盾构法隧道球状风化孤石处理关键技术

1、概论

根据深圳地铁⼯程地质情况调查, 深圳地铁1 号线多处通过花岗岩球状风化地层, 俗称“孤⽯”层, 花岗岩球岩单轴抗压强度在200MPa 以上。在深圳地区, 盾构多次穿越上软下硬的残积⼟复合地层。以深圳地铁⼀期⼯程为例，深圳⼀期⼯程包括东西1号线和4号线,全长21. 4 km ，其中约有19 km 分布燕⼭期花岗岩风化残积⼟。国内在如此复杂地层采⽤盾构法施⼯较少，在⼴州地铁⼀号线、三号线遇到过类似情况，在采⽤⼟压或泥⽔盾构施⼯时，遇到部分强度差异⼤的不稳定软硬不均地层，盾构法隧道球状风化孤⽯处理关键技术李⽟春 中铁⼗⼋局　３００２２２

均进度缓慢，且多次发⽣地层坍塌甚⾄楼房倒塌事故。盾构穿越“孤⽯”地层是盾构隧道施⼯的重点与难点。因此，仔细研究“孤⽯”形成成因及其处理关键技术对盾构法施⼯及其重要。2、“孤⽯”形成原因

花岗岩的主要矿物成分为⽯英、长⽯及少量的⿊云母、⾓闪⽯。花岗岩残积⼟中的长⽯、云母、⾓闪⽯已完全风化,唯有⽯英矿物残留成⽯英⾓砾。从残积⼟的颗粒组成来看,属于由细粒⼟和粗粒⼟混杂且缺乏中间颗粒的混合⼟,兼有砂⼟和粘性⼟的性质。从深圳地铁⼀期⼯程沿线花岗岩残积⼟的分布来看,砾质粘性⼟⼤约占了80%～85% ,砂质粘性⼟约占15% ,粘性⼟只占不到3%。

“孤⽯”属于花岗岩残积⼟的不均匀风化，包括囊状风化和球状风化。深圳地铁1期⼯程中“孤⽯”主要表现形式为球状风化,即残积⼟中存在球状中等风化、微风化岩体。球状风化的成因主要是由于岩⽯岩性不均匀、抗风化能⼒差异⼤,加之断裂构造发育及岩体的次⽣裂隙导致岩体破碎,抗风化能⼒减弱, 在深程度风化情况下所形成的。⼀般于地形平缓,风化带厚度较⼤的地区较发育。风化球⼀般见于残积⼟的下部。单个风化球的最⼤竖向尺⼨⼀般不超过风化带厚度的1/ 10 ,多呈⽔平椭球体。主要是以花岗岩、⽚⿇岩为主的混合岩地层；岩⽯单轴抗压强度80～150MPa,⽯英含量⾼和脆性⼤,局部硅化⾓砾岩单轴抗压强度达180MPa 。

球状风化的野外判定: (1) 风化球与风化带的风化等级呈突变; (2) 风化带的矿物成分中斜长⽯的含量⾼于钾长⽯含量, ⽽风化球中的钾长⽯和斜长⽯⽐例正常、裂隙不发育。3、⼯程难点与重点

盾构穿越该类地层的风险主要表现为盾构姿态控制困难, 开挖⾯稳定性控制难度⼤。盾构在该类地层中掘进, 常发⽣盾构偏离轴线、喷涌、开挖⾯失稳、结泥饼、⼑盘⼑具严重磨损、甚⾄在岩层中发⽣因边缘⼑具磨损严重⽽使“盾构被围岩卡住”等风险事件。4、施⼯措施

(1) 精⼼设计制作⼑盘,在保留原⼑盘对软岩、软⼟地层的适应性的基础上,着重提⾼⼑盘对硬岩的破岩能⼒和对软硬不均地层的适应性。根据实际的地质条件,在⼑具的选型及布置上着重增强其对地质的适应性。在掘进中加强对⼑具的管理,制定详细的⼑具管理计划以及⼑具监控检查和更新⽅法,严格按计划换⼑。

(2) 严格控制盾构机姿态。盾构机配备⼀套VMT ⾃动激光导向系统,主要由激光全站仪、电⼦激光靶、控制箱、计算机及其它配套硬件和软件组成。⽤于盾构掘进⽅向控制。⼀旦隧道线形发⽣偏差,须进⾏精度控制及纠偏,在盾构机纠偏过程中必须注意如下事项:

①在改变⼑盘转动⽅向时,切换速度不宜过快;

②根据掌⼦⾯地层情况及时调整掘进参数,避免引起更⼤的偏差;

③蛇⾏的修正应以长距离慢慢修正为原则,如修正得过急,蛇⾏反⽽更加明显。

(3) 调整盾构掘进施⼯参数和加强对盾构机状态控制。盾构由软⼟层进⼊全断⾯岩层时,推进状态即由⼟压平衡状态向半⼟压平衡状态过渡,设定的⼟压⼒值根据实际情况降低,调整同步注浆量和注浆压⼒、调整各区域油压差,改变千⽄顶的合⼒位置,放慢推进速度。

盾构由全断⾯岩⽯层进⼊软⼟层,推进状态由半⼟压状态向⼟压平衡状态过渡,这时,需根据⼟压平衡原理设定⼟压⼒值,以确保开挖⾯稳定。同时调整注浆量及注浆压⼒,提⾼盾构与隧道轴线的相对坡度,调整各区域油压差以改变千⽄顶合⼒位置,同时加快推进速度。(4) 及时换⼑

