盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

黄恒儒

(广州市盾建地下工程有限公司，广东 广州 510030)

0 引言

花岗岩地层由于其物质组成特点，在风化过程中很容易发育出未风化或者微风化的坚硬球状体，即“孤石”。孤石的存在对地下工程尤其是盾构隧道工程施工影响极大，容易导致地面沉降、设备损坏、隧道质量事故等风险，是盾构施工的“天敌”之一。在广州北部和东部部分地区，广泛分布有燕山期花岗岩，由于风化不均产生了大量孤石，孤石的分布在部分区域较为零散而部分区域则密集成群，广州地铁3、6、21号线等建设时均因遇到孤石而导致工期滞后。近年来，业内总结出的孤石处理方式主要有2种:一是在盾构掘进过程中对孤石进行处理，如使用盾构直接切削孤石、洞内火工爆破孤石或洞内液压劈裂机处理孤石;二是在盾构施工前对孤石进行预处理，如采用地面冲孔破除孤石、人工挖孔桩挖除孤石、地面钻孔爆破孤石等［1－5］。这些方法在应对单体孤石时取得了良好的效果，但在孤石发育密集的孤石群区，施工风险和困难比单体孤石要大得多，采用单一的孤石处理方式往往具有一定的局限性。为此，本文依托广州市6号线(萝岗站—香雪站)盾构区间的施工实例，分析盾构在孤石群地层中的施工风险，从孤石预处理、盾构掘进和开舱等方面系统地研究盾构穿越孤石群的方法。

1 工程概况

广州轨道交通6号线 (萝岗站—香雪站)区间位于广州市萝岗区，隧道直径为6 m，采用盾构法施工。该工程隧道线路上通过勘探揭露及盾构掘进遇到的孤石约200多块，其中孤石发育密集的区域包括检察院段孤石群、大朗村段孤石群和隔陂涌段孤石群等。

检察院段左线孤石群位于里程ZDK40+030～+123，通过补勘揭露孤石27块。孤石天然抗压强度为80～110 MPa，RQD值为80% ～100%，主要发育于〈5H－2〉硬塑状花岗岩残积土和〈6H〉全风化花岗岩残积土中。左线检察院段孤石群纵断面见图1。

图1 左线检察院段孤石群纵断面图(单位:m)Fig.1 Longitudinal profile of left tunnel tube showing boulder groups(m)

2 孤石群形成机制及盾构穿越孤石群主要施工风险

2.1 孤石形成机制及其地质特征

花岗岩在形成演化期间由于受构造应力和风化应力的影响形成许多相互正交的节理，在这些节理切割形成的花岗岩块状岩石露出地表后不断受风化作用的过程中，其突出棱角部位易受风化并趋向球形，便形成了球状风化体，俗称“孤石”。花岗岩球状风化体的分布虽无固定规律，但也有一些明显特征:其大小随着风化程度的增强而减小，而数量却随着风化程度的增强而增加，但在垂直风化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特点［1］。

花岗岩球状风化孤石群风化的残积土主要为砂质黏性土及砾质黏性土，土质均匀性差，含砂量高，遇水易软化崩解;风化残留的孤石抗压强度高，与周边风化的软弱地层的强度差异极大;一般在孤石密集发育的区域周边地层含水量较高。

2.2 盾构穿越孤石群主要施工风险

盾构在掘进孤石群时，主要靠刀盘上的滚刀破岩前进，而滚刀能否顺利破岩主要取决于盾构能否提供足够的切削力破岩以及孤石不能移动［2］。盾构在通过孤石群地层时，主要存在以下风险。

