地鐵盾構區間孤石探查技術及研究

摘要：在地鐵隧道工程施工過程中，經常會遇到球狀風化體，也就是孤石，屬于巖體風化過程中所特有的地質現象。在采用盾構法進行隧道掘進施工作業的項目中，由于孤石的形狀以及強度不一，盾構機難以將孤石破碎，不僅會造成掘進的困難，而且會造成盾構機刀具的嚴重磨損，同時對施工作業區域的地層也會造成擾動，影響隧道工程施工安全性以及施工進度。因此，必須針對隧道盾構施工中的孤石進行探測，同時采取合理的措施對孤石進行破碎處理，以確保盾構施工作業的順利進行。

關鍵詞：孤石；鉆探法施工；孤石處理

1、引言

在地鐵盾構建設工程中盾構掘進如果遇到孤石，掘進施工將非常困難，盾構機姿態難以控制，刀具磨損非常嚴重，刀座和刀盤易變形，常常會出現噴涌、塌方、刀盤被牢牢卡住或刀盤嚴重磨損等意外情況。因此，為保證盾構機的順利掘進需探測出隧道沿線孤石的情況，對孤石的位置、分布范圍、邊界等進行勘查與評價。孤石探測巳成為一項重要的研究課題。現今多采用鉆探法對孤石區域進行探測勘查。

2、工程概況

2.1工程簡介

某工程兩個盾構區間、一座車站、一個出入段線明挖區間、一個中間風井和多個附屬工程，其中盾構區間左線隧道包含一段礦山法+盾構空推拼裝管片通過的隧道。

2.2地面環境及地下管線分布情況

本區域為丘陵地貌，沿線為剝蝕殘丘和丘間沖溝相間，因道路等工程建設，原地貌大多經過挖填。根據目前地貌及現場調查，本標段線路主要旁經四座山丘，山丘及附近地表遍布球狀風化核。

2.3工程地質與水文地質情況

本工程盾構區間隧道埋深15～24m。地層從上至下主要有填土層、砂層（主要為中粗砂）、花崗巖殘積土層、花崗巖全、強風化帶。隧道穿越的地層主要有<3-2>中粗砂層、<4N-2>粘土層、<5H-2>花崗巖殘積土層，局部穿越<6H>花崗巖全風化層。其中<5H-2>花崗巖殘積土在水平方向上分布廣泛，在垂直方向上分布嚴重不均。根據地區經驗，硬塑狀的花崗巖殘積土層、堅硬土狀的全風化花崗巖、半巖半土狀的強風化花崗巖中容易發育球狀風化孤石。而根據詳勘報告，本標段盾構隧道洞身范圍內揭露有孤石存在。

地下水按賦存方式分為第四系松散土層孔隙水，塊狀基巖裂隙水。本標段詳勘所揭露的地下水水位埋藏變化較大，穩定水位埋深為0.60～10.80m，平均埋深為3.63m。

3、孤石對盾構施工作業的影響以及處理原則

（1）孤石對于盾構掘進的影響。由于孤石一般位于砂層及殘積土層中，孤石難以固定，地層也不能產生足夠的破碎反力，在掘進過程中孤石就會隨著土體的破壞而移動或被刀具彈開，或者是在刀盤前面循環，擋在刀盤前面并損壞刀具。如果孤石處在盾構的外側，可能會擠壓盾構使其偏離方向，特別是如果盾構機的一側是孤石，另一側是軟弱土層，極易造成隧道軸線的偏斜。

（2）盾構掘進中孤石的處理方案。對于孤石的處理，應當首先選擇在地面處理的方式進行處理，地面處理條件不具備時再考慮洞內處理。對已探明基巖突起及孤石采用地面處理方案時，應該采用地面跟管鉆機及地質鉆機垂直打孔裝入炸藥爆破破碎隧道斷面范圍內的孤石，將孤石爆破破碎為塊徑小于30cm的塊體。

4、探測孤石的鉆探孔布置

（1）“孤石”出現可能性最大區域：采用三級加密的布孔方式，第一級布孔間距為7.5米；根據第一級鉆孔的實際情況判斷，因孔間出現“孤石”的機率很大，則在第一級布孔的每兩孔間增加一個鉆探孔，使臨近兩孔的孔距不超過5米；根據第一、第二級鉆孔的實際情況判斷，如孔間出現“孤石”的機率仍然很大，則將孔距增密到2.5米/個；在第二或第三級加密鉆孔前，如判斷孔間出現“孤石”的機率不大或盾構機足以應付風險，則終止加密鉆孔。

（2）“孤石”出現可能性很大的區域：采用兩級加密的布孔方式，第一級布孔間距為 10米；根據第一鉆孔的實際情況判斷，如孔間出現“孤石”的機率仍然很大，則將孔距增密到 5米/個；在第二級加密鉆孔前，如判斷孔間出現“孤石”的機率不大或盾構機足以應付風險，則終止加密鉆孔。另外，當補鉆孔加密到5米間距時判斷孔間出現“孤石”的可能性增大，并且盾構機掘進時難以承受此風險，可考慮將孔距縮小到2.5米。

（3）“孤石”出現可能性較大的區域：采用按 10米間距布孔，不考慮加密。當鉆孔過程中發現出現“孤石”的可能性增大，并且盾構機掘進時難以承受此風險，可考慮將孔距按10米→5米→2.5米的方式加密（如圖1所示）。

