大盾构加固段孤石处理金喜柱

金喜柱

广州轨道交通建设监理有限公司广东省广州市510010

摘要：文章以汕头市苏埃通道工程为例，针对大盾构加固段孤石处理展开了探讨，首先分析了孤石形成原因、分布规律、危害以及探测方法，最后则介绍了5种孤石处理方法，旨在高效处理施工中遇到的孤石，提高盾构隧道工程质量。

关键词：大盾构加固段；孤石处理；盾构施工；苏埃通道

由于孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要问题有：刀具磨损严重、刀座变形、更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；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、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线等。针对盾构过孤石时的施工问题，尽管采取了许多措施，在一些问题上有所突破，但总体效果仍不理想，依然需要继续探索。

1工程概况

汕头市苏埃通道位于海湾大桥与礐石大桥之间，工程全长6680m，隧道长5300m，其中盾构段为双线隧道，东线3047.5m、西线3045.7m的，于南岸围堰内始发井始发，抵达北岸华侨公园内接收井接收。工程采用一级公路技术标准，设计速度为60公里/小时，双向六车道。

盾构段设计为2条单洞隧道，隧道内径为13.3m，外径为14.5m，内设安全通道、应急通道、电缆管廊、管沟及烟道。

盾构隧道管片环宽2m，厚600mm，通用双面楔形环，楔形量48mm。分十块，采用“7+2+1”分块模式，错缝拼装。

图1项目施工总平面图

2孤石形成原因及分布规律

2.1形成原因

孤石形成主要有两方面原因：①由人工回填造成的存在于回填土层中的大孤石；②由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大，加之断裂造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎，抗风化能力减弱，在深度风化情况下所形成的[1]。当花岗岩中发育有几组交叉的节理时节理把岩石分割成棱角形块，风化特别集中在3组节理相交的棱角部位，风化速度快，久而久之，棱角逐渐被圆化。风化作用不断进行时，渐趋于使岩块变圆，形成球状花岗岩孤石。

2.2分布规律

虽然花岗岩球状风化体的分布具有离散性大、埋藏深度大、空间赋存特征不规则的特点，但仍具有一定规律：

（1）主要分布于全风化带和强风化带。

（2）在垂直风化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特点。即随着高程的增加，球状风化体越来越密集，而体积越来越小[2]。③孤石的大小随着风化程度增强而减小，而数量却随着风化程度的增强而增加，这一特征正好与第2点相吻合。④在全风化带中也可能存在较大的孤石，在强风化带中，也有可能出现较小直径的孤石，这说明球状风化体的大小也受到局部岩性条件和地质条件等因素的影响。

2.3孤石对盾构隧道的危害

（1）由于孤石单轴抗压强度非常高，与四周风化碎屑强度差异较大，在刀盘切削时，孤石将发生滚动，很难被刀具破碎，掘进效率低下，极易造成刀具过载，甚至严重损坏刀盘结构。

（2）由于盾构掘进时孤石在地层内随机滚动，极易造成刀盘偏载，盾构姿态难以控制。

（3）在此条件下掘进，刀具贯入度极低，掘进过程对周边土体扰动大，容易造成地层沉降超标，甚至危及周边建（构）筑物安全。

（4）由于孤石周围强风化和全风化地层的稳定性差，遇水极易软化崩解，且其渗透性因风化程度的差异极不均匀，更换刀具时往往需要采取非常规手段，效率低且安全保障性差。

2.4孤石探测

为探明孤石的分布情况，采用以钻探为主，多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。在工程初勘和详勘基础上，首先采用瑞利波法和高密度电阻率法同时沿隧道中轴线进行勘探，大致探出盾构隧道中轴线洞身及上下一定深度影响范围内孤石的分布、发育情况和接触关系等[3]。然后结合区间隧道中线和开挖轮廓线，根据物探确定的孤石位置，布设地质探孔，进行取芯补勘。

