淺談盾構穿越孤石掘進控制技術

徐新波

（中鐵十八局集團第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 工程概況

育秀東路站～呂厝站區間隧道長度1227m，區間隧道覆土厚度9.9～19.18m，平面最小曲線半徑3000m，最大縱坡7.58‰，采用盾構法施工。區間沿主干道湖濱北路地下敷設，左右兩側有大的建筑物，其中砂礫狀強風化花崗巖、全風化花崗巖、殘積砂質黏性土穿越地層。本區間范圍孤石發育，經勘探左線存在孤石42處、右線59 處，單軸抗壓強度為65-85MPa。

2 孤石分布規律及施工中的針對性措施

2.1 孤石的成因

孤石的形成原因主要包括：①因為人工回填導致在回填土層中存在大的孤石，如：拋石擠淤，軟基處理等，該類孤石勘探難度較大，很難找到其分布規律。②因為巖石具有不同的抗風化能力，巖性也不均勻，加上巖體次生裂隙及斷鏈構造發育等會使巖體出現破碎，降低了其抗風化的能力，在風化嚴重的情況下形成孤石。如果花崗巖中存在交叉的節理時，巖石會被節理分割成棱角形狀，

尤其在3 組節理交叉的棱角部位風化比較集中，且速度較快，棱角經過一段時間的風化后逐步變成圓化。并且隨著不斷地產生風化作用，巖塊會逐漸趨于變圓，最終形成花崗巖的球狀孤石。

2.2 分布規律

盡管球狀的花崗巖風化體具有空間不規則分布、埋藏較深、離散性較大等分布特征，但是也存在其相應的規律：①主要在強風化和全風化帶分布；②在垂直的風華剖面存在“上小下大、上多下少”的特征，即在不斷的增加高程的情況下，風化球狀體也更加密集，體積卻在逐漸變小；③孤石的大小和風化程度呈反比例關系，數量和風化程度呈正相關，即隨著風化的增強孤石在逐漸變小，數量卻在不斷的增加，該特征恰好吻合第2 點；④全風化帶中也可能有較大的孤石存在，而且直徑較小的孤石還可能存在于強風化帶中，說明局部地質條件和巖性條件等也會影響到球狀風化體的大小。

2.3 盾構掘進時遇孤石的處理措施

盾構掘進遇到孤石對其進行處理時需綜合考慮其位置、形狀、大小、周邊環境等因素。如果隧道上方的地面可以挖孔和沖孔，應優先選擇地面處理方法；如果地面條件不允許挖孔、沖孔，再考慮洞內進行處理。常見的孤石處理方法詳見表1：

表1 孤石處理常見方法

3 盾構穿越孤石的風險

因為孤石的大小和分布沒有規律可循，較難通過地質鉆孔對其分布情況進一步明確，因此增加了盾構施工的難度。

球狀風化發育位置不具備明顯規律，其強度、硬度與周圍巖體存在巨大差異。孤石對盾構施工的影響主要表現在：①刀具磨損嚴重、刀座變形嚴重；②無法破碎的孤石，阻礙了盾構的掘進或使其與軸線偏離；③相對較慢的掘進速度較大的擾動了地層，出渣量控制較難，影響到地面的沉降問題。

4 盾構穿越孤石采取的措施

（1）在掘進過程中通過觀察盾構機掘進的異常情況及掘進參數的異常變化（掘進振動大，推力、扭矩突然增大，盾構機有異響等），來判斷是否遇到孤石。

（2）對從螺旋輸送機出來的渣土取樣，看其是否含有中風化（或微風化）巖石碎塊來判斷是否遇到孤石。

（3）盾構機到達孤石群前提前選擇地點進行檢查、更換刀具。

（4）因孤石本身強度大，周圍巖體軟弱，刀具的磨損和破壞很快；盾構機掘進通過孤石群，勤檢查、勤更換刀具。

（5）盾構機直接破巖通過孤石群掘進參數易采用適當推力（13000～18000kN）、低轉速（0.8～1.0rpm/min）掘進，嚴格控制每環出渣量。

（6）盾構掘進通過孤石群，掘進速度慢（5～10mm/min），孤石對周圍地層擾動大，造成地層缺失，同步注漿量盡可能多注，并及時進行補充二次注漿。

（7）地層較為穩定時，可采取加壓開倉人工機械破巖、巖石預裂的方法。

（8）在工作面極其不穩定時，可在倉隔板上或盾殼頂部進行注漿孔的預留，加固掌子面后再開倉進行相應的處理。

（9）合理的統計已經通過的孤石群掘進刀具的磨損情況，通過對其進行量化總結，通過提前判斷其性能，使刀具得到及時更換。

5 盾構穿越孤石掘進參數控制

5.1 掘進模式

以土壓平衡模式代替原氣壓模式，使土倉內充滿渣土并和掌子面地層水土得到壓力平衡，使孤石與掌子面風化巖地層或砂層的受力差減小。

5.2 刀盤轉速

盡量把刀盤轉速減小，控制其為0.8～1.0rpm/min 為宜，使周邊地層受持續轉動的刀盤的擾動減小，避免周邊土體因多次旋轉磨孤石的刀盤而造成超挖。

5.3 刀盤扭矩

組合不同的復雜地層刀盤扭矩有不同的控制值范圍，對于風化的花崗巖地層（含孤石）應控制刀盤扭矩不超過2500KNM，通過刀盤轉速和掘進速度的降低，使孤石和刀盤間的沖擊力、盾構掘進和刀具磨損時擾動地層的情況減少。

5.4 掘進速度

按照孤石對隧道斷面侵入的大小對掘進的速度進行合理控制，并保證速度和轉速較低的穩步推進，對掘進貫人度嚴格控制，防止掘進速度較快的變化而增加刀盤和孤石的摩擦碰撞力度，進而較大程度的磨損到刀盤和刀具。在刀盤剛碰觸到孤石時應控制其速度為10～15mm/min，刀盤切入孤石后應控制其速度為5～10mm/min。

5.5 推力

通過推進速度來有效地控制總推力，對刀盤范圍內孤石的方位進行判斷后，對各組油缸的分組壓力進行有效調整，避免受軟硬不均的地層影響而導致盾構機姿態偏移向相對軟的一側。

5.6 恢復正常段掘進

每次盾構機通過孤石，掘進參數都會發生相應的變化，如果參數逐步正常恢復，需繼續對各項參數控制，使其掘進5～8m，如果沒有發生明顯的變化才能逐步恢復至正常掘進的參數，避免近距離存在類似風化程度的孤石。

6 施工情況及結果評價

本區間按照上述孤石處理方法和孤石段掘進參數控制，很好地完成了左右線盾構掘進。在孤石繁多的情況下，整條隧道掘進過程中只左線開倉更換了一次刀具、右線未開倉換刀。盾構貫通后，盾構機刀盤情況良好，未出現刀盤、刀箱損壞的現象。

該段區間掘進后業主和監理對其施工均給予了肯定和贊揚，產生了較大的工期和經濟效益，為今后類似工程施工提供了一些可借鑒的經驗。

7 結語

本文針對廈門地鐵2 號線育秀東路站～呂厝站區間孤石段掘進技術進行了研究、分析與實踐，詳細闡述了盾構掘進孤石段參數的控制和注意事項。對孤石的成因做了簡單概述，對孤石段掘進的風險進行了闡述，結合本區間左右線成功穿越孤石段地層施工經驗進行分析總結。本次盾構直接掘進孤石段地層參數控制技術的成功運用，為今后盾構穿越孤石段地層及類似施工積累了經驗。