槐榮國/HUAI Rong-guo

（中鐵五局集團 電務城通工程有限公司，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；刀具磨損非常嚴重、刀座變形、更換困難；刀盤磨耗導致刀盤強度和剛度降低，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)負載加大；被刀盤推向隧道側(cè)面的大漂石甚至導致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，偏離隧道軸線；掘進振動大，對保護地面建筑物不利等。

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，控制參數(shù)通過。本文結(jié)合個人施工經(jīng)驗詳細介紹盾構(gòu)掘進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、強風化花崗巖，局部穿越中風化巖層、微風化巖層。對局部通過中風化片麻狀混合花崗巖和中風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、抗風化能力差異大，加之斷裂構(gòu)造發(fā)育及巖體的次生裂隙導致巖體破碎，抗風化能力減弱，在深度風化情況下所形成的。當花崗巖中發(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，風化特別集中在3組節(jié)理相交的棱角部位，風化速度快，久而久之，棱角逐漸被圓化。風化作用不斷進行時，漸趨于使巖塊變圓，形成球狀花崗巖孤石。

加密補充地質(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，布設地質(zhì)探孔，進行取芯補勘。

補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勘范圍是否要向外延伸或向內(nèi)縮進，再沿縱、橫向軸線增加新補勘孔，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、強度以及孤石周圍地層的軟硬程度，并認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主要分布于全風化帶和強風化帶；②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，球狀風化體越來越密集，而體積越來越??；③孤石的大小隨著風化程度增強而減小，而數(shù)量卻隨著風化程度的增強而增加，這一特征正好與第2點相吻合；④在全風化帶中也可能存在較大的孤石，在強風化帶中，也有可能出現(xiàn)較小直徑的孤石，這說明球狀風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。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，應首先采用地面處理方式；當?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；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；⑥靜態(tài)爆破巖石分裂機破碎孤石；⑦盾構(gòu)直接掘進。

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)直接掘進孤石地層。

4 盾構(gòu)直接掘進孤石地層技術(shù)

4.1 依據(jù)參數(shù)判別孤石

當盾構(gòu)掘進參數(shù)中扭矩頻繁波動量在正負500kNm以上時，推進速度頻繁波動量在30mm/min時，土壓的變化對推進速度、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)直接掘進孤石段的參數(shù)及說明

4.2.1 盾構(gòu)直接掘進孤石段的參數(shù)

盾構(gòu)直接掘進孤石段的參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機直接掘進孤石段參數(shù)表

4.2.2 盾構(gòu)直接掘進孤石段的參數(shù)說明

1)土倉壓力土倉壓力主要根據(jù)地層埋深進行設定（10m約1bar),但是掘進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)等風險。刀盤轉(zhuǎn)速過慢，孤石磨損周期加長，推進速度緩慢。合理的選擇刀盤轉(zhuǎn)速直接影響到盾構(gòu)掘進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，合理的設置扭矩上限值是保證掘進安全的前提，一般控制在2 000kNm以內(nèi)，當然越小越好。當扭矩過大時可適當注入聚合物（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，推力控制難度較大，推力過小盾構(gòu)無進尺，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)推進速度孤石段掘進與正常掘進截然不同，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，設備負載波動頻繁，在此期間要嚴格控制推進速度，不能追求速度，盲目掘進，最終只能適得其反。推進速度嚴格控制在20mm/min以內(nèi)（孤石抗壓強度在80MPa以內(nèi)），根據(jù)孤石的抗壓強度可適當將上限值調(diào)低。

6)渣土改良孤石地段掘進參數(shù)較難控制，刀具非正常磨損風險增加，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)孤石段掘進不比正常掘進，盾構(gòu)猶如逆水行舟，舉步維艱，在此過程中盾構(gòu)司機要隨時注意參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)異常立刻停機匯報，待找到原因后方可恢復推進，以免造成不必要的損失。

2)盾構(gòu)司機須如實記錄好每環(huán)的掘進參數(shù)變化，工程技術(shù)人員對每班掘進參數(shù)進行分析，若參數(shù)向好可繼續(xù)按此參數(shù)掘進直到順利穿越孤石層，若參數(shù)趨勢越來越差時，必須立即停機檢查刀具后方可繼續(xù)掘進，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備。

5 結(jié) 語

本文針對深圳地鐵11號線11303標寶碧區(qū)間盾構(gòu)孤石段掘進技術(shù)進行了研究、分析與實踐，詳細闡述了盾構(gòu)掘進孤石段參數(shù)的控制和注意事項。對孤石的成因做了簡單概述，對孤石段掘進的風險進行了闡述，結(jié)合本項目左右線成功穿越孤石段地層施工經(jīng)驗進行分析總結(jié)。本次盾構(gòu)直接掘進孤石段地層參數(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?。罔F盾構(gòu)施工風險源及典型事故的研究[M]．廣州：暨南大學出版社，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．