第三节 盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术

第三节盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术

花岗岩风化土中存在的球状风化核，俗称“孤石”，在广州地区是普遍存在的一种地质现象，尤其在广州地铁三号线天～华区间的施工中多次碰到。花岗岩风化土中的球状风化核，其成因是岩浆中的石英富集部分不容易风化所致。由于其埋藏分布及大小是随机的，很难通过地质钻探探明其分布情况。孤石形状各异，大小从几十公分到几米，岩石单轴抗压强度可以达到100Mpa以上。相对于孤石的强度，周边风化土层强度小很多。盾构推进过程中，很容易出现孤石不能被滚刀破碎，在刀盘前滚动，严重损坏刀具和刀盘的现象。同时孤石通常存在于自稳能力不好的残积层，洞内基本上无条件直接进行处理，因此盾构在存在孤石的花岗岩残积层中掘进，将面临极大的施工风险，严重影响工程进度及成本。

一、盾构通过花岗岩球状风化体存在的问题

1、掘进非常困难并频繁卡刀盘；

2、盾构机姿态难以控制；

3、刀具磨损非常严重，刀圈崩断，刀座、刀盘变形

4、更换刀具困难，花岗岩残积层不稳定，遇水膨胀崩解，泥化以致流淌，必须进行地面或洞内加固，加固后再进行气压换刀，耗用大量时间。

5、掘进震动大，对保护地面建筑物不利。

二、破碎花岗岩球状风化体的方法

1、盾构机直接破除孤石，盾构机直接破除孤石需要满足两个条件：

（1）盾构提供足够的切削力破岩。

（2）在孤石被刀具破碎过程中，周边土体不能产生破坏，即孤石不能移动。

2、不能通过盾构机直接破除的孤石，可采取如下方法：

（1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，然后再盾构机破岩或人工破岩。

（2）洞内静态爆破或火药爆破。

（3）地面钻孔爆破或冲孔破除孤石。

（4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分裂机等设备。

三、施工中应采取的针对性措施

1、加密补充地质勘探，掌握孤石分布情况。

2、施工过程中进行预测和判断是否存在花岗岩球状风化体。

掘进过程中注意观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化（例如速度突然变慢、推力、扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等），判断是否碰上球状风化岩体。有经验的操作手据此可初步判断刀盘前孤石情况。

掘进过程中随时监测刀具和刀盘的受力状态，确保其不超载并观测刀盘是否受力不均，以防刀盘产生变形。

3、勤检查、勤更换刀具

在花岗岩球状风化体群这种地层中施工，刀具（包括刀盘）的磨损和破损是很严重的，其主要原因是工作面的地质环境变化非常频繁。因此，对刀具和刀盘的检查和更换就更要成为一种例行工作。

4、不能通过盾构机直接破除的孤石，应采取适当的方法进行破除。

四、盾构通过花岗岩球状风化体的经验教训总结

1、在地质勘探方面，对于花岗岩风化地层，目前采用的30-50m一个地质孔的钻探难以满足要求，应加密钻探，对于有孤石存在的地段，钻探孔的间距应该更加小，更有针对性。

2、根据地层情况，合理选择盾构机，盾构机的掘进能力、刀盘刀具的布置以及滚刀的数量、强度应满足本区间盾构掘进的要求，目前三号线有孤石存在的区间选用的海瑞克盾构机，滚刀的间距偏大，边缘滚刀的数量偏少，同时，滚刀的强度不够，在掘进过程中，滚刀破坏严重，造成掘进缓慢，换刀频繁。

3、盾构机在孤石地层掘进时，应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力，刀盘的贯入量以及刀盘的转速，做到平稳掘进，减少对地层的扰动。当掘进速度、刀盘的扭矩、盾构机推力有异样状况时，例如速度突然变慢、推力、扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等，应停机分析原因。

4、在花岗岩球状风化孤石地层施工时，刀具（包括刀盘）的磨损和破损速度很快，对刀具和刀盘的检查和更换应成为一种例行工作，掘进过程中应做到勤检查勤换刀，以防止刀具的破坏引起刀座的变形和刀盘破坏。

