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摘 要: 孤石埋藏分布隨機、形狀大小各異，同時與周圍地層形成軟硬不均地層，地鐵盾構施工遇到孤石時，易造成刀具磨損嚴重、地層擾動加劇、掘進速度較慢等問題，增加掘進施工風險。結合深圳地鐵 10 號線 1011 － 4B 標坂貝區間盾構施工實例，分析孤石對盾構施工造成的危害，提出探測方式，且根據孤石位置地質條件及地面環境，制定處理方案，降低施工風險，同時對比分析各項處理措施間的優劣勢。
關鍵詞: 地鐵; 盾構; 孤石探測; 孤石處理
0 引言
巖石在風化應力的作用下，其結構、性質和成分比例已產生不同程度的變化，定名為風化巖。根據風化程度的不同劃分為全、強、中、微四類。已完全風化成土而未經搬運殘留在原地的定名為殘積土。殘積土、全風化里面的中風化、微風化定名為孤石。由于孤石的分布及大小是隨機的，很難通過地質鉆孔完全探明其分布情況，故給盾構施工造成了較大困難。孤石對盾構作業的影響主要表現在刀具易磨損、刀座變形、刀具更換頻繁且困難; 刀盤強度和剛度降低，從而引起刀盤受損和變形; 刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞，刀盤堵塞，盾構機負荷加大; 孤石無法破碎，致使盾構掘進受阻或偏離軸線; 掘進速度慢，對地層擾動大，出渣量不宜控制，對地面沉降影響較大。
1 工程概況
深圳地鐵 10 號線坂田北站( 原吉華站) —貝爾路站區間位于深圳市龍崗區，線路設計起點為坂田北站。左線起訖里程為DK15 + 177． 379 ～ DK15 + 822． 050，長度為 627． 492 m( 含短鏈17． 179 m ) ，右 線 起 訖 里 程 為 DK15 + 177． 379 ～ DK15 +822. 050，長度為 644． 671 m。坂貝區間隧道覆土深度為 12． 86 ～ 20． 18 m，結合地質勘察報告及補勘資料，車站間隧道范圍內地質條件主要是礫質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖; 盾構始發前，區間共計探明24 處孤石( 其中左線 15 處、右線 9 處) 。實際施工時，在民房下方遇到 8 處未探明孤石，孤石影響范圍約 300 m。
2 孤石探測方式
2. 1 地質鉆探
2. 1. 1 鉆探方式
根據地質勘察階段相應勘察報告，適當加密鉆探孔位，詳勘階 段 探 孔 間 距 10 ～ 15 m /孔，補 勘 階 段 加 密 探 孔 至5 m / 孔。當鉆探孔揭露該位置存在孤石時 ，以探孔為中心點畫半徑為3 m的圓，在隧道縱、橫方向位置增設 4 個探孔，逐步向內間距 1 m 縮小鉆探范圍，明確孤石大小及其與隧道間位置關系。
2. 1. 2 鉆探成果
經地質鉆探，坂貝區間共計探明隧道范圍內存在 18 處孤石( 左線 9 處、右線 9 處) ，直徑 1 ～ 5 m 不等，單處孤石影響范圍最大長度約為 25 m。
2. 1. 3 方法分析
優點: 該方法可以詳細、具體探測出孤石形狀、大小及其位置，探測結果較為精確; 且鉆探過程中取出的巖樣可以經過試驗檢測，明確其抗壓強度、完整性等重要參數，為盾構施工提供可靠依據。缺點: 受施工器械限制，當地面建筑物、地下管線分布密集時，無法進行探測。
2. 2 三維電阻率跨孔 CT 探測
