盾构掘进孤石处理技术研究_张恒
浅谈盾构掘进的影响因素及处理技术
浅谈盾构掘进的影响因素及处理技术张成栋内容提要通过广深港铁路客运专线狮子洋隧道的施工,着重介绍了控制盾构机的主要部分,重点介绍盾构姿态控制,盾尾密封控制,管片拼装控制和泥水环流控制等方面。
并介绍在盾构掘进过程中，如何对影响掘进的各方面因素进行良好的控制，才能保证正常的盾构施工。
关键字泥水盾构盾构姿态管片拼装同步注浆1 概述1.1 工程概述广深港铁路客运专线狮子洋隧道采用气垫式泥水加压平衡盾构机进行左右线掘进。
隧道开挖直径为11.2M。
该工程是我国铁路第一条水下隧道和国内最长,水压力最高的水下隧道,采用盾构机两两相向施工,地中对接等各种先进技术。
工程规模大,设计标准高,涉及工法多,经济和技术意义重大。
1.2 机器概述泥水平衡盾构其主要特征是在盾构的前部刀盘后侧设置底部连通的隔板，它与刀盘之间形成土仓,与盾构机主体形成气仓。
将加压的泥水送入土仓，当土仓充满加压的泥水后，通过加压作用到气仓保持压力稳定以谋求开挖面的平衡稳定。
通过油缸行程控制,使机器向前运动。
通过泥水运输,清除仓里渣土。
再通过控制拼装机械,拼装管片。
完成隧道掘进工作。
2 对施工进度影响的因素及处理技术2.1 轴线控制及盾构纠偏2.1.1 对盾构轴线的控制盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技术。
在实际施工中，由于盾构机在掘进过程中受到开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致，因此，两者之间的差值直接影响隧道的顺利贯通和质量。
控制好盾构的推进轴线，才能保证管片拼装在位置的准确，才能使隧道竣工轴线误差控制在允许范围内。
对盾构轴线的控制就是通过测量系统随时掌握正在掘进中的盾构机的位置和姿态，并通过计算机将盾构机的位置和姿态与隧道的设计轴线相比较，找偏差数值和原因。
综合盾构推进的实际距离、盾构推进速率、油压值、纵坡、出土量、油缸行程差等信息，对数据进行及时的分析，通过对盾构机的22组油缸分成的4个区域的油压进行调整, 以控制盾构推进轴线偏离值不发生超过设计允许的轴线偏离范围。
盾构穿越孤石、漂石地层中密打孔施工技术
盾构穿越孤石、漂石地层中密打孔施工技术摘要：由于卵石混合土地层中存在的大孤石、漂石具有不连续性，大小不一等特点，所以对地质中存在的孤石、漂石的查找并处理是难点，采用传统的地面钻探查找，并使用地面爆破处理会导致施工周期长，成本高等特点；采用“地震散射探测法+验证”查明孤石、漂石，结合密打孔施工技术破碎方法处理，对卵石混合土地层中存在的大孤石、漂石查找及处理技术、方案的可行性进行了探讨。
关键词：盾构施工；孤石、漂石地层；密打孔破碎技术。
1工程和地质情况1.1工程概况中部引黄北川河段由原矿山法暗挖施工改为明挖法+盾构法施工，其中，盾构始发井采用明挖法施工，隧道采用盾构法施工；隧道起终点里程为K160+569.400～K161+674.300，长链1.619m，隧道长度1106.519m，最小平面曲线半径R=1000m，纵向为0.4‰单向坡。
1.2地质情况隧道覆土厚度约为20.3~38.7m，主要穿越地层为卵石混合土层、含泥卵石混合土层、含砾低液限黏土层；隧道拱顶主要位于含泥卵石混合土层，局部位于卵石混合土层、含砾低液限黏土层；底板主要位于含泥卵石混合土层，局部位于卵石混合土层、含砾低液限黏土层。
盾构隧道结构采用复合式衬砌，外层为钢筋混凝土预制平板型单层管片衬砌，外径6.0m，内径5.4m，厚度300mm，环宽1.5m。
2设备概况本工程投入的盾构机由小松(中国)投资有限公司生产。
盾构机采用铰接式复合平衡盾构机。
盾构机长度为73.78m，刀盘直径为6280mm，盾尾直径为6240mm，刀盘型式为辐条面板复合式，刀盘开口率为42%，刀盘驱动功率为600kw，刀盘转速为0-2.2rpm，刀盘驱动额定扭矩为6000kN.m，刀盘驱动最大扭矩为7200kN.m，推进总推力为37730kN，推进速度为0-85mm/min，螺旋输送机输土能力为300m3/h，最大排渣粒径为300*300mm。
