浅谈地铁盾构孤石探测及处理施工技术

高 鹏

(中电建南方建设投资有限公司，广东 深圳 518055)

0 引言

岩石在风化应力的作用下，其结构、性质和成分比例已产生不同程度的变化，定名为风化岩。根据风化程度的不同划分为全、强、中、微四类。已完全风化成土而未经搬运残留在原地的定名为残积土。残积土、全风化里面的中风化、微风化定名为孤石。

由于孤石的分布及大小是随机的，很难通过地质钻孔完全探明其分布情况，故给盾构施工造成了较大困难。孤石对盾构作业的影响主要表现在刀具易磨损、刀座变形、刀具更换频繁且困难；刀盘强度和刚度降低，从而引起刀盘受损和变形；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，盾构机负荷加大；孤石无法破碎，致使盾构掘进受阻或偏离轴线；掘进速度慢，对地层扰动大，出渣量不宜控制，对地面沉降影响较大。

1 工程概况

深圳地铁10号线坂田北站(原吉华站)—贝尔路站区间位于深圳市龙岗区，线路设计起点为坂田北站。左线起讫里程为DK15+177.379～DK15+822.050，长度为627.492 m(含短链17.179 m)，右线起讫里程为DK15+177.379～DK15+822.050，长度为644.671 m。

坂贝区间隧道覆土深度为12.86～20.18 m，结合地质勘察报告及补勘资料，车站间隧道范围内地质条件主要是砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩；盾构始发前，区间共计探明24处孤石(其中左线15处、右线9处)。实际施工时，在民房下方遇到8处未探明孤石，孤石影响范围约300 m。

2 孤石探测方式

2.1 地质钻探

2.1.1 钻探方式

根据地质勘察阶段相应勘察报告，适当加密钻探孔位，详勘阶段探孔间距10～15 m/孔，补勘阶段加密探孔至5 m/孔。当钻探孔揭露该位置存在孤石时，以探孔为中心点画半径为3 m的圆，在隧道纵、横方向位置增设4个探孔，逐步向内间距1 m缩小钻探范围，明确孤石大小及其与隧道间位置关系。

2.1.2 钻探成果

经地质钻探，坂贝区间共计探明隧道范围内存在18处孤石(左线9处、右线9处)，直径1～5 m不等，单处孤石影响范围最大长度约为25 m。

2.1.3 方法分析

优点：该方法可以详细、具体探测出孤石形状、大小及其位置，探测结果较为精确；且钻探过程中取出的岩样可以经过试验检测，明确其抗压强度、完整性等重要参数，为盾构施工提供可靠依据。缺点：受施工器械限制，当地面建筑物、地下管线分布密集时，无法进行探测。

2.2 三维电阻率跨孔CT探测

由于坂贝区间地面存在大量民房，且建筑物分布较为密集，部分地段不具备钻探条件，故采用此方式进一步探测孤石。

2.2.1 探测原理

分析孤石与围岩介质的电阻率特征，全、强风化花岗岩残积层由裂隙水充填，电阻率非常低，而孤石无节理裂隙发育，电阻率较高[1]。较大的电阻率差异为孤石的电阻率法勘探提供良好的物性基础。以电阻率为1 200 Ω·m为分界线，大于该值的高阻体基本为典型孤石异常特征，并形成三维立体图像，表明孤石形状、大小及位置。

2.2.2 探测成果

通过三维电阻率跨孔CT探测方法，具体如图1所示，坂贝区间共探明房屋下方孤石3处(均在左线)。

图1 三维电阻率跨孔CT探测成果图

2.2.3 方法分析

优点：探测房屋下方地质条件，弥补地质钻探无法探测区域，且可以详细探测出孤石形状、大小及位置，为盾构施工提供可靠依据。缺点：存在条件限制：探孔距离超过30 m时，探测结果较为模糊。

2.3 HSP超前地质预报

2.3.1 应用原理

盾构掘进过程中，刀盘转动过程中激发声波，HSP声波探测是通过盾构掘进声波在不同地层的反射频带的不同，收集反射数据，采用反射谱分析软件和反射子波分析软件进行数据分析，形成反射成果图。

2.3.2 探测成果

坂贝区间在里程ZDK15+669～666、ZDK15+634～631存在较为明显反射异常和阻抗差异，如图2所示。初步分析认为上述里程段岩性发生明显变化，围岩强度有所增高。

图2 HSP超前地质预报成像图

2.3.3 方法分析

优点：掘进过程中进行探测，提前判断刀盘前方地质条件变化情况，为盾构施工提供依据。

缺点：无法准确辨识地层分类，且不能精确判断孤石与区间隧道的位置关系。

3 孤石处理措施

综合孤石分布范围及地面环境条件考虑，针对不同地方的孤石主要采取的处理措施分为冲孔破碎处理、密集式钻孔处理、液压膨胀法预裂处理以及注浆加固后盾构切削掘进处理4种方式。

