趙宏慶

（徐工集團(tuán)凱宮重工南京有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110051）

引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市軌道交通及高速功能建設(shè)等不斷發(fā)展，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的需求越來越大。盾構(gòu)機(jī)作為一種快速化、機(jī)械化集成度高、施工速度快的設(shè)備，具有對(duì)周圍環(huán)境影響較小、效率高等特點(diǎn)。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)的使用受到了一定的限制，尤其是盾構(gòu)介質(zhì)的影響。地層中的大型巖石、漂石、孤石等對(duì)設(shè)備的影響較大，為了提高設(shè)備的使用壽命，需要提升其刀盤的性能及盾構(gòu)機(jī)遇孤石的常規(guī)處理能力[1]。

孤石的形成過程：花崗巖在風(fēng)化過程中存在球狀的風(fēng)化核，俗稱“孤石”。隨著時(shí)間的推移，巖石會(huì)在風(fēng)力的作用下慢慢風(fēng)化，巖石的結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)不同的變化，根據(jù)風(fēng)化程度的不同可以劃分為全、強(qiáng)、中、微四類，風(fēng)化形成的巖石質(zhì)地堅(jiān)硬，在長時(shí)間的風(fēng)沙浸潤下慢慢沉集到土壤中，其空間分布具有較大的隨機(jī)性，探測的難度較大，因此長期以來孤石都是盾構(gòu)機(jī)最為棘手的問題之一[2]。

1 孤石、基巖凸起對(duì)盾構(gòu)機(jī)造成的影響

通常情況下，孤石分布在殘積土層及砂巖層中，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成較嚴(yán)重的影響，孤石位置分布較隨機(jī)且并不固定，可能會(huì)隨著泥土的擠壓流動(dòng)而移動(dòng)，而且孤石一般呈現(xiàn)微風(fēng)化體，質(zhì)地堅(jiān)硬不易被破碎。根據(jù)相關(guān)資料及盾構(gòu)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的情況來看，孤石帶來的不利影響如下：

1）刀盤刀具磨損嚴(yán)重，造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率嚴(yán)重降低。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的刀具接觸到較硬的孤石時(shí)，容易產(chǎn)生卡刀、掉刀，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成盾構(gòu)刀盤卡死，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法正常工作[3]。

2）盾構(gòu)機(jī)工作姿態(tài)失去平衡。在正常工作情況下盾構(gòu)機(jī)自身處于一個(gè)相對(duì)較平衡的狀態(tài)，當(dāng)遇到孤石時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，盾構(gòu)機(jī)會(huì)順著基巖被擠壓到較弱的一個(gè)方向移動(dòng)，甚至掘進(jìn)隧道出現(xiàn)較大的軸線偏差。

3）孤石影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。如果長時(shí)間在一塊區(qū)域行走不動(dòng)，則會(huì)對(duì)地面造成擾動(dòng)，甚至造成局部巖石垮塌，進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降，尤其是在城市中，地面沉降容易造成較大的損害。

2 孤石預(yù)處理方案

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握孤石的分布情況，為孤石的處理方案提供有力參考，需要對(duì)巖石層進(jìn)行補(bǔ)充勘察，對(duì)常規(guī)的孤石處理方案簡要?dú)w納與總結(jié)如下：

1）補(bǔ)充勘察：制定勘察方案與勘察對(duì)象，采用地質(zhì)探測儀對(duì)孤石進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)孤石后再對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加密勘察，一般情況設(shè)置勘察寬度為8 m，勘查間距取0.5 m，按此策略可以較詳細(xì)地掌握孤石的強(qiáng)度與分布密度。

2）預(yù)測與判斷：在勘察過程中需要密切注意盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中有無異常情況及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，尤其是盾構(gòu)機(jī)的推力、推進(jìn)速度、噪聲情況、刀盤的轉(zhuǎn)速、刀盤振動(dòng)情況等關(guān)鍵參數(shù)，如果出現(xiàn)異常增加時(shí)，應(yīng)停機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查。

3）勤檢查、勤更換刀具：很多潛在的危險(xiǎn)源或故障都可以通過定時(shí)檢查與排查察覺到異常情況，只有通過不間斷的監(jiān)測，才能確保設(shè)備的安全及防止刀盤產(chǎn)生較嚴(yán)重的變形。因此，對(duì)刀盤與刀具的檢測與更新更應(yīng)該成為一種例行的檢查工作，確保設(shè)備的使用壽命及可靠性。

3 孤石處理方法

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中遇到孤石時(shí)，需要尋求快速有效的解決辦法，只有快速發(fā)現(xiàn)并對(duì)孤石進(jìn)行處理，才能從根本上提高盾構(gòu)機(jī)的工作效率。在對(duì)巖芯質(zhì)量指標(biāo)（RQD）值小于25%的含有孤石的底層進(jìn)行分析，盾構(gòu)機(jī)可以較好地對(duì)土層中不隨盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的孤石進(jìn)行破碎，盾構(gòu)機(jī)可以采取直接破碎通過。對(duì)于RQD 值大于25%的區(qū)域，無法直接破碎通過，因此針對(duì)上述區(qū)域可采取預(yù)先處理的方式對(duì)孤石進(jìn)行處理。根據(jù)孤石的大小，將孤石預(yù)處理方法分為如下幾類[4]：

