“天敵”之一。在廣州北部和東部部分地區(qū)，廣泛分布有燕山期花崗巖，由于風化不均產(chǎn)生了大量孤石，孤石的分布在部分區(qū)域較為零散而部分區(qū)域則密集成群，廣州地鐵3、6、21號線等建設時均因遇到孤石而導致工期滯后。近年來，業(yè)內(nèi)總結出的孤石處理方式主要有2種:一是在盾構掘進過程中對孤石進行處理，如使用盾構直接切削孤石、洞內(nèi)火工爆破孤石或洞內(nèi)液壓劈裂機處理孤石;二是在盾構施工前對孤石進行預處理，如采用地面沖孔破除孤石、人工挖孔樁挖除孤石、地面鉆孔爆破孤石等［1－5］。這些方法在應對單體孤石時取得了良好的效果，但在孤石發(fā)育密集的孤石群區(qū)，施工風險和困難比單體孤石要大得多，采用單一的孤石處理方式往往具有一定的局限性。為此，本文依托廣州市6號線(蘿崗站—香雪站)盾構區(qū)間的施工實例，分析盾構在孤石群地層中的施工風險，從孤石預處理、盾構掘進和開艙等方面系統(tǒng)地研究盾構穿越孤石群的方法。

1 工程概況

廣州軌道交通6號線 (蘿崗站—香雪站)區(qū)間位于廣州市蘿崗區(qū)，隧道直徑為6 m，采用盾構法施工。該工程隧道線路上通過勘探揭露及盾構掘進遇到的孤石約200多塊，其中孤石發(fā)育密集的區(qū)域包括檢察院段孤石群、大朗村段孤石群和隔陂涌段孤石群等。

檢察院段左線孤石群位于里程ZDK40+030～+123，通過補勘揭露孤石27塊。孤石天然抗壓強度為80～110 MPa，RQD值為80% ～100%，主要發(fā)育于〈5H－2〉硬塑狀花崗巖殘積土和〈6H〉全風化花崗巖殘積土中。左線檢察院段孤石群縱斷面見圖1。

圖1 左線檢察院段孤石群縱斷面圖(單位:m)Fig.1 Longitudinal profile of left tunnel tube showing boulder groups(m)

2 孤石群形成機制及盾構穿越孤石群主要施工風險

2.1 孤石形成機制及其地質(zhì)特征

花崗巖在形成演化期間由于受構造應力和風化應力的影響形成許多相互正交的節(jié)理，在這些節(jié)理切割形成的花崗巖塊狀巖石露出地表后不斷受風化作用的過程中，其突出棱角部位易受風化并趨向球形，便形成了球狀風化體，俗稱“孤石”。花崗巖球狀風化體的分布雖無固定規(guī)律，但也有一些明顯特征:其大小隨著風化程度的增強而減小，而數(shù)量卻隨著風化程度的增強而增加，但在垂直風化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特點［1］。

花崗巖球狀風化孤石群風化的殘積土主要為砂質(zhì)黏性土及礫質(zhì)黏性土，土質(zhì)均勻性差，含砂量高，遇水易軟化崩解;風化殘留的孤石抗壓強度高，與周邊風化的軟弱地層的強度差異極大;一般在孤石密集發(fā)育的區(qū)域周邊地層含水量較高。

2.2 盾構穿越孤石群主要施工風險

盾構在掘進孤石群時，主要靠刀盤上的滾刀破巖前進，而滾刀能否順利破巖主要取決于盾構能否提供足夠的切削力破巖以及孤石不能移動［2］。盾構在通過孤石群地層時，主要存在以下風險。