3.1 冲孔破碎处理

1)首先确定孤石的位置、大小和形状，调查并探明是否存在地下管线及构筑物。

2)根据孤石大小确定冲击钻机锤头大小、钻孔间距及数量。

3)冲孔破碎，利用锤头自重冲击力将孤石破碎并冲至隧道范围外。

4)冲孔完成后，及时采用原土进行分层回填夯实，并进行土体压密注浆，直至将整个孤石区域处理完毕。

3.2 密集式钻孔处理

1)孔距确定。结合孤石大小及刀盘开口率，明确钻孔间距，要求破碎后孤石直径小于刀盘开口率。

2)钻机定位。场地平整后，对孤石点位进行复测，校核无误后，进行钻机定位工作。

3)钻进。钻进过程中仔细观察泥浆置换出的渣土是否含有细碎石块以及钻进速度判断是否钻至孤石所处位置；确保钻进深度超过孤石底部埋深。

4)注浆。注浆的目的一是为补偿破碎孤石对原状土体造成的扰动；二是为加固孤石所处地段的土质，对破碎后的孤石形成一种束缚，从而使孤石受到刀盘正面切削作用而破碎，不会因孤石随着刀盘转动挤压土体，造成地层较大的扰动；三是防止盾构掘进过程中出现漏气泄压现象，造成喷涌等现象[2]。

5)封孔。注浆加固范围隧道在注浆结束后，采用素混凝土或沥青封闭孔口。

3.3 液压膨胀法预裂处理

根据岩石力学性质可知：岩石抗压强度高，但是抗拉强度较低，一般施加30～40 MPa的力就可以将其分裂，液压膨胀设备压力最高可达120 MPa，如图3所示，满足施工要求。

图3 液压膨胀预裂施工设备及致裂效果示意图

1)在作业区域内打孔，以0.5 m×0.5 m的密度进行排孔作业，在地面与岩石之间钻出一条孔道。

2)当钻头接触到岩石表面，套管保持固定，支护管外泥土，防止泥土坍塌，此时由钻头对岩石进行冲击钻孔，钻进形成一个放置液压膨胀管的孔道。

3)钻孔过程中详细记录每个孔遇岩深度及岩石厚度，以便后续下放液压膨胀管时控制下管深度，保证预裂效果。

4)钻完孔以后，抽出钻杆，再通过链条将液压膨胀管顺着套管放入岩石孔内，这个过程中，套管保证液压膨胀管不受泥土砂石崩塌影响，顺利到达岩石孔内。

5)启动液压膨胀设备，通过控制各个液压膨胀管涨裂的顺序和作用方向，使岩石内部受力，在其内部不同方向上形成网状裂纹，将岩石涨裂。

6)检测岩石破坏情况：在设备运行后，随着压力不断增大，当压力值达到30～40 MPa时，岩石就会预裂，据此，当压力值骤降时，证明岩石已经预裂。

7)预裂施工完成后，在钻孔区域范围内进行注浆加固，防止盾构切削时孤石随刀盘转动，同时具备封孔效果。

3.4 注浆加固后盾构切削掘进

孤石直径小但分布密集区域，需要对孤石周边部分地层采用袖阀管进行加固，待浆液凝固后，浆液将小直径孤石紧紧包裹住，待盾构掘进时，孤石受到刀盘正面的切削作用而破碎，不会被挤压至土体产生较大的扰动，盾构姿态也比较容易控制[3]。

盾构切削孤石掘进时，掘进参数以“低速度、低转速、控扭矩、适推力、勤检查、控出渣”的思路进行制定，控制岩石对刀具的损坏，使地表沉降可控。通过时，对刀具磨损量的评估非常重要，应勤检查刀具，可通过两方面进行判断。

1)根据类似岩石对刀具的磨损量和刀具检查情况，做好已经通过的掘进刀具磨损量的统计，量化总结，提前预判，根据掘进岩石的长度和刀具磨损量来制定开仓检查刀具的频率。

2)通过对掘进参数的异常变化来判断刀具的受损情况，选择开仓进行刀具的检查。该检查更换刀具时必须停止掘进及时更换，切忌存在侥幸心里，避免造成刀盘受损[4]。

3.5 孤石处理措施对比分析

1)冲孔破碎处理。优点：孤石处理效果较好，将孤石对盾构掘进的影响完全消除。缺点：施工时需要较大场地，且成本较高，耗时较长。适用范围：地面空旷、孤石直径较大。

2)密集式钻孔处理。优点：施工方便，破坏孤石完整性，降低盾构切削难度；施工时对原土地层扰动较小。缺点：处理后仍有部分孤石在隧道范围内，影响消除不彻底。适用范围：地面具备机械进场条件，孤石直径稍大且分布密集。

3)液压膨胀法预裂处理。优点：施工方便，破坏孤石完整性，降低盾构切削难度；施工耗时短，效率高，缺点：该方法属于静态爆破，施工时对土层扰动较大，距地面建构筑物不宜过近。适用范围：地面空旷，孤石直径稍大且分布密集。

4)注浆加固后盾构切削掘进处理。优点：孤石被浆液包裹后，与地层凝结成整体，盾构掘进时不会随刀盘转动或前进，施工方便，耗时短。缺点：盾构掘进速度较慢，对刀具磨损较大。适用范围：孤石直径较小且分布较为密集。

4 结语

坂贝区间左、右线累计掘进通过302.5 m孤石地层，盾构机、刀盘刀具选择岩能力强的类型。盾构始发前，尽最大可能探明孤石分布的位置、形状及大小，结合地面环境条件针对性制定孤石处理措施并严格落实技术方案。坂贝区间盾构在孤石段掘进施工过程中控制地面沉降最大值为-5.3 mm，房屋沉降最大值为-5.5 mm。

根据孤石形成的原理及其分布规律，盾构区间前期地质勘察时，发现隧道范围内存在花岗岩全风化或者强风化地层时，需要将其作为一个重大风险予以对待，并从盾构选型、刀盘刀具类型、弧石处理方法等选择最优方案。