1)掘进速度慢，掘进参数波动大，对周边地层扰动较大，容易超挖，导致出现地面沉降的风险。

2)掘进时周边软弱土体破坏，使孤石移动，盾构姿态难以控制［1，4］。

3)孤石强度太高或孤石滚动使滚刀无法顺利破岩，在掘进中容易出现刀具损坏失效的问题，导致盾构不能正常掘进，甚至被迫停机。

4)盾构在孤石群中连续破岩掘进，需要频繁开舱换刀，而孤石群周边地层自稳性差，加上掘进施工扰动，开舱作业困难。

3 盾构穿越孤石群施工总体思路

传统的孤石预处理方式有盾构直接切削孤石、液压劈裂机预处理孤石、洞内火工爆破处理孤石、冲孔预处理孤石、人工挖孔挖除孤石及地下深孔爆破孤石等［1－5］。在孤石群地层中，盾构无法直接掘进通过;冲孔法在应对垂直方向上密集交叉重叠的孤石时容易偏孔、卡锤，基本难以实施;人工挖孔挖除孤石法在处理水平方向上密集分布的孤石时布孔间距缩小，开挖风险增大且孤石难以彻底挖除干净，施工工效也较低;采用洞内火工爆破和液压劈裂机处理孤石的方法更是时刻伴随着开舱的安全风险且效率低下。相对而言，采用地下深孔爆破方式处理孤石群比较彻底，爆破破碎孤石后盾构掘进难度降低，有利于控制地面沉降、姿态跑偏、刀具损坏等风险，其施工工效高而且环保;但对孤石群实施爆破只是破碎了岩体却未能把岩石取出而彻底解决掘进的风险，盾构在长距离的孤石群中掘进仍存在刀具损坏的问题，且爆破扰动及花岗岩残积土易软化崩解的特点也会对开舱更换刀具作业带来巨大的困难。因此，在盾构穿越孤石群的施工中，除了采用深孔爆破预处理孤石以外，为保证盾构掘进稳定须采用特殊的掘进技术，并利用合适的辅助措施以确保开舱换刀作业顺利实施。

4 盾构穿越孤石群的施工关键技术

4.1 地下隐蔽岩体爆破预处理技术

4.1.1 地下隐蔽岩体爆破技术

4.1.1.1 爆破的技术指标

孤石处理的目标是使岩石破碎后减少其块体尺寸使掘进难度降低，并在盾构掘进过程中碎石能顺利地通过刀盘开口进入土舱，最后通过螺旋机排出。因此，爆破的技术指标主要有2方面:一是结合本工程盾构设备参数，地面钻孔爆破处理后的孤石碎块尺寸不超过300 mm;二是降低岩石的RQD值，将之控制在50%以下。

4.1.1.2 爆破布孔及装药结构

采用深孔爆破处理孤石的主要困难是爆破没有临空面，为解决这一难题，可采用钻孔分段微差爆破法。该技术是采用毫秒延时雷管，在孔间、孔内以毫秒级的时间间隔，按一定顺序起爆，利用封闭岩体与周边围岩介质的差异，分期爆破，第1期爆破形成空腔，为第2期爆破提供自由面，经多孔多段微差挤压爆破，最终破碎岩体［5］。

爆破孔采用钻机成孔后下90 mm的PVC套管护孔，套管底需安有堵头。孔位布置采用矩形或梅花形，间距0.5～0.8 m，其中孤石中间的孔为装药孔，孤石周边布置空孔，如图2所示。

图2 爆破布孔平面示意图Fig.2 Plan layout of blasting holes

因孤石厚度不均，在装药时须考虑到测量以及药包吊装过程中产生的误差。因此，单孔单体爆破时装药长度与岩石厚度相同;多孔单体爆破时，相邻2个炮孔，其中1个炮孔钻至孤石底面(即钻穿)，装药至炮孔底部，孤石顶面留10 cm不装药，邻孔孔底距离孤石底面10 cm，装药至炮孔底部，孤石顶面留10 cm不装药。爆破装药结构示意如图3所示。

图3 爆破装药结构示意图Fig.3 Charging structure of blasting holes

4.1.1.3 地下爆破药量的确定

本工程爆破对象位于地下18～22 m，且存在地下水，故视为水下爆破。依据瑞典的设计方法，单位耗药量

式中:q1为基本装药量，是一般陆地梯段爆破的2倍，对水下垂直钻孔，再增加10%(普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗q1=0.5 kg/m3，则水下钻孔q1=1.0 kg/m3，水下垂直孔q1=1.1 kg/m3);q2为爆区上方水压增量，q2=0.01h2;h2为水深，m;q3为爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3;h3为覆盖层(淤泥或土、砂)厚度，m;q4为岩石膨胀增量，q4=0.03h;h为梯段高度，m。