1)掘進速度慢，掘進參數(shù)波動大，對周邊地層擾動較大，容易超挖，導致出現(xiàn)地面沉降的風險。

2)掘進時周邊軟弱土體破壞，使孤石移動，盾構姿態(tài)難以控制［1，4］。

3)孤石強度太高或孤石滾動使?jié)L刀無法順利破巖，在掘進中容易出現(xiàn)刀具損壞失效的問題，導致盾構不能正常掘進，甚至被迫停機。

4)盾構在孤石群中連續(xù)破巖掘進，需要頻繁開艙換刀，而孤石群周邊地層自穩(wěn)性差，加上掘進施工擾動，開艙作業(yè)困難。

3 盾構穿越孤石群施工總體思路

傳統(tǒng)的孤石預處理方式有盾構直接切削孤石、液壓劈裂機預處理孤石、洞內(nèi)火工爆破處理孤石、沖孔預處理孤石、人工挖孔挖除孤石及地下深孔爆破孤石等［1－5］。在孤石群地層中，盾構無法直接掘進通過;沖孔法在應對垂直方向上密集交叉重疊的孤石時容易偏孔、卡錘，基本難以實施;人工挖孔挖除孤石法在處理水平方向上密集分布的孤石時布孔間距縮小，開挖風險增大且孤石難以徹底挖除干凈，施工工效也較低;采用洞內(nèi)火工爆破和液壓劈裂機處理孤石的方法更是時刻伴隨著開艙的安全風險且效率低下。相對而言，采用地下深孔爆破方式處理孤石群比較徹底，爆破破碎孤石后盾構掘進難度降低，有利于控制地面沉降、姿態(tài)跑偏、刀具損壞等風險，其施工工效高而且環(huán)保;但對孤石群實施爆破只是破碎了巖體卻未能把巖石取出而徹底解決掘進的風險，盾構在長距離的孤石群中掘進仍存在刀具損壞的問題，且爆破擾動及花崗巖殘積土易軟化崩解的特點也會對開艙更換刀具作業(yè)帶來巨大的困難。因此，在盾構穿越孤石群的施工中，除了采用深孔爆破預處理孤石以外，為保證盾構掘進穩(wěn)定須采用特殊的掘進技術，并利用合適的輔助措施以確保開艙換刀作業(yè)順利實施。

4 盾構穿越孤石群的施工關鍵技術

4.1 地下隱蔽巖體爆破預處理技術

4.1.1 地下隱蔽巖體爆破技術

4.1.1.1 爆破的技術指標

孤石處理的目標是使巖石破碎后減少其塊體尺寸使掘進難度降低，并在盾構掘進過程中碎石能順利地通過刀盤開口進入土艙，最后通過螺旋機排出。因此，爆破的技術指標主要有2方面:一是結合本工程盾構設備參數(shù)，地面鉆孔爆破處理后的孤石碎塊尺寸不超過300 mm;二是降低巖石的RQD值，將之控制在50%以下。

4.1.1.2 爆破布孔及裝藥結構

采用深孔爆破處理孤石的主要困難是爆破沒有臨空面，為解決這一難題，可采用鉆孔分段微差爆破法。該技術是采用毫秒延時雷管，在孔間、孔內(nèi)以毫秒級的時間間隔，按一定順序起爆，利用封閉巖體與周邊圍巖介質(zhì)的差異，分期爆破，第1期爆破形成空腔，為第2期爆破提供自由面，經(jīng)多孔多段微差擠壓爆破，最終破碎巖體［5］。

爆破孔采用鉆機成孔后下90 mm的PVC套管護孔，套管底需安有堵頭。孔位布置采用矩形或梅花形，間距0.5～0.8 m，其中孤石中間的孔為裝藥孔，孤石周邊布置空孔，如圖2所示。

圖2 爆破布孔平面示意圖Fig.2 Plan layout of blasting holes

因孤石厚度不均，在裝藥時須考慮到測量以及藥包吊裝過程中產(chǎn)生的誤差。因此，單孔單體爆破時裝藥長度與巖石厚度相同;多孔單體爆破時，相鄰2個炮孔，其中1個炮孔鉆至孤石底面(即鉆穿)，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10 cm不裝藥，鄰孔孔底距離孤石底面10 cm，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10 cm不裝藥。爆破裝藥結構示意如圖3所示。

圖3 爆破裝藥結構示意圖Fig.3 Charging structure of blasting holes

4.1.1.3 地下爆破藥量的確定

本工程爆破對象位于地下18～22 m，且存在地下水，故視為水下爆破。依據(jù)瑞典的設計方法，單位耗藥量

式中:q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破的2倍，對水下垂直鉆孔，再增加10%(普通堅硬巖石的深孔爆破平均單耗q1=0.5 kg/m3，則水下鉆孔q1=1.0 kg/m3，水下垂直孔q1=1.1 kg/m3);q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2;h2為水深，m;q3為爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02h3;h3為覆蓋層(淤泥或土、砂)厚度，m;q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h;h為梯段高度，m。

本工程h=4 m，h2平均取20 m，h3=18 m，則

在爆破作業(yè)過程中參照上述數(shù)據(jù)試爆后，再針對具體情況調(diào)整爆破參數(shù)。確定炸藥單耗量以后，根據(jù)孤石的體積計算不同孤石裝藥參數(shù)。

