王連山, 奚正平

（1. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2. 中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

球狀風化體（以下簡稱孤石）是花崗巖風化形成的產(chǎn)物，巖石單軸抗壓強度高達200 MPa，在花崗巖球狀風化體（孤石）段進行盾構(gòu)施工極易造成刀具磨損、刀圈崩裂、刀盤被卡等現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重時刀盤磨損、軸線偏移、主軸承受損密封、破壞、掘進困難，如處理不當，將造成工程停工、地面塌陷、盾構(gòu)法施工失敗等工程事故的發(fā)生。謝壯［1］、趙先鵬［2］對孤石段盾構(gòu)施工風險進行了分析;王鵬華［3］、路耀幫等［4］對臺山核電站引水隧洞岸邊孤石段采用的地面回填和鉆孔爆破技術(shù)進行了總結(jié)。

汕頭蘇埃通道工程將穿越蘇埃灣海域施工，由于盾構(gòu)掘進距離長、孤石段分布范圍廣，且孤石段處于蘇埃灣航道下，不能再用填海地面加固挖孔或鉆孔爆破的形式進行孤石處理，本文對蘇埃海域段孤石處理方法及措施進行分析，以供類似工程施工參考。

1 孤石形成機理及分布規(guī)律

花崗巖是巖漿在地表下凝卻而成的火成巖，部分是巖漿和沉積巖經(jīng)變質(zhì)而形成的片麻巖類或混合巖化的巖石，主要成分是石英、長石，廣泛存在我國各地，構(gòu)成時期為前寒武紀、加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅等期，其中燕山期和海西期最為普遍?；◢弾r受孔隙、裂隙影響，在地下水作用下，原巖裂隙發(fā)育區(qū)的風化程度較高，裂隙相對不發(fā)育區(qū)風化程度較低，裂隙發(fā)育的不均勻性及不規(guī)則性，導致了原巖風化的不規(guī)則性，從而形成孤石。孤石的分布比較隨機，埋深不確定，空間特性無規(guī)則［5］，但在垂直風化剖面上存在以下規(guī)律：孤石間基本具有相對獨立性；埋深越大數(shù)量越少，而體積呈現(xiàn)增大趨勢；全風化帶中的孤石直徑在0~5 m，大于5 m的一般存在于強風化帶中；風化程度越強體積越小，而數(shù)量越多。

2 海域孤石物探主要方法

工程地質(zhì)勘查主要采用文獻地質(zhì)資料調(diào)查、物探與鉆探方法相結(jié)合，鉆探雖可直觀地對地質(zhì)進行判斷，但只能揭露鉆探點的地質(zhì)情況，無法提供區(qū)域地層分布規(guī)律。陸地可采用瞬變電磁、瑞雷波、地質(zhì)雷達、跨孔超高密度法等，由于受海水干擾，海底地質(zhì)勘探往往結(jié)合地震波法進行。地震影像將地震信號中提取的特征信息與儲層層序和地質(zhì)過程相結(jié)合，應用數(shù)字圖像處理技術(shù)，再現(xiàn)地下地層的巖相圖像。

譚春［6］采用多波列高密度地震影像法對上海滬崇隧道進行地質(zhì)調(diào)查，較之聲納法，該方法更能深入地下，但也存在震源能量及GPS精度誤差的問題。臺山核電站引水隧洞采用地震反射波CDP（Continuous Data Protection，持續(xù)數(shù)據(jù)保護）疊加技術(shù)對海域孤石進行探測［7］，為海域孤石探測積累了經(jīng)驗。國家“863”計劃“物探技術(shù)研究課題”將對激發(fā)收集設備、軟件系統(tǒng)、地震波動方程疊前精確成像、高精度及高密度地震勘察等技術(shù)進行研究；此外四維地震技術(shù)的發(fā)展，都將使海域孤石的探測更加精確、直觀。

3 孤石段施工方法

3.1 盾構(gòu)直接掘進

減少刀盤轉(zhuǎn)數(shù)并適當提高推力，同時采取正、反轉(zhuǎn)方式緩慢磨碎孤石，但在孤石尺寸較大以及孤石在流砂或砂卵石地層情況下極易引起地表沉降過大，應先對孤石周邊加固。廣州地鐵三號線天河客運站-五山站區(qū)間盾構(gòu)施工通過348 m球狀風化體段，巖石單軸抗壓強度160 MPa，采用氣壓法換刀15次，換刀251把［8］。

3.2 人工地面挖孔破除

地面采取挖孔樁或其他護壁形式，人員達到孤石位置，采用巖石破裂機破碎或弱爆破分解孤石并取出，再鑿除對盾構(gòu)掘進有影響的井壁，回填夯實后盾構(gòu)掘進通過。深圳地鐵1號線盾構(gòu)區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進過程中，遇到花崗巖球狀風化體造成盾構(gòu)機刀盤變形，通過采取挖孔處理方式，將10個孤石一一破碎并取出后盾構(gòu)恢復繼續(xù)掘進［9］。

