土压盾构掘进遇孤石的判定及处理技术

2017-04-10齐岭

四川水泥 2017年10期

关键词：压气孤石刀盘

齐岭

(广州市城市建设工程监理公司，广州 510045)

土压盾构掘进遇孤石的判定及处理技术

齐岭

(广州市城市建设工程监理公司，广州 510045)

本文结合了地铁21号线盾构施工经验，论述了土压盾构法在掘进过程中遭遇孤石的判定方法，并根据孤石的大小及施工环境情况提出了孤石的综合处理措施，从而提高工作效率，降低了施工风险。

盾构；孤石；判定；处理方法

1 盾构掘进遇孤石的判定

盾构隧道补充勘察为了进一步准确掌握孤石的分布情况，为孤石处理方案提供依据，必须对沿线补充勘察，进行详细了解，采用地质探测仪对孤石进行探测，发现孤石后对该地段进行加密补勘，探测宽度宜为 7.0m，间距 0. 5 米，详细掌握孤石的强度、大小及分布。

施工过程中对孤石的预测和判断掘进过程中注意观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化 (例如速度突然变慢、推力、扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等)，判断是否碰上孤石。掘进过程中随时监测刀具和刀盘的受力状态，确保其不超载并观测刀盘是否受力不均，以防刀盘产生变形。

2 盾构掘进发现前方有硬障碍物

开仓检查：如掌子面不稳定则尝试压气开仓，掌子面不稳定且不具备压气开仓条件则加固后开仓。发现刀盘前面有钻探时未发现的孤石或地面预处理未达预期效果的孤石（含限于地面条件无法进行地面预处理的孤石），且盾构机直接掘进通过施工风险较大。判断直接实施洞内静态爆破时掌子面如有坍塌危险，则根据现场实际条件进行压气作业或进行地层加固后再压气作业。采用静态爆破剂或岩石分裂机进行洞内静态爆破；达到预定效果后盾构机掘进通过。

3 孤石预处理基本思路及处理原则

由于镇镇区间采用微动法+钻孔验证进行补勘，微动法每5m布设一个微动观测台阵，预计可探测出孤石群及大部分孤石的位置，部分直径较小的孤石则可能未被探测到，因而拟按以下基本思路处理本工程施工中遇到的孤石：

盾构机所有刀具均采用带合金粒的硬岩滚刀，以增强盾构机在硬岩中的掘进能力；钻孔探测时揭露孤石位于隧道洞身，拟进行地面预处理（当评价盾构机可直接掘进通过此孤石时可不处理）；盾构机掘进过程发现的孤石，如判断盾构机可直接掘进通过则检查更换刀具直接掘进通过，如判断盾构机直接掘进通过风险太大则进行洞内处理后再掘进通过；在选择地面预处理或洞内处理方案时，总体上优先选择地面预处理方案，地面不具备条件或处理费用太高时，才选择洞内处理

进行地面预处理的原则：

1）钻探揭露位于隧道洞身范围内直径为大于0.4的单个孤石采取深孔爆破处理；直径大于约2～3m的孤石优先选择深孔爆破处理。

2）钻探揭露位于隧道洞身直径大于约2～3m的单个孤石当采取深孔爆破处理困难时，可采用竖井开挖结合人工爆破取出处理，当地面不具备挖竖井条件时采取用钻机将孤石钻成蜂窝状再盾构直接破碎通过。

3）钻孔揭露位于隧道洞身的孤石群采取竖井开挖结合人工处理；

4）钻孔垂直方向揭露两个或以上的孤石，首选采用深孔爆破处理方案。当深孔爆破实施困难时可根据地面场地条件在孤石上方挖竖井然后进行人工爆破、人工取出第一块孤石，按从上往下的顺序依次处理下方的孤石；

4 地面处理方法

4.1 爆破施工

通过地面引孔爆破时孤石基本分裂成单边小于0.3米的岩块。

孤石处理实施阶段将根据现场实际情况编制地面引孔爆破或井内爆破孤”的相关方案，《爆破安全专项施工方案》《爆破施工应急预案》。

4.2 竖井挖孤石施工

根据现场的实际环境及管线条件，拟定竖井的开挖尺寸和深度，并根据地质条件的差异，采取不同的支护措施及地层加固措施，根据孤石的大小及与隧道洞身的位置确定竖井开挖的位置、尺寸大小及深度。原则上只要处理盾构隧道开挖范围内的孤石即可，盾构隧道开挖范围需外放30cm确保施工误差不会造成影响。