由于坂貝區間地面存在大量民房，且建筑物分布較為密集，部分地段不具備鉆探條件，故采用此方式進一步探測孤石。
2. 2. 1 探測原理
分析孤石與圍巖介質的電阻率特征，全、強風化花崗巖殘積層由裂隙水充填，電阻率非常低，而孤石無節理裂隙發育，電阻率較高［1］。較大的電阻率差異為孤石的電阻率法勘探提供良好的物性基礎。以電阻率為 1 200 Ω•m 為分界線，大于該值的高阻體基本為典型孤石異常特征，并形成三維立體圖像，表明孤石形狀、大小及位置。
2. 2. 2 探測成果
通過三維電阻率跨孔 CT 探測方法，具體如圖 1 所示，坂貝區間共探明房屋下方孤石 3 處( 均在左線) 。
2. 2. 3 方法分析
優點: 探測房屋下方地質條件，彌補地質鉆探無法探測區域，且可以詳細探測出孤石形狀、大小及位置，為盾構施工提供可靠依據。缺點: 存在條件限制: 探孔距離超過 30 m 時，探測結果較為模糊。
2. 3 HSP 超前地質預報
2. 3. 1 應用原理
盾構掘進過程中，刀盤轉動過程中激發聲波，HSP 聲波探測是通過盾構掘進聲波在不同地層的反射頻帶的不同，收集反射數據，采用反射譜分析軟件和反射子波分析軟件進行數據分析，形成反射成果圖。
2. 3. 2 探測成果
坂貝區間在里程 ZDK15 + 669 ～ 666、ZDK15 + 634 ～ 631 存在較為明顯反射異常和阻抗差異，如圖 2 所示。初步分析認為上述里程段巖性發生明顯變化，圍巖強度有所增高。
2. 3. 3 方法分析
優點: 掘進過程中進行探測，提前判斷刀盤前方地質條件變化情況，為盾構施工提供依據。缺點: 無法準確辨識地層分類，且不能精確判斷孤石與區間隧道的位置關系。
3 孤石處理措施
綜合孤石分布范圍及地面環境條件考慮，針對不同地方的孤石主要采取的處理措施分為沖孔破碎處理、密集式鉆孔處理、液壓膨脹法預裂處理以及注漿加固后盾構切削掘進處理4 種方式。
3. 1 沖孔破碎處理
1) 首先確定孤石的位置、大小和形狀，調查并探明是否存在地下管線及構筑物。2) 根據孤石大小確定沖擊鉆機錘頭大小、鉆孔間距及數量。3) 沖孔破碎，利用錘頭自重沖擊力將孤石破碎并沖至隧道范圍外。4) 沖孔完成后，及時采用原土進行分層回填夯實，并進行土體壓密注漿，直至將整個孤石區域處理完畢。
3. 2 密集式鉆孔處理
1) 孔距確定。結合孤石大小及刀盤開口率，明確鉆孔間距，要求破碎后孤石直徑小于刀盤開口率。2) 鉆機定位。場地平整后，對孤石點位進行復測，校核無誤后，進行鉆機定位工作。3) 鉆進。鉆進過程中仔細觀察泥漿置換出的渣土是否含有細碎石塊以及鉆進速度判斷是否鉆至孤石所處位置; 確保鉆進深度超過孤石底部埋深。4) 注漿。注漿的目的一是為補償破碎孤石對原狀土體造成的擾動; 二是為加固孤石所處地段的土質，對破碎后的孤石形成一種束縛，從而使孤石受到刀盤正面切削作用而破碎，不會因孤石隨著刀盤轉動擠壓土體，造成地層較大的擾動; 三是防止盾構掘進過程中出現漏氣泄壓現象，造成噴涌等現象［2］。5) 封孔。注漿加固范圍隧道在注漿結束后，采用素混凝土或瀝青封閉孔口。
3. 3 液壓膨脹法預裂處理
