盾构机遇孤石的常规处理方案与探测手段研究

赵宏庆

（徐工集团凯宫重工南京有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110051）

引言

近年来，随着国民经济的不断发展，城市轨道交通及高速功能建设等不断发展，对于盾构机的需求越来越大。盾构机作为一种快速化、机械化集成度高、施工速度快的设备，具有对周围环境影响较小、效率高等特点。通常情况下，盾构机的使用受到了一定的限制，尤其是盾构介质的影响。地层中的大型岩石、漂石、孤石等对设备的影响较大，为了提高设备的使用寿命，需要提升其刀盘的性能及盾构机遇孤石的常规处理能力[1]。

孤石的形成过程：花岗岩在风化过程中存在球状的风化核，俗称“孤石”。随着时间的推移，岩石会在风力的作用下慢慢风化，岩石的结构也出现不同的变化，根据风化程度的不同可以划分为全、强、中、微四类，风化形成的岩石质地坚硬，在长时间的风沙浸润下慢慢沉集到土壤中，其空间分布具有较大的随机性，探测的难度较大，因此长期以来孤石都是盾构机最为棘手的问题之一[2]。

1 孤石、基岩凸起对盾构机造成的影响

通常情况下，孤石分布在残积土层及砂岩层中，在盾构机掘进过程中可能会对设备造成较严重的影响，孤石位置分布较随机且并不固定，可能会随着泥土的挤压流动而移动，而且孤石一般呈现微风化体，质地坚硬不易被破碎。根据相关资料及盾构机使用经验总结的情况来看，孤石带来的不利影响如下：

1）刀盘刀具磨损严重，造成盾构机掘进效率严重降低。当盾构机的刀具接触到较硬的孤石时，容易产生卡刀、掉刀，严重时甚至可能造成盾构刀盘卡死，导致盾构机无法正常工作[3]。

2）盾构机工作姿态失去平衡。在正常工作情况下盾构机自身处于一个相对较平衡的状态，当遇到孤石时，盾构机姿态难以控制，盾构机会顺着基岩被挤压到较弱的一个方向移动，甚至掘进隧道出现较大的轴线偏差。

3）孤石影响盾构机的掘进速度。如果长时间在一块区域行走不动，则会对地面造成扰动，甚至造成局部岩石垮塌，进而导致地面沉降，尤其是在城市中，地面沉降容易造成较大的损害。

2 孤石预处理方案

为了进一步准确掌握孤石的分布情况，为孤石的处理方案提供有力参考，需要对岩石层进行补充勘察，对常规的孤石处理方案简要归纳与总结如下：

1）补充勘察：制定勘察方案与勘察对象，采用地质探测仪对孤石进行探测，发现孤石后再对该区域进行加密勘察，一般情况设置勘察宽度为8 m，勘查间距取0.5 m，按此策略可以较详细地掌握孤石的强度与分布密度。

2）预测与判断：在勘察过程中需要密切注意盾构机在掘进过程中有无异常情况及掘进参数的异常变化，尤其是盾构机的推力、推进速度、噪声情况、刀盘的转速、刀盘振动情况等关键参数，如果出现异常增加时，应停机对设备进行全面检查。

3）勤检查、勤更换刀具：很多潜在的危险源或故障都可以通过定时检查与排查察觉到异常情况，只有通过不间断的监测，才能确保设备的安全及防止刀盘产生较严重的变形。因此，对刀盘与刀具的检测与更新更应该成为一种例行的检查工作，确保设备的使用寿命及可靠性。

3 孤石处理方法

在盾构机掘进过程中遇到孤石时，需要寻求快速有效的解决办法，只有快速发现并对孤石进行处理，才能从根本上提高盾构机的工作效率。在对岩芯质量指标（RQD）值小于25%的含有孤石的底层进行分析，盾构机可以较好地对土层中不随盾构机刀盘转动的孤石进行破碎，盾构机可以采取直接破碎通过。对于RQD 值大于25%的区域，无法直接破碎通过，因此针对上述区域可采取预先处理的方式对孤石进行处理。根据孤石的大小，将孤石预处理方法分为如下几类[4]：