3盾构施工掘进简介3.1盾构始发段简介本区间与2017年12月31日始发，由于单竖井始发条件限制，始发后施工进度慢，当盾构掘进自95环开始，开挖土体中出现大粒径漂石，导致螺旋机卡死，随着盾构机继续向前推进，大粒径漂石含量有增大趋势，螺旋机卡顿卡死情况频繁出现，刀盘卡死跳停的情况时有发生，卵石粒径50*36*32cm。
花岗岩地层地铁隧道盾构孤石探测及处置新方法
花岗岩地层地铁隧道盾构孤石探测及处置新方法宗成兵;田恒星【摘要】在花岗岩地层地铁隧道盾构掘进过程中,经常遇到“孤石”导致盾构刀盘卡住及损坏的情况,目前国内外尚未找到有效途径解决这个问题.提出采用“微动探测+加密地质补勘钻探+地面钻孔爆破”的全套地铁隧道盾构孤石预测及处置新方法,详细阐释了新方法的原理及实施步骤,并将其应用于具体工程实例.通过获取已揭露“孤石”的H/V曲线形态特征,来解译和判断盾构前方“孤石”的分布形态,根据解译成果对预测“孤石”位置进行加密地质补勘钻探,验证和修正解译结果的准确性,在探明盾构前方“孤石”分布位置及大小后,采取地面钻孔爆破或冲孔的方法最终破除孤石.工程应用结果表明,该方法取得了很好的效果,能够为微动探测理论的发展及孤石探测工程应用提供科学合理的指导.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)026【总页数】8页(P11-18)【关键词】花岗岩地层;地铁盾构隧道;孤石探测;微动探测【作者】宗成兵;田恒星【作者单位】化学工业岩土工程有限公司,南京210044;化学工业岩土工程有限公司,南京210044【正文语种】中文【中图分类】P631.4目前，我国各大城市为解决城市交通拥挤问题，都展开了地铁修建热潮。
而在地铁隧道盾构掘进的过程中，最怕也最容易在花岗岩地层中遇到“孤石”不良地质体，孤石之所以易于在花岗岩地层中形成，与其矿物组成有密切关系。
沿海地区广泛分布的燕山期花岗岩，其构造裂隙易发育，随着风化程度加剧，构造裂隙处花岗岩中富含的矿物成分长石、黑云母、角闪石发生全风化形成残积土，而矿物成分石英不易分化而形成球状残核，即形成“孤石”。
地铁隧道盾构正常掘进时，效率高、可控性好，但一旦遭遇孤石，就会造成盾构掘进困难、工期失控、施工成本增加。
因此，对孤石的处理是否得当，直接影响到盾构能否在花岗岩地层中顺利掘进［1—3］。
由于孤石不可被彻底探测，需经常停机对其进行专门处理，导致地层加固量大、气压作业多、掘进不连续;孤石强度大(可达200 MPa)，易于卡住盾构机;掉下来的孤石碎块，易于卡住或砸坏刀具;较大块孤石，易打坏刀盘，引起刀圈刀盘变形;刀具磨损快，换刀频繁;盾构掘进姿态不可控;掌子面易发生超挖，引发周边建(构)筑物沉降、管线受损。
盾构长距离穿越孤石群掘进技术
盾构长距离穿越孤石群掘进技术程建平【摘要】盾构掘进过程中遇到强度高、直径较大的孤石时,因其与周围地层地质差异大,造成盾构掘进困难,刀盘刀具磨损大,易引发地面塌陷等安全事故.广州地铁14号线支线知识城线盾构区间施工中,采取多种技术措施直接通过多个孤石群,降低了刀盘、刀具磨损量,区间掘进1 200m不换刀,安全、顺利、高质量地完成了盾构区间施工,为类似工程施工提供了参考依据.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】5页(P73-76,115)【关键词】长距离;穿越;孤石群【作者】程建平【作者单位】中铁十二局集团第四工程有限公司陕西西安710021【正文语种】中文【中图分类】U455.431 引言随着轨道交通建设的高速发展，盾构施工在区间隧道中的使用日益广泛，然而地质详勘资料往往不能全面真实的反映区间掘进范围内地质情况，给盾构施工带来了一定的风险和难度。
中铁十二局集团有限公司承建的广州地铁14号线支线知识城线盾构区间，在施工过程中多次穿越详勘未探明的孤石群。
