盾構穿越孤石地層地表非爆破預裂處理技術研究

柳長奔 陳波 林敏

結合汕頭灣海底隧道大直徑盾構穿越基巖凸起及孤石地層采用地表地質鉆機進行垂直鉆孔破碎預裂處理實例，針對非爆破允許環境下，通過比對各種孤石處理方式，闡述了盾構穿越孤石地層的探查定位、地表非爆破鉆孔處理原則、程序、方法等措施，較好地解決了盾構穿越孤石復雜地段的推進工效低、施工成本高、刀具磨損嚴重、施工風險大等問題，取得了良好的效果。

一、工程概況

1.汕頭灣隧道

汕頭灣海底隧道為汕頭至汕尾高速鐵路重難點控制性工程，隧道全長9191m，采用礦山法、明挖法及盾構法施工。其中盾構法隧道長2169米，設計采用大直徑泥水平衡盾構，直徑14.57米，分別穿越陸域及海域（汕頭海灣），為國內第一條時速350km的跨海高鐵大直徑盾構。

2.地質情況

盾構掘進范圍地層主要為粉砂、淤泥、淤泥質黏土、中砂、粗砂、礫砂、局部夾細砂等，下伏基巖為燕山期第三次侵入（γy3）花崗巖，全～弱風化，全風化層，褐黃色、灰黃色，呈砂土狀，厚0.5～14m，局部夾弱風化不均勻風化體；強風化層，灰黃色，風化裂隙較發育，巖體較破碎，厚1.5～15m，局部夾弱風化不均勻風化體（即孤石）；弱風化層，棕黃色，塊狀構造，巖體較完整，其中近構造地段附近巖體較破碎，巖質硬。

該地區地表為“石蛋”地貌，地表出露球形風化體最大十幾米，可推知地下也存在風化不均的觀象。根據地質勘察揭示，DK162+730～DK163+160段為上軟下硬復合地質，該段多孔揭露孤石現象，表現為全風化層中出現弱風化或強風化孤石，粒徑風化核大小不一，一般為近似球形，直徑在0.5～5m不等，最大粒徑可能近10米。

3.周邊環境

該工程位于汕頭市龍湖區汕頭灣北岸，周邊環境較復雜，主要為公交車停車場、既有市政干道泰星路、高壓鐵塔及錦汕美食城等建筑物,爆破條件受到限制。

二、必要性分析

孤石主要以微風化狀態埋藏于殘積層、全風化及強風化花崗巖層中,由于孤石強度高，具有一定的隱蔽性，且與周邊風化土體性質差異大，造成盾構施工異常困難。根據以往類似項目施工經驗，若不提前進行地質改良處理，盾構機在掘進時碰到的孤石難以固定，刀盤邊緣滾刀和掌子面圍巖很難產生足夠的反力將孤石破碎。盾構機掘進時，孤石會一直在刀盤前方隨著盾構機掘進向前移動，對地層造成很大的擾動。

綜合汕頭灣隧道盾構穿越此復地段施工實際，主要存在如下風險：

1.施工風險

（1）致刀具異常損壞頻次高、數量大。刀具過快異常磨損直接影響周邊刀圈受力，形成連鎖反應。出現大面壞刀導致刀盤扭矩急劇增大，嚴重時會出現整刀掉入前倉，甚至刀盤母體受損，需帶壓進倉處理等不可預估風險。

（2）開挖倉液位波動。在換刀過程中出現前倉液位上漲情況，切口壓力增大至 4.2bar，前倉壓力無法長時間穩定導致后期無法順利實施帶壓進倉作業，風險極高。

（3）大塊碎石卡泵。盾構推進中遇到 2.1 泥漿泵和 2.3 中繼泵碎石卡泵情況，需拆解泵吸口管路，清理卡泵的大塊碎石，卡泵清理一次長達數小時。碎石堆積可能造成吸口滯排，前倉瞬時壓力升高，嚴重時需帶壓進倉處理。