本工程h=4 m，h2平均取20 m，h3=18 m，则

在爆破作业过程中参照上述数据试爆后，再针对具体情况调整爆破参数。确定炸药单耗量以后，根据孤石的体积计算不同孤石装药参数。

4.1.1.4 爆破振速监测

爆破施工前应对周边环境进行详细调查，了解周边建构筑物的情况，并根据建构筑物与爆破中心的距离、建构筑物的结构强弱及重要性选择监测对象。爆破作业时，将爆破监测仪置于建构筑物基础上表面(若基础埋于土层下，则选择最近基础且坚实的地面作为测点)，根据监测结果及时反馈数据，调整爆破参数，确保周边环境安全。

4.1.1.5 封孔措施

实施爆破施工后，爆破孔的存在容易使盾构掘进或压气开舱出现喷涌、冒泥浆或漏气的问题，故要求爆破后周边区域的钻孔必须封好。一般是采用钻机从钻孔底部自下而上灌满水泥浆，如需要短时间内凝固时可采用水泥－水玻璃双液浆灌注。

4.1.2 爆破效果验证

4.1.2.1 钻孔取芯验证

爆破后对孤石进行抽芯验证，抽芯岩石粒径小于300 mm，并经统计，爆破后岩石RQD值可达到25% ～50%。孤石爆破后取芯岩样见图4。

4.1.2.2 掘进参数比对

对比爆破前后盾构掘进情况，可见推力、扭矩有所降低，掘进速度上升，施工工效提高明显。孤石爆破处理前后掘进参数对比见表1。

图4 孤石爆破后取芯岩样图Fig.4 Rock cores taken after blasting

表1 孤石爆破处理前后掘进参数对比Table 1 Tunneling parameters before and after the boulder blasting

4.2 地层压密注浆加固技术

4.2.1 注浆方法的选择

花岗岩残积土自稳性差，孤石发育密集部位地下水丰富，并经爆破施工及盾构长时间的掘进扰动导致地层松动，压气时容易出现地面漏气导致无法稳压、掌子面土层松动塌落等问题，无法实施带压进舱作业，故压气作业前宜先对周边地层进行注浆改良。

地层注浆按浆液注入形态可分为充填灌浆法、渗透注浆法、压密注浆法及劈裂注浆法［6］。根据花岗岩残积土的特性，采用压密注浆法、劈裂注浆法方法均可行，但从成本和工期方面考虑，本工程采用压密注浆法进行地基加固。

4.2.2 压密注浆主要参数设计

4.2.2.1 注浆材料的选择与配合比

压密注浆的材料一般采用强度较高的硬砂浆类材料［7］，塌落度较小，其对注浆设备和注浆方法要求很高。为达到压密注浆的目的，同时又规避硬砂浆类注浆材料的缺点，本工程采用浓水泥浆－水玻璃双液浆作为注浆材料，并要求双液浆注入后马上初凝，以减少浆液流失，实现压密注浆的效果。现场配置时，双液浆初凝时间控制在20 s以内，可按以下配比进行试验调整:水泥浆的水灰质量比为0.5∶1，水泥浆溶液与水玻璃溶液体积比为2∶1，水玻璃与水体积比为1∶2～1∶3。

4.2.2.2 注浆范围

地层压密注浆以实现压气开舱检查刀具为目的，注浆范围设计为:垂直方向隧道底部至顶部以上5 m，横向为隧道两侧以外2 m，纵向为盾构切口后方1 m至刀盘前方3 m。注浆孔间距1.2 m，尽量布置在爆破孔上，使爆破扰动最大的部位得到最强加固。

