浅谈盾构孤石段地层掘进技术

槐荣国/HUAI Rong-guo

（中铁五局集团 电务城通工程有限公司，湖南 长沙 410117)

1 引 言

由于孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要问题有:掘进困难并频繁卡刀盘；盾构姿态难以控制；刀具磨损非常严重、刀座变形、更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞开口率降低、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线；掘进振动大，对保护地面建筑物不利等。

目前国内盾构施工过程中探明孤石的地层较多，处理的方法众说纷纭，但总体效果仍不理想，处于摸索阶段，并且尚未找到一种切实有效的处理方法。迄今为止，盾构施工过程中，通过孤石段地层主要依靠盾构直接推进，控制参数通过。本文结合个人施工经验详细介绍盾构掘进孤石地层时的措施和注意事项。

2 工程概况

本工程为深圳地铁11号线宝安站至碧海站区间施工，区间隧道主要穿越地层为：砾砂、粘土、砂质粘土、淤泥质粘土及全、强风化花岗岩，局部穿越中风化岩层、微风化岩层。对局部通过中风化片麻状混合花岗岩和中风化片麻状混合花岗岩和突起段，采用矿山法开挖初支盾构空推拼装管片通过的方式施工。宝碧区间有两段采用矿山法暗挖隧道+盾构空推的方法进行施工。在盾构顺利通过矿山法隧道后，多次遇到孤石。岩石抗压强度40～80MPa，直径最大的3m。

3 孤石分布规律及施工中的针对性措施

3.1 孤石的成因

孤石的成因主要有两种：①由人工回填造成的存在于回填土层中的大孤石，如：抛石起淤，软基处理等，该类孤石勘探难度较大，很难找到其分布规律。②由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大，加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎，抗风化能力减弱，在深度风化情况下所形成的。当花岗岩中发育有几组交叉的节理时节理把岩石分割成棱角形块，风化特别集中在3组节理相交的棱角部位，风化速度快，久而久之，棱角逐渐被圆化。风化作用不断进行时，渐趋于使岩块变圆，形成球状花岗岩孤石。

加密补充地质勘探，掌握孤石的分布情况，为探明孤石的分布情况，采用以钻探为主，多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。在工程初勘和详勘基础上，首先采用瑞利波法和高密度电阻率法同时沿隧道中轴线进行勘探，大致探出盾构隧道中轴线洞身及上下一定深度影响范围内孤石的分布、发育情况和接触关系等。然后结合区间隧道中线和开挖轮廓线，根据物探确定的孤石位置，布设地质探孔，进行取芯补勘。

补勘孔沿线路中线间距10m布置，具体步骤是，在揭露有孤石存在的区域中心利用原来的物探孔打眼，根据所取芯样中岩层的情况判别补勘范围是否要向外延伸或向内缩进，再沿纵、横向轴线增加新补勘孔，直至探明孤石的大小及分布范围。如果地质钻显示下方有孤石，以第1个地质探下钻点为中心，以2m为半径画圆，然后在圆上的4个方向上定出4个点位分别下钻继续勘探，直到确定出孤石的具体位置、大小、埋深、强度以及孤石周围地层的软硬程度，并认真核对是否和详勘地质报告所提供的地质情况相符。

孤石的成因虽然简单，但是较难探出具体位置和具体数量，主要是补充地质勘探场地受限，其次是成本较高，再是收获相对费用支出性价比较低。

3.2 分布规律

虽然花岗岩球状风化体的分布具有离散性大、埋藏深度大、空间赋存特征不规则的特点，但仍具有一定规律:①主要分布于全风化带和强风化带；②在垂直风化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特点。即随着高程的增加，球状风化体越来越密集，而体积越来越小；③孤石的大小随着风化程度增强而减小，而数量却随着风化程度的增强而增加，这一特征正好与第2点相吻合；④在全风化带中也可能存在较大的孤石，在强风化带中，也有可能出现较小直径的孤石，这说明球状风化体的大小也受到局部岩性条件和地质条件等因素的影响。

3.3 盾构掘进中遇到孤石的处理措施

根据孤石的大小、位置、形状、周边环境等因素确定处理方法。当隧道上方地面具备冲孔、挖孔条件时，应首先采用地面处理方式；当地面不具备冲孔、挖孔条件时，采用洞内处理方式。

孤石处理的方法主要有：①地层注浆加固后盾构推进；②钻孔爆破孤石；③人工挖孔破碎孤石；④冲孔桩破碎法；⑤盾构超前注浆孔注浆，盾构掘进；⑥静态爆破岩石分裂机破碎孤石；⑦盾构直接掘进。

由于孤石的勘探难度较大，地面处理条件限制因素较多，土仓内处理风险较大，且处理后效果不明显，加之成本较高等原因，在施工过程中施工单位比较普遍采用的办法为盾构直接掘进孤石地层。

