第三節(jié) 盾構(gòu)通過(guò)花崗巖球狀風(fēng)化體的掘進(jìn)技術(shù).doc

第三節(jié) 盾構(gòu)通過(guò)花崗巖球狀風(fēng)化體的掘進(jìn)技術(shù)花崗巖風(fēng)化土中存在的球狀風(fēng)化核，俗稱(chēng)“孤石”，在廣州地區(qū)是普遍存在的一種地質(zhì)現(xiàn)象，尤其在廣州地鐵三號(hào)線天華區(qū)間的施工中多次碰到?；◢弾r風(fēng)化土中的球狀風(fēng)化核，其成因是巖漿中的石英富集部分不容易風(fēng)化所致。由于其埋藏分布及大小是隨機(jī)的，很難通過(guò)地質(zhì)鉆探探明其分布情況。孤石形狀各異，大小從幾十公分到幾米，巖石單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到100Mpa以上。相對(duì)于孤石的強(qiáng)度，周邊風(fēng)化土層強(qiáng)度小很多。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，很容易出現(xiàn)孤石不能被滾刀破碎，在刀盤(pán)前滾動(dòng)，嚴(yán)重?fù)p壞刀具和刀盤(pán)的現(xiàn)象。同時(shí)孤石通常存在于自穩(wěn)能力不好的殘積層，洞內(nèi)基本上無(wú)條件直接進(jìn)行處理，因此盾構(gòu)在存在孤石的花崗巖殘積層中掘進(jìn)，將面臨極大的施工風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度及成本。一、盾構(gòu)通過(guò)花崗巖球狀風(fēng)化體存在的問(wèn)題1、掘進(jìn)非常困難并頻繁卡刀盤(pán)；2、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制；3、刀具磨損非常嚴(yán)重，刀圈崩斷，刀座、刀盤(pán)變形4、更換刀具困難，花崗巖殘積層不穩(wěn)定，遇水膨脹崩解，泥化以致流淌，必須進(jìn)行地面或洞內(nèi)加固，加固后再進(jìn)行氣壓換刀，耗用大量時(shí)間。5、掘進(jìn)震動(dòng)大，對(duì)保護(hù)地面建筑物不利。二、破碎花崗巖球狀風(fēng)化體的方法1、盾構(gòu)機(jī)直接破除孤石，盾構(gòu)機(jī)直接破除孤石需要滿足兩個(gè)條件：（1）盾構(gòu)提供足夠的切削力破巖。（2）在孤石被刀具破碎過(guò)程中，周邊土體不能產(chǎn)生破壞，即孤石不能移動(dòng)。2、不能通過(guò)盾構(gòu)機(jī)直接破除的孤石，可采取如下方法：（1）對(duì)孤石周邊風(fēng)化土層進(jìn)行地面或洞內(nèi)預(yù)加固，然后再盾構(gòu)機(jī)破巖或人工破巖。（2）洞內(nèi)靜態(tài)爆破或火藥爆破。（3）地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石。（4）壓氣作業(yè)條件下人工破除孤石，破除時(shí)可采用巖石分裂機(jī)等設(shè)備。三、施工中應(yīng)采取的針對(duì)性措施1、加密補(bǔ)充地質(zhì)勘探，掌握孤石分布情況。2、施工過(guò)程中進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷是否存在花崗巖球狀風(fēng)化體。掘進(jìn)過(guò)程中注意觀察盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化（例如速度突然變慢、推力、扭矩突然增大、刀盤(pán)振動(dòng)、盾構(gòu)機(jī)有異響聲等），判斷是否碰上球狀風(fēng)化巖體。有經(jīng)驗(yàn)的操作手據(jù)此可初步判斷刀盤(pán)前孤石情況。掘進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)刀具和刀盤(pán)的受力狀態(tài)，確保其不超載并觀測(cè)刀盤(pán)是否受力不均，以防刀盤(pán)產(chǎn)生變形。3、勤檢查、勤更換刀具在花崗巖球狀風(fēng)化體群這種地層中施工，刀具（包括刀盤(pán)）的磨損和破損是很?chē)?yán)重的，其主要原因是工作面的地質(zhì)環(huán)境變化非常頻繁。因此，對(duì)刀具和刀盤(pán)的檢查和更換就更要成為一種例行工作。4、不能通過(guò)盾構(gòu)機(jī)直接破除的孤石，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行破除。 四、盾構(gòu)通過(guò)花崗巖球狀風(fēng)化體的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)1、在地質(zhì)勘探方面，對(duì)于花崗巖風(fēng)化地層，目前采用的30-50m一個(gè)地質(zhì)孔的鉆探難以滿足要求，應(yīng)加密鉆探，對(duì)于有孤石存在的地段，鉆探孔的間距應(yīng)該更加小，更有針對(duì)性。2、根據(jù)地層情況，合理選擇盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能力、刀盤(pán)刀具的布置以及滾刀的數(shù)量、強(qiáng)度應(yīng)滿足本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的要求，目前三號(hào)線有孤石存在的區(qū)間選用的海瑞克盾構(gòu)機(jī)，滾刀的間距偏大，邊緣滾刀的數(shù)量偏少，同時(shí)，滾刀的強(qiáng)度不夠，在掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀破壞嚴(yán)重，造成掘進(jìn)緩慢，換刀頻繁。3、盾構(gòu)機(jī)在孤石地層掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)控制掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩、盾構(gòu)機(jī)的推力，刀盤(pán)的貫入量以及刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速，做到平穩(wěn)掘進(jìn)，減少對(duì)地層的擾動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)速度、刀盤(pán)的扭矩、盾構(gòu)機(jī)推力有異樣狀況時(shí)，例如速度突然變慢、推力、扭矩突然增大、刀盤(pán)振動(dòng)、盾構(gòu)機(jī)有異響聲等，應(yīng)停機(jī)分析原因。4、在花崗巖球狀風(fēng)化孤石地層施工時(shí)，刀具（包括刀盤(pán)）的磨損和破損速度很快，對(duì)刀具和刀盤(pán)的檢查和更換應(yīng)成為一種例行工作，掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)做到勤檢查勤換刀，以防止刀具的破壞引起刀座的變形和刀盤(pán)破壞。5、刀具檢查應(yīng)全面，刀具更換應(yīng)徹底，在掘進(jìn)過(guò)程中，未更換破損的刀不能破除巖石，會(huì)形成巖脊，對(duì)周邊的刀具產(chǎn)生側(cè)壓，加速周邊刀具的破壞。6、在花崗巖球狀風(fēng)化孤石地層，由于周邊地層為花崗巖全風(fēng)化和殘積土，遇水易軟化崩解泥化，刀具更換最安全的方法是進(jìn)行地層加固，但加固換刀時(shí)間長(zhǎng)成本高。因此，壓氣作業(yè)的廣泛應(yīng)用解決了這一問(wèn)題，壓氣作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)試壓，確保掌子面能保住壓力才能