根據巖石力學性質可知: 巖石抗壓強度高，但是抗拉強度較低，一般施加 30 ～ 40 MPa 的力就可以將其分裂，液壓膨脹設備壓力最高可達 120 MPa，如圖 3 所示，滿足施工要求。1) 在作業區域內打孔，以 0． 5 m × 0． 5 m 的密度進行排孔作業，在地面與巖石之間鉆出一條孔道。2) 當鉆頭接觸到巖石表面，套管保持固定，支護管外泥土，防止泥土坍塌，此時由鉆頭對巖石進行沖擊鉆孔，鉆進形成一個放置液壓膨脹管的孔道。3) 鉆孔過程中詳細記錄每個孔遇巖深度及巖石厚度，以便后續下放液壓膨脹管時控制下管深度，保證預裂效果。4) 鉆完孔以后，抽出鉆桿，再通過鏈條將液壓膨脹管順著套管放入巖石孔內，這個過程中，套管保證液壓膨脹管不受泥土砂石崩塌影響，順利到達巖石孔內。5) 啟動液壓膨脹設備，通過控制各個液壓膨脹管漲裂的順序和作用方向，使巖石內部受力，在其內部不同方向上形成網狀裂紋，將巖石漲裂。6) 檢測巖石破壞情況: 在設備運行后，隨著壓力不斷增大，當壓力值達到 30 ～ 40 MPa 時，巖石就會預裂，據此，當壓力值驟降時，證明巖石已經預裂。7) 預裂施工完成后，在鉆孔區域范圍內進行注漿加固，防止盾構切削時孤石隨刀盤轉動，同時具備封孔效果。
3. 4 注漿加固后盾構切削掘進
孤石直徑小但分布密集區域，需要對孤石周邊部分地層采用袖閥管進行加固，待漿液凝固后，漿液將小直徑孤石緊緊包裹住，待盾構掘進時，孤石受到刀盤正面的切削作用而破碎，不會被擠壓至土體產生較大的擾動，盾構姿態也比較容易控制［3］。盾構切削孤石掘進時，掘進參數以“低速度、低轉速、控扭矩、適推力、勤檢查、控出渣”的思路進行制定，控制巖石對刀具的損壞，使地表沉降可控。通過時，對刀具磨損量的評估非常重要，應勤檢查刀具，可通過兩方面進行判斷。1) 根據類似巖石對刀具的磨損量和刀具檢查情況，做好已經通過的掘進刀具磨損量的統計，量化總結，提前預判，根據掘進巖石的長度和刀具磨損量來制定開倉檢查刀具的頻率。2) 通過對掘進參數的異常變化來判斷刀具的受損情況，選擇開倉進行刀具的檢查。該檢查更換刀具時必須停止掘進及時更換，切忌存在僥幸心里，避免造成刀盤受損［4］。
3. 5 孤石處理措施對比分析
1) 沖孔破碎處理。優點: 孤石處理效果較好，將孤石對盾構掘進的影響完全消除。缺點: 施工時需要較大場地，且成本較高，耗時較長。適用范圍: 地面空曠、孤石直徑較大。2) 密集式鉆孔處理。優點: 施工方便，破壞孤石完整性，降低盾構切削難度; 施工時對原土地層擾動較小。缺點: 處理后仍有部分孤石在隧道范圍內，影響消除不徹底。適用范圍: 地面具備機械進場條件，孤石直徑稍大且分布密集。3) 液壓膨脹法預裂處理。優點: 施工方便，破壞孤石完整性，降低盾構切削難度; 施工耗時短，效率高，缺點: 該方法屬于靜態爆破，施工時對土層擾動較大，距地面建構筑物不宜過近。適用范圍: 地面空曠，孤石直徑稍大且分布密集。4) 注漿加固后盾構切削掘進處理。優點: 孤石被漿液包裹后，與地層凝結成整體，盾構掘進時不會隨刀盤轉動或前進，施工方便，耗時短。缺點: 盾構掘進速度較慢，對刀具磨損較大。適用范圍: 孤石直徑較小且分布較為密集。
4 結語
坂貝區間左、右線累計掘進通過 302． 5 m 孤石地層，盾構機、刀盤刀具選擇巖能力強的類型。盾構始發前，盡最大可能探明孤石分布的位置、形狀及大小，結合地面環境條件針對性制定孤石處理措施并嚴格落實技術方案。坂貝區間盾構在孤石段掘進施工過程中控制地面沉降最大值為 － 5． 3 mm，房屋沉降最大值為 － 5． 5 mm。根據孤石形成的原理及其分布規律，盾構區間前期地質勘察時，發現隧道范圍內存在花崗巖全風化或者強風化地層時，需要將其作為一個重大風險予以對待，并從盾構選型、刀盤刀具類型、弧石處理方法等選擇最優方案。
作者：高鵬 單位：中電建南方建設投資有限公司