1）当岩土中存在的孤石直径较小时，可对孤石周围风化土层进行袖阀管地面或者洞内预加固处理，以为盾构机掘进创造有利条件。地面袖阀管注浆，如图1 所示。

图1 地面袖阀管注浆

2）洞内静态爆破，或者使用火药进行爆破，破除体积较大的孤石；爆破的种类繁多，可采用地面钻孔或者冲孔填火药对其进行爆破。

3）压气作业下人工破除孤石，对于体积较大的孤石，当钻孔深度达不到或者使用爆破技术都不能很好地对孤石进行破碎时，可使用气压分裂机对孤石进行破损分离。

现对目前使用较为频繁的方法，即袖阀管地面注浆施工方法的详细施工步骤作说明：

1）加固范围：注浆加固范围大致为隧道外侧1.5 m 宽、底部深1 m、顶部高位3 m 的立体空间，注浆孔的间距一般取2 m 左右，扩散半径按0.75 m 计算，根据实验现场实际情况可对施工作业参数进行调整。

2）注浆预留孔施工[5]：首先需要测量放样，并事先对构筑物及管线进行详细的调查，可根据实际情况进行调整，测量人员根据图纸要求进行放样。然后进行打孔，为减小地基的附加沉降，打孔的基本流程如图2 所示，一般包括定孔位、设计孔深、下袖阀管最后再注浆。

图2 预留孔施工流程

3）注浆施工：注浆施工主要注意先后顺序，一般先浇筑外围区域，再逐步浇筑中间区域，需要遵循同排间隔浇筑，相邻的两行要相互交错浇筑，浇筑材料为纯水泥浆；且浇筑压力应保持在0.35～0.65 MPa之间，水泥流量设置为13～27 L/min，浇筑的工艺流程如图3 所示。

图3 浇筑的工艺流程

4 孤石探测方法

对于孤石的探测也可分为很多种类型，最早的技术是基于物理探测法发展而来。现阶段主要采用电磁法及地震法，测量方法的适用环境各不相同，其测量特点各具特色。一般来讲，物理测量法必须具备两个先决条件，即要求被探测对象与周围环境介质存在一定的差异；其次具有可被探测到的足够大的规模。不同的探测方法具有不同的特性，物理探测法对环境要求较高，而且探测的精度也会受环境的影响；相对而言，电信号测量方法具有更好的可靠性，但该类方法使用也具有一定的局限性，就是操作较复杂，而且对探测条件要求较高。电磁测量法效率高，同时受地形影响较大，对施工环境要求较高；而地震法较为灵活，探测深度可控，但是容易受到外界的震动而产生较大的干扰。

对常用的电法及电磁法、地震法等作简要介绍：电磁法是通过发射天线向地面发射光谱或者电磁波谱，利用波的特性在遇到障碍物时会发生反射，经过数据处理，即可了解到地面介质情况；地震法，是以地下各种介质的弹性差异为基础，研究由人工锤击产生的地震波的传播规律，可以判断地下孤石的分布情况；电法，是通过对地下传导特性的差异，获得地层中的分布规律，但是该方法的探测精度较低，有时候存在较大的误差。

5 结论

盾构机是一种使用盾构法进行隧道掘进的掘进机，盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建其经过位置的隧道，它区别于敞开式施工方法，盾构机隧道施工效率较高，具有安全、可靠等特点。但是盾构机施工过程中不可避免地会遇到随机分布的孤石，孤石相较于周围的土质，具有较大的不确定性，因为石头的密度以及形状不一，对盾构机的刀盘刀具磨损造成严重影响。因此，盾构机遇孤石的常规处理方案与探测手段的研究具有重要意义。