淺談盾構(gòu)穿越孤石掘進控制技術(shù)

徐新波

（中鐵十八局集團第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 工程概況

育秀東路站～呂厝站區(qū)間隧道長度1227m，區(qū)間隧道覆土厚度9.9～19.18m，平面最小曲線半徑3000m，最大縱坡7.58‰，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間沿主干道湖濱北路地下敷設(shè)，左右兩側(cè)有大的建筑物，其中砂礫狀強風化花崗巖、全風化花崗巖、殘積砂質(zhì)黏性土穿越地層。本區(qū)間范圍孤石發(fā)育，經(jīng)勘探左線存在孤石42處、右線59 處，單軸抗壓強度為65-85MPa。

2 孤石分布規(guī)律及施工中的針對性措施

2.1 孤石的成因

孤石的形成原因主要包括：①因為人工回填導致在回填土層中存在大的孤石，如：拋石擠淤，軟基處理等，該類孤石勘探難度較大，很難找到其分布規(guī)律。②因為巖石具有不同的抗風化能力，巖性也不均勻，加上巖體次生裂隙及斷鏈構(gòu)造發(fā)育等會使巖體出現(xiàn)破碎，降低了其抗風化的能力，在風化嚴重的情況下形成孤石。如果花崗巖中存在交叉的節(jié)理時，巖石會被節(jié)理分割成棱角形狀，

尤其在3 組節(jié)理交叉的棱角部位風化比較集中，且速度較快，棱角經(jīng)過一段時間的風化后逐步變成圓化。并且隨著不斷地產(chǎn)生風化作用，巖塊會逐漸趨于變圓，最終形成花崗巖的球狀孤石。

2.2 分布規(guī)律

盡管球狀的花崗巖風化體具有空間不規(guī)則分布、埋藏較深、離散性較大等分布特征，但是也存在其相應(yīng)的規(guī)律：①主要在強風化和全風化帶分布；②在垂直的風華剖面存在“上小下大、上多下少”的特征，即在不斷的增加高程的情況下，風化球狀體也更加密集，體積卻在逐漸變??；③孤石的大小和風化程度呈反比例關(guān)系，數(shù)量和風化程度呈正相關(guān)，即隨著風化的增強孤石在逐漸變小，數(shù)量卻在不斷的增加，該特征恰好吻合第2 點；④全風化帶中也可能有較大的孤石存在，而且直徑較小的孤石還可能存在于強風化帶中，說明局部地質(zhì)條件和巖性條件等也會影響到球狀風化體的大小。

2.3 盾構(gòu)掘進時遇孤石的處理措施

盾構(gòu)掘進遇到孤石對其進行處理時需綜合考慮其位置、形狀、大小、周邊環(huán)境等因素。如果隧道上方的地面可以挖孔和沖孔，應(yīng)優(yōu)先選擇地面處理方法；如果地面條件不允許挖孔、沖孔，再考慮洞內(nèi)進行處理。常見的孤石處理方法詳見表1：

表1 孤石處理常見方法

3 盾構(gòu)穿越孤石的風險

因為孤石的大小和分布沒有規(guī)律可循，較難通過地質(zhì)鉆孔對其分布情況進一步明確，因此增加了盾構(gòu)施工的難度。

球狀風化發(fā)育位置不具備明顯規(guī)律，其強度、硬度與周圍巖體存在巨大差異。孤石對盾構(gòu)施工的影響主要表現(xiàn)在：①刀具磨損嚴重、刀座變形嚴重；②無法破碎的孤石，阻礙了盾構(gòu)的掘進或使其與軸線偏離；③相對較慢的掘進速度較大的擾動了地層，出渣量控制較難，影響到地面的沉降問題。

4 盾構(gòu)穿越孤石采取的措施

（1）在掘進過程中通過觀察盾構(gòu)機掘進的異常情況及掘進參數(shù)的異常變化（掘進振動大，推力、扭矩突然增大，盾構(gòu)機有異響等），來判斷是否遇到孤石。

（2）對從螺旋輸送機出來的渣土取樣，看其是否含有中風化（或微風化）巖石碎塊來判斷是否遇到孤石。

（3）盾構(gòu)機到達孤石群前提前選擇地點進行檢查、更換刀具。

（4）因孤石本身強度大，周圍巖體軟弱，刀具的磨損和破壞很快；盾構(gòu)機掘進通過孤石群，勤檢查、勤更換刀具。

（5）盾構(gòu)機直接破巖通過孤石群掘進參數(shù)易采用適當推力（13000～18000kN）、低轉(zhuǎn)速（0.8～1.0rpm/min）掘進，嚴格控制每環(huán)出渣量。