“孤石［1］”是花岗岩地层在风化过程中发育出的未风化或者微风化的坚硬球状体，其主要存在于花岗岩残积土地层和花岗岩强～全风化地层中，孤石强度和周围地层差异大，在盾构掘进时会给盾构姿态调整、盾构刀盘磨损和盾构操作带来较大影响［2］。
施工中采取了调整盾构推进速度和刀盘转速、增加泡沫注入量、调整浆液配比和同步注浆量以及加大监测频率等综合措施，安全顺利的通过孤石群段。
2 工程概况广州地铁14号线知识城线4标知识城站～知识城南站盾构区间左、右线隧道长分别为2 361.778 m、2 354.5 m，在支YDK53＋778.2～支YDK53＋819.800设盾构始发井，盾构始发井净长度为40 m，盾构机由区间盾构井始发向南掘进1 100余米至知识城南站解体吊出后，运至区间盾构井再次始发向北掘进1 250余米至知识城站。
区间主要穿越残积砂质黏性土层、全风化花岗岩层、强风化花岗岩层，局部为中粗砂层、砾砂层、粉质黏土层、残积砂质黏性土层。
盾构法隧道球状风化孤石处理关键技术
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 。
浅谈特殊环境下的城市地铁盾构施工孤石预处理技术
浅谈特殊环境下的城市地铁盾构施工孤石预处理技术发表时间：2018-11-13T10:52:46.340Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第16期作者：王强[导读] 并结合深圳地铁五号线翻身站、民治站、灵芝站的盾构施工遇到的孤石，采取的孤石预处理方法。
中建八局轨道交通建设有限公司江苏南京 210000摘要：地铁隧道施工过程中，为了提高土方挖掘工作进度，往往采用盾构施工技术。
由于地铁隧道施工环境复杂，在施工过程中很容易遇到坚固的块状或者球状花岗岩，这些岩石大小不易，增加了盾构机施工的难度，很容易造成刀具的磨损，影响到地铁施工进度。
因此，必须对地铁盾构施工遇到的孤石进行处理。
本文分析了盾构施工法的优点，孤石对盾构施工法的影响，并结合深圳地铁五号线翻身站、民治站、灵芝站的盾构施工遇到的孤石，采取的孤石预处理方法。
关键词：城市地铁；盾构施工；孤石处理技术引言：孤石指在软化风化层的花岗岩球状风化体，这种球状风化在花岗岩层中比较常见，是由于花岗岩岩性不均匀、抗风化能力不同以及断裂地质构造发育造成的岩体破碎经过多年风化造成的现象。
花岗岩球状风化体我国珠三角一带的广州、深圳、珠海等沿海城市分布比较多，花岗球状风化体和大型卵石经过风化以后都可能成为孤石，由于孤石分布随机、大小不一、形状各异，给盾构施工带来巨大的障碍，很容易造成刀具的磨损、造成隧道地面不均匀沉降等问题，威胁到地铁施工安全。
因此，地铁施工过程中，必须对孤石进行有效的处理。
1.盾构施工法的优势盾构施工法暗挖施工中的一种全机械化施工方法，盾构机械在地下隧道施工时通过盾构外壳和管片支撑四周围岩，防止围岩因为挖掘出现隧道坍塌现象，并在隧道开挖前方用切削装置开挖土体，并挖掘的土体运输到隧道外。
为了防止隧道出现坍塌或者地面不均匀沉降现象，在施工的时候需要依靠千斤顶支撑，并在盾构机械设备上安装混凝土管片，后期注浆时管片自然掉落。
盾构机不仅是施工工具，而且还是临时支撑结果，它主要用来抵挡外向水压和地层压力，防止地下水压突然增加，地下水大量涌出造成隧道坍塌现象。
1、盾构掘进遇孤石建议处理方案
孤石段掘进、处理建议方案一、施工概况2021年10月9日掘进1431环时刀盘贯入度5～25r/min，波动较大，螺旋机出渣有较小石块排出，盾体有轻微抖动。
在掘进1436环行程推进至1200mm时螺机突然排不出渣，现场初步判断土仓内起拱，导致螺旋机出不了渣。
通过螺旋机伸缩正、反转，内卷等措施，依旧没能得到有效解决。
盾构掘进1436环渣土取样结合本段地勘资料，及渣样情况综合分析，故采取了常压开仓的方式清理土仓。
停机处地勘资料显示为全断面含砾残积粉质黏土，实际开挖掌子面地层左上角为中风化岩层、靠近刀盘中心位置有一中风化孤石，长*宽约2200*1650mm，其余断面为黏土夹杂石块，地勘报告与实际开挖地质明显不符。