4.1.1.4 爆破振速監(jiān)測

爆破施工前應對周邊環(huán)境進行詳細調(diào)查，了解周邊建構筑物的情況，并根據(jù)建構筑物與爆破中心的距離、建構筑物的結構強弱及重要性選擇監(jiān)測對象。爆破作業(yè)時，將爆破監(jiān)測儀置于建構筑物基礎上表面(若基礎埋于土層下，則選擇最近基礎且堅實的地面作為測點)，根據(jù)監(jiān)測結果及時反饋數(shù)據(jù)，調(diào)整爆破參數(shù)，確保周邊環(huán)境安全。

4.1.1.5 封孔措施

實施爆破施工后，爆破孔的存在容易使盾構掘進或壓氣開艙出現(xiàn)噴涌、冒泥漿或漏氣的問題，故要求爆破后周邊區(qū)域的鉆孔必須封好。一般是采用鉆機從鉆孔底部自下而上灌滿水泥漿，如需要短時間內(nèi)凝固時可采用水泥－水玻璃雙液漿灌注。

4.1.2 爆破效果驗證

4.1.2.1 鉆孔取芯驗證

爆破后對孤石進行抽芯驗證，抽芯巖石粒徑小于300 mm，并經(jīng)統(tǒng)計，爆破后巖石RQD值可達到25% ～50%。孤石爆破后取芯巖樣見圖4。

4.1.2.2 掘進參數(shù)比對

對比爆破前后盾構掘進情況，可見推力、扭矩有所降低，掘進速度上升，施工工效提高明顯。孤石爆破處理前后掘進參數(shù)對比見表1。

圖4 孤石爆破后取芯巖樣圖Fig.4 Rock cores taken after blasting

表1 孤石爆破處理前后掘進參數(shù)對比Table 1 Tunneling parameters before and after the boulder blasting

4.2 地層壓密注漿加固技術

4.2.1 注漿方法的選擇

花崗巖殘積土自穩(wěn)性差，孤石發(fā)育密集部位地下水豐富，并經(jīng)爆破施工及盾構長時間的掘進擾動導致地層松動，壓氣時容易出現(xiàn)地面漏氣導致無法穩(wěn)壓、掌子面土層松動塌落等問題，無法實施帶壓進艙作業(yè)，故壓氣作業(yè)前宜先對周邊地層進行注漿改良。

地層注漿按漿液注入形態(tài)可分為充填灌漿法、滲透注漿法、壓密注漿法及劈裂注漿法［6］。根據(jù)花崗巖殘積土的特性，采用壓密注漿法、劈裂注漿法方法均可行，但從成本和工期方面考慮，本工程采用壓密注漿法進行地基加固。

4.2.2 壓密注漿主要參數(shù)設計

4.2.2.1 注漿材料的選擇與配合比

壓密注漿的材料一般采用強度較高的硬砂漿類材料［7］，塌落度較小，其對注漿設備和注漿方法要求很高。為達到壓密注漿的目的，同時又規(guī)避硬砂漿類注漿材料的缺點，本工程采用濃水泥漿－水玻璃雙液漿作為注漿材料，并要求雙液漿注入后馬上初凝，以減少漿液流失，實現(xiàn)壓密注漿的效果。現(xiàn)場配置時，雙液漿初凝時間控制在20 s以內(nèi)，可按以下配比進行試驗調(diào)整:水泥漿的水灰質(zhì)量比為0.5∶1，水泥漿溶液與水玻璃溶液體積比為2∶1，水玻璃與水體積比為1∶2～1∶3。

4.2.2.2 注漿范圍

地層壓密注漿以實現(xiàn)壓氣開艙檢查刀具為目的，注漿范圍設計為:垂直方向隧道底部至頂部以上5 m，橫向為隧道兩側(cè)以外2 m，縱向為盾構切口后方1 m至刀盤前方3 m。注漿孔間距1.2 m，盡量布置在爆破孔上，使爆破擾動最大的部位得到最強加固。

4.2.2.3 注漿量

壓密注漿不以注漿壓力為最終控制［8］，僅控制注漿量。注漿量的設計應考慮土的空隙體積、漿液注入率、漿液流失等［9］，可按式(2)計算。

式中:K為經(jīng)驗系數(shù)，在中粗砂地層一般取0.5～0.7，細砂和黏性土一般取0.3～0.5;V為注漿對象的土量;n為土的孔隙率。實際注漿量應在現(xiàn)場根據(jù)不同的地層條件試驗調(diào)整，本工程經(jīng)過多次注漿和壓氣試驗，最終確定每立方土體的注漿量控制在0.2～0.27 m3較合適，既節(jié)約成本又能達到壓氣開艙的目的。