补勘孔沿线路中线间距10m布置，具体步骤是，在揭露有孤石存在的区域中心利用原来的物探孔打眼，根据所取芯样中岩层的情况判别补勘范围是否要向外延伸或向内缩进，再沿纵、横向轴线增加新补勘孔，直至探明孤石的大小及分布范围。如果地质钻显示下方有孤石，以第1个地质探下钻点为中心，以2m为半径画圆，然后在圆上的4个方向上定出4个点位分别下钻继续勘探，直到确定出孤石的具体位置、大小、埋深、强度以及孤石周围地层的软硬程度，并认真核对是否和详勘地质报告所提供的地质情况相符。

3大盾构加固段孤石处理

孤石处理的总体思路首先是通过必要的手段进行详细勘探，查清其分布的具体位置、形状和大小，再根据地面条件和地层条件决定处理方法。但无论采用何种方法进行勘探，都具有一定的不确定性，都可能产生漏判；所以，在孤石地层中掘进，盾构必须具备相应的破岩能力。

针对孤石对盾构掘进危害的类型，在工程中常用的孤石处理方法有：

（1）盾构直接破除孤石。这需要满足2个条件：一是盾构及刀具必须具备足够的破岩能力；二是在切削过程中，孤石必须处于固定状态。若要直接破除，一般情况下需提前采用注浆或冷冻等措施固定孤石，然后破除[4]。

（2）地面预处理人工破除。通常有地面冲孔、地下深孔爆破以及人工挖孔破碎或者液压劈裂机法等措施。

（3）洞内人工破除。采用静态爆破、定向爆破和岩石分裂机等设备破除，通常需要对土体进行加固或者采用气压作业的方式，但由于施工风险问题，洞内人工破除方法不能作为孤石处理的常规手段。

（4）钻孔爆破孤石。地质勘探过程中遇到孤石时，查明孤石的产状、大小、形状并依此来制定爆破孔的数量、分布和装药量，利用小口径钻头从地面下钻，在孤石上钻出爆破眼，然后在小孔内安放适量的静爆炸药对孤石进行爆破。一次爆破完毕后，清除孔内岩块继续进行下一次静爆，进而达到分裂、瓦解孤石的目的。对于垂直高度特别大的巨石可以进行多次爆破直到钻孔穿过巨石。考虑本工程所用盾构的出碴能力，经过螺旋输送机的石块尺寸不能超过40cm，因此爆破后石块的单边长度应控制在30cm以下，以利于螺旋输送机顺利出碴。爆破后石块的大小通过调整爆破孔间距和用药量进行控制。

5）人工挖孔破碎孤石。在确认孤石所处区域位置后，定出孔位，即可进行开挖。人工挖孔至风化球处，即可对风球处理，采用风钻对风化球进行打眼，间距300mm×300mm，梅花状布置，孔径40mm，钻孔结束使用劈裂机对风化球进行破碎，破碎后清理吊出，清除至盾构通过此风化球处时的周边各15cm范围。风化球破碎后，对孔洞进行黏土回填，随填随夯，保证密实度，并在孔中埋设注浆管，在回填完毕后对其进行注浆加固。

结束语

综上所述，孤石处理必须结合地面处理条件进行地面处理，如果条件不符，建议使用洞内处理这一基本原则。不同的孤石处理方法优、劣势不同，按照孤石所处位置、形状以及附近环境等多种因素选择合适的处理方法。此次工程实际施工期间应用针对性举措，通过参建方的努力解决了问题，保证盾构区间顺利施工。

参考文献：

[1]易宏.盾构施工中对地下孤石的探测及处理[J].建筑施工，2017，（11）：1684-1686.

[2]黄定一，张志强，张彪.不同孤石处理方法对盾构掘进参数影响的研究[J].路基工程，2017，（2）：79-83.

[3]王文峰，韩雪，周明，等.盾构区间花岗岩球状风化孤石处理设计及综合效果比较[J].低碳世界，2017，（12）：211-213.

[4]施有志，林树枝，车爱兰，等.基于三维地震映像法的地铁盾构区间孤石勘探及其应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2017，（6）：1885-1893.