4.2.2.3 注浆量

压密注浆不以注浆压力为最终控制［8］，仅控制注浆量。注浆量的设计应考虑土的空隙体积、浆液注入率、浆液流失等［9］，可按式(2)计算。

式中:K为经验系数，在中粗砂地层一般取0.5～0.7，细砂和黏性土一般取0.3～0.5;V为注浆对象的土量;n为土的孔隙率。实际注浆量应在现场根据不同的地层条件试验调整，本工程经过多次注浆和压气试验，最终确定每立方土体的注浆量控制在0.2～0.27 m3较合适，既节约成本又能达到压气开舱的目的。

4.2.3 压密注浆的实施

由于双液浆初凝时间较短，一般的注浆设备和注浆方法不能满足要求，故采用钻孔及注浆设备一体化的双重管注浆机进行双重管注浆:先进行钻孔，钻孔完成后直接利用内设双重管的钻杆进行注浆，水泥浆及水玻璃溶液通过双重管在孔底混合，调整双液浆的配合比，可达到双液浆注入后马上初凝的效果，以实现地层压密的目的。

4.2.4 开舱效果

实施压密注浆后，注浆点周边形成浆泡，浆泡挤压周边土体使之密实以达到压气开舱的目的。本工程在施工过程中，采用压密注浆辅助压气开舱达20多次，成功率高达90%以上，效果较好。

4.3 带压进舱检查及更换刀具技术

在花岗岩残积土的地质条件下，一般需要先对地层进行加固后才能常压开舱，但地层加固必须整体较强、无薄弱部位，否则仍存在较大风险，故常压开舱成本高、工期长。为此，本工程采用对开舱部位地层进行简单的压密注浆改良后实施带压进舱作业的方法，具有成本低、工期短的优点。

4.3.1 带压进舱辅助措施

1)盾壳后部止水措施。盾壳及管片背后存在的空隙一般情况下容易成为往土舱透水的通道，并且向土舱压气时又会造成漏气现象。在压气作业前，应通过盾尾注水泥－水玻璃双液浆、盾体径向孔注低强度化学浆等措施使盾壳后部形成密封止水环。

2)掌子面泥膜护壁措施。为增强土舱周边地层的气密性，增大压气作业的成功率，可往土舱注入高黏度、高质量的膨润土浆，并反复搅拌和置换舱内渣土，最终在掌子面形成泥膜。

3)压气置换气体。换刀过程的工作气压为静止状态下土舱顶部压力加约0.03 MPa的增量。进舱作业前，首先进行压气置换土体，压气置换土体时气压比换刀的工作气压高约0.02 MPa。压气置换土舱土体工作完成之后，将土舱气压缓慢地降至工作气压，然后稳压观察约1 h，稳压过程中除了气压必须保持稳定以外，还须打开舱壁3—9点位以上阀门检查舱内渣土和水位面变化情况，确定掌子面稳定后，方可进舱作业。

4.3.2 刀具更换

盾构刀具更换遵守“拆一装一”的换刀原则，对损坏的刀具进行更换。换刀时各组人员应统一采用“逐臂更换”、“由外到内”或“由内到外”等换刀顺序。

4.4 掘进孤石群施工参数控制技术

4.4.1 掘进参数控制

盾构在掘进孤石群过程中，要控制好各项掘进参数，做到平稳掘进，一方面能减少刀具的异常损坏，另一方面能减少对地层的扰动。

1)在刀盘前和土舱注入泡沫或膨润土改良渣土，达到润滑刀盘、减少刀具磨损和降低扭矩的目的。

2)采用低转速、低速度平稳掘进，并严格控制掘进贯入度，防止滚刀不转造成偏磨或滚刀过载损坏。对于滚刀不转或滚刀偏磨的临界贯入度，可参考文献［10］的研究成果。

式中:hmin为临界最小贯入度，mm;hmax为临界最大贯入度，mm;R为滚刀半径，mm;T为滚刀刀尖宽度，mm;Fm为滚刀额定荷载，kN;S为刀间距，mm;ψ为刀压分布系数;σt为岩石抗拉强度，MPa;σc为岩石抗压强度，MPa。