1）當(dāng)巖土中存在的孤石直徑較小時(shí)，可對(duì)孤石周圍風(fēng)化土層進(jìn)行袖閥管地面或者洞內(nèi)預(yù)加固處理，以為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)創(chuàng)造有利條件。地面袖閥管注漿，如圖1 所示。

圖1 地面袖閥管注漿

2）洞內(nèi)靜態(tài)爆破，或者使用火藥進(jìn)行爆破，破除體積較大的孤石；爆破的種類繁多，可采用地面鉆孔或者沖孔填火藥對(duì)其進(jìn)行爆破。

3）壓氣作業(yè)下人工破除孤石，對(duì)于體積較大的孤石，當(dāng)鉆孔深度達(dá)不到或者使用爆破技術(shù)都不能很好地對(duì)孤石進(jìn)行破碎時(shí)，可使用氣壓分裂機(jī)對(duì)孤石進(jìn)行破損分離。

現(xiàn)對(duì)目前使用較為頻繁的方法，即袖閥管地面注漿施工方法的詳細(xì)施工步驟作說明：

1）加固范圍：注漿加固范圍大致為隧道外側(cè)1.5 m 寬、底部深1 m、頂部高位3 m 的立體空間，注漿孔的間距一般取2 m 左右，擴(kuò)散半徑按0.75 m 計(jì)算，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際情況可對(duì)施工作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2）注漿預(yù)留孔施工[5]：首先需要測量放樣，并事先對(duì)構(gòu)筑物及管線進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，測量人員根據(jù)圖紙要求進(jìn)行放樣。然后進(jìn)行打孔，為減小地基的附加沉降，打孔的基本流程如圖2 所示，一般包括定孔位、設(shè)計(jì)孔深、下袖閥管最后再注漿。

圖2 預(yù)留孔施工流程

3）注漿施工：注漿施工主要注意先后順序，一般先澆筑外圍區(qū)域，再逐步澆筑中間區(qū)域，需要遵循同排間隔澆筑，相鄰的兩行要相互交錯(cuò)澆筑，澆筑材料為純水泥漿；且澆筑壓力應(yīng)保持在0.35～0.65 MPa之間，水泥流量設(shè)置為13～27 L/min，澆筑的工藝流程如圖3 所示。

圖3 澆筑的工藝流程

4 孤石探測方法

對(duì)于孤石的探測也可分為很多種類型，最早的技術(shù)是基于物理探測法發(fā)展而來。現(xiàn)階段主要采用電磁法及地震法，測量方法的適用環(huán)境各不相同，其測量特點(diǎn)各具特色。一般來講，物理測量法必須具備兩個(gè)先決條件，即要求被探測對(duì)象與周圍環(huán)境介質(zhì)存在一定的差異；其次具有可被探測到的足夠大的規(guī)模。不同的探測方法具有不同的特性，物理探測法對(duì)環(huán)境要求較高，而且探測的精度也會(huì)受環(huán)境的影響；相對(duì)而言，電信號(hào)測量方法具有更好的可靠性，但該類方法使用也具有一定的局限性，就是操作較復(fù)雜，而且對(duì)探測條件要求較高。電磁測量法效率高，同時(shí)受地形影響較大，對(duì)施工環(huán)境要求較高；而地震法較為靈活，探測深度可控，但是容易受到外界的震動(dòng)而產(chǎn)生較大的干擾。

對(duì)常用的電法及電磁法、地震法等作簡要介紹：電磁法是通過發(fā)射天線向地面發(fā)射光譜或者電磁波譜，利用波的特性在遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，即可了解到地面介質(zhì)情況；地震法，是以地下各種介質(zhì)的彈性差異為基礎(chǔ)，研究由人工錘擊產(chǎn)生的地震波的傳播規(guī)律，可以判斷地下孤石的分布情況；電法，是通過對(duì)地下傳導(dǎo)特性的差異，獲得地層中的分布規(guī)律，但是該方法的探測精度較低，有時(shí)候存在較大的誤差。

5 結(jié)論

盾構(gòu)機(jī)是一種使用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道掘進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)，盾構(gòu)的施工法是掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)的同時(shí)構(gòu)建其經(jīng)過位置的隧道，它區(qū)別于敞開式施工方法，盾構(gòu)機(jī)隧道施工效率較高，具有安全、可靠等特點(diǎn)。但是盾構(gòu)機(jī)施工過程中不可避免地會(huì)遇到隨機(jī)分布的孤石，孤石相較于周圍的土質(zhì)，具有較大的不確定性，因?yàn)槭^的密度以及形狀不一，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具磨損造成嚴(yán)重影響。因此，盾構(gòu)機(jī)遇孤石的常規(guī)處理方案與探測手段的研究具有重要意義。