（6）盾構(gòu)掘進通過孤石群，掘進速度慢（5～10mm/min），孤石對周圍地層擾動大，造成地層缺失，同步注漿量盡可能多注，并及時進行補充二次注漿。

（7）地層較為穩(wěn)定時，可采取加壓開倉人工機械破巖、巖石預(yù)裂的方法。

（8）在工作面極其不穩(wěn)定時，可在倉隔板上或盾殼頂部進行注漿孔的預(yù)留，加固掌子面后再開倉進行相應(yīng)的處理。

（9）合理的統(tǒng)計已經(jīng)通過的孤石群掘進刀具的磨損情況，通過對其進行量化總結(jié)，通過提前判斷其性能，使刀具得到及時更換。

5 盾構(gòu)穿越孤石掘進參數(shù)控制

5.1 掘進模式

以土壓平衡模式代替原氣壓模式，使土倉內(nèi)充滿渣土并和掌子面地層水土得到壓力平衡，使孤石與掌子面風化巖地層或砂層的受力差減小。

5.2 刀盤轉(zhuǎn)速

盡量把刀盤轉(zhuǎn)速減小，控制其為0.8～1.0rpm/min 為宜，使周邊地層受持續(xù)轉(zhuǎn)動的刀盤的擾動減小，避免周邊土體因多次旋轉(zhuǎn)磨孤石的刀盤而造成超挖。

5.3 刀盤扭矩

組合不同的復雜地層刀盤扭矩有不同的控制值范圍，對于風化的花崗巖地層（含孤石）應(yīng)控制刀盤扭矩不超過2500KNM，通過刀盤轉(zhuǎn)速和掘進速度的降低，使孤石和刀盤間的沖擊力、盾構(gòu)掘進和刀具磨損時擾動地層的情況減少。

5.4 掘進速度

按照孤石對隧道斷面侵入的大小對掘進的速度進行合理控制，并保證速度和轉(zhuǎn)速較低的穩(wěn)步推進，對掘進貫人度嚴格控制，防止掘進速度較快的變化而增加刀盤和孤石的摩擦碰撞力度，進而較大程度的磨損到刀盤和刀具。在刀盤剛碰觸到孤石時應(yīng)控制其速度為10～15mm/min，刀盤切入孤石后應(yīng)控制其速度為5～10mm/min。

5.5 推力

通過推進速度來有效地控制總推力，對刀盤范圍內(nèi)孤石的方位進行判斷后，對各組油缸的分組壓力進行有效調(diào)整，避免受軟硬不均的地層影響而導致盾構(gòu)機姿態(tài)偏移向相對軟的一側(cè)。

5.6 恢復正常段掘進

每次盾構(gòu)機通過孤石，掘進參數(shù)都會發(fā)生相應(yīng)的變化，如果參數(shù)逐步正?；謴?，需繼續(xù)對各項參數(shù)控制，使其掘進5～8m，如果沒有發(fā)生明顯的變化才能逐步恢復至正常掘進的參數(shù)，避免近距離存在類似風化程度的孤石。

6 施工情況及結(jié)果評價

本區(qū)間按照上述孤石處理方法和孤石段掘進參數(shù)控制，很好地完成了左右線盾構(gòu)掘進。在孤石繁多的情況下，整條隧道掘進過程中只左線開倉更換了一次刀具、右線未開倉換刀。盾構(gòu)貫通后，盾構(gòu)機刀盤情況良好，未出現(xiàn)刀盤、刀箱損壞的現(xiàn)象。

該段區(qū)間掘進后業(yè)主和監(jiān)理對其施工均給予了肯定和贊揚，產(chǎn)生了較大的工期和經(jīng)濟效益，為今后類似工程施工提供了一些可借鑒的經(jīng)驗。

7 結(jié)語

本文針對廈門地鐵2 號線育秀東路站～呂厝站區(qū)間孤石段掘進技術(shù)進行了研究、分析與實踐，詳細闡述了盾構(gòu)掘進孤石段參數(shù)的控制和注意事項。對孤石的成因做了簡單概述，對孤石段掘進的風險進行了闡述，結(jié)合本區(qū)間左右線成功穿越孤石段地層施工經(jīng)驗進行分析總結(jié)。本次盾構(gòu)直接掘進孤石段地層參數(shù)控制技術(shù)的成功運用，為今后盾構(gòu)穿越孤石段地層及類似施工積累了經(jīng)驗。