在软硬不均及硬岩地层施⼯时,⼀般中⼼双刃滚⼑磨损达到20 mm 、正滚⼑磨损达到17mm 、边滚⼑磨损达到15 mm 时,即进⾏⼑具的更换。

(5) 加强勘测与监测。勘测时应注重：

①软硬不均地段的硬岩分布位置和占开挖⾯积,软⼟的类别和相应参数；②硬岩侵⼊隧道的⾼度和⾛势；

③硬岩的风化状况、裂隙发育情况、强度和整体性；④是否有孤⽯或其它硬质夹杂体存在；

⑤软硬不均地段的上⽅覆⼟类别。根据地质剖⾯图及随时监控出⼟时⼟的性质确定转换界⾯,在不同转换界⾯位置设置监测点,随时监测⼟体位移及地⾯沉降,根据监测信息及时调整施⼯参数。

(6)螺旋输送机转速的选择: 在上软下硬地层中,⼟压的保持是⾮常重要的。由于软岩部分⾮常容易坍塌,⽽硬岩部分因硬度较⾼不易切削,为保护⼑具需要降低掘进速度,但此时的掘进速度对软岩部分的稳定⾮常不利。因此要保证掌⼦⾯的稳定性,需要保持较⾼的⼟压,要求螺旋输送机的出碴量⼩,转速⼀般保持在3～8r/min 之间。5、⼯程实例

深圳地铁⼀号线续线深⼤站-桃园区间全长1957.12m ，区间线路最⼤坡度为6.448‰，最⼩坡度为2‰，隧道穿越的地层以花岗岩残积层砾质粘性⼟为主。其间多处遇到“孤⽯”地层。盾构机⾃始发后，隧道范围内实际地质情况如下表所⽰：

处理孤⽯措施，可以总结为：

降⽔——>开仓前准备——>检查⼟仓情况——>开仓清理——>⼑具更换

开仓前⾸先对⼟仓进⾏检查。打开⼟仓的泄⽔孔看是否有⽔流出。如果有⽔流出则继续降⽔，直⾄泄⽔孔中⽆⽔流出为⽌。通过⼟仓壁上的球阀判断⼟仓内的浆液是否已完全凝固。如果⼟仓出内基本⽆⽔且⼟仓内的浆液已基本凝固，则可进⾏开仓清理⼯作。

在清仓过程中，⼀边凿除⼀边对⼑具进⾏拆除和更换，凿出⼀把，更换⼀把。对于难以安装的⼑具，先拆除，待⼟仓清理完成后转动⼑盘再进⾏更换。每更换⼀把⼑具要对周围的空隙进⾏纱布封堵。

施⼯过程中加强监测频率，24⼩时现场进⾏监测。如单⽇沉降⼤于10mm ，则

需要24⼩时监测。对每⽇的监测数据进⾏评估，及时判断换⼑施⼯是否安全，能否继续进⾏。6、结论

对盾构法施⼯⽽⾔,穿越软硬不均且含有“孤⽯”地层确实是盾构法施⼯的重⼤难题,并且施⼯风险也很⾼。精⼼策划、科学组织、规范施⼯、严格过程管理控制是克服施⼯难题、控制施⼯风险的保证。在施⼯时充分估计困难和风险、采取必要的辅助措施,并充分准备应急预案,做到有备⽆患是克服施⼯难题、控制施⼯风险的必要⼿段。排固结灌浆孔，第⼀排灌浆孔距上游坝⾯2.0m ，排距为2.5m ，孔距为2.5m ，孔深5.0m 。5、坝基帷幕灌浆

从钻探揭露的地层情况看，弱风化花岗岩裂隙较发育，经现场压⽔试验测定其单位吸⽔量⼤部分在2.52～4.27Lu 范围内，基本为弱透⽔层。根据《混凝⼟重⼒坝设计规范》SL319-2005的规定，坝⾼在50m 以下，帷幕的防渗标准和相对隔⽔层的透⽔率为5 Lu 。因三湾⽔库⼤坝采⽤弱风化岩做建基⾯，地基⼤部分地段不需要作防渗处理，但有两处局部透⽔性较强的部位需要进⾏处理：

1）右岸坝肩：正常蓄⽔位以下有全、强风化岩存在，并且在桩号0+545.36附近的弱风化层上部透⽔性较强，单位吸⽔量q=48.57Lu ，采⽤帷幕灌浆进⾏防渗处理，处理范围为桩号0+589.360（正常蓄⽔位与地下⽔位相交处）～0+516.360m ，帷幕灌浆最低底⾼程为9.7m ，最⼤深度为10.0m 。

2）桩号0+392.700～0+340.400m 段：弱风化层上部透⽔性较强，单位吸⽔量q=13.2Lu ，采⽤帷幕灌浆进⾏防渗处理，帷幕灌浆最低底⾼程为1.8m ，最⼤深度为6.0m 。

帷幕灌浆为单排布置，孔距为2.0m 。灌浆采⽤孔⼝封闭法，灌浆压⼒通过现场灌浆试验确定。6、岸坡坝段接触灌浆

1#、2#、3#坝段的开挖边坡均较陡，为提⾼坝体与岸坡接触⾯的抗渗能⼒，在这3个坝段与岸坡接触⾯的上下游侧各设置⼀道铜⽌⽔，同时对接触⾯进⾏接触灌浆。7、结语

在⼤型⽔利⼯程建设中，地基基础处理是⼀个重要环节，是关系到⽔库建设成功与否的关建。⾸先要查清坝址区的⼯程地质情况，再采⽤科学、合理的⽅法进⾏处理。当然，由于每个⼯程所处的地理位置不同，⼯程地质情况各异，所⽤的⽅法也不可能完全雷同。三湾⽔库是针对不同地质情况采⽤不同措施联合处理地基，它可为其他⽔利⼯程特别是混凝⼟⼤坝提供借鉴。