3)采用土压平衡模式掘进，控制出土量，防止超挖。

4)控制掘进姿态平稳不蛇形，减少对土层的扰动。

5)在掘进过程中，确保同步注浆流量与掘进速度匹配，注浆材料可采用砂浆。

4.4.2 掘进异常情况分析

盾构在孤石群中掘进，应遵守“勤检查、勤换刀”的方针，尤其是在掘进过程中出现异常时要及时检查换刀，不能盲目掘进。掘进异常情况可通过以下方式进行判断。

1)掘进时在土舱壁附近勤听声音判断刀具使用情况。正常掘进时一般滚刀切割岩石声音比较均匀，其他杂音较小，如听到土舱内有硬物滚动的异响，则可能有部分刀具损坏滚落舱内，或听到盾壳周边与岩石摩擦发出间断性的较清脆响声，则可能边缘滚刀已磨损过量。

2)通过掘进参数判断刀具的状态。掘进过程中如出现以下情况则可能刀具已部分损坏:①推力大，但扭矩小、速度小;②扭矩大，但速度小;③扭矩、速度波动明显较平常大。

3)观察螺旋机排出的渣样判断刀具的磨损情况。正常低速均匀掘进时，一般排出的石渣比较均匀，当排出的渣土中的碎石大小不一，异于平常时，则可能部分刀具已损坏。

5 实施效果

萝香区间自2012年2月28日盾构始发，2012年6月21日—8月4日左线通过检察院段孤石群，2012年12月16日—2013年12月30日右线通过大朗村段孤石群。爆破前后盾构掘进工效及刀具损耗对比如表2所示。

表2 爆破前后盾构掘进工效及刀具损耗对比表Table 2 Shield tunneling efficiency and cutter wearing before and after blasting

6 结论与建议

盾构掘进孤石是盾构工程的重大难题，而在孤石群地层中，盾构须长距离连续掘进软硬不均地层，其施工难度远大于盾构通过单体孤石，单一的孤石预处理方式一般带有一定局限性，并不能把施工风险降低到可控范围。对于盾构穿越孤石群地层，宜根据地质和周边环境情况，从降低盾构破岩难度、减少刀具磨损和保证及时更换刀具等方面综合考虑应对措施，以确保盾构在掘进中平稳、安全。根据在萝香区间盾构穿越孤石群的施工实践和研究，得出以下结论和建议。

1)在孤石群地层中，系统采用地下爆破预处理孤石、控制参数保证盾构平稳掘进、压密注浆法辅助带压开舱检查换刀的措施能使施工风险可控，施工工效明显提高，施工成本降低。

2)采用地下隐蔽岩体爆破技术预处理孤石群，其关键是要使岩石破碎后尺寸减小利于进入刀盘和方便螺旋机排出，以降低盾构的掘进难度。爆破地下孤石可采用钻孔分段微差爆破的方法以解决地下爆破没有临空面的难题。

3)在孤石群地层中开舱安全风险大，尤其是爆破施工后开舱成功率很低，不能保证及时更换刀具，造成盾构掘进困难甚至停滞。采用带压开舱换刀，可先进行压密注浆，以较低的成本和工期改良刀盘周边地层，并封阻爆破施工形成的漏气通道，能大大提高开舱的成功率，并且在压气作业过程中，还可采用盾壳后部止水、掌子面泥膜护壁等辅助措施。

4)在盾构掘进孤石群过程中，应严格控制推力、扭矩、贯入度、姿态、排土量等各项参数，并可通过听掘进声音、观察渣样、分析参数的方法来判断掘进异常情况，及时检查更换刀具，使盾构保持平稳掘进。

5)孤石群是盾构工程的重大风险，对工程的进度、成本、质量具有较大影响，有时甚至成为决定项目成败的关键。因此，对孤石的处理，建议工程参建单位提前策划、综合考虑，在勘察阶段提供出详细准确的地质信息，在设计阶段尽量规避孤石密集区域，在施工阶段尽量于盾构掘进之前处理，把风险降低到可控范围。

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