3.3 機械設備處理

利用高強度、大剛度的套管鉆進，可以直接切除破碎單軸抗壓強度為127~206 MPa的巖石和巨礫石［10］，在砂礫、軟巖層內(nèi)最高挖掘深度可達62 m，垂直挖掘精度可以達到1/500，套管內(nèi)的巖石可用機具夾出，也可用落錘破碎。

3.4 洞內(nèi)開倉破除

在地面條件不允許或埋深較大情況下，采取帶壓進倉技術(shù)［11］，利用巖石破裂機、風鎬或采用靜態(tài)爆破方法進行孤石破碎。常用方法適用條件及風險分析如表1所示。

表1 孤石處理常用方法及適用條件

4 蘇埃通道海域孤石段施工處理建議

擬建蘇埃通道工程位于汕頭市龍湖區(qū)與礐石風景區(qū)之間，隧道穿越蘇埃灣海域，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，花崗巖球狀風化體主要分布在BK5+600~BK7+500段，其中在BK6+400~BK7+350段最為發(fā)育。該段共布置鉆孔58個，有20個鉆孔揭露球狀風化體，花崗巖球狀風化體大小不一，最大5.4 m，最小0.5 m，一般1~2.5 m，抗壓強度100~195 MPa。

海域不同于陸域，圍堰或筑島方式挖孔破除孤石經(jīng)濟成本較高，還存在通航受阻、水質(zhì)污染等影響，而且當孤石體積較大、數(shù)量多、強度較高時，采取直接掘進的方式也不合適，因此對于蘇埃通道工程建議采取以下措施進行解決。

4.1 刀具配置

在風化巖及軟硬不均地層，盾構(gòu)機除配置切削型刀具外（寬幅切刀、先行刀），還應配置滾刀；尤其是孤石段，最好采用重型滾刀。由于蘇埃通道孤石強度較高，平刃刀對巖石破壞程度要大于楔刃刀［12］，有利于破巖效率的提高，因此優(yōu)選平刃刀。滾刀的超前量要大于切刀，在滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖，刀具配置還應具備互換性。

合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術(shù)，國外已廣泛采用化學氣相沉積CVD法在切削刀具上沉積TiN涂層，大大提高了刀具的耐磨性，延長了切削刀具的使用壽命［13］。對刀盤和開口槽進行耐磨處理，對加泥、加泡沫系統(tǒng)進行合理設計，減少刀具掘進磨損和沖擊，提高刀具的耐久性，延長刀具的使用壽命，采取有效方法監(jiān)測刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)刀具磨損及時換刀。

4.2 超前地質(zhì)預報

設計階段的勘察報告對地質(zhì)描述具有廣泛性，而施工前的補勘仍有可能存在勘察盲區(qū)，因而為保證盾構(gòu)順利施工，有必要進行超前地質(zhì)預報工作。目前普遍采用超前地質(zhì)鉆探、刀盤安裝探地雷達［14］等方法。為避免發(fā)生由于孤石探測不明而造成刀盤磨損，可采取洞內(nèi)地震波超前探測，發(fā)現(xiàn)孤石后，再利用水面鉆探探明孤石埋藏確切位置，以確定水下處理方案。

4.3 孤石水下爆破

水下爆破設計包括鉆孔形式、布孔方式、孔網(wǎng)參數(shù)及藥量計算。由于孤石埋藏較深、體積較大，厚度不均等，建議采用液壓鑿巖鉆機沖孔、潛孔鉆機與地質(zhì)鉆機配套引孔。一般為方形或梅花形布孔，孔距與抵抗線相等，單位耗藥量要考慮覆蓋層厚度、水深、水下作業(yè)的特點，一般采用露天單位耗藥量（見表2）的2~3倍，并根據(jù)爆破效果進行藥量調(diào)整。首先對前排孔進行爆破，然后利用前排空爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。為保證爆破后的石塊順利排出，在盾構(gòu)機排泥管前方安裝雙顎板式破碎機，后配隔柵條限制進入排泥管的石塊尺寸。

表2 單位炸藥消耗量取值 g/cm3

4.4 水下孤石加固

孤石在地層中由于受到刀具的側(cè)壓力會隨刀盤旋轉(zhuǎn)而漂移，造成盾構(gòu)施工偏離軸線，并影響周邊土體穩(wěn)定，易導致上方土體塌方、海水倒灌等工程事故發(fā)生。對于巖體較小的孤石，可采用地層加固將孤石包裹固定，盾構(gòu)機直接擠壓破碎通過的方法。常用地層加固方法如表3所示，蘇埃通道工程海域一般地段建議采用高密度漿液注漿加固，但對于抗壓強度較高的孤石，建議采用水下爆破或帶壓進倉靜態(tài)爆破破碎巖石的方法來配合或單獨處理。

表3 不同固化物灌入原理及使用范圍

4.5 帶壓進倉洞內(nèi)爆破

蘇埃通道盾構(gòu)埋深約29 m，對偶爾出現(xiàn)的單個孤石，通過地層加固結(jié)合帶壓進倉技術(shù)，采取密集鉆孔、安放脹裂劑破碎的靜態(tài)爆破法，或采用火工爆破法輔以液壓分裂機進行破碎。洞內(nèi)爆破首先做好掌子面穩(wěn)固措施，根據(jù)蘇埃通道的地質(zhì)情況，可采用輔助措施加固地層，如膨潤土置換、超前地質(zhì)鉆機地層加固等方法，以實現(xiàn)掌子面地層的穩(wěn)定，為人員進倉作業(yè)提供安全保障。

