地铁盾构区间孤石探查技术及研究19

地铁盾构区间孤石探查技术及研究
摘要：在地铁隧道工程施工过程中，经常会遇到球状风化体，也就是孤石，属
于岩体风化过程中所特有的地质现象。

在采用盾构法进行隧道掘进施工作业的项
目中，由于孤石的形状以及强度不一，盾构机难以将孤石破碎，不仅会造成掘进
的困难，而且会造成盾构机刀具的严重磨损，同时对施工作业区域的地层也会造
成扰动，影响隧道工程施工安全性以及施工进度。

因此，必须针对隧道盾构施工
中的孤石进行探测，同时采取合理的措施对孤石进行破碎处理，以确保盾构施工
作业的顺利进行。

关键词：孤石钻探法施工孤石处理
1、引言
在地铁盾构建设工程中盾构掘进如果遇到孤石，掘进施工将非常困难，盾构
机姿态难以控制，刀具磨损非常严重，刀座和刀盘易变形，常常会出现喷涌、塌方、刀盘被牢牢卡住或刀盘严重磨损等意外情况。

因此，为保证盾构机的顺利掘
进需探测出隧道沿线孤石的情况，对孤石的位置、分布范围、边界等进行勘查与
评价。

孤石探测巳成为一项重要的研究课题。

现今多采用钻探法对孤石区域进行
探测勘查。

2、工程概况
2.1工程简介
某工程两个盾构区间、一座车站、一个出入段线明挖区间、一个中间风井和
多个附属工程，其中盾构区间左线隧道包含一段矿山法+盾构空推拼装管片通过
的隧道。

2.2地面环境及地下管线分布情况
本区域为丘陵地貌，沿线为剥蚀残丘和丘间冲沟相间，因道路等工程建设，
原地貌大多经过挖填。

根据目前地貌及现场调查，本标段线路主要旁经四座山丘，山丘及附近地表遍布球状风化核。

2.3工程地质与水文地质情况
本工程盾构区间隧道埋深15～24m。

地层从上至下主要有填土层、砂层（主
要为中粗砂）、花岗岩残积土层、花岗岩全、强风化带。

隧道穿越的地层主要有
<3-2>中粗砂层、<4N-2>粘土层、<5H-2>花岗岩残积土层，局部穿越<6H>花岗岩全风化层。

其中<5H-2>花岗岩残积土在水平方向上分布广泛，在垂直方向上分布严
重不均。

根据地区经验，硬塑状的花岗岩残积土层、坚硬土状的全风化花岗岩、
半岩半土状的强风化花岗岩中容易发育球状风化孤石。

而根据详勘报告，本标段
盾构隧道洞身范围内揭露有孤石存在。

地下水按赋存方式分为第四系松散土层孔隙水，块状基岩裂隙水。

本标段详勘所
揭露的地下水水位埋藏变化较大，稳定水位埋深为0.60～10.80m，平均埋深为
3.63m。

3、孤石对盾构施工作业的影响以及处理原则
（1）孤石对于盾构掘进的影响。

由于孤石一般位于砂层及残积土层中，孤石难
以固定，地层也不能产生足够的破碎反力，在掘进过程中孤石就会随着土体的破
坏而移动或被刀具弹开，或者是在刀盘前面循环，挡在刀盘前面并损坏刀具。

如
果孤石处在盾构的外侧，可能会挤压盾构使其偏离方向，特别是如果盾构机的一
侧是孤石，另一侧是软弱土层，极易造成隧道轴线的偏斜。

（2）盾构掘进中孤石的处理方案。

对于孤石的处理，应当首先选择在地面处理
的方式进行处理，地面处理条件不具备时再考虑洞内处理。

对已探明基岩突起及
孤石采用地面处理方案时，应该采用地面跟管钻机及地质钻机垂直打孔装入炸药
爆破破碎隧道断面范围内的孤石，将孤石爆破破碎为块径小于30cm的块体。

4、探测孤石的钻探孔布置
（1）“孤石”出现可能性最大区域：采用三级加密的布孔方式，第一级布孔间距
为7.5米；根据第一级钻孔的实际情况判断，因孔间出现“孤石”的机率很大，则
在第一级布孔的每两孔间增加一个钻探孔，使临近两孔的孔距不超过5米；根据
第一、第二级钻孔的实际情况判断，如孔间出现“孤石”的机率仍然很大，则将孔
距增密到2.5米/个；在第二或第三级加密钻孔前，如判断孔间出现“孤石”的机率
不大或盾构机足以应付风险，则终止加密钻孔。

（2）“孤石”出现可能性很大的区域：采用两级加密的布孔方式，第一级布孔间
距为 10米；根据第一钻孔的实际情况判断，如孔间出现“孤石”的机率仍然很大，则将孔距增密到 5米/个；在第二级加密钻孔前，如判断孔间出现“孤石”的机率不大或盾构机足以应付风险，则终止加密钻孔。

