不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)工程孤石處理工藝及實例

王鵬華

(臺山核電合營有限公司，廣東 臺山 529228)

0 引言

孤石是指存在于軟質(zhì)風(fēng)化層中的花崗巖球狀風(fēng)化體，球狀風(fēng)化是花崗巖層中十分常見的現(xiàn)象，屬于花崗巖的不均勻風(fēng)化?；◢弾r球狀風(fēng)化體在珠三角地區(qū)常見于廣州北部、深圳的大部分地區(qū)以及珠海沿岸大部分地區(qū)，搬遷作用在廣東臺山海底淤泥層，成都、長沙的少數(shù)卵石地層中被發(fā)現(xiàn)，但分布數(shù)量較少。孤石有自然風(fēng)化產(chǎn)物和搬遷作用2種成因，花崗巖球狀風(fēng)化體以及大型卵石都可能成為孤石，成為盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)過程中的巨大障礙［1－3］。

由于孤石埋藏分布是隨機(jī)的，且形狀各異，大小不一，強(qiáng)度可達(dá)到200 MPa以上，對地鐵盾構(gòu)工程施工極為不利。盾構(gòu)隧道施工前多采用盾構(gòu)機(jī)破巖和人工破巖、或進(jìn)行洞內(nèi)靜態(tài)爆破、火藥爆破孤石，也有的利用地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石等方法進(jìn)行預(yù)處理［4－10］。本文以廣東省內(nèi)某核電站取水隧洞采用地下深孔爆破處理孤石的成功實例為背景，參考深圳地鐵5號線民治站—五和站區(qū)間通過冷凍、地面沖孔和人工挖孔等綜合方法進(jìn)行提前預(yù)處理的成功案例，長沙地鐵2號線7標(biāo)通過地表注漿固定孤石進(jìn)行預(yù)處理的成功案例以及廣州地鐵3號線天河客運站通過盾構(gòu)機(jī)直接切削孤石的工程實例，重點研究解決不同地質(zhì)和工況條件下盾構(gòu)施工孤石處理的技術(shù)難題。

1 孤石分布規(guī)律

雖然孤石分布具有離散性大、埋藏深度范圍廣、空間賦存特征不規(guī)則的特點，但仍具一定規(guī)律，為:

1)孤石的自然風(fēng)化產(chǎn)物主要分布于花崗巖的全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶中;

2)孤石大小一般為0～5 m，對于盾構(gòu)隧道施工，300 mm以上的孤石應(yīng)重點關(guān)注;

3)孤石主要集中在埋深10～30 m處，正是國內(nèi)大多數(shù)盾構(gòu)隧道所處的深度范圍;

4)在垂直風(fēng)化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特點，即隨著高程的增加，孤石的密集程度愈來愈大，而體積越來越小;

5)孤石的大小隨風(fēng)化程度的增強(qiáng)而減小，而數(shù)量卻隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)而增加。

2 孤石對盾構(gòu)隧道的危害

1)由于孤石單軸抗壓強(qiáng)度非常高，與四周風(fēng)化碎屑強(qiáng)度差異較大，在刀盤切削時，孤石將發(fā)生滾動，很難被刀具破碎，掘進(jìn)效率低下，極易造成刀具過載，甚至嚴(yán)重?fù)p壞刀盤結(jié)構(gòu)。

2)由于盾構(gòu)掘進(jìn)時孤石在地層內(nèi)隨機(jī)滾動，極易造成刀盤偏載，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制。

3)在此條件下掘進(jìn)，刀具貫入度極低，掘進(jìn)過程對周邊土體擾動大，容易造成地層沉降超標(biāo)，甚至危及周邊建(構(gòu))筑物安全。

4)由于孤石周圍強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化地層的穩(wěn)定性差，遇水極易軟化崩解，且其滲透性因風(fēng)化程度的差異極不均勻，更換刀具時往往需要采取非常規(guī)手段，效率低且安全保障性差。

3 孤石處理的主要方法

孤石處理的總體思路首先是通過必要的手段進(jìn)行詳細(xì)勘探，查清其分布的具體位置、形狀和大小，再根據(jù)地面條件和地層條件決定處理方法。但無論采用何種方法進(jìn)行勘探，都具有一定的不確定性，都可能產(chǎn)生漏判;所以，在孤石地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)必須具備相應(yīng)的破巖能力。

針對孤石對盾構(gòu)掘進(jìn)危害的類型，在工程中常用的孤石處理方法有:

1)盾構(gòu)直接破除孤石。這需要滿足2個條件:一是盾構(gòu)及刀具必須具備足夠的破巖能力;二是在切削過程中，孤石必須處于固定狀態(tài)。若要直接破除，一般情況下需提前采用注漿或冷凍等措施固定孤石，然后破除。

2)地面預(yù)處理人工破除。通常有地面沖孔、地下深孔爆破以及人工挖孔破碎或者液壓劈裂機(jī)法等措施。

3)洞內(nèi)人工破除。采用靜態(tài)爆破、定向爆破和巖石分裂機(jī)等設(shè)備破除，通常需要對土體進(jìn)行加固或者采用氣壓作業(yè)的方式，但由于施工風(fēng)險問題，洞內(nèi)人工破除方法不能作為孤石處理的常規(guī)手段。

4 孤石處理工藝及工程實例

4.1 地下深孔爆破

4.1.1 工程概況

廣東省內(nèi)某核電站取水隧洞全長4 300 m，采用直徑9.03 m的復(fù)合泥水盾構(gòu)，所采用泥水盾構(gòu)設(shè)備要求出碴粒徑不能大于140 mm，進(jìn)入刀盤的石塊粒徑不能大于300 mm，否則石塊將不能進(jìn)入碎石機(jī)進(jìn)行二次破碎，而在碎石機(jī)進(jìn)口產(chǎn)生堆積，造成堵塞。

4.1.2 孤石探測方法

通過海上走航式地震法物探和鉆孔驗證相結(jié)合的方法對陸域側(cè)基巖及孤石存在的區(qū)域進(jìn)行勘探，基本準(zhǔn)確地探測出孤石及孤石群的具體位置，確定在盾構(gòu)始發(fā)階段約360 m范圍內(nèi)都存在孤石及孤石群的分布(見圖1)。

圖1 基巖及孤石群分布圖Fig.1 Distribution of bedrocks and boulders

4.1.3 孤石處理工藝

由于盾構(gòu)隧洞處于海域條件下施工，隧道埋深在水面下20 m(水深為0～8 m)，在這個深度和地表條件下，不適合采用冷凍、注漿、地面沖孔、人工挖孔等預(yù)處理方法，故選用地表及海面鉆孔進(jìn)行地下深孔爆破的方法進(jìn)行預(yù)處理。在此之前，國內(nèi)尚無在海面條件下進(jìn)行如此大規(guī)模爆破預(yù)處理的先例。

需處理的基巖段長126 m(處理里程 DK0+157～+283)、孤石群段216 m(DK0+283～+499)。沖擊鉆孔區(qū)域擬投入1臺型號為JB106B液壓鑿巖鉆機(jī)，爆破區(qū)域投入4臺跟管潛孔鉆機(jī)和12臺地質(zhì)鉆機(jī)。

4.1.4 孤石處理成效

由于DK0+218～+283段處于近海海域，為了加快施工進(jìn)度，該區(qū)段采用石碴回填填筑平臺，海域段采用多鉆機(jī)鉆孔平臺作業(yè)，多作業(yè)面進(jìn)行施工。本段基巖及孤石群的實際處理共計90 d。

自2010年8月15日—12月14日，盾構(gòu)順利穿過基巖及孤石群長度342.2 m(K0+157～+499.2)僅歷時4月，在這個過程中，仍遭遇遺漏的大約600 mm以內(nèi)的小型孤石，更換滾刀166把、切刀201把、邊刮刀186把，爆破后的石碴尺寸基本都維持在100 mm以內(nèi)，完全滿足本項目泥水系統(tǒng)的要求。盾構(gòu)刀盤得到了很好的保護(hù)，在盾構(gòu)通過4 300 m的掘進(jìn)后僅進(jìn)行少量修復(fù)就再次投入了2號隧道的施工。

本項目的處理工藝和方法在國內(nèi)外盾構(gòu)界罕有先例，為總體工期和安全保障提供了有力保障，為國內(nèi)海底盾構(gòu)第一難的隧洞按期貫通排除了最大的障礙。沖擊鉆沖孔和水下爆破方式進(jìn)行基巖和孤石處理技術(shù)在盾構(gòu)隧道尤其是越海工程中取得了良好成效，是盾構(gòu)順利通過基巖和孤石群的成功案例。