区间纵断面地质图刀盘中心位置地层刀盘左上角地层刀盘右上角地层清理土仓底部取出部分孤石孤石强度值50～65MPa（现场实测）二、盾体翻转事故2021年9月2日盾构掘进至1402环时，正常掘进过程中刀盘瞬间卡停，导致刀盘扭矩骤增至2346KNm为盾体提供一个反向扭矩造成盾体旋转120°。
通过后期检修井开挖清理刀盘上部开口发现刀盘前方出现孤石，该孤石长80cm、宽68cm、高43cm且硬度极高。
地勘资料表明该段掘进地层上部为含砾残积粉质黏土、下部为全风化砾岩，地层描述含砾残积粉质黏土为硬塑状，局部有可塑状态，具网纹状结构；全风化砾岩岩石已风化为土状，岩芯不完整，呈碎屑状或土块状，砾石含量50%~70%，粒径最大达4cm，地勘中地层描述与实际地层中出现的孤石严重不符。
且整个区间地勘报告中未提到地层中可能出现孤石，该孤石是造成盾体顺时针旋转120°直接原因。
刀盘前方开挖出孤石孤石尺寸大小三、推进施工措施目前土仓已清理完成，螺旋机可以正常工作。
为确保工期需求，经项目领导开会协商，予以关仓推进，推进要求如下：1、推进前，刀盘先以0.2～1.2rmp/min空转2min，启动刀盘转速缓慢上升，指派专人观察盾体周边情况，转动过程中注入分散性泡沫剂改良渣土；2、采用气压辅助模式1/3仓掘进，掘进主要以控制贯入度为准，控制在10mm以内；3、推进过程中每环进行渣土取样分析，判断掌子面地质情况；根据岩石切削块状、以及大小，判断刀具磨损情况。
第三节盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术
第三节盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术花岗岩风化土中存在的球状风化核，俗称“孤石”，在广州地域是普遍存在的一种地质现象，尤其在广州地铁三号线天～华区间的施工中多次碰着。
花岗岩风化土中的球状风化核，其成因是岩浆中的石英富集部份不容易风化所致。
由于其埋藏散布及大小是随机的，很难通过地质钻探探明其散布情形。
孤石形状各异，大小从几十公分到几米，岩石单轴抗压强度能够达到100Mpa以上。
相关于孤石的强度，周边风化土层强度小很多。
盾构推动进程中，很容易显现孤石不能被滚刀破碎，在刀盘前转动，严峻损坏刀具和刀盘的现象。
同时孤石通常存在于自稳能力不行的残积层，洞内大体上无条件直接进行处置，因此盾构在存在孤石的花岗岩残积层中掘进，将面临极大的施工风险，严峻阻碍工程进度及本钱。
一、盾构通过花岗岩球状风化体存在的问题一、掘进超级困难并频繁卡刀盘；二、盾构机姿态难以操纵；3、刀具磨损超级严峻，刀圈崩断，刀座、刀盘变形4、改换刀具困难，花岗岩残积层不稳固，遇水膨胀崩解，泥化以致流淌，必需进行地面或洞内加固，加固后再进行气压换刀，耗用大量时刻。
五、掘进震动大，对爱惜地面建筑物不利。
二、破碎花岗岩球状风化体的方式一、盾构机直接破除孤石，盾构机直接破除孤石需要知足两个条件：（1）盾构提供足够的切削力破岩。
（2）在孤石被刀具破碎进程中，周边土体不能产生破坏，即孤石不能移动。
二、不能通过盾构机直接破除的孤石，可采取如下方式：（1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，然后再盾构机破岩或人工破岩。
（2）洞内静态爆破或火药爆破。
（3）地面钻孔爆破或冲孔破除孤石。
（4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采纳岩石割裂机等设备。
三、施工中应采取的针对性方法一、加密补充地质勘探，把握孤石散布情形。
二、施工进程中进行预测和判定是不是存在花岗岩球状风化体。
掘进进程中注意观看盾构机掘进的异样情形和掘进参数的异样转变（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），判定是不是碰上球状风化岩体。