4.2.3 壓密注漿的實施

由于雙液漿初凝時間較短，一般的注漿設備和注漿方法不能滿足要求，故采用鉆孔及注漿設備一體化的雙重管注漿機進行雙重管注漿:先進行鉆孔，鉆孔完成后直接利用內(nèi)設雙重管的鉆桿進行注漿，水泥漿及水玻璃溶液通過雙重管在孔底混合，調(diào)整雙液漿的配合比，可達到雙液漿注入后馬上初凝的效果，以實現(xiàn)地層壓密的目的。

4.2.4 開艙效果

實施壓密注漿后，注漿點周邊形成漿泡，漿泡擠壓周邊土體使之密實以達到壓氣開艙的目的。本工程在施工過程中，采用壓密注漿輔助壓氣開艙達20多次，成功率高達90%以上，效果較好。

4.3 帶壓進艙檢查及更換刀具技術

在花崗巖殘積土的地質(zhì)條件下，一般需要先對地層進行加固后才能常壓開艙，但地層加固必須整體較強、無薄弱部位，否則仍存在較大風險，故常壓開艙成本高、工期長。為此，本工程采用對開艙部位地層進行簡單的壓密注漿改良后實施帶壓進艙作業(yè)的方法，具有成本低、工期短的優(yōu)點。

4.3.1 帶壓進艙輔助措施

1)盾殼后部止水措施。盾殼及管片背后存在的空隙一般情況下容易成為往土艙透水的通道，并且向土艙壓氣時又會造成漏氣現(xiàn)象。在壓氣作業(yè)前，應通過盾尾注水泥－水玻璃雙液漿、盾體徑向孔注低強度化學漿等措施使盾殼后部形成密封止水環(huán)。

2)掌子面泥膜護壁措施。為增強土艙周邊地層的氣密性，增大壓氣作業(yè)的成功率，可往土艙注入高黏度、高質(zhì)量的膨潤土漿，并反復攪拌和置換艙內(nèi)渣土，最終在掌子面形成泥膜。

3)壓氣置換氣體。換刀過程的工作氣壓為靜止狀態(tài)下土艙頂部壓力加約0.03 MPa的增量。進艙作業(yè)前，首先進行壓氣置換土體，壓氣置換土體時氣壓比換刀的工作氣壓高約0.02 MPa。壓氣置換土艙土體工作完成之后，將土艙氣壓緩慢地降至工作氣壓，然后穩(wěn)壓觀察約1 h，穩(wěn)壓過程中除了氣壓必須保持穩(wěn)定以外，還須打開艙壁3—9點位以上閥門檢查艙內(nèi)渣土和水位面變化情況，確定掌子面穩(wěn)定后，方可進艙作業(yè)。

4.3.2 刀具更換

盾構刀具更換遵守“拆一裝一”的換刀原則，對損壞的刀具進行更換。換刀時各組人員應統(tǒng)一采用“逐臂更換”、“由外到內(nèi)”或“由內(nèi)到外”等換刀順序。

4.4 掘進孤石群施工參數(shù)控制技術

4.4.1 掘進參數(shù)控制

盾構在掘進孤石群過程中，要控制好各項掘進參數(shù)，做到平穩(wěn)掘進，一方面能減少刀具的異常損壞，另一方面能減少對地層的擾動。

1)在刀盤前和土艙注入泡沫或膨潤土改良渣土，達到潤滑刀盤、減少刀具磨損和降低扭矩的目的。

2)采用低轉(zhuǎn)速、低速度平穩(wěn)掘進，并嚴格控制掘進貫入度，防止?jié)L刀不轉(zhuǎn)造成偏磨或滾刀過載損壞。對于滾刀不轉(zhuǎn)或滾刀偏磨的臨界貫入度，可參考文獻［10］的研究成果。

式中:hmin為臨界最小貫入度，mm;hmax為臨界最大貫入度，mm;R為滾刀半徑，mm;T為滾刀刀尖寬度，mm;Fm為滾刀額定荷載，kN;S為刀間距，mm;ψ為刀壓分布系數(shù);σt為巖石抗拉強度，MPa;σc為巖石抗壓強度，MPa。

