盾構機遇孤石的常規(guī)處理方案與探測手段研究

趙宏慶

（徐工集團凱宮重工南京有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110051）

引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市軌道交通及高速功能建設等不斷發(fā)展，對于盾構機的需求越來越大。盾構機作為一種快速化、機械化集成度高、施工速度快的設備，具有對周圍環(huán)境影響較小、效率高等特點。通常情況下，盾構機的使用受到了一定的限制，尤其是盾構介質的影響。地層中的大型巖石、漂石、孤石等對設備的影響較大，為了提高設備的使用壽命，需要提升其刀盤的性能及盾構機遇孤石的常規(guī)處理能力[1]。

孤石的形成過程：花崗巖在風化過程中存在球狀的風化核，俗稱“孤石”。隨著時間的推移，巖石會在風力的作用下慢慢風化，巖石的結構也出現(xiàn)不同的變化，根據(jù)風化程度的不同可以劃分為全、強、中、微四類，風化形成的巖石質地堅硬，在長時間的風沙浸潤下慢慢沉集到土壤中，其空間分布具有較大的隨機性，探測的難度較大，因此長期以來孤石都是盾構機最為棘手的問題之一[2]。

1 孤石、基巖凸起對盾構機造成的影響

通常情況下，孤石分布在殘積土層及砂巖層中，在盾構機掘進過程中可能會對設備造成較嚴重的影響，孤石位置分布較隨機且并不固定，可能會隨著泥土的擠壓流動而移動，而且孤石一般呈現(xiàn)微風化體，質地堅硬不易被破碎。根據(jù)相關資料及盾構機使用經(jīng)驗總結的情況來看，孤石帶來的不利影響如下：

1）刀盤刀具磨損嚴重，造成盾構機掘進效率嚴重降低。當盾構機的刀具接觸到較硬的孤石時，容易產(chǎn)生卡刀、掉刀，嚴重時甚至可能造成盾構刀盤卡死，導致盾構機無法正常工作[3]。

2）盾構機工作姿態(tài)失去平衡。在正常工作情況下盾構機自身處于一個相對較平衡的狀態(tài)，當遇到孤石時，盾構機姿態(tài)難以控制，盾構機會順著基巖被擠壓到較弱的一個方向移動，甚至掘進隧道出現(xiàn)較大的軸線偏差。

3）孤石影響盾構機的掘進速度。如果長時間在一塊區(qū)域行走不動，則會對地面造成擾動，甚至造成局部巖石垮塌，進而導致地面沉降，尤其是在城市中，地面沉降容易造成較大的損害。

2 孤石預處理方案

為了進一步準確掌握孤石的分布情況，為孤石的處理方案提供有力參考，需要對巖石層進行補充勘察，對常規(guī)的孤石處理方案簡要歸納與總結如下：

1）補充勘察：制定勘察方案與勘察對象，采用地質探測儀對孤石進行探測，發(fā)現(xiàn)孤石后再對該區(qū)域進行加密勘察，一般情況設置勘察寬度為8 m，勘查間距取0.5 m，按此策略可以較詳細地掌握孤石的強度與分布密度。

2）預測與判斷：在勘察過程中需要密切注意盾構機在掘進過程中有無異常情況及掘進參數(shù)的異常變化，尤其是盾構機的推力、推進速度、噪聲情況、刀盤的轉速、刀盤振動情況等關鍵參數(shù)，如果出現(xiàn)異常增加時，應停機對設備進行全面檢查。

3）勤檢查、勤更換刀具：很多潛在的危險源或故障都可以通過定時檢查與排查察覺到異常情況，只有通過不間斷的監(jiān)測，才能確保設備的安全及防止刀盤產(chǎn)生較嚴重的變形。因此，對刀盤與刀具的檢測與更新更應該成為一種例行的檢查工作，確保設備的使用壽命及可靠性。

3 孤石處理方法

在盾構機掘進過程中遇到孤石時，需要尋求快速有效的解決辦法，只有快速發(fā)現(xiàn)并對孤石進行處理，才能從根本上提高盾構機的工作效率。在對巖芯質量指標（RQD）值小于25%的含有孤石的底層進行分析，盾構機可以較好地對土層中不隨盾構機刀盤轉動的孤石進行破碎，盾構機可以采取直接破碎通過。對于RQD 值大于25%的區(qū)域，無法直接破碎通過，因此針對上述區(qū)域可采取預先處理的方式對孤石進行處理。根據(jù)孤石的大小，將孤石預處理方法分為如下幾類[4]：

