盾构通过花岗岩球状风化体掘进技术

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1、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” ，在广州地区是普遍存在 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到。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分不容易风化所致。 由于 其埋藏分布及大小是随机的， 很难通过地质钻探探明其分布情况。 孤石形状各异， 大小从几十公分到几米，岩石单轴抗压强度可以达到 lOOMpa以上。相对于孤石 的强度，周边风化土层强度小很多。 盾构推进过程中， 很容易出现孤石不能被滚同时孤石通常存在于自稳因此盾构在存在孤石的花刀破碎， 在刀盘前滚动， 严重损坏刀具和刀盘的现象 能力不好的残积层，

2、 洞内基本上无条件直接进行处理， 岗岩残积层中掘进，将面临极大的施工风险，严重影响工程进度及成本一、盾构通过花岗岩球状风化体存在的问题1 、掘进非常困难并频繁卡刀盘；2、盾构机姿态难以控制；3、刀具磨损非常严重，刀圈崩断，刀座、刀盘变形4、更换刀具困难，花岗岩残积层不稳定，遇水膨胀崩解，泥化以致流淌， 必须进行地面或洞内加固，加固后再进行气压换刀，耗用大量时间。5、掘进震动大，对保护地面建筑物不利。二、破碎花岗岩球状风化体的方法1 、盾构机直接破除孤石，盾构机直接破除孤石需要满足两个条件：（1）盾构提供足够的切削力破岩。（2）在孤石被刀具破碎过程中， 周边土体不能产生破坏， 即孤石不能移动2、

3、不能通过盾构机直接破除的孤石，可采取如下方法：（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，破除时可采用岩石分裂机等设备。三、施工中应采取的针对性措施1 、加密补充地质勘探，掌握孤石分布情况。2、施工过程中进行预测和判断是否存在花岗岩球状风化体。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 否碰上球状风化岩体。有经验的操作手据此可初步判断刀盘前孤石情况。掘进过程中随时监测

4、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。3、勤检查、勤更换刀具在花岗岩球状风化体群这种地层中施工， 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。4、不能通过盾构机直接破除的孤石，应采取适当的方法进行破除。四、盾构通过花岗岩球状风化体的经验教训总结1、在地质勘探方面， 对于花岗岩风化地层， 目前采用的 30-50m 一个地质孔 的钻探难以满足要求， 应加密钻探， 对于有孤石存在的地段， 钻探孔的间距应该 更加小，更有针对性。2、根据地层情况，合理选择盾构机

5、，盾构机的掘进能力、刀盘刀具的布置 以及滚刀的数量、 强度应满足本区间盾构掘进的要求， 目前三号线有孤石存在的 区间选用的海瑞克盾构机，滚刀的间距偏大，边缘滚刀的数量偏少，同时，滚刀 的强度不够，在掘进过程中，滚刀破坏严重，造成掘进缓慢，换刀频繁。3、盾构机在孤石地层掘进时，应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力， 刀盘的贯入量以及刀盘的转速， 做到平稳掘进，减少对地层的扰动。 当掘进速度、 刀盘的扭矩、盾构机推力有异样状况时，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，应停机分析原因。4、在花岗岩球状风化孤石地层施工时，刀具（包括刀盘）的磨损和破损速 度很快，对刀具和

6、刀盘的检查和更换应成为一种例行工作， 掘进过程中应做到勤 检查勤换刀，以防止刀具的破坏引起刀座的变形和刀盘破坏。5、刀具检查应全面，刀具更换应彻底，在掘进过程中，未更换破损的刀不 能破除岩石，会形成岩脊，对周边的刀具产生侧压，加速周边刀具的破坏。6、在花岗岩球状风化孤石地层，由于周边地层为花岗岩全风化和残积土， 遇水易软化崩解泥化， 刀具更换最安全的方法是进行地层加固， 但加固换刀时间 长成本高。因此，压气作业的广泛应用解决了这一问题，压气作业时，首先应试 压，确保掌子面能保住压力才能进行带压工作。7、对于孤石的处理，除采用盾构机直接破除孤石外，还可根据掌子面稳定 情况，孤石周边临空面情况采取