3)采用土壓平衡模式掘進，控制出土量，防止超挖。

4)控制掘進姿態(tài)平穩(wěn)不蛇形，減少對土層的擾動。

5)在掘進過程中，確保同步注漿流量與掘進速度匹配，注漿材料可采用砂漿。

4.4.2 掘進異常情況分析

盾構在孤石群中掘進，應遵守“勤檢查、勤換刀”的方針，尤其是在掘進過程中出現(xiàn)異常時要及時檢查換刀，不能盲目掘進。掘進異常情況可通過以下方式進行判斷。

1)掘進時在土艙壁附近勤聽聲音判斷刀具使用情況。正常掘進時一般滾刀切割巖石聲音比較均勻，其他雜音較小，如聽到土艙內(nèi)有硬物滾動的異響，則可能有部分刀具損壞滾落艙內(nèi)，或聽到盾殼周邊與巖石摩擦發(fā)出間斷性的較清脆響聲，則可能邊緣滾刀已磨損過量。

2)通過掘進參數(shù)判斷刀具的狀態(tài)。掘進過程中如出現(xiàn)以下情況則可能刀具已部分損壞:①推力大，但扭矩小、速度小;②扭矩大，但速度小;③扭矩、速度波動明顯較平常大。

3)觀察螺旋機排出的渣樣判斷刀具的磨損情況。正常低速均勻掘進時，一般排出的石渣比較均勻，當排出的渣土中的碎石大小不一，異于平常時，則可能部分刀具已損壞。

5 實施效果

蘿香區(qū)間自2012年2月28日盾構始發(fā)，2012年6月21日—8月4日左線通過檢察院段孤石群，2012年12月16日—2013年12月30日右線通過大朗村段孤石群。爆破前后盾構掘進工效及刀具損耗對比如表2所示。

表2 爆破前后盾構掘進工效及刀具損耗對比表Table 2 Shield tunneling efficiency and cutter wearing before and after blasting

6 結論與建議

盾構掘進孤石是盾構工程的重大難題，而在孤石群地層中，盾構須長距離連續(xù)掘進軟硬不均地層，其施工難度遠大于盾構通過單體孤石，單一的孤石預處理方式一般帶有一定局限性，并不能把施工風險降低到可控范圍。對于盾構穿越孤石群地層，宜根據(jù)地質(zhì)和周邊環(huán)境情況，從降低盾構破巖難度、減少刀具磨損和保證及時更換刀具等方面綜合考慮應對措施，以確保盾構在掘進中平穩(wěn)、安全。根據(jù)在蘿香區(qū)間盾構穿越孤石群的施工實踐和研究，得出以下結論和建議。

1)在孤石群地層中，系統(tǒng)采用地下爆破預處理孤石、控制參數(shù)保證盾構平穩(wěn)掘進、壓密注漿法輔助帶壓開艙檢查換刀的措施能使施工風險可控，施工工效明顯提高，施工成本降低。

2)采用地下隱蔽巖體爆破技術預處理孤石群，其關鍵是要使巖石破碎后尺寸減小利于進入刀盤和方便螺旋機排出，以降低盾構的掘進難度。爆破地下孤石可采用鉆孔分段微差爆破的方法以解決地下爆破沒有臨空面的難題。

3)在孤石群地層中開艙安全風險大，尤其是爆破施工后開艙成功率很低，不能保證及時更換刀具，造成盾構掘進困難甚至停滯。采用帶壓開艙換刀，可先進行壓密注漿，以較低的成本和工期改良刀盤周邊地層，并封阻爆破施工形成的漏氣通道，能大大提高開艙的成功率，并且在壓氣作業(yè)過程中，還可采用盾殼后部止水、掌子面泥膜護壁等輔助措施。

4)在盾構掘進孤石群過程中，應嚴格控制推力、扭矩、貫入度、姿態(tài)、排土量等各項參數(shù)，并可通過聽掘進聲音、觀察渣樣、分析參數(shù)的方法來判斷掘進異常情況，及時檢查更換刀具，使盾構保持平穩(wěn)掘進。

5)孤石群是盾構工程的重大風險，對工程的進度、成本、質(zhì)量具有較大影響，有時甚至成為決定項目成敗的關鍵。因此，對孤石的處理，建議工程參建單位提前策劃、綜合考慮，在勘察階段提供出詳細準確的地質(zhì)信息，在設計階段盡量規(guī)避孤石密集區(qū)域，在施工階段盡量于盾構掘進之前處理，把風險降低到可控范圍。

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