浅谈盾构穿越孤石掘进控制技术

徐新波

（中铁十八局集团第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 工程概况

育秀东路站～吕厝站区间隧道长度1227m，区间隧道覆土厚度9.9～19.18m，平面最小曲线半径3000m，最大纵坡7.58‰，采用盾构法施工。区间沿主干道湖滨北路地下敷设，左右两侧有大的建筑物，其中砂砾状强风化花岗岩、全风化花岗岩、残积砂质黏性土穿越地层。本区间范围孤石发育，经勘探左线存在孤石42处、右线59 处，单轴抗压强度为65-85MPa。

2 孤石分布规律及施工中的针对性措施

2.1 孤石的成因

孤石的形成原因主要包括：①因为人工回填导致在回填土层中存在大的孤石，如：抛石挤淤，软基处理等，该类孤石勘探难度较大，很难找到其分布规律。②因为岩石具有不同的抗风化能力，岩性也不均匀，加上岩体次生裂隙及断链构造发育等会使岩体出现破碎，降低了其抗风化的能力，在风化严重的情况下形成孤石。如果花岗岩中存在交叉的节理时，岩石会被节理分割成棱角形状，

尤其在3 组节理交叉的棱角部位风化比较集中，且速度较快，棱角经过一段时间的风化后逐步变成圆化。并且随着不断地产生风化作用，岩块会逐渐趋于变圆，最终形成花岗岩的球状孤石。

2.2 分布规律

尽管球状的花岗岩风化体具有空间不规则分布、埋藏较深、离散性较大等分布特征，但是也存在其相应的规律：①主要在强风化和全风化带分布；②在垂直的风华剖面存在“上小下大、上多下少”的特征，即在不断的增加高程的情况下，风化球状体也更加密集，体积却在逐渐变小；③孤石的大小和风化程度呈反比例关系，数量和风化程度呈正相关，即随着风化的增强孤石在逐渐变小，数量却在不断的增加，该特征恰好吻合第2 点；④全风化带中也可能有较大的孤石存在，而且直径较小的孤石还可能存在于强风化带中，说明局部地质条件和岩性条件等也会影响到球状风化体的大小。

2.3 盾构掘进时遇孤石的处理措施

盾构掘进遇到孤石对其进行处理时需综合考虑其位置、形状、大小、周边环境等因素。如果隧道上方的地面可以挖孔和冲孔，应优先选择地面处理方法；如果地面条件不允许挖孔、冲孔，再考虑洞内进行处理。常见的孤石处理方法详见表1：

表1 孤石处理常见方法

3 盾构穿越孤石的风险

因为孤石的大小和分布没有规律可循，较难通过地质钻孔对其分布情况进一步明确，因此增加了盾构施工的难度。

球状风化发育位置不具备明显规律，其强度、硬度与周围岩体存在巨大差异。孤石对盾构施工的影响主要表现在：①刀具磨损严重、刀座变形严重；②无法破碎的孤石，阻碍了盾构的掘进或使其与轴线偏离；③相对较慢的掘进速度较大的扰动了地层，出渣量控制较难，影响到地面的沉降问题。

4 盾构穿越孤石采取的措施

（1）在掘进过程中通过观察盾构机掘进的异常情况及掘进参数的异常变化（掘进振动大，推力、扭矩突然增大，盾构机有异响等），来判断是否遇到孤石。

（2）对从螺旋输送机出来的渣土取样，看其是否含有中风化（或微风化）岩石碎块来判断是否遇到孤石。

（3）盾构机到达孤石群前提前选择地点进行检查、更换刀具。

（4）因孤石本身强度大，周围岩体软弱，刀具的磨损和破坏很快；盾构机掘进通过孤石群，勤检查、勤更换刀具。

（5）盾构机直接破岩通过孤石群掘进参数易采用适当推力（13000～18000kN）、低转速（0.8～1.0rpm/min）掘进，严格控制每环出渣量。

（6）盾构掘进通过孤石群，掘进速度慢（5～10mm/min），孤石对周围地层扰动大，造成地层缺失，同步注浆量尽可能多注，并及时进行补充二次注浆。

（7）地层较为稳定时，可采取加压开仓人工机械破岩、岩石预裂的方法。

（8）在工作面极其不稳定时，可在仓隔板上或盾壳顶部进行注浆孔的预留，加固掌子面后再开仓进行相应的处理。

（9）合理的统计已经通过的孤石群掘进刀具的磨损情况，通过对其进行量化总结，通过提前判断其性能，使刀具得到及时更换。

5 盾构穿越孤石掘进参数控制

5.1 掘进模式

以土压平衡模式代替原气压模式，使土仓内充满渣土并和掌子面地层水土得到压力平衡，使孤石与掌子面风化岩地层或砂层的受力差减小。

5.2 刀盘转速

尽量把刀盘转速减小，控制其为0.8～1.0rpm/min 为宜，使周边地层受持续转动的刀盘的扰动减小，避免周边土体因多次旋转磨孤石的刀盘而造成超挖。

5.3 刀盘扭矩

组合不同的复杂地层刀盘扭矩有不同的控制值范围，对于风化的花岗岩地层（含孤石）应控制刀盘扭矩不超过2500KNM，通过刀盘转速和掘进速度的降低，使孤石和刀盘间的冲击力、盾构掘进和刀具磨损时扰动地层的情况减少。

5.4 掘进速度

按照孤石对隧道断面侵入的大小对掘进的速度进行合理控制，并保证速度和转速较低的稳步推进，对掘进贯人度严格控制，防止掘进速度较快的变化而增加刀盘和孤石的摩擦碰撞力度，进而较大程度的磨损到刀盘和刀具。在刀盘刚碰触到孤石时应控制其速度为10～15mm/min，刀盘切入孤石后应控制其速度为5～10mm/min。

5.5 推力

通过推进速度来有效地控制总推力，对刀盘范围内孤石的方位进行判断后，对各组油缸的分组压力进行有效调整，避免受软硬不均的地层影响而导致盾构机姿态偏移向相对软的一侧。

5.6 恢复正常段掘进

每次盾构机通过孤石，掘进参数都会发生相应的变化，如果参数逐步正常恢复，需继续对各项参数控制，使其掘进5～8m，如果没有发生明显的变化才能逐步恢复至正常掘进的参数，避免近距离存在类似风化程度的孤石。

6 施工情况及结果评价

本区间按照上述孤石处理方法和孤石段掘进参数控制，很好地完成了左右线盾构掘进。在孤石繁多的情况下，整条隧道掘进过程中只左线开仓更换了一次刀具、右线未开仓换刀。盾构贯通后，盾构机刀盘情况良好，未出现刀盘、刀箱损坏的现象。

该段区间掘进后业主和监理对其施工均给予了肯定和赞扬，产生了较大的工期和经济效益，为今后类似工程施工提供了一些可借鉴的经验。

7 结语

本文针对厦门地铁2 号线育秀东路站～吕厝站区间孤石段掘进技术进行了研究、分析与实践，详细阐述了盾构掘进孤石段参数的控制和注意事项。对孤石的成因做了简单概述，对孤石段掘进的风险进行了阐述，结合本区间左右线成功穿越孤石段地层施工经验进行分析总结。本次盾构直接掘进孤石段地层参数控制技术的成功运用，为今后盾构穿越孤石段地层及类似施工积累了经验。