盾構(gòu)穿越孤石地層地表非爆破預(yù)裂處理技術(shù)研究

柳長奔 陳波 林敏

結(jié)合汕頭灣海底隧道大直徑盾構(gòu)穿越基巖凸起及孤石地層采用地表地質(zhì)鉆機進行垂直鉆孔破碎預(yù)裂處理實例，針對非爆破允許環(huán)境下，通過比對各種孤石處理方式，闡述了盾構(gòu)穿越孤石地層的探查定位、地表非爆破鉆孔處理原則、程序、方法等措施，較好地解決了盾構(gòu)穿越孤石復(fù)雜地段的推進工效低、施工成本高、刀具磨損嚴重、施工風險大等問題，取得了良好的效果。

一、工程概況

1.汕頭灣隧道

汕頭灣海底隧道為汕頭至汕尾高速鐵路重難點控制性工程，隧道全長9191m，采用礦山法、明挖法及盾構(gòu)法施工。其中盾構(gòu)法隧道長2169米，設(shè)計采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)，直徑14.57米，分別穿越陸域及海域（汕頭海灣），為國內(nèi)第一條時速350km的跨海高鐵大直徑盾構(gòu)。

2.地質(zhì)情況

盾構(gòu)掘進范圍地層主要為粉砂、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、中砂、粗砂、礫砂、局部夾細砂等，下伏基巖為燕山期第三次侵入（γy3）花崗巖，全～弱風化，全風化層，褐黃色、灰黃色，呈砂土狀，厚0.5～14m，局部夾弱風化不均勻風化體；強風化層，灰黃色，風化裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，厚1.5～15m，局部夾弱風化不均勻風化體（即孤石）；弱風化層，棕黃色，塊狀構(gòu)造，巖體較完整，其中近構(gòu)造地段附近巖體較破碎，巖質(zhì)硬。

該地區(qū)地表為“石蛋”地貌，地表出露球形風化體最大十幾米，可推知地下也存在風化不均的觀象。根據(jù)地質(zhì)勘察揭示，DK162+730～DK163+160段為上軟下硬復(fù)合地質(zhì)，該段多孔揭露孤石現(xiàn)象，表現(xiàn)為全風化層中出現(xiàn)弱風化或強風化孤石，粒徑風化核大小不一，一般為近似球形，直徑在0.5～5m不等，最大粒徑可能近10米。

3.周邊環(huán)境

該工程位于汕頭市龍湖區(qū)汕頭灣北岸，周邊環(huán)境較復(fù)雜，主要為公交車停車場、既有市政干道泰星路、高壓鐵塔及錦汕美食城等建筑物,爆破條件受到限制。

二、必要性分析

孤石主要以微風化狀態(tài)埋藏于殘積層、全風化及強風化花崗巖層中,由于孤石強度高，具有一定的隱蔽性，且與周邊風化土體性質(zhì)差異大，造成盾構(gòu)施工異常困難。根據(jù)以往類似項目施工經(jīng)驗，若不提前進行地質(zhì)改良處理，盾構(gòu)機在掘進時碰到的孤石難以固定，刀盤邊緣滾刀和掌子面圍巖很難產(chǎn)生足夠的反力將孤石破碎。盾構(gòu)機掘進時，孤石會一直在刀盤前方隨著盾構(gòu)機掘進向前移動，對地層造成很大的擾動。

綜合汕頭灣隧道盾構(gòu)穿越此復(fù)地段施工實際，主要存在如下風險：

1.施工風險

（1）致刀具異常損壞頻次高、數(shù)量大。刀具過快異常磨損直接影響周邊刀圈受力，形成連鎖反應(yīng)。出現(xiàn)大面壞刀導(dǎo)致刀盤扭矩急劇增大，嚴重時會出現(xiàn)整刀掉入前倉，甚至刀盤母體受損，需帶壓進倉處理等不可預(yù)估風險。

（2）開挖倉液位波動。在換刀過程中出現(xiàn)前倉液位上漲情況，切口壓力增大至 4.2bar，前倉壓力無法長時間穩(wěn)定導(dǎo)致后期無法順利實施帶壓進倉作業(yè)，風險極高。

（3）大塊碎石卡泵。盾構(gòu)推進中遇到 2.1 泥漿泵和 2.3 中繼泵碎石卡泵情況，需拆解泵吸口管路，清理卡泵的大塊碎石，卡泵清理一次長達數(shù)小時。碎石堆積可能造成吸口滯排，前倉瞬時壓力升高，嚴重時需帶壓進倉處理。