另外，当补钻孔加密到5米间距时
判断孔间出现“孤石”的可能性增大，并且盾构机掘进时难以承受此风险，可考虑
将孔距缩小到2.5米。

（3）“孤石”出现可能性较大的区域：采用按 10米间距布孔，不考虑加密。

当钻
孔过程中发现出现“孤石”的可能性增大，并且盾构机掘进时难以承受此风险，可
考虑将孔距按10米→5米→2.5米的方式加密（如图1所示）。

图1
5、方法的探讨与研究
地铁工程中岩土勘探方法主要有：钻探法、触探法、掘探法、物探法。

（1）钻探法主要是用各种钻探工具钻入地层中分层取样进行鉴别、描述、测试的方法，这
是目前常用的且使用最广的钻探方法。

（2）触探法是间接勘探方法，是将探头装在钻杆底部，通过打入或压入地层中，由探头所
受阻力的大小来探测土层的工程特性。

主要特点就是不用取样。

（3）掘探法就是用人工挖掘探井、探槽或平硐，直接观测土层情况与性质。

（4）物探法是通过探测和研究各种地球物理场（如电场、磁场、重力场等）的变化来判断
地质问题的一种勘察方法。

综合以上各种工法认为触探法主要是将探头打入土层中，对于工程中的孤石勘探的目的
不是很适用。

掘探法相对其它工法所用时间较长、投入相对较高、施工范围要求较广，对于
本工程勘探数量较大的情况下也不是很适用。

单一物探方法形成的推论往往是多解的,不借助
其他的资料、其他的方法、或者直接的验证,物探的结论是不能明确判断孤石存在的可能性的。

而钻探法施工方便、效率较高，是最直接且最实用的方法，特别对于勘探发现孤石群、孤石
串的判断上，更具有真实、准确、可靠的特点，所以本工程项目最终选择钻探法。

6、钻探施工技术
6.1钻探工艺流程
图1钻探工艺流程图
6.2钻探施工
6.2.1施工前准备工作
（1）选择具备相关资质及实力的单位，投入足够的人员和设备，保证施工工期。

（2）与市政、交警及有关部门办理钻探施工许可证、临时占道证等相关事宜。

（3）测量人员按每5m一个点放出隧道中心线，以保证钻孔定位。

（4）做好施工现场荧光警示标志。

（5）做好地下管线排查，做好施工过程保护，确保钻孔不损坏所有地下管线。

（6）现场各类物资必须摆放整齐，保持现场文明、卫生、整洁
6.2.2钻孔定位
钻孔原则上按图纸进行定位，孔位偏差不大于1m,。

若受建构筑物、地下管线、交通及地形
等条件影响无法施工，应及时通知相关部门商议调整。

6.2.3钻孔操作
（1）做好泥浆围挡措施，严禁直接排入市政管道。

（2）钻孔垂直偏斜率小于1%，钻孔深度必须按要求钻至隧道底，钻探过程中遇到孤石必须
钻穿孤石体。

（3）钻探操作（含钻具规格、回次进尺、岩芯采取率、编录等项）、取样操作必须执行
《岩土工程勘察规范》第九章第一节、第二节、第四节。

（4）复杂地层与特殊条件下钻探操作应执行《工程地质钻探规程》第3.5条规定。

（5）仔细鉴定岩芯，岩土的描述按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》第五章第五
节要求进行。

（6）准确记录钻探进尺、不同岩性的分层厚度和采样位置。

（7）初见水位和稳定水位测量：量测每个钻孔的初见水位和稳定水位，包括水上钻孔，多
层含水层的水位，应采取止水措施分层测定，地下水为测量允许误差为±20mm。

（8）注意观察、记录钻孔中的异常气味，如发现异常气体，将使用气体检查仪器检查其成份，并做好现场保护措施，保证人员安全。

施工过程发现异常情况应及时汇报，以便采取适
当措施解决问题，严禁盲目施工。

（9）钻探施工过程安排专人跟踪，以准确记录地层情况，包括孤石大小、平面位置及深度，保证施工质量。

6.3钻机定位
在进行开钻前应该准确地定位钻机并把其逐级安装在桩芯位置。

将钻机的设备安装和检
查完毕能够进行工作的状态再开始钻机的定位。

钻机定位的准确程度直接影响到全回旋钻机
的质量。

6.4清理上层土体
在开钻前应该对上层土体清理干净，可以采用反复旋转套管，用冲抓斗对套管内进行挖掘，这样就可以很好清理上层土体，使得钻进的工作更加的顺利。

6.5孤石砸碎及清理
在钻进的过程中遇见孤石时，在前端的钻头上安装更加坚硬的钻头一边回旋切削，一边
用落锤砸碎，然后可以采用机械开挖的方式将碎石清理干净。

6.6盾构机直接掘进
在地勘报告中硬度比较小的全风化花岗岩、强风化花岗岩或者较好的地质条件，我们在
掘进的过程中遇见这样的孤石，我们可以采用盾构机掘进的方式进行孤石的处理。

6.7地层加固注浆施工
为确保安全，在爆破处理后对隧道周边松动围岩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。

注浆方式一般选择袖阀管注浆的方式，注浆浆液一般选用
水泥-水玻璃双液浆加固地层。

注浆加固范围主要是对加固深度从地面至隧道结构底板下1m，加固宽度隧道中线左右开挖轮廓线外各1m范围全部进行注浆加固。

7、结语
在地铁隧道施工作业过程中，极易遇到孤石等不良地质条件，导致盾构施工作业无法顺
利的推进。

因此，在地铁隧道施工作业过程中，应该做好孤石的探测分析，针对孤石的体积、风化程度等详细参数，合理的确定破碎方案，确保盾构施工作业的顺利，提高地铁隧道盾构
施工作业效率。

参考文献
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