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盾构施工中对地下孤石的探测及处理

1 工程概况
福州市地铁1号线07标盾构施工共包含2个区间：上藤站—三叉街站区间，长约899m；达道站—上藤站区间，长约1700m。2个区间盾构线路中均遇到了孤石。
上藤站—三叉街站区间地质以残积土层和风化岩层为主，盾构沿线地层中先后发现7处孤石，均不同程度地位于隧道范围内。经检测，孤石强度范围为68.4～133.2MPa。
达道站—上藤站区间含过江段，该区间地质以淤泥质土、砂层、残积土、风化岩层为主。盾构沿线地层中先后发现孤石7处，均不同程度地位于隧道范围内。经检测，孤石无侧限抗压强度最大为217MPa。
2 孤石成因及分布规律
2.1 孤石的成因
从土壤的形成机理可知，地层中孤石的存在主要可分3种：
1）人为回填造成。
2）洪积土层中因山洪搬运而来的孤石。
3）岩石在风化营力的作用下，经完全风化成土而未经搬运的为残积土，岩石中除石英等耐蚀矿物外均风化成次生矿物，原岩结构形态均保存，原矿物位置排列不变，并具有微弱的黏结力，块体可用手捏碎，岩体一般风化较均一，为全风化岩，而夹杂在残积土和全风化岩里面的中风化岩和微风化岩则称为孤石。
2.2 孤石分布规律
从孤石的成因可知，除去人为回填因素，残积土中可能存在未经完全风化且未经搬运的岩石残留物，而洪积土中则存在经山洪搬运而来的孤石，故盾构在此类土层中施工时，需提前制订应对措施。
3 孤石探测技术
鉴于孤石对盾构施工的危害性，因此有必要提前对隧道沿线孤石进行探测。在国内孤石探测案例中，基本是利用物探的方法施测。
在地勘资料的基础上，排除人为回填造成孤石的因素，对隧道沿线的地质情况进行分析，判断可能含有孤石的地层范围（全风化岩和残积土层，洪积土层），经设备仪器探测分析，找出疑似孤石区域，并通过取芯验证确定孤石的存在。以福州地铁1号线07标孤石探测（地震波跨孔扫描）实例为背景，对孤石探测方法进行介绍。
地震波跨孔扫描方法是根据纵波在不同介质中传播速度不同，来划分被探测孤石的分布位置及范围，从而层析成像。
3.1 方法原理
地震波跨孔扫描探测是一种地下物探方法，在井下进行地震波的激发和接收（图1），通过对观测到的弹性波各种震相的运动学（走时、射线路径）和动力学（波形、振幅、相位、频率）资料的分析，进而反演地下介质的结构、速度分布及其弹性参数等重要信息，该方法通常可用于探测规模小、要求精度高的地下介质细结构。
在进行资料处理时，根据射线的稀疏程度及成像精度，将被测区域划分成若干规则的成像单元（图2），这时可认为每个成像单元的地质介质是均匀的，波速是单一的，再应用适当的反演算法即可精确地获得异常体的展布形态。

3.2 图像生成
通过原始数据合并、建立坐标、坏点剔除、初至时间拾取、层析反演成像及图像软件处理等，最终生成跨孔层析成像剖面图，依据跨孔扫描成果揭示钻孔间波速值差异，以波速2000m/s为岩性突变标志线，波速越大反映岩土体密度越高。根据波速的变化推断地下孤石位置及分布范围。
在地勘报告的基础上，对地层进行分析，达道站—上藤站区间某处地层中存在残积土层（残积砂质黏土和全风化层交界地层），并针对此区域利用地震波跨孔扫描（图3）。