2.質(zhì)量風險

軟硬不均地層引起掘進姿態(tài)突變導(dǎo)致管片易出現(xiàn)質(zhì)量問題。盾構(gòu)機在穿越軟硬不均及有孤石地層復(fù)合地層時，盾頭有上飄的趨勢且推進速度不穩(wěn)定，需加大頂部與底部油缸壓力差控制上浮趨勢，最大壓力差達到140bar，油缸壓差大導(dǎo)致管片受力不均表面出現(xiàn)裂紋。當盾構(gòu)機速度超過 5mm/min 后左右姿態(tài)不穩(wěn)導(dǎo)致盾尾間隙難以穩(wěn)定控制，間隙小的一側(cè)會導(dǎo)致管片拼裝錯臺大，影響管片防水質(zhì)量。

因此，盾構(gòu)穿越此地段施工存在諸多不利風險因素，推進前需對孤石進行預(yù)處理。

三、處理方式分析

不同孤石的處理方法各有優(yōu)缺點，且隨著推進中所遇到的孤石大小、位置、形狀以及周邊環(huán)境等因素不同，適應(yīng)性也不盡相同。對孤石的處理應(yīng)根據(jù)地層適應(yīng)、環(huán)境影響、施工風險、施工效果、工期成本以及所需處理孤石的大小等進行比選使用，以提高處理效果。

（1）地表固結(jié)處理。即進行地表鉆孔爆破注漿，加固孤石周圍土體，使孤石和刀盤之間存在足夠的壓力。存在加固的漿液流至刀盤，凝結(jié)刀盤，造成后期需處理風險隱患。

（2）液壓劈裂機處理。即帶壓進倉作業(yè)，將液壓劈裂機帶至刀盤前側(cè)，對孤石進行打孔、劈裂處理至小塊，帶至倉外。帶壓進倉作業(yè)面臨坍塌、保壓失效、有毒有害氣體、物體打擊等風險。

（3）倉內(nèi)密集打孔，可能存在帶壓進倉安全風險。

（4）地表鉆孔預(yù)裂孔處理。對于因埋深較深采用人工挖孔破除、沖擊錘沖擊破碎、旋挖鉆機抽芯破碎孤石等方法無法實施的，采用在地表鉆孔預(yù)裂孔處理，此方法可能因巖面傾斜和隧道埋深較深等，出現(xiàn)地質(zhì)鉆等設(shè)備破壞刀盤風險。

鑒于該工程周邊環(huán)境較復(fù)雜，現(xiàn)場爆破受限，結(jié)合上述不同孤石處理方式的優(yōu)缺點，汕頭灣隧道對穿越陸域段的基巖凸起及孤石地段處理結(jié)合地層適用性、施工安全、工期及成本要求，選擇采用地表非爆破鉆探預(yù)裂處理。

四、處理技術(shù)

1.穿越基巖孤石段控制總體思路

根據(jù)地勘報告及補鉆探揭示孤石情況，盾構(gòu)施工前，通過采用直徑108mm鉆頭的地質(zhì)鉆機對深層孤石進行垂直密集鉆孔，使孤石“千瘡百孔”，從而破壞孤石完整度，降低巖石強度，盾構(gòu)掘進時更容易使其破碎，以順利推進。

2.孤石處理

（1）管線排查

孤石探查處理前需對施工區(qū)域內(nèi)管線進行全面細致排查，并采用人工挖探溝的方式確定管線位置。對于電力、水利、電信等重要管線施工前先需征得權(quán)屬部門同意，區(qū)域內(nèi)管線采用開挖暴露方式，防止鉆孔施工擾動土體造成管線破壞。

（2）孤石定位探查

因花崗巖風化不均，發(fā)育和分布規(guī)律不明顯，孤石形狀各異，直徑大小不一，其位置、強度、硬度與周圍地層存在較大差異等因素，因此盾構(gòu)推進前，對花崗巖地層所含孤石地埋深、直徑大小、垂直與水平分布規(guī)律進行較為準確的探查十分必要。汕頭灣隧道盾構(gòu)穿越段，地層孤石的探測區(qū)域分為原勘測確定有孤石的重點探測區(qū)及勘測未發(fā)現(xiàn)、但可能存在孤石的一般區(qū)兩種類型。

①對原勘測確定存在孤石發(fā)育的重點區(qū)域，直接采用在地表地質(zhì)鉆探探查。具體：

a.線路方向確認

以中心線為基準，沿線路方向前后每隔5 m補孔，深度為地表至隧道底1m，根據(jù)巖樣破碎情況，探查孤石的邊界及高度，如孔間出現(xiàn)孤石的機率大，則在兩孔間增加一個鉆孔，臨近兩孔的孔距不超過2.5米；如果該兩孔間出現(xiàn)孤石機率仍很大，則將孔距加密至1.25米。按照此方法探查為孤石存在的機率不大或盾構(gòu)機自身破碎穿越通過，則終止加密鉆孔。

b.隧道兩側(cè)方向確認

以中心線為基準，橫向軸線增加5米間距鉆孔，深度為地表至隧道底1米，根據(jù)巖樣破碎情況，以確定孤石隧道兩側(cè)方向分布，直至探明孤石的大小、分布范圍、孤石的具體邊界及周邊環(huán)境等基本要素（加密方式同上）。