4 盾构直接掘进孤石地层技术

4.1 依据参数判别孤石

当盾构掘进参数中扭矩频繁波动量在正负500kNm以上时，推进速度频繁波动量在30mm/min时，土压的变化对推进速度、刀盘扭矩、推力等重要参数影响较小，加上对所出渣土的取样分析，结合地质勘探报告很容易判断出刀盘前方是否遇到孤石。

4.2 盾构直接掘进孤石段的参数及说明

4.2.1 盾构直接掘进孤石段的参数

盾构直接掘进孤石段的参数如表1所示。

表1 盾构机直接掘进孤石段参数表

4.2.2 盾构直接掘进孤石段的参数说明

1)土仓压力土仓压力主要根据地层埋深进行设定（10m约1bar),但是掘进过程中尽量控制好压力波动，防止地面沉降，可将螺旋转速控制在1r/min，以螺旋仓门开启度控制出土，尽量将压力波动控制在正负0.2bar。遇到孤石后难免会出现喷涌，无论如何喷涌，都须将螺旋转速控制在1r/min，严禁长时间不转螺旋，仅开启螺旋仓门开启度泄压，这样很容易造成泥水分离，石渣沉底，堆积过多后，长时间推力挤压很容易形成泥饼。为了减少喷涌可适当注入聚合物以缓解喷涌。

2)刀盘转速（及转向）刀盘转速的控制直接影响到孤石的磨损周期，转速越快，扭矩越大，孤石磨损周期缩短，但存在滚刀刀刃被崩，刀箱变形，盾体扭转等风险。刀盘转速过慢，孤石磨损周期加长，推进速度缓慢。合理的选择刀盘转速直接影响到盾构掘进孤石段的安全及功效，个人建议控制在0.8～1.0r/min为佳，但仍需根据扭矩做出适当调整。频繁切换刀盘转向有利于孤石的磨损，建议多次切换刀盘转动方向（每环至少4次）。

3)刀盘扭矩的变化主要由孤石的大小、硬度和嵌入刀盘的方式决定，合理的设置扭矩上限值是保证掘进安全的前提，一般控制在2 000kNm以内，当然越小越好。当扭矩过大时可适当注入聚合物（有一定的润滑作用，且可以防止喷涌），可大大降低扭矩（注意：聚合物和膨润土不能同时使用，若同时聚集在土仓内极易形成泥饼）。

4)推力在孤石段掘进，推力控制难度较大，推力过小盾构无进尺，推力过大易造成刀盘扭矩大且盾构抖动较大，只能根据刀盘扭矩变化控制推力即“扭矩控制推力法”。

5)推进速度孤石段掘进与正常掘进截然不同，由于地质愿意盾构不能正常发挥其功能，各项参数波动频繁，设备负载波动频繁，在此期间要严格控制推进速度，不能追求速度，盲目掘进，最终只能适得其反。推进速度严格控制在20mm/min以内（孤石抗压强度在80MPa以内），根据孤石的抗压强度可适当将上限值调低。

6)渣土改良孤石地段掘进参数较难控制，刀具非正常磨损风险增加，且容易喷涌，排渣不畅，极易形成泥饼。所以该段地层的渣土改良尤为重要，建议用优质泡沫，另可用膨润土系统注入适量的聚合物，可有效地控制喷涌并能大大降低刀盘扭矩。

4.3 注意事项

1)孤石段掘进不比正常掘进，盾构犹如逆水行舟，举步维艰，在此过程中盾构司机要随时注意参数变化，发现异常立刻停机汇报，待找到原因后方可恢复推进，以免造成不必要的损失。

2)盾构司机须如实记录好每环的掘进参数变化，工程技术人员对每班掘进参数进行分析，若参数向好可继续按此参数掘进直到顺利穿越孤石层，若参数趋势越来越差时，必须立即停机检查刀具后方可继续掘进，以免造成刀箱变形、刀盘磨损等重大后果。

3)在此期间尽量做到勤检查、勤更换刀具。具备常压开仓条件的地段，尽量多次开仓检查，不具备常压开仓条件的地段，则必须要有计划地进行带压开仓检查及更换刀具。

4)此方法适合处理较大型孤石，且孤石与刀盘的接触面较大，若孤石强度在60MPa以内且直径较小的孤石也可采用此办法，但需要随时注意参数变化并做好分析总结，做好随时检查刀具的准备。

5 结 语

本文针对深圳地铁11号线11303标宝碧区间盾构孤石段掘进技术进行了研究、分析与实践，详细阐述了盾构掘进孤石段参数的控制和注意事项。对孤石的成因做了简单概述，对孤石段掘进的风险进行了阐述，结合本项目左右线成功穿越孤石段地层施工经验进行分析总结。本次盾构直接掘进孤石段地层参数控制技术的成功运用，为今后盾构穿越孤石段地层及类似施工积累了宝贵的经验。

[1] 竺维彬，鞠世健．地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M]．广州：暨南大学出版社，2009.

[2] 刘建国．深圳地铁盾构隧道技术研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2011．