2.質量風險

軟硬不均地層引起掘進姿態突變導致管片易出現質量問題。盾構機在穿越軟硬不均及有孤石地層復合地層時，盾頭有上飄的趨勢且推進速度不穩定，需加大頂部與底部油缸壓力差控制上浮趨勢，最大壓力差達到140bar，油缸壓差大導致管片受力不均表面出現裂紋。當盾構機速度超過 5mm/min 后左右姿態不穩導致盾尾間隙難以穩定控制，間隙小的一側會導致管片拼裝錯臺大，影響管片防水質量。

因此，盾構穿越此地段施工存在諸多不利風險因素，推進前需對孤石進行預處理。

三、處理方式分析

不同孤石的處理方法各有優缺點，且隨著推進中所遇到的孤石大小、位置、形狀以及周邊環境等因素不同，適應性也不盡相同。對孤石的處理應根據地層適應、環境影響、施工風險、施工效果、工期成本以及所需處理孤石的大小等進行比選使用，以提高處理效果。

（1）地表固結處理。即進行地表鉆孔爆破注漿，加固孤石周圍土體，使孤石和刀盤之間存在足夠的壓力。存在加固的漿液流至刀盤，凝結刀盤，造成后期需處理風險隱患。

（2）液壓劈裂機處理。即帶壓進倉作業，將液壓劈裂機帶至刀盤前側，對孤石進行打孔、劈裂處理至小塊，帶至倉外。帶壓進倉作業面臨坍塌、保壓失效、有毒有害氣體、物體打擊等風險。

（3）倉內密集打孔，可能存在帶壓進倉安全風險。

（4）地表鉆孔預裂孔處理。對于因埋深較深采用人工挖孔破除、沖擊錘沖擊破碎、旋挖鉆機抽芯破碎孤石等方法無法實施的，采用在地表鉆孔預裂孔處理，此方法可能因巖面傾斜和隧道埋深較深等，出現地質鉆等設備破壞刀盤風險。

鑒于該工程周邊環境較復雜，現場爆破受限，結合上述不同孤石處理方式的優缺點，汕頭灣隧道對穿越陸域段的基巖凸起及孤石地段處理結合地層適用性、施工安全、工期及成本要求，選擇采用地表非爆破鉆探預裂處理。

四、處理技術

1.穿越基巖孤石段控制總體思路

根據地勘報告及補鉆探揭示孤石情況，盾構施工前，通過采用直徑108mm鉆頭的地質鉆機對深層孤石進行垂直密集鉆孔，使孤石“千瘡百孔”，從而破壞孤石完整度，降低巖石強度，盾構掘進時更容易使其破碎，以順利推進。

2.孤石處理

（1）管線排查

孤石探查處理前需對施工區域內管線進行全面細致排查，并采用人工挖探溝的方式確定管線位置。對于電力、水利、電信等重要管線施工前先需征得權屬部門同意，區域內管線采用開挖暴露方式，防止鉆孔施工擾動土體造成管線破壞。

（2）孤石定位探查

因花崗巖風化不均，發育和分布規律不明顯，孤石形狀各異，直徑大小不一，其位置、強度、硬度與周圍地層存在較大差異等因素，因此盾構推進前，對花崗巖地層所含孤石地埋深、直徑大小、垂直與水平分布規律進行較為準確的探查十分必要。汕頭灣隧道盾構穿越段，地層孤石的探測區域分為原勘測確定有孤石的重點探測區及勘測未發現、但可能存在孤石的一般區兩種類型。

①對原勘測確定存在孤石發育的重點區域，直接采用在地表地質鉆探探查。具體：

a.線路方向確認

以中心線為基準，沿線路方向前后每隔5 m補孔，深度為地表至隧道底1m，根據巖樣破碎情況，探查孤石的邊界及高度，如孔間出現孤石的機率大，則在兩孔間增加一個鉆孔，臨近兩孔的孔距不超過2.5米；如果該兩孔間出現孤石機率仍很大，則將孔距加密至1.25米。按照此方法探查為孤石存在的機率不大或盾構機自身破碎穿越通過，則終止加密鉆孔。

b.隧道兩側方向確認

以中心線為基準，橫向軸線增加5米間距鉆孔，深度為地表至隧道底1米，根據巖樣破碎情況，以確定孤石隧道兩側方向分布，直至探明孤石的大小、分布范圍、孤石的具體邊界及周邊環境等基本要素（加密方式同上）。