②對原勘測未發(fā)現(xiàn)孤石區(qū)域進行補勘探查是否有新增孤石。

因該段落為上軟下硬段，并且為“石蛋”地貌，且原勘測孔間距20～80米，為確保較為準確地探查孤石情況，在此段盾構(gòu)穿越區(qū)域采用地表按照縱橫向10米間距鉆孔補勘，當鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)存在孤石可能性增大，并且盾構(gòu)機推進時難以承受此風險，則將孔距按照10米-5米-2.5米進行加密鉆孔，以確定是否存在孤石，探查此孤石的具體邊界。

汕頭灣盾構(gòu)法隧道陸域段，經(jīng)前期探查，在DK163+075.13、DK163+070.24和DK163+039.94等處存在大小不等、形式各異的孤石，孤石直徑約2～3米，最大粒徑達5米。DK163+075.13處孤石孔位橫斷面圖示：

（3）孤石處理原則

孤石和隧道對應(yīng)關(guān)系有3種，分別為完全在隧道內(nèi)、隧道周邊外側(cè)為土層和隧道周邊外側(cè)存在硬質(zhì)巖。

孤石和隧道對應(yīng)關(guān)系

孤石尺寸大小分4種情況，分別為30cm～60cm、60cm～100cm、100cm～300cm和300cm以上。汕頭灣隧道盾構(gòu)施工對孤石的處理方式見下表：

孤石可能情況及處理方式

五、鉆孔施工

孤石情況確定后，當判定孤石不處理、盾構(gòu)直接掘進通過將帶來施工較大風險時，需對孤石進行地表加密鉆孔處理。

1.布孔形式與鉆孔定位

首先對鉆探確定孤石的具體里程和位置進行放點，鉆孔孔位以孤石中心點為中心，按照0.5m×0.5m（間距×排距）呈梅花形布置。

然后在地表采用108mm鉆頭的地質(zhì)鉆機對盾構(gòu)線路中的孤石進行等垂直密集鉆孔，鉆孔深度終孔至隧底1米位置；鉆孔平面范圍為孤石區(qū)域外擴0.5m，直至外擴孔未探到孤石為止。

在鉆孔過程中對地層進行詳細記錄巖面高度及覆蓋層厚度、巖石中炮孔長度等信息，必要時采用直徑108mm取芯鉆機進行鉆孔取芯，以確認孤石的具體形態(tài)和唯一性。

2.注意事項

當鉆至巖石中時，地質(zhì)鉆轉(zhuǎn)速應(yīng)降低、勻速鉆進，以保證鉆頭遇到斜坡巖面或非規(guī)則巖面不發(fā)生偏移，從而保證鉆孔炮孔位置、垂直度符合預(yù)定要求。

鉆孔施工時，每次鉆至巖石后，詳細記錄巖石頂、底面標高。鉆孔取出的巖芯分別放置，進行拍照、記錄及進行技術(shù)分析。

當出現(xiàn)卡鉆無法鉆進時，考慮通過地質(zhì)鉆機進行注漿固結(jié)后再重新掃孔鉆進，直至鉆探至設(shè)計孔位。

六、封孔處理

盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的鉆孔均布置在隧道正上方，鉆探結(jié)束后需進行封孔處理，以保證壓氣作業(yè)及推進順利。為保證封孔質(zhì)量，要求封孔材料既要有一定的強度，也要確保不能太硬，否則會對盾構(gòu)機掘進造成障礙。封孔處理采用：

砂漿灌注法。水泥砂漿配合比水泥：砂：水=0.24：1：0.29，可根據(jù)現(xiàn)場試配適當考慮加入速凝劑，以確保封孔質(zhì)量及縮短周期。

漿液封孔法。主要針對較為破碎地段，封孔采用水灰比為0.8的水泥漿，使用鉆桿從鉆孔底部自下而上進行灌漿。因隧道埋深大、鉆孔較深、封孔時間長，可適當添加水玻璃。如發(fā)現(xiàn)注漿效果不明顯，應(yīng)重復(fù)注漿，確保封孔效果。

七、結(jié)語

通過對汕頭灣海底盾構(gòu)法隧道穿越基巖凸起及孤石地層的地表鉆探處理前后分析，無論是盾構(gòu)推進的地層適應(yīng)性、施工安全性、施工工效、工期成本等方面均得到較大的改觀。同等環(huán)境的孤石地層盾構(gòu)推進施工，處理前：平均日進尺1.47米（管片每環(huán)寬度2米），刀具平均每天更換1.36把（滾刀1.18把、刮刀0.18把），盾構(gòu)推力不均造成局部管片出現(xiàn)縱向裂紋；處理后：每天推進平均可達3米，刀具平均每天更換降至1把，盾構(gòu)管片裂紋基本未再發(fā)生。