7、适当的方法破除。8、对于在孤石地层掘进，盾构机刀具最主要的破坏形式有刀圈崩断，刀圈 偏磨，刀座、刀盘变形等，应通过控制掘进速度、刀盘扭矩、贯入度、刀盘转速 等措施减少刀圈崩断、刀圈偏磨，通过控制推力来减少刀座、刀盘变形。9、在孤石地层掘进时，应注意控制土仓的温度，土仓温度过高，可能会加 速刀具的破坏。工程实例、天五区间盾构机过球状风化体天五区间右线自2004年2月7日掘进至614环开始进入孤石群，2004年 9月底脱离困境，历时 8个月，孤石区长度 348米，先后进行气压法换刀 15次， 更换各类刀具 251 把，工程为此付出了巨大代价， 盾构穿越花岗岩球状风化体是 一个世界性难题， 目前在国

8、际上尚未有重大技术突破。 由于对花岗岩球状风化体 认识不深， 在右线第一次遇到球状风化体时竟束手无策， 盾构机一停就是三个多 月。以下是天五区间盾构机穿越花岗岩球状风化体区段的施工过程。图 4-53 刀盘前方的孤石图 4-54 刀盘上拆下的滚刀图 4-55 土仓捞出的刀具（一）天五区间右线第一段孤石长15m盾构掘进历时107天，更换滚刀51 把2004年 2月 7日至 2004年 6月 8日，天五右线盾构机从支 YDK1+691 支 YDK1+706（环号614624） 15m距离盾构机掘进历时107天，更换滚刀51把，2004年 2月 19日，天五区间右线盾构机掘进到支 YDK1+69（1

9、距上次开 舱换刀 85 环），掘进期间遇花岗岩球状风化孤石， 刀具损坏严重， 开始第二次压 气作业换刀工作，至 2004年 3月 11 日完成换刀，共计更换滚刀 24把。2004年 3月 12日恢复掘进。由于盾构机在孤石区掘进过长，造成刀具严重损坏，有些刀座已变形，需 要动火方可拆除， 压气作业条件下无法动火， 所以有些刀具没进行更换， 造成了 以后的换刀困难。2004年3月15日，天五区间右线盾构机掘进到支 YDK1+706里程处（距 离上次换刀距离 10 环），推进过程困难并频繁卡刀盘， 3 月 16 日，进行第三次 压气检查刀具作业， 发现掌子面下方有孤石， 第二次压气作业换刀时更换的滚

10、刀 已严重磨损， 有很多刀具在压气作业下无法更换， 为保护刀盘并顺利通过该孤石 群地段，决定尝试盾构机后退洞内注浆加固、 喷射砼注浆加固方法， 以便开仓进 行刀具的全盘更换。 期间曾采用静态爆破、 火工爆破对孤石进行清除。 本次停机 历时85天，累计注浆200多m,共换滚刀27把，由于掌子面不稳定，所有的刮 刀齿刀均没更换。到 2004年6 月 9日下午恢复掘进。经验教训总结： （1）由于上次有些损坏的刀没更换，造成新更换的刀具很快被破坏，压气 条件下无法更换。（ 2）本次盾构机后退洞内注浆加固效果依然是周边无法加固，刀盘转动后 加固体全被损坏。（ 3）采用喷射砼注浆加固可以使掌子面稳定，但工

11、期过长，且滚刀位置无 法加固， 在换滚刀时会从刀座处涌泥， 增加换刀困难， 且刀盘旋转后注浆加固体 被破坏， 需重新喷砼注浆加固。（ 4）静态爆破清除孤石不理想，但可在压气条件下进行，采用火工爆破清 除孤石不可行， 但需开仓进行， 且对掌子面挠动破坏较大， 在掌子面不稳定条件 下实施存在很大的危险性。（5）盾构在孤石地层中掘进，较小的孤石会随着刀盘的转动而转动，并与 盾构机一起向前移动， 这些转动前移的孤石会持续对刀具产生严重破坏， 引起崩 刀，在遇到此类孤石时，最好采用人工清除后再掘进。盾构在孤石群中掘进缓慢， 再加上上面有转动前移的孤石， 使盾构机刀盘对 土体的挠动加大， 在土压力控制不好

