第三节 盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术.doc

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100Mpa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刀破碎，在刀盘前滚动，严重损坏刀具和刀盘的现象。同时孤石通常存在于自稳能力不好的残积层，洞内基本上无条件直接进行处理，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、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，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+691（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m3，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。图4-56 右线盾构施工造成地面下沉（3）采用喷射砼注浆加固可以使掌子面稳定，但工期过长，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，项目部召开方案讨图4-57 右线里程YDK1+709（624环）球状风化体情况论会，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700mm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1m。图4-58 华农兽药厂孤石群区加密补充地质勘探示意图2005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23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4-64 压气换刀作业天五右线614750环204米孤石密集段累计压气换刀11次共换135把刀，图为工人在压气条件下更换滚刀。2004年1月13日,右线掘进通过能源所10楼后，529环首次遇到大量孤石,地面没有加固的场地条件。先后尝试刀盘前施作水泥墙，掌子面注浆加固。图为对掌子面进行喷浆封闭后注双液浆加固后进仓换刀。 图4-65 进入刀盘前实施人工破岩图2004年5月21日，624环遇到孤石损坏了很多刀具，尝试膨胀剂不理想后，尝试爆破。图为火工爆破用的硝酸氨炸药。图4-66 实施洞内火攻控制爆破对于在刀