ZK1—ZK2—ZK5—ZK6剖面由北向南，位于隧道轴线上，剖面长度41 m；ZK3—ZK4剖面由西往东，与ZK1—ZK2—ZK5—ZK6剖面X2位置相交，剖面长度14m；ZK7—ZK8剖面由西往东，与ZK1—ZK2—ZK5—ZK6剖面在X8位置相交，剖面长度13m。
3.3 结果验证
根据扫描结果进行地质钻机钻孔验证，两者验证结果基本一致。
4 孤石处理技术
根据已探明的孤石的范围、位置及周边环境等因素确定处理方法。当隧道上方地面具备条件时，应优先采用地面处理方式；反之，则采用洞内处理方式。
4.1 地面处理
本工程中，采用地面处理的方式主要分为2种：
1）第1种是将地层中的孤石全部取出，为盾构推进清除障碍物，采用的清障设备有全回转钻机、旋挖钻机等。该方法主要考验的是设备钻头的破岩能力；上藤站—三叉街站区间共计5次采取全回旋钻机进行清障，挖出孤石体积超过30m³，经取芯检测，其最大无侧限抗压强度为133.2MPa。该区间采用旋挖钻机清障1次，挖出孤石体积约2m³，孤石抗压强度为68.4MPa。
2）第2种是将孤石破碎，盾构掘进时碎石可从刀盘开口处进入土舱内经螺旋输送机处排出，破碎孤石的方法主要有地质钻机破碎、控制爆破等。采用该方法处理孤石时，需注意将孤石的大小粒径进行控制（根据螺旋机输送石块的最大能力考虑，一般控制在30cm以内），以便于螺旋机能顺利排出碎石。上藤站—三叉街站区间采用地质钻机破碎孤石1次，效果良好。达道站—上藤站区间采用控制爆破孤石区（孤石最大强度为217MPa）1次，效果良好，盾构机最终顺利通过了经爆破后的孤石区。
4.2 洞内处理
洞内处理的方式主要为在常压或气压条件下，人员进舱将盾构刀头更换为具备破岩能力的滚刀后，盾构机通过参数控制直接通过孤石区。一般来说，在盾构始发时，如发现该区间地质存在孤石或有疑似孤石地层时，则应提前配备全盘滚刀进行施工。
本工程中盾构施工所采用的盾构机刀具配置如下（图4）：
1）周边12把刀具，其中滚刀11把，仿形刀1把。
2）中心4把双刃滚刀，径向21把单刃滚刀，共计25把。
3）径向与外侧刮刀共计56把。
4）边刮刀共计8把。
当刀具更换完成后，盾构通过孤石区域时，应遵循“小推力、高转速、低贯入、低扭矩”的原则对参数进行控制。

针对孤石处理问题，上藤站—三叉街站区间分别实施了1次常压进舱换刀和1次气压进舱换刀施工，之后盾构机顺利通过了孤石区域。
4.3 地面与洞内同时处理
在盾构前方先进行孤石清障，再在刀盘前方利用全回转钻机套筒进行φ1.5m孔径砂浆咬合桩加固（M10水泥砂浆，加固范围应包裹盾构机），同时为阻止盾构后方来水，提前对盾构周边进行高压旋喷桩加固（图5），待加固体达到龄期后，盾构切入水泥砂浆体之中（盾构机刀盘全部进入加固体中），在一切准备工作就绪后实施人员常压进舱更换刀具。

在地面加固处理后实施人员常压进舱更换全盘刀具，之后盾构机利用滚刀破岩能力直接通过孤石区域。该方法综合了地面处理和洞内处理2种方法，在上藤站—三叉街站区间共应用了1次，效果良好。
4.4 孤石处理方法比较分析
通过本工程中的应用效果来看，上述孤石处理的方法各有其优缺点，可归纳为地面处理和洞内处理2大类。
在选用全回转钻机地面处理时，目的是将盾构通过范围内的孤石全部清除，但孤石强度越高，清障的效率越低，花费的成本也就越高。
在选用地质钻孔的方法进行处理时，即使用地质钻孔将孤石钻成蜂窝状，再经盾构机掘进将破碎的孤石通过螺旋机输送机排出。
在选用爆破的方法进行处理时，需在地面进行钻孔装药，通过控制爆破将孤石的大小进行瓦解、破碎，控制孤石的粒径、大小，最终仍需通过盾构机掘进将其从螺旋机排出。
在选用常压或气压进舱换刀方法进行处理时，即依靠盾构机刀具的破岩能力通过孤石区域，盾构机掘进孤石区域时需遵循“小推力、高转速、低扭矩”的原则进行施工。
在选用不同的方法进行孤石处理时，其工期、成本、施工风险及对周边环境的影响也不尽相同，根据本工程的研究，其结果如表1所示。

5 结语
鉴于孤石对盾构施工的影响，孤石探测最好在地质勘探期间完成，以避免盾构施工期间突发性遭遇孤石，从而造成设备损坏、工期延长、经济损失等负面影响。在本工程中应用的各种孤石处理方法均具有其优缺点，在方法选取时应权衡各类因素具体确定。
在本工程中，我们尝试了多种孤石探测和处理方法，在参建各方的共同努力下，最终克服孤石的难题，顺利完成了盾构区间施工。

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