12、的情况下， 会增加出土量， 引起地面过大沉 降，甚至塌方。 2004年5月 14日，即盾构掘进到此处 2个月后，地面出现了直 径6 米的大坑。见图 4-56。（二）天五区间左线盾构过华农兽药厂孤石群历时 73 天，更换滚刀 40 把2005年3月17日，天五区间左线盾构隧道掘进到 ZDK2+381.86时遇到花岗岩球状风化孤石。停机后进行压气换刀，但地面漏气，无法进行换刀。采用洞 内注浆加固后，累计换刀 10 把，其中 26 号刀更换两次。由于地面漏气过大，需 更换的刀具无法全部更换。 后尝试采用地面钻孔爆破的方法对孤石进行爆破， 先 采用钻孔探清岩石，共钻7孔，其中在刀盘前端0.7m处的三个

13、孔钻到孤石，见 图4-57。后对有孤石的三个孔实施了爆破，爆破后， 4月 8日恢复掘进，但掘进 速度仍很慢，并频卡刀盘，掘了一环后停机，压气检查发现外围 29 号刀以外的 刀均损坏，由于地面漏气不能保压，无法进行更换。 4 月 10 日，在盾构机前方 钻孔继续探明孤石情况，共钻 10个，其中 5 个探到孤石，孤石分布如图 4-58。 经研究决定采用直径 2.5m的冲孔桩对孤石进行清除，如图 4-71。冲孔桩施工 完成后，4月17日试恢复掘进到支ZDK2+381.86仍出现掘进缓慢且频卡刀盘。 4月18日，项目部召开方案讨论会，经讨论认为：a.由于对孤石形状、大小均不清楚，采用爆破进行清除效果不

14、理想， 且爆破冲击力对刀盘的影响也无法估计； b. 采用冲孔桩清除孤石， 无法做到完全清除干净， 使得盾构机在刀具损坏的情况 下仍无法通过没清除的少量孤石； c. 目前地面已具备加固的条件， 应采取地面加 固后换刀方案，考虑到需从洞内清除孤石， 加固应以能开仓常压换刀的目标进行。 经讨论，拟采用地面三重管高压旋喷加固方法。共设七排 700mn旋喷桩，排距500mm刀盘前面一排及顶上一排桩间距 500mm其它桩间距600mm旋喷范围为： 隧道上部5m到底部1m2005年 5月 13日完成加固后，于 2005年5月 20日压气试开仓，结果仍出 现地面漏气现场， 无法进仓， 后于 2005年5月 2

15、3日开仓常压条件下开仓换刀成 功，共换刀 27 把，于 2005 年 5 月 30 日恢复掘进。在判断遇到孤石后，立即进行了压气检查和刀具更换，但是由于地层原因， 刀具更换无法全面完成。 由于钻孔探测无法准确探明孤石性质和位置， 因此爆破 和冲孔桩清除孤石效果不佳。 可见该处孤石范围大， 强度高， 清除困难是这次换 刀困难的主要原因。后采用旋喷桩进行地面加固， 准备换刀后盾构机进行强行通过。 旋喷桩加固完成后 7 天进行试压气换刀，压气控制在 1.5bar ，结果地面大面积漏气，气压 仅能控制在 0.9bar 以内，从这情况看，旋喷桩并没有将这地层很好的封闭，原 因可能是土体内存在树根木块所致， 因为在冲孔桩施工时捞出很多树根木块。 但 根据旋喷施工记录，每米水泥用量均达400kg以上，用量较大，所以只要土体内 水泥强度能上来， 加固体达到稳定效果后， 即使有水也不会产生塌方。 于是在加 固完成 10天后，进行开仓检查，发现加固效果良好，掌子面土体稳定，使得换 刀成功，并顺利通过该段孤石区。图 4-59 华农的孤石图 4-60 刀具在孤石上留下的痕迹图 4-61 出土取出的孤石图 4-62 尝试用冲孔桩机冲击孤石图 4-63 土仓内换刀前掌子面注双液浆加固图