上软下硬地层盾构区间孤石处理技术

上软下硬地层盾构区间孤石处理技术

梁晗

.天津市政工程设计研究总院有限公司

摘  要：当采用盾构法施工城市轨道交通隧道工程时，在上软下硬地层中盾构机掘进过程中，会遇到大大小小孤石。如果不对孤石进行处理，盾构掘进过程中刀盘和刀具会受到了不同程度的破坏，最终导致盾构无法按期穿越乃至盾构机被困。依托某新建轨道交通工程盾构段施工，介绍总结了常见的孤石处理方法，为以后类似地层盾构掘进遇到孤石后的处理提供了解决方案和参考案例。

关键词：   上软下硬   盾构   施工技术   孤石处理

1、引言

在上软下硬地层中盾构机掘进过程中，会遇到不同形状孤石。如果不对孤石进行处理，盾构掘进过程中刀盘和刀具会受到了不同程度的破坏，受孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要问题有：刀具磨损严重、刀座变形、更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线等。为确保盾构区间的盾构施工生产的顺利进行，确保工期，减少因孤石导致的盾构机故障率，对上软下硬地层盾构掘进区间孤石进行处理就十分必要。

2、孤石探测技术

为了进一步准确掌握孤石的分布情况，为孤石处理方案提供依据，必须对沿线补充勘察，进行详细了解。

采用地质探测仪对孤石进行探测，发现孤石后对该地段采用地质钻探进行加密补勘，探测宽度为7.0m，间距0.5米，详细掌握孤石的强度、大小及分布。采取针对性的预处理措施，降低后期施工风险。

3、常见孤石处理方法

根据孤石的大小、位置、形状、周边环境及施工风险等因素确定处理方法。当隧道上方地面具备条件时，应首先采用地面处理方式。当地面不具备条件时，采用洞内处理方式。

3.1地面加固洞内处理孤石

在确认孤石区域后，从地面对孤石周边一定范围的地层采用袖阀管进行加固，待浆液凝固后，浆液将孤石紧紧包裹住，为洞内人工破处提供条件，或者盾构掘进时，孤石受到刀盘正面的切削作用而破碎，不会被挤压至土体产生较大的扰动，盾构姿态也比较容易控制。

地面加固平面示意图

3.2盾构机直接掘进法

当工期较紧，没有时间对孤石进行辅助施工，同时孤石区段周围没有管线以及桩基建筑物等存在时，施工中对地层的变形影响要求较低，则可以不进行任何辅助工法，通过调整盾构掘进参数，直接通过。待盾构机刀盘接近孤石后，采用低贯入度，增加泡沫注入量，并以“小推力、低转速、低扭矩”为指导思想，使刀具对孤石的切削、冲击频率加大，靠刀盘的冲击破碎通过孤石区域。此方法适合处理较大型孤石，且孤石与刀盘的接触面较大。

掘进过程中注意观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化（例如速度突然变慢、推力、扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等），判断是否碰上孤石。

掘进过程中随时监测刀具和刀盘的受力状态，确保其不超载并观测刀盘是否受力不均，以防刀盘产生变形。

掘进过程中应遵循“勤检查、勤更换、主动应对”原则。加强掘进参数控制，增加开仓检查的频率，及时更换刀具等措施。在遇到孤石这种地层中施工，刀具（包括刀盘）的磨损和破损是很严重的，其主要原因是工作面的地质环境变化非常频繁。因此，对刀具和刀盘的检查和更换就更要成为一种例行工作。施工过程中注意收集相关资料，总结遇孤石次数与刀具更换次数的相互关系。

3.3钻孔爆破孤石法

地质勘探过程中遇到孤石时，查明孤石的产状、大小、形状并依此来制定爆破孔的数量、分布和装药量，利用小口径钻头从地面下钻，在孤石上钻出爆破眼，然后在小孔内安放适量的静爆炸药对孤石进行爆破，如下图所示。一次爆破完毕后，清除孔内岩块继续进行下一次静爆，进而达到分裂、瓦解孤石的目的。对于垂直高度特别大的巨石可以进行多次爆破直到钻孔穿过巨石。

爆破网络示意图

孤石爆破钻孔装药剖面示意图

为保持盾构机通过爆破处理孤石区域时土压的稳定，在爆破处理孤石完成后，需将盾构机即将通过的影响区域进行静压浆处理，本方案采用袖阀管桩或者双液注浆进行施工。考虑本工程所用盾构的出碴能力，经过螺旋输送机的石块尺寸不能超过 40cm，因此爆破后石块的单边长度应控制在 30cm 以下，以利于螺旋输送机顺利出碴。爆破后石块的大小通过调整爆破孔间距和用药量进行控制。

3.4冲孔桩破碎孤石法

冲击破碎法是指确定孤石的位置、大小和形状后，在地表采用十字冲击锤冲击破碎孤石的施工方法。根据孤石大小确定冲击钻机锤头大小、钻孔间距及数量，钻孔前首先探明有无地下管线或其他建( 构) 筑物，若钻孔位置地下有管线等市政管道，则需要将钻孔位置旁移一段距离，待钻孔后及时采用原土对钻孔分层回填夯实，并进行土体压密注浆，直至将整个孤石区域处理完毕。

3.5岩石分裂机破碎孤石法

在地质条件较差的地层中，需要先对地层进行加固，若地层条件较好，则可直接开仓，对掌子面孤石用岩石分裂机破碎。岩石分裂机是一种手工操作的设备，利用液压原理，可以控制性地分裂岩石。

4、小结

本章主要总结了在上软下硬地层盾构区间的孤石处理技术，总结了孤石超前探测技术和常见的孤石处理方法，主要有地面加固后洞内处理孤石、盾构机直接掘进、钻孔爆破孤石、冲孔桩破碎孤石和岩石分裂机破碎孤石等，并对上述各种方法的详细处理施工工艺进行了阐述，为以后类似地层遇到孤石后的处理提供了解决方案和参考。