1）當巖土中存在的孤石直徑較小時，可對孤石周圍風化土層進行袖閥管地面或者洞內預加固處理，以為盾構機掘進創(chuàng)造有利條件。地面袖閥管注漿，如圖1 所示。

圖1 地面袖閥管注漿

2）洞內靜態(tài)爆破，或者使用火藥進行爆破，破除體積較大的孤石；爆破的種類繁多，可采用地面鉆孔或者沖孔填火藥對其進行爆破。

3）壓氣作業(yè)下人工破除孤石，對于體積較大的孤石，當鉆孔深度達不到或者使用爆破技術都不能很好地對孤石進行破碎時，可使用氣壓分裂機對孤石進行破損分離。

現(xiàn)對目前使用較為頻繁的方法，即袖閥管地面注漿施工方法的詳細施工步驟作說明：

1）加固范圍：注漿加固范圍大致為隧道外側1.5 m 寬、底部深1 m、頂部高位3 m 的立體空間，注漿孔的間距一般取2 m 左右，擴散半徑按0.75 m 計算，根據(jù)實驗現(xiàn)場實際情況可對施工作業(yè)參數(shù)進行調整。

2）注漿預留孔施工[5]：首先需要測量放樣，并事先對構筑物及管線進行詳細的調查，可根據(jù)實際情況進行調整，測量人員根據(jù)圖紙要求進行放樣。然后進行打孔，為減小地基的附加沉降，打孔的基本流程如圖2 所示，一般包括定孔位、設計孔深、下袖閥管最后再注漿。

圖2 預留孔施工流程

3）注漿施工：注漿施工主要注意先后順序，一般先澆筑外圍區(qū)域，再逐步澆筑中間區(qū)域，需要遵循同排間隔澆筑，相鄰的兩行要相互交錯澆筑，澆筑材料為純水泥漿；且澆筑壓力應保持在0.35～0.65 MPa之間，水泥流量設置為13～27 L/min，澆筑的工藝流程如圖3 所示。

圖3 澆筑的工藝流程

4 孤石探測方法

對于孤石的探測也可分為很多種類型，最早的技術是基于物理探測法發(fā)展而來。現(xiàn)階段主要采用電磁法及地震法，測量方法的適用環(huán)境各不相同，其測量特點各具特色。一般來講，物理測量法必須具備兩個先決條件，即要求被探測對象與周圍環(huán)境介質存在一定的差異；其次具有可被探測到的足夠大的規(guī)模。不同的探測方法具有不同的特性，物理探測法對環(huán)境要求較高，而且探測的精度也會受環(huán)境的影響；相對而言，電信號測量方法具有更好的可靠性，但該類方法使用也具有一定的局限性，就是操作較復雜，而且對探測條件要求較高。電磁測量法效率高，同時受地形影響較大，對施工環(huán)境要求較高；而地震法較為靈活，探測深度可控，但是容易受到外界的震動而產(chǎn)生較大的干擾。

對常用的電法及電磁法、地震法等作簡要介紹：電磁法是通過發(fā)射天線向地面發(fā)射光譜或者電磁波譜，利用波的特性在遇到障礙物時會發(fā)生反射，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，即可了解到地面介質情況；地震法，是以地下各種介質的彈性差異為基礎，研究由人工錘擊產(chǎn)生的地震波的傳播規(guī)律，可以判斷地下孤石的分布情況；電法，是通過對地下傳導特性的差異，獲得地層中的分布規(guī)律，但是該方法的探測精度較低，有時候存在較大的誤差。

5 結論

盾構機是一種使用盾構法進行隧道掘進的掘進機，盾構的施工法是掘進機在掘進的同時構建其經(jīng)過位置的隧道，它區(qū)別于敞開式施工方法，盾構機隧道施工效率較高，具有安全、可靠等特點。但是盾構機施工過程中不可避免地會遇到隨機分布的孤石，孤石相較于周圍的土質，具有較大的不確定性，因為石頭的密度以及形狀不一，對盾構機的刀盤刀具磨損造成嚴重影響。因此，盾構機遇孤石的常規(guī)處理方案與探測手段的研究具有重要意義。