5、刀具检查应全面，刀具更换应彻底，在掘进过程中，未更换破损的刀不能破除岩石，会形成岩脊，对周边的刀具产生侧压，加速周边刀具的破坏。

6、在花岗岩球状风化孤石地层，由于周边地层为花岗岩全风化和残积土，遇水易软化崩解泥化，刀具更换最安全的方法是进行地层加固，但加固换刀时间长成本高。因此，压气作业的广泛应用解决了这一问题，压气作业时，首先应试压，确保掌子面能保住压力才能进行带压工作。

7、对于孤石的处理，除采用盾构机直接破除孤石外，还可根据掌子面稳定情况，孤石周边临空面情况采取适当的方法破除。

8、对于在孤石地层掘进，盾构机刀具最主要的破坏形式有刀圈崩断，刀圈偏磨，刀座、刀盘变形等，应通过控制掘进速度、刀盘扭矩、贯入度、刀盘转速等措施减少刀圈崩断、刀圈偏磨，通过控制推力来减少刀座、刀盘变形。

9、在孤石地层掘进时，应注意控制土仓的温度，土仓温度过高，可能会加速刀具的破坏。

工程实例、天～五区间盾构机过球状风化体

天～五区间右线自2004年2月7日掘进至614环开始进入孤石群，2004年9月底脱离困境，历时8个月，孤石区长度348米，先后进行气压法换刀15次，更换各类刀具251把，工程为此付出了巨大代价，盾构穿越花岗岩球状风化体是一个世界性难题，目前在国际上尚未有重大技术突破。由于对花岗岩球状风化体认识不深，在右线第一次遇到球状风化体时竟束手无策，盾构机一停就是三个多月。以下是天～五区间盾构机穿越花岗岩球状风化体区段的施工过程。

图4-53 刀盘前方的孤石

图4-54 刀盘上拆下的滚刀图4-55 土仓捞出的刀具

（一）天～五区间右线第一段孤石长15m，盾构掘进历时107天，更换滚刀51把

2004年2月7日至2004年6月8日，天～五右线盾构机从支YDK1+691～支YDK1+706（环号614～624）15m距离盾构机掘进历时107天，更换滚刀51把，2004年2月19日，天～五区间右线盾构机掘进到支YDK1+691（距上次开舱换刀85环），掘进期间遇花岗岩球状风化孤石，刀具损坏严重，开始第二次压气作业换刀工作，至2004年3月11日完成换刀，共计更换滚刀24把。2004年3月12日恢复掘进。

由于盾构机在孤石区掘进过长，造成刀具严重损坏，有些刀座已变形，需要动火方可拆除，压气作业条件下无法动火，所以有些刀具没进行更换，造成了以后的换刀困难。

2004年3月15日，天～五区间右线盾构机掘进到支YDK1+706里程处（距离上次换刀距离10环），推进过程困难并频繁卡刀盘，3月16日，进行第三次压气检查刀具作业，发现掌子面下方有孤石，第二次压气作业换刀时更换的滚刀已严重磨损，有很多刀具在压气作业下无法更换，为保护刀盘并顺利通过该孤石群地段，决定尝试盾构机后退洞内注浆加固、喷射砼注浆加固方法，以便开仓进行刀具的全盘更换。期间曾采用静态爆破、火工爆破对孤石进行清除。本次停机历时85天，累计注浆200多m3，共换滚刀27把，由于掌子面不稳定，所有的刮刀齿刀均没更换。到2004年6月9日下午恢复掘进。

经验教训总结：

（1）由于上次有些损坏的刀没更换，造成新更换的刀具很快被破坏，压气条件下无法更换。

（2）本次盾构机后退洞内注浆加固效果依然是周边无法加固，刀盘转动后加固体全被损坏。

（3）采用喷射砼注浆加固可以使掌子面稳定，但工期过长，且滚刀位置无法加固，在换滚刀时会从刀座处涌泥，增加换刀困难，且刀盘旋转后注浆加固体被破坏，需重新喷砼注浆加固。

（4）静态爆破清除孤石不理想，但可

在压气条件下进行，采用火工爆破清除孤

石不可行，但需开仓进行，且对掌子面挠

动破坏较大，在掌子面不稳定条件下实施

存在很大的危险性。

（5）盾构在孤石地层中掘进，较小的

图4-56 右线盾构施工造成地