盾构穿越孤石地层地表非爆破预裂处理技术研究

柳长奔 陈波 林敏

结合汕头湾海底隧道大直径盾构穿越基岩凸起及孤石地层采用地表地质钻机进行垂直钻孔破碎预裂处理实例，针对非爆破允许环境下，通过比对各种孤石处理方式，阐述了盾构穿越孤石地层的探查定位、地表非爆破钻孔处理原则、程序、方法等措施，较好地解决了盾构穿越孤石复杂地段的推进工效低、施工成本高、刀具磨损严重、施工风险大等问题，取得了良好的效果。

一、工程概况

1.汕头湾隧道

汕头湾海底隧道为汕头至汕尾高速铁路重难点控制性工程，隧道全长9191m，采用矿山法、明挖法及盾构法施工。其中盾构法隧道长2169米，设计采用大直径泥水平衡盾构，直径14.57米，分别穿越陆域及海域（汕头海湾），为国内第一条时速350km的跨海高铁大直径盾构。

2.地质情况

盾构掘进范围地层主要为粉砂、淤泥、淤泥质黏土、中砂、粗砂、砾砂、局部夹细砂等，下伏基岩为燕山期第三次侵入（γy3）花岗岩，全～弱风化，全风化层，褐黄色、灰黄色，呈砂土状，厚0.5～14m，局部夹弱风化不均匀风化体；强风化层，灰黄色，风化裂隙较发育，岩体较破碎，厚1.5～15m，局部夹弱风化不均匀风化体（即孤石）；弱风化层，棕黄色，块状构造，岩体较完整，其中近构造地段附近岩体较破碎，岩质硬。

该地区地表为“石蛋”地貌，地表出露球形风化体最大十几米，可推知地下也存在风化不均的观象。根据地质勘察揭示，DK162+730～DK163+160段为上软下硬复合地质，该段多孔揭露孤石现象，表现为全风化层中出现弱风化或强风化孤石，粒径风化核大小不一，一般为近似球形，直径在0.5～5m不等，最大粒径可能近10米。

3.周边环境

该工程位于汕头市龙湖区汕头湾北岸，周边环境较复杂，主要为公交车停车场、既有市政干道泰星路、高压铁塔及锦汕美食城等建筑物,爆破条件受到限制。

二、必要性分析

孤石主要以微风化状态埋藏于残积层、全风化及强风化花岗岩层中,由于孤石强度高，具有一定的隐蔽性，且与周边风化土体性质差异大，造成盾构施工异常困难。根据以往类似项目施工经验，若不提前进行地质改良处理，盾构机在掘进时碰到的孤石难以固定，刀盘边缘滚刀和掌子面围岩很难产生足够的反力将孤石破碎。盾构机掘进时，孤石会一直在刀盘前方随着盾构机掘进向前移动，对地层造成很大的扰动。

综合汕头湾隧道盾构穿越此复地段施工实际，主要存在如下风险：

1.施工风险

（1）致刀具异常损坏频次高、数量大。刀具过快异常磨损直接影响周边刀圈受力，形成连锁反应。出现大面坏刀导致刀盘扭矩急剧增大，严重时会出现整刀掉入前仓，甚至刀盘母体受损，需带压进仓处理等不可预估风险。

（2）开挖仓液位波动。在换刀过程中出现前仓液位上涨情况，切口压力增大至 4.2bar，前仓压力无法长时间稳定导致后期无法顺利实施带压进仓作业，风险极高。

（3）大块碎石卡泵。盾构推进中遇到 2.1 泥浆泵和 2.3 中继泵碎石卡泵情况，需拆解泵吸口管路，清理卡泵的大块碎石，卡泵清理一次长达数小时。碎石堆积可能造成吸口滞排，前仓瞬时压力升高，严重时需带压进仓处理。