4.2 冷凍、地面沖孔和人工挖孔

4.2.1 工程概況

深圳地鐵5號線民治站—五和站區(qū)間在深圳梅林關(guān)外，盾構(gòu)機(jī)直徑6.28 m，隧道埋深為12～18 m。項目設(shè)計勘查階段發(fā)現(xiàn)有基巖突起及孤石存在，通過施工階段的詳勘，發(fā)現(xiàn)從隧道始發(fā)井開始近800 m的范圍內(nèi)存在孤石(見圖2)。

4.2.2 孤石處理工藝及成效

始發(fā)井端頭為全風(fēng)化的花崗巖地層，地下水位在地面以下1 m，必須進(jìn)行加固處理，考慮到端頭以外3 m有一個暗渠，如采用注漿或旋噴樁加固方式，地面條件不足，根據(jù)各方案比選，采用冷凍方式進(jìn)行端頭加固。在這個范圍內(nèi)存在的孤石也通過冷凍方式予以固結(jié)，采用盾構(gòu)直接切削，盾構(gòu)平穩(wěn)始發(fā)，未發(fā)生刀具損壞等現(xiàn)象。

圖2 孤石分布示意圖Fig.2 Distribution of boulders

在其余約800 m的隧道范圍內(nèi)，地面條件相對較好。通過瑞雷波物探和地質(zhì)鉆孔相結(jié)合的方式，探測出19處孤石，大小為1.1～3.6 m。由于距線路10 m處地面為平南鐵路，軌線與線路平行，爆破法可能會對鐵路路基造成難以預(yù)見的損害。經(jīng)協(xié)調(diào)、論證后，決定采用人工挖孔和地面沖孔相結(jié)合的方法，多個工作面同步作業(yè)，以減少對周邊環(huán)境的影響。最終在盾構(gòu)掘進(jìn)之前完成了孤石的預(yù)處理，僅用5月就完成了800 m長的孤石區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)，10月內(nèi)完成了整個項目2 100 m的區(qū)間隧道掘進(jìn)任務(wù)。這在孤石普遍存在的深圳地鐵隧道施工中是一個典型的成功案例，具有積極的借鑒意義。

4.3 地表注漿

4.3.1 長沙地鐵2號線7標(biāo)概況

由于古河床沖刷搬運的作用，在石灰?guī)r溶巖群中存在大量泥沙及卵石，五一廣場站的施工也揭示有直徑超過1 m的大型卵石。如此大型卵石同花崗巖風(fēng)化層內(nèi)的孤石一樣，對盾構(gòu)施工來說是一個巨大的風(fēng)險。

地層分布的卵石粒徑一般為2～10 cm，存在極少數(shù)大型卵石。因同時需要對該區(qū)段存在的溶洞進(jìn)行填充，通過密集的鉆孔注漿，既對溶洞起到填充作用，也對分布在該區(qū)段的卵石進(jìn)行了相應(yīng)的固結(jié)。在左右線盾構(gòu)掘進(jìn)都遭遇孤石后，通過調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，降低刀盤轉(zhuǎn)速，減少沖擊等技術(shù)措施，盾構(gòu)順利通過，按期完成了五一廣場站—芙蓉廣場站區(qū)間隧道的掘進(jìn)。

4.3.2 經(jīng)驗教訓(xùn)

該項目通過地表注漿固定孤石進(jìn)行預(yù)處理的成功技術(shù)值得推廣，但在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，大塊卵石進(jìn)入螺旋輸送機(jī)導(dǎo)致設(shè)備被卡死的情況多次出現(xiàn)，故在刀盤設(shè)計時應(yīng)考慮類似條件下格柵的尺寸和形式，避免螺旋機(jī)卡死。

4.4 盾構(gòu)直接切削孤石

廣州地鐵3號線天河客運站采用直徑6.28 m復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)，由于對孤石存在的判斷和勘探工作未受重視，盾構(gòu)選型時僅對刀盤及其支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

隧道右線第一次遭遇孤石時，未提前進(jìn)行處理，采用盾構(gòu)直接切削的方式進(jìn)行孤石處理，導(dǎo)致歷時107 d，僅掘進(jìn)15 m(YDK1+691～+706)孤石區(qū)域，期間更換刀具51把，對刀盤產(chǎn)生了嚴(yán)重的損壞，滾刀刀座出現(xiàn)變形(圖3)，導(dǎo)致刀具更換困難，還嚴(yán)重影響到地面環(huán)境安全(圖4)。