②對原勘測未發現孤石區域進行補勘探查是否有新增孤石。

因該段落為上軟下硬段，并且為“石蛋”地貌，且原勘測孔間距20～80米，為確保較為準確地探查孤石情況，在此段盾構穿越區域采用地表按照縱橫向10米間距鉆孔補勘，當鉆孔過程中發現存在孤石可能性增大，并且盾構機推進時難以承受此風險，則將孔距按照10米-5米-2.5米進行加密鉆孔，以確定是否存在孤石，探查此孤石的具體邊界。

汕頭灣盾構法隧道陸域段，經前期探查，在DK163+075.13、DK163+070.24和DK163+039.94等處存在大小不等、形式各異的孤石，孤石直徑約2～3米，最大粒徑達5米。DK163+075.13處孤石孔位橫斷面圖示：

（3）孤石處理原則

孤石和隧道對應關系有3種，分別為完全在隧道內、隧道周邊外側為土層和隧道周邊外側存在硬質巖。

孤石和隧道對應關系

孤石尺寸大小分4種情況，分別為30cm～60cm、60cm～100cm、100cm～300cm和300cm以上。汕頭灣隧道盾構施工對孤石的處理方式見下表：

孤石可能情況及處理方式

五、鉆孔施工

孤石情況確定后，當判定孤石不處理、盾構直接掘進通過將帶來施工較大風險時，需對孤石進行地表加密鉆孔處理。

1.布孔形式與鉆孔定位

首先對鉆探確定孤石的具體里程和位置進行放點，鉆孔孔位以孤石中心點為中心，按照0.5m×0.5m（間距×排距）呈梅花形布置。

然后在地表采用108mm鉆頭的地質鉆機對盾構線路中的孤石進行等垂直密集鉆孔，鉆孔深度終孔至隧底1米位置；鉆孔平面范圍為孤石區域外擴0.5m，直至外擴孔未探到孤石為止。

在鉆孔過程中對地層進行詳細記錄巖面高度及覆蓋層厚度、巖石中炮孔長度等信息，必要時采用直徑108mm取芯鉆機進行鉆孔取芯，以確認孤石的具體形態和唯一性。

2.注意事項

當鉆至巖石中時，地質鉆轉速應降低、勻速鉆進，以保證鉆頭遇到斜坡巖面或非規則巖面不發生偏移，從而保證鉆孔炮孔位置、垂直度符合預定要求。

鉆孔施工時，每次鉆至巖石后，詳細記錄巖石頂、底面標高。鉆孔取出的巖芯分別放置，進行拍照、記錄及進行技術分析。

當出現卡鉆無法鉆進時，考慮通過地質鉆機進行注漿固結后再重新掃孔鉆進，直至鉆探至設計孔位。

六、封孔處理

盾構穿越范圍內的鉆孔均布置在隧道正上方，鉆探結束后需進行封孔處理，以保證壓氣作業及推進順利。為保證封孔質量，要求封孔材料既要有一定的強度，也要確保不能太硬，否則會對盾構機掘進造成障礙。封孔處理采用：

砂漿灌注法。水泥砂漿配合比水泥：砂：水=0.24：1：0.29，可根據現場試配適當考慮加入速凝劑，以確保封孔質量及縮短周期。

漿液封孔法。主要針對較為破碎地段，封孔采用水灰比為0.8的水泥漿，使用鉆桿從鉆孔底部自下而上進行灌漿。因隧道埋深大、鉆孔較深、封孔時間長，可適當添加水玻璃。如發現注漿效果不明顯，應重復注漿，確保封孔效果。

七、結語

通過對汕頭灣海底盾構法隧道穿越基巖凸起及孤石地層的地表鉆探處理前后分析，無論是盾構推進的地層適應性、施工安全性、施工工效、工期成本等方面均得到較大的改觀。同等環境的孤石地層盾構推進施工，處理前：平均日進尺1.47米（管片每環寬度2米），刀具平均每天更換1.36把（滾刀1.18把、刮刀0.18把），盾構推力不均造成局部管片出現縱向裂紋；處理后：每天推進平均可達3米，刀具平均每天更換降至1把，盾構管片裂紋基本未再發生。