2.质量风险

软硬不均地层引起掘进姿态突变导致管片易出现质量问题。盾构机在穿越软硬不均及有孤石地层复合地层时，盾头有上飘的趋势且推进速度不稳定，需加大顶部与底部油缸压力差控制上浮趋势，最大压力差达到140bar，油缸压差大导致管片受力不均表面出现裂纹。当盾构机速度超过 5mm/min 后左右姿态不稳导致盾尾间隙难以稳定控制，间隙小的一侧会导致管片拼装错台大，影响管片防水质量。

因此，盾构穿越此地段施工存在诸多不利风险因素，推进前需对孤石进行预处理。

三、处理方式分析

不同孤石的处理方法各有优缺点，且随着推进中所遇到的孤石大小、位置、形状以及周边环境等因素不同，适应性也不尽相同。对孤石的处理应根据地层适应、环境影响、施工风险、施工效果、工期成本以及所需处理孤石的大小等进行比选使用，以提高处理效果。

（1）地表固结处理。即进行地表钻孔爆破注浆，加固孤石周围土体，使孤石和刀盘之间存在足够的压力。存在加固的浆液流至刀盘，凝结刀盘，造成后期需处理风险隐患。

（2）液压劈裂机处理。即带压进仓作业，将液压劈裂机带至刀盘前侧，对孤石进行打孔、劈裂处理至小块，带至仓外。带压进仓作业面临坍塌、保压失效、有毒有害气体、物体打击等风险。

（3）仓内密集打孔，可能存在带压进仓安全风险。

（4）地表钻孔预裂孔处理。对于因埋深较深采用人工挖孔破除、冲击锤冲击破碎、旋挖钻机抽芯破碎孤石等方法无法实施的，采用在地表钻孔预裂孔处理，此方法可能因岩面倾斜和隧道埋深较深等，出现地质钻等设备破坏刀盘风险。

鉴于该工程周边环境较复杂，现场爆破受限，结合上述不同孤石处理方式的优缺点，汕头湾隧道对穿越陆域段的基岩凸起及孤石地段处理结合地层适用性、施工安全、工期及成本要求，选择采用地表非爆破钻探预裂处理。

四、处理技术

1.穿越基岩孤石段控制总体思路

根据地勘报告及补钻探揭示孤石情况，盾构施工前，通过采用直径108mm钻头的地质钻机对深层孤石进行垂直密集钻孔，使孤石“千疮百孔”，从而破坏孤石完整度，降低岩石强度，盾构掘进时更容易使其破碎，以顺利推进。

2.孤石处理

（1）管线排查

孤石探查处理前需对施工区域内管线进行全面细致排查，并采用人工挖探沟的方式确定管线位置。对于电力、水利、电信等重要管线施工前先需征得权属部门同意，区域内管线采用开挖暴露方式，防止钻孔施工扰动土体造成管线破坏。

（2）孤石定位探查

因花岗岩风化不均，发育和分布规律不明显，孤石形状各异，直径大小不一，其位置、强度、硬度与周围地层存在较大差异等因素，因此盾构推进前，对花岗岩地层所含孤石地埋深、直径大小、垂直与水平分布规律进行较为准确的探查十分必要。汕头湾隧道盾构穿越段，地层孤石的探测区域分为原勘测确定有孤石的重点探测区及勘测未发现、但可能存在孤石的一般区两种类型。

①对原勘测确定存在孤石发育的重点区域，直接采用在地表地质钻探探查。具体：

a.线路方向确认

以中心线为基准，沿线路方向前后每隔5 m补孔，深度为地表至隧道底1m，根据岩样破碎情况，探查孤石的边界及高度，如孔间出现孤石的机率大，则在两孔间增加一个钻孔，临近两孔的孔距不超过2.5米；如果该两孔间出现孤石机率仍很大，则将孔距加密至1.25米。按照此方法探查为孤石存在的机率不大或盾构机自身破碎穿越通过，则终止加密钻孔。

b.隧道两侧方向确认

以中心线为基准，横向轴线增加5米间距钻孔，深度为地表至隧道底1米，根据岩样破碎情况，以确定孤石隧道两侧方向分布，直至探明孤石的大小、分布范围、孤石的具体边界及周边环境等基本要素（加密方式同上）。