4.3 静态爆破施工

4.3.1 使用静态爆破剂实施静态爆破

将一种含有钼、镁、钙、钛等元素的无机盐粉末状静态破碎剂，用适量水调成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经水化反应，使晶体变形，随时间的增长产生巨大膨胀压力（径向压应力和环向拉应力），缓慢地、静静地施加给孔壁，经过一段时间后达到最大值，将混凝土或岩石胀裂、破碎。

4.3.2 使用岩石分裂机实施静态爆破

此方法采取人工进入竖井底部或土仓内利用岩石分裂机进行硬处理。

在盾构机掘进过程中，如感觉前方遇到硬障碍物，应开仓进行检查，如地层不稳定则需压气开仓（在掘进阶段将根据实际情况做《压气作业安全专项施工方案》），如地层不稳定且覆土过薄或气密性差不能满足压气要求则需要刀盘周边地层进行加固后进行开仓（加固方案将在实施阶段根据实际情况设计）。开仓后判断盾构机可直接掘进通过前方孤石，则检查更换刀具后掘进通过；如判断盾构机直接掘进通过将有较大施工风险时，则采取洞内处理后再掘进通过。

在仓内采取人工爆破的方法处理孤石，而地层不够稳定时，主要考虑采取袖阀管进行地层注浆加固措施。在仓内采取静态爆破的方法处理孤石，而地层不够稳定时，主要考虑采取压气作业措施。当由于周边地层透气性较好或不透气层覆盖较薄的时候，可先采取袖阀管进行地层注浆加固，然后再进行压气作业。

仓内加固当出现盾构机无法继续掘进，且地质条件不具备带压开仓要求，盾构机刀盘又不在预加固体内，则须对盾构机刀盘前方土体进行加固，以达到开仓条件进行刀盘前方硬岩处理。注浆用钢花管会对盾构机掘进造成障碍，在孤石处理后盾构机掘进前，需从预留注浆孔将钢管拔除。洞内炸药爆破施工：孤石处理实施阶段将根据现场实际情况洞内炸药爆破孤石相关方案，而爆破方案和压气作业的具体内容则另见《压气作业安全专项施工方案》及《爆破安全专项施工方案》。

采用洞内炸药爆破施工条件：补充钻探和详堪未揭露而盾构机掘进过程中发现存在于刀盘前面的孤石，或已经经过地面预处理但盾构机掘进时发现其未达到预定处理效果的孤石（包括限于地面条件无法从地面进行预处理的孤石），且该孤石周边地段满足采取炸药爆破手段。

孤石破碎程度要求：将孤石基本分裂成单边小于0.3米的岩块。采用洞内静态爆破施工条件：主要针对补充钻探和详堪未揭露而盾构机掘进过程中发现存在于刀盘前面的孤石，或已经经过地面预处理但盾构机掘进时发现其未达到预定处理效果的孤石（包括限于地面条件无法从地面进行预处理的孤石）。

盾构机直接掘进通过孤石

判断条件应满足下列条件：

1）孤石周边地层较好(或经过加固后较稳定)，施工安全风险较小；

2）从工程经济、施工进度的角度分析盾构机直接掘进通过更加划算；

3）孤石强度不高且RQD值较低，若通过孤石的强度及RQD值判断达到微风化花岗岩的程度则不宜直接掘进通过。盾构机直接掘进通过施工措施

4）刀具的配置和检查更换

a使用刀刃加厚的硬岩刀在孤石地层中掘进。

b在掘进通过孤石前，全面检查刀具，当边缘滚刀正常磨损超过10mm、正面滚刀正常磨损超过20mm、中心滚刀正常磨损超过25mm以及出现滚刀其他非正常损坏情况时应立即更换；并且，在掘进过程中随时留意掘进参数的异常变化并及时检查刀具。

2)掘进施工的控制措施

a采用小推力、低扭矩、低转速掘进，并把掘进速度控制在8～20mm。