浅谈孤石对盾构施工影响及施工过程应对措施

浅谈孤石对盾构施工影响及施工过程应对措施
摘要：孤石地层是盾构施工的一项难点及施工过程中的重大风险源。

本文分析
了孤石对盾构施工的影响，并探索盾构施工前应对措施，即孤石的探测方法及微
差钻孔爆破的孤石处理方法，以及盾构施工期间各项参数的控制措施，对类似地
层盾构施工有一定参考作用。

关键词：孤石处理；盾构；施工技术
1.引言
在城市轨道交通建设中盾构工法因其适用地层范围宽、对周边环境影响小、
更能保证施工安全、进度和质量因此得到广泛运用。

但因城市轨道交通线网规划
等原因影响，盾构工法不可避免的需穿越不良地质区域。

广深地区花岗岩地层中
分布着的花岗岩球状风化体，即“孤石”，盾构施工过程中遇孤石容易引起刀具、
刀盘损坏，严重时甚至可造成盾构机卡机无法继续掘进，对盾构施工造成相当大
的影响。

本文分析了孤石对盾构施工的影响，并探索盾构施工前，及盾构施工期
间的应对措施，对类似地层盾构施工有一定参考作用。

2.孤石对盾构工法的影响及原因
花岗岩孤石是风化过程中残留的较难风化的微风化或中风化岩块，岩性较硬，多呈球状，即“球状风化孤石”。

我国东南沿海气候温暖湿润，在此条件下，花岗
岩地区残积土、全~强风化中容易发育中风化球状孤石或微风化球状孤石。

孤石
的发育和分布规律不明显，不同地貌单元和不同深度的残疾土层中均有发育的可能，孤石体积大小不一，从几十厘米至几米直径大小均有可能，强度最高可达到100MPa以上。

2.1盾构难以破除孤石的原因：
孤石通常分布在残疾土层及砂层中，盾构掘进过程中孤石位置难以固定，不
足以给盾构机提供一个破碎孤石的反力，孤石可能会随着土体被挤压而移动，而
且孤石通常呈球状微风化体，当孤石与盾构机刀盘接触时，是以点对点的接触形式，孤石可能会与刀盘上某几把刀反复碰撞，造成刀具严重损耗。

2.2可能造成的影响
2.2.1刀盘刀具损耗严重，盾构掘进困难。

易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情况，严重时可造成盾构刀盘卡死，
导致无法正常掘进。

2.2.2盾构姿态难以控制。

若孤石处于隧道一侧，另一侧为残积土层或砂层，掘进过程中，一侧地层软
弱而另一侧孤石强度很高，盾构会顺着孤石岩体被挤向地层软弱的一侧，严重时
导致隧道轴线偏移。

2.2.3盾构掘进对地层扰动大，易造成地面沉降。

盾构机遇孤石难以正常推进，刀盘在同一位置长时间转动，对开挖面土体造
成扰动，易造成刀盘前方松散土体垮塌；掘进过程中若遇到粒径较小的孤石可能
造成孤石随刀盘转动，造成开挖面土体严重扰动，易造成地面沉降。

2.2.4更换刀具困难。

盾构遇孤石易造成地层扰动，开挖面不稳定，难以施做形成有效泥膜，气压
开仓换刀作业较为困难。

3.孤石探测及处理方法
3.1孤石探测方式及选择[1]
常见的孤石探测方式大致可分为地质钻探法和物理勘探法。

传统的地质钻探法探查精度高，是工程地质勘查中应用最广泛的一种勘探手段，但需进行大量钻孔才能探明孤石的大小、埋深、范围等，施工周期较长。

物理勘探法简称物探，它是通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的。

常用的物探法有重力探测、高密度电阻率发探测、交流电勘探、探地雷达法探测、地震勘探、声波勘探等方法，但物探法相对地质钻法精度欠缺或受周边环境影响因素大，考虑到孤石对盾构施工的影响大，因此选用地质钻法进行孤石探测。

3.2孤石勘察方法
3.2.1孤石勘察
为详细揭露孤石分布情况，盾构区间地质勘察时，勘察孔延隧道中心线间距10m布置，孔深钻至隧道底部外轮廓线以下1m。

3.2.2孤石边界探查。

对勘察钻孔揭露在隧道轮廓线外扩0.5m范围内有孤石的钻孔的周边进行以80cm×80cm加密以探寻孤石的边界及高度，同时为下一步预处理提供相应条件。

边界探寻加密孔围绕揭示有孤石的钻孔呈矩形对称向外布置，孤石探寻区域的边界在垂直隧道走向方向为隧道轮廓线外扩0.5m范围内，沿隧道中心线走向直至探寻孤石边界为止。

孤石边界探寻孔由地面钻至区间隧道结构底标高以下0.5m，孤石预处理仅对区间隧道结构以外0.5m的范围内的孤石进行处理。

3.2.3未发现孤石的勘察孔周边的孤石探寻
位于孤石发育区的盾构区间，10m钻孔间距不能完全反映孤石分布情况，为了避免后期盾构掘进过程中遇到孤石后再进行处理，对未揭示孤石的区域分地质情况进行加密钻孔探寻孤石。