②对原勘测未发现孤石区域进行补勘探查是否有新增孤石。

因该段落为上软下硬段，并且为“石蛋”地貌，且原勘测孔间距20～80米，为确保较为准确地探查孤石情况，在此段盾构穿越区域采用地表按照纵横向10米间距钻孔补勘，当钻孔过程中发现存在孤石可能性增大，并且盾构机推进时难以承受此风险，则将孔距按照10米-5米-2.5米进行加密钻孔，以确定是否存在孤石，探查此孤石的具体边界。

汕头湾盾构法隧道陆域段，经前期探查，在DK163+075.13、DK163+070.24和DK163+039.94等处存在大小不等、形式各异的孤石，孤石直径约2～3米，最大粒径达5米。DK163+075.13处孤石孔位横断面图示：

（3）孤石处理原则

孤石和隧道对应关系有3种，分别为完全在隧道内、隧道周边外侧为土层和隧道周边外侧存在硬质岩。

孤石和隧道对应关系

孤石尺寸大小分4种情况，分别为30cm～60cm、60cm～100cm、100cm～300cm和300cm以上。汕头湾隧道盾构施工对孤石的处理方式见下表：

孤石可能情况及处理方式

五、钻孔施工

孤石情况确定后，当判定孤石不处理、盾构直接掘进通过将带来施工较大风险时，需对孤石进行地表加密钻孔处理。

1.布孔形式与钻孔定位

首先对钻探确定孤石的具体里程和位置进行放点，钻孔孔位以孤石中心点为中心，按照0.5m×0.5m（间距×排距）呈梅花形布置。

然后在地表采用108mm钻头的地质钻机对盾构线路中的孤石进行等垂直密集钻孔，钻孔深度终孔至隧底1米位置；钻孔平面范围为孤石区域外扩0.5m，直至外扩孔未探到孤石为止。

在钻孔过程中对地层进行详细记录岩面高度及覆盖层厚度、岩石中炮孔长度等信息，必要时采用直径108mm取芯钻机进行钻孔取芯，以确认孤石的具体形态和唯一性。

2.注意事项

当钻至岩石中时，地质钻转速应降低、匀速钻进，以保证钻头遇到斜坡岩面或非规则岩面不发生偏移，从而保证钻孔炮孔位置、垂直度符合预定要求。

钻孔施工时，每次钻至岩石后，详细记录岩石顶、底面标高。钻孔取出的岩芯分别放置，进行拍照、记录及进行技术分析。

当出现卡钻无法钻进时，考虑通过地质钻机进行注浆固结后再重新扫孔钻进，直至钻探至设计孔位。

六、封孔处理

盾构穿越范围内的钻孔均布置在隧道正上方，钻探结束后需进行封孔处理，以保证压气作业及推进顺利。为保证封孔质量，要求封孔材料既要有一定的强度，也要确保不能太硬，否则会对盾构机掘进造成障碍。封孔处理采用：

砂浆灌注法。水泥砂浆配合比水泥：砂：水=0.24：1：0.29，可根据现场试配适当考虑加入速凝剂，以确保封孔质量及缩短周期。

浆液封孔法。主要针对较为破碎地段，封孔采用水灰比为0.8的水泥浆，使用钻杆从钻孔底部自下而上进行灌浆。因隧道埋深大、钻孔较深、封孔时间长，可适当添加水玻璃。如发现注浆效果不明显，应重复注浆，确保封孔效果。

七、结语

通过对汕头湾海底盾构法隧道穿越基岩凸起及孤石地层的地表钻探处理前后分析，无论是盾构推进的地层适应性、施工安全性、施工工效、工期成本等方面均得到较大的改观。同等环境的孤石地层盾构推进施工，处理前：平均日进尺1.47米（管片每环宽度2米），刀具平均每天更换1.36把（滚刀1.18把、刮刀0.18把），盾构推力不均造成局部管片出现纵向裂纹；处理后：每天推进平均可达3米，刀具平均每天更换降至1把，盾构管片裂纹基本未再发生。