圖1

5、方法的探討與研究

地鐵工程中巖土勘探方法主要有：鉆探法、觸探法、掘探法、物探法。

（1）鉆探法主要是用各種鉆探工具鉆入地層中分層取樣進行鑒別、描述、測試的方法，這是目前常用的且使用最廣的鉆探方法。

（2）觸探法是間接勘探方法，是將探頭裝在鉆桿底部，通過打入或壓入地層中，由探頭所受阻力的大小來探測土層的工程特性。主要特點就是不用取樣。

（3）掘探法就是用人工挖掘探井、探槽或平硐，直接觀測土層情況與性質。

（4）物探法是通過探測和研究各種地球物理場（如電場、磁場、重力場等）的變化來判斷地質問題的一種勘察方法。

綜合以上各種工法認為觸探法主要是將探頭打入土層中，對于工程中的孤石勘探的目的不是很適用。掘探法相對其它工法所用時間較長、投入相對較高、施工范圍要求較廣，對于本工程勘探數量較大的情況下也不是很適用。單一物探方法形成的推論往往是多解的，不借助其他的資料、其他的方法、或者直接的驗證，物探的結論是不能明確判斷孤石存在的可能性的。而鉆探法施工方便、效率較高，是最直接且最實用的方法，特別對于勘探發現孤石群、孤石串的判斷上，更具有真實、準確、可靠的特點，所以本工程項目最終選擇鉆探法。

6、鉆探施工技術

6.1鉆探工藝流程

圖1鉆探工藝流程圖

6.2鉆探施工

6.2.1施工前準備工作

（1）選擇具備相關資質及實力的單位，投入足夠的人員和設備，保證施工工期。

（2）與市政、交警及有關部門辦理鉆探施工許可證、臨時占道證等相關事宜。

（3）測量人員按每5m一個點放出隧道中心線，以保證鉆孔定位。

（4）做好施工現場熒光警示標志。

（5）做好地下管線排查，做好施工過程保護，確保鉆孔不損壞所有地下管線。

（6）現場各類物資必須擺放整齊，保持現場文明、衛生、整潔

6.2.2鉆孔定位

鉆孔原則上按圖紙進行定位，孔位偏差不大于1m，。若受建構筑物、地下管線、交通及地形等條件影響無法施工，應及時通知相關部門商議調整。

6.2.3鉆孔操作

（1）做好泥漿圍擋措施，嚴禁直接排入市政管道。

（2）鉆孔垂直偏斜率小于1%，鉆孔深度必須按要求鉆至隧道底，鉆探過程中遇到孤石必須鉆穿孤石體。

（3）鉆探操作（含鉆具規格、回次進尺、巖芯采取率、編錄等項）、取樣操作必須執行《巖土工程勘察規范》第九章第一節、第二節、第四節。

（4）復雜地層與特殊條件下鉆探操作應執行《工程地質鉆探規程》第3.5條規定。

（5）仔細鑒定巖芯，巖土的描述按《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》第五章第五節要求進行。

（6）準確記錄鉆探進尺、不同巖性的分層厚度和采樣位置。

（7）初見水位和穩定水位測量：量測每個鉆孔的初見水位和穩定水位，包括水上鉆孔，多層含水層的水位，應采取止水措施分層測定，地下水為測量允許誤差為±20mm。

（8）注意觀察、記錄鉆孔中的異常氣味，如發現異常氣體，將使用氣體檢查儀器檢查其成份，并做好現場保護措施，保證人員安全。施工過程發現異常情況應及時匯報，以便采取適當措施解決問題，嚴禁盲目施工。

（9）鉆探施工過程安排專人跟蹤，以準確記錄地層情況，包括孤石大小、平面位置及深度，保證施工質量。

6.3 鉆機定位

在進行開鉆前應該準確地定位鉆機并把其逐級安裝在樁芯位置。將鉆機的設備安裝和檢查完畢能夠進行工作的狀態再開始鉆機的定位。鉆機定位的準確程度直接影響到全回旋鉆機的質量。

6.4 清理上層土體

在開鉆前應該對上層土體清理干凈，可以采用反復旋轉套管，用沖抓斗對套管內進行挖掘，這樣就可以很好清理上層土體，使得鉆進的工作更加的順利。

6.5 孤石砸碎及清理

在鉆進的過程中遇見孤石時，在前端的鉆頭上安裝更加堅硬的鉆頭一邊回旋切削，一邊用落錘砸碎，然后可以采用機械開挖的方式將碎石清理干凈。

6.6盾構機直接掘進

在地勘報告中硬度比較小的全風化花崗巖、強風化花崗巖或者較好的地質條件，我們在掘進的過程中遇見這樣的孤石，我們可以采用盾構機掘進的方式進行孤石的處理。

6.7地層加固注漿施工

為確保安全，在爆破處理后對隧道周邊松動圍巖采用注漿方式充填加固，以提高盾構在掘進時周邊圍巖密實度和自穩力。注漿方式一般選擇袖閥管注漿的方式，注漿漿液一般選用水泥-水玻璃雙液漿加固地層。注漿加固范圍主要是對加固深度從地面至隧道結構底板下1m，加固寬度隧道中線左右開挖輪廓線外各1m范圍全部進行注漿加固。

7、結語

在地鐵隧道施工作業過程中，極易遇到孤石等不良地質條件，導致盾構施工作業無法順利的推進。因此，在地鐵隧道施工作業過程中，應該做好孤石的探測分析，針對孤石的體積、風化程度等詳細參數，合理的確定破碎方案，確保盾構施工作業的順利，提高地鐵隧道盾構施工作業效率。

參考文獻：

[1] 竺維彬，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京：中國科學技術出版社，2006.

[2] 古力.盾構機破碎孤石條件及預處理方法[J].隧道建設，2006，26（S2）.

[3] 米晉生，鞠世鍵.盾構掘進處理孤石施工技術[A].上海國際隧道工程研討會文集[ C].2005.

[4] 管會生.盾構選型中大漂石的影響及處理[J].建筑機械化，2008，（4）.