4.6 礦山隧道處理法

深圳地鐵1期工程益田—香蜜湖區(qū)間隧道施工中，由于盾構(gòu)施工遇到180 MPa孤石，施工單位采用了礦山法通過該區(qū)域［15］，隨后盾構(gòu)空推通過，提供了盾構(gòu)法與礦山法相結(jié)合的一種新思路。

汕頭蘇埃通道工程由于在BK6+400~BK7+350段孤石較多，且最高抗壓強度高達160 MPa，而一般認為滾刀切削能力為80 MPa［16］，蘇埃通道孤石強度較高，建議在該段起始處采用筑島施工豎井作為施工通道。該段隧道通過的地質(zhì)巖性基本為上軟下硬，上部為中粗砂、粉質(zhì)黏土，下部為全~強風化巖，夾球狀風化體，可采用管棚或小導管方式進行地層加固，并應用圍壁注漿、擴散注漿等工藝，CRD法開挖、噴錨支護形成比盾構(gòu)刀盤直徑略大的礦山法隧道處理該段孤石，待盾構(gòu)機施工到該里程時，空推通過該孤石群段。但由于航道可能會產(chǎn)生影響，因此，最優(yōu)方案是降低隧道縱斷面標高，以減小開挖時圍巖的施工風險和遇到孤石的機率。

5 結(jié)語

綜上所述，對于球狀體花崗巖風化體，可通過采取針對性的措施進行提前破除以利于盾構(gòu)掘進施工，海域施工雖較陸地環(huán)境更復雜，但在科學組織、周密部署下也可解決。而由于球狀體花崗巖風化體的地層分布具有隨機性，目前的勘察手段還未能詳細地揭露其準確位置，施工前應加強補充勘探，摸清孤石形態(tài)、大小及埋深，提前發(fā)現(xiàn)及盡早制定處理方案。對于海域球狀體花崗巖風化體還需改進物探方法，盡快將新技術(shù)新方法用于實踐指導工程施工。蘇埃通道工程是長距離、大直徑復雜條件下的海底隧道施工，刀盤刀具地質(zhì)適應性分析及設計等關(guān)鍵性技術(shù)亟待進一步理論研究。

［1］謝壯，陽軍生，梁新權(quán)，等.球狀風化體地段地鐵盾構(gòu)隧道施工風險分析與應對措施［J］.采礦技術(shù)，2010，10（4）：58-60.

［2］趙先鵬,趙玉報,陳壽根,等.盾構(gòu)穿越孤石技術(shù)研究［J］.公路隧道，2011（2）：11-14.

［3］王鵬華.不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)工程孤石處理工藝及實例［J］.隧道建設，2012，32（4）：571-575.

［4］路耀幫，劉洪震，游永峰，等.海底盾構(gòu)隧道孤石爆破預處理關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（5）：117-122.

［5］李國祥，杜坤乾，楊勇，等.花崗巖風化地層中孤石含量百分比的確定方法［J］.地質(zhì)與勘探，2012，48（3）：629-636.

［6］譚春，王勇.多波列高密度地震影像法在滬崇隧道工程地質(zhì)調(diào)查中的應用［J］.上海地質(zhì)，2004（4）：51-53.

［7］劉宏岳.地震反射波CDP疊加技術(shù)在海域花崗巖孤石探測中的應用［J］.工程地球物理學報，2010，7（6）：714-718.

［8］許少輝，鞠世建，朱六兵.三號線盾構(gòu)區(qū)間主要不良地質(zhì)及其施工對策［J］.城鄉(xiāng)建設，2010（13）：341-342.

［9］竺維彬，袁敏正，鞠世健.在硬巖及球狀風化巖地段選用傳統(tǒng)工法輔助盾構(gòu)施工的探討［C］∥2003上海國際隧道工程研討會論文集，上海：同濟大學出版社，2003：239-246.

［10］李乾.地鐵盾構(gòu)法隧道孤石工程分類及處理措施［J］.都市快軌交通，2012，25（1）：82-85.

［11］楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［12］蘇利軍，孫金山，盧文波.基于顆粒流模型的TBM滾刀破巖過程數(shù)值模擬研究［J］.巖土力學，2009，30（9）：2823-2829.

［13］張圣軍.特小粒徑納米二氧化鈦及納米氮化鈦粉體制備研究［D］.沈陽:遼寧科技大學，2008.

［14］周奇才，崔濤等.盾構(gòu)施工中地質(zhì)情況超前預報的雷達探測研究［J］.中國工程機械學報，2006，4（3）：331-334.

［15］黃德中.盾構(gòu)法與礦山法相結(jié)合施工技術(shù)［J］.地下工程與隧道，2005（2）：29-32.

［16］夏毅敏，羅德志，周喜溫.盾構(gòu)地質(zhì)適應性配刀規(guī)律研究［J］.煤炭學報，2011，36（7）：1232-1236.