隧道洞身结构在<5H>、<6H>地层中未揭露孤石的区域，加密补勘孔位于原两勘察孔中间布孔，用来进一步了解区间隧道洞身范围内孤石的发育情况。

3.3孤石处理
孤石处理过程优先选择在地面处理的方式对孤石进行预裂破碎处理，地面处理条件不具备时再考虑其他处理方式。

3.3.1微差钻孔爆破
毫秒延时爆破（亦称微差爆破）技术，可以最大程度地减少爆破对周边环境的影响，同时保证爆破破碎质量。

该技术是利用毫秒延时雷管，在深孔孔间、排间或孔内以毫秒级的时间间隔，按一定顺序起爆的一种起爆方法。

这种爆破方法具有降低爆破地震效应、改善破碎质量、降低炸药单耗等优点，因此在各种爆破中得到了广泛应用。

[2]
3.3.2施工工艺流程
微差爆破基本流程可概括为：测量放线、钻孔、套管下放安装、回填米石、装药及检查连线、震速监测、爆破范围周边警戒、起爆、解除警戒。

爆破前需根据国家规定的建筑物最大允许安全震速，及爆破点距离周边建筑物的最近距离反算最大用药量，爆破需根据震速监测数据及时调整用药量，确保周边建筑物的安全。

3.3.3爆破效果检测
爆破效果检查主要针对每批次爆破后对孤石破碎处理后的结果检查，即要满足孤石经破碎后块度要求，不超过30cm。

在相邻两个爆破孔中间进行岩块取样，如发现多为超过30cm岩柱，应在相
邻两孔间利用检查钻孔重新装药，对周边孤石再次爆破处理，直至处理范围块石
满足盾构施工要求。

3.3.4爆破后注浆加固
孤石爆破处理后，爆破震动造成地层松散，在盾构掘进过程中渣土改良掺加
泡沫剂，经爆破扰动过地层极易出现泡沫剂等沿松散孔隙或爆破孔涌出地面，造
成污染和浪费，同时，破坏土压平衡。

为确保安全，在孤石爆破处理后对隧道周
边松动地层采用注浆方式充填加固，以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。

注浆加固范围：垂直方向隧道底部至顶部以上5m，横向为隧道两侧以外2m，纵向为盾构切口后方1m至刀盘前方3m。

注浆孔间距1.2m，尽量布置在爆破孔上，使爆破扰动最大的部位得到最强加固。

[3]
4.盾构在孤石发育地区掘进参数控制
4.1刀盘转速
孤石强度较高，刀盘转速越快，孤石对滚刀的冲击力越大，因此，刀盘转速
不宜过快，减少刀具所受的瞬间冲击力。

4.2掘进速度
掘进速度过大，单位时间内岩石被切削部分增大，会造成扭矩增大，孤石对
刀具的破坏也越大，严重时岩石会卡住刀盘，对刀盘主轴承造成破坏，甚至使刀
盘无法转动，造成非常严重的后果。

因此，应降低掘进速度，减少单位时间内刀
具切屑的岩石量。

4.3刀盘扭矩
刀盘扭矩是刀具受到冲击力大小的直接体现，在掘进过程中应适当降低刀盘
扭矩以减少刀具所受到的冲击力。

掘进时密切关注刀盘扭矩情况，推进时以减小
总推力、掘进速度及做好渣土改良等措施来降低刀盘扭矩，当扭矩波动过大时，
立即停止掘进分析原因，不可盲目推进。

4.4总推力
推力大小直接决定了刀具所承受的荷载大小。

孤石段掘进刀盘和刀具的受力
是不均匀的，推力过大会使滚刀承受较大的推力，使轴承受挤压变形，继而影响
滚刀自转，最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂，刀盘卡死，严重时破坏刀盘主轴承。

总推力不宜过大，依据掘进速度及刀盘扭矩选择适宜的总推力。

4.5土压控制
盾构掘进过程要严格控制土仓压力、推进速度，出土量、加气量并相互匹配。

掘进过程中土压应保持均匀性，波动范围±0.5bar范围之内，防止忽高忽低，确保盾构掘进开挖引起的沉降在允许范围之内，具体压力值根据地表监测情况适当调整。

4.6渣土管理
因为掘进速度较慢，容易造成多出渣，为防止地面沉降，应严格控制出渣量。

根据掘进行程、加水量和土仓压力确定出渣量，掘进过程中对出渣量进行动态控制，合理控制每个掘进段落的出渣量，尽量将其波动制控制在最小的范围内，以
确保开挖面的稳定。

4.7同步注浆
因为掘进速度较慢，孤石对周围地层扰动大，可能存在超挖现象，同步注浆
量尽可能多注。

防止地表较大沉降的发生，需保证同步注浆效果，注浆过程中注
浆速度与掘进速度同步，根据地表沉降情况适当调整注浆量；等盾构机通过6-8
环后，根据地表及管片沉降情况及时进行管片壁后二次注浆。

5.结语
5.1孤石探查对盾构施工有着重要依据与指导作用。

探查时除按照钻孔间距延线路中心线探查外，还应在孤石易发育的区段加密探查。

5.2孤石预处理是保证盾构顺利通过孤石区的有效措施，微查钻孔爆破技术可有效预裂孤石使孤石粒径满足盾构施工要求。

5.3盾构掘进过程中，要严格控制推力、刀盘转速、扭矩、土压等重要参数。

因孤石强度较高，掘进过程中应适当降低刀盘转速与掘进速度，减少岩石对刀具
的冲击力，若出现参数大幅度波动等异常情况立即停机分析原因，不可盲目推进。

5.4盾构通过孤石区是一个系统工程，需结合不同地质情况及孤石处理情况系统的分析、调整盾构掘进参数，确保盾构平稳掘进。

参考文献：
[1]彭勇.土压平衡盾构穿越孤石复合地层施工技术研究[J].广州建筑，2016，44（4）：35-40.
[2]竺维彬，黄威然，孟庆彪，洪勇.盾构工程孤石及基岩侵入体爆破技术研究[J].现代隧道技术，2011，48（5）：12-17
[3]黄恒儒.盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术[J].隧道建设，2015，35（8）：834-840
作者简介：
赵力萌，广州地铁集团有限公司助理工程师。