盾构掘进孤石处理技术研究

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［摘要］结合深圳地铁5 号线工程实例，深入分析了孤石的形成机理和分布规律，讨论了盾构穿越孤石地层的难点和风险，提出了孤石的探测方法，介绍了破除孤石的主要方法和施工中应采取的措施。通过对比8 种孤石的处理方法，提出了各种处理方法的优势和劣势，并有针对性地将这些方法应用于不同的工程中。

［关键词］隧道工程; 地铁; 盾构; 孤石; 探测

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［1-4］。

国内最早遇到孤石的工程实例是深圳地铁，球状风化岩的存在导致盾构掘进过程中刀盘严重变形，险些酿成重大事故。广州地铁3 号线市番—天华区间隧道在开挖过程中遇到的花岗岩球状风化体的岩体单轴抗压强度超过160MPa。成都地铁1号线一期工程区间隧道大多通过富水砂卵石地层，且含有少量大粒径孤石，孤石的最大粒径达670mm，孤石单轴抗压强度65. 5 ～184MPa［5-7］。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，处于摸索阶段，并且尚未找到一种切实有效的施工方法。

1工程概况

深圳地铁5 号线全长40km，本工程在宝安—翻身区间、翻身—灵芝区间和民治—五和区间盾构线路均遇到孤石。

宝翻区间以砂质黏性土和砂层为主，拱顶以上地层以杂填土、淤泥、粉质黏性土为主，本区间左线发现5 块孤石，其中 2 块位于隧道范围内; 右线发现6 块孤石，其中3 块位于隧道范围内。翻灵区间主要穿越的岩层为砾质黏性土和全风化花岗岩，含水量丰富并且与海水存在动力联系，同时隧道下穿诸多建( 构) 筑物，由于花岗岩在成岩、后期构造作用和风化的不均一性，导致花岗岩风化不均，存在孤石，本区间左线和右线共有8 个较大的孤石位于隧道开挖断面内。民五区间隧道穿越地层主要为砾质黏性土和全风化花岗岩。左、右线各存在19 个球状风化体，强度为150 ～180MPa。

2孤石的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，加之断裂构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。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。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。

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3孤石的探测

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。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。

4处理措施

根据孤石的大小、位置、形状、周边环境等因素确定处理方法。当隧道上方地面具备冲孔、挖孔条件时，应首先采用地面处理方式; 当地面不具备冲孔、挖孔条件时，采用洞内处理方式。

4. 1地层注浆加固后盾构推进

在确认孤石区域后，从地面对孤石周边一定范围的地层采用袖阀管进行加固，待浆液凝固后，浆液将孤石紧紧包裹住，待盾构掘进时，孤石受到刀盘正面的切削作用而破碎，不会被挤压至土体产生较大的扰动，盾构姿态也比较容易控制。宝翻区间孤石地段注浆加固范围如图1 所示，袖阀管构造如图2 所示。

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4. 2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，如图3，4 所示。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

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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。

4. 3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，即可对风化球处理( 见图5) ，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

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