在通過YDK1+691～+706段僅10 m后，再一次遭遇孤石，由于對孤石的認(rèn)識和危害不充分，仍采用盾構(gòu)直接通過的方法進(jìn)行施工。在加強(qiáng)刀具檢查和更換時，氣壓作業(yè)壓力無法建立，最終通過盾構(gòu)后退，采用洞內(nèi)注漿、掌子面噴射混凝土等方法進(jìn)行作業(yè)面封閉，并進(jìn)行了3次帶壓進(jìn)倉換刀，耗時85 d。

本工程是采用盾構(gòu)刀盤直接切削并進(jìn)行人工洞內(nèi)處理孤石的一個典型實例，在總計不到30 m的隧道范圍內(nèi)，共耗時192 d，工程付出了巨大代價。實踐證明，在未探明孤石分布并采取相應(yīng)的預(yù)處理措施的情況下，盾構(gòu)直接掘進(jìn)孤石區(qū)，是一種不可取的方法。

5 結(jié)論與建議

因孤石分布隨機(jī)、形狀大小各異且強(qiáng)度不一，致使盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)土層軟硬不均，在盾構(gòu)隧道施工過程中對刀盤、刀具產(chǎn)生極大傷害，盾構(gòu)姿態(tài)控制困難、對周邊環(huán)境造成極大破壞，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、大幅增加工程成本，甚至因處理條件問題導(dǎo)致工程失敗。如何處理隧道范圍內(nèi)的孤石，是盾構(gòu)隧道施工的一大技術(shù)難題。

對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工，尤其是存在花崗巖全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化地層的隧道區(qū)間的施工，在項目策劃時需要將其作為一個重大風(fēng)險予以對待。針對這類地層的盾構(gòu)施工，應(yīng)遵循以下基本原則進(jìn)行施工決策:

1)在地質(zhì)勘探方面，詳實的地質(zhì)勘察工作是不可缺少的。對花崗巖風(fēng)化地層，采用30～50 m間距的地質(zhì)鉆孔難以滿足對孤石探測的要求，需要采用合適的物探工藝和鉆孔探查相結(jié)合的方式，準(zhǔn)確探測孤石存在的位置分布、大小及形狀。

2)對孤石處理應(yīng)遵循預(yù)處理在先的原則，嚴(yán)禁在毫無措施的條件下直接采用盾構(gòu)進(jìn)行切削，否則將造成不可挽回的損失，輕則造成工期嚴(yán)重滯后、工程成本大幅增加，重則造成工程失敗。

3)根據(jù)不同地質(zhì)和環(huán)境條件制定不同的處理工藝。地下深孔爆破是處理孤石運用最新也最有效率的方法之一，建議優(yōu)先選用;冷凍法、注漿固結(jié)、人工挖孔、沖孔破碎等各種輔助工藝都在工程實踐中有過成功的先例，具體工藝措施要根據(jù)項目的不同條件來選取。

4)應(yīng)合理選擇盾構(gòu)類型，優(yōu)化刀盤設(shè)計和刀具選擇，增強(qiáng)其破巖能力，使其能夠滿足經(jīng)預(yù)處理后可能遺漏的孤石的需求。

5)盾構(gòu)在預(yù)處理過的孤石地段掘進(jìn)時，掘進(jìn)參數(shù)的監(jiān)控尤為重要，刀具貫入度應(yīng)保持相對較小的數(shù)值;同時，刀盤轉(zhuǎn)速的變化是刀盤前負(fù)載情況最直觀的反映，一旦產(chǎn)生明顯變化，需引起特別注意。

6)刀盤的保護(hù)是孤石地層掘進(jìn)過程中的重點。刀具的完好和正常工作是保護(hù)刀盤不受損失的最直接手段，掘進(jìn)過程中對刀具應(yīng)做到勤檢查、勤更換。

7)泥水盾構(gòu)漿液的配比對保護(hù)刀具和刀盤、提高掘進(jìn)效率至關(guān)重要，漿液要有利于提高泥水管路攜渣能力，有利于降低對刀具、刀盤的磨損;土壓平衡盾構(gòu)能改善渣土的流動性、降低土倉溫度，是保護(hù)刀具的有效手段。

8)必須防止在盾構(gòu)掘進(jìn)困難時進(jìn)行盲目作業(yè)，降低刀盤結(jié)構(gòu)性損傷的風(fēng)險。

9)孤石預(yù)處理是一項工藝復(fù)雜且耗資巨大的輔助工程，在地面無條件進(jìn)行預(yù)處理的情況下，盾構(gòu)機(jī)本身尚無有效措施處理孤石，建議在項目初步設(shè)計階段就將該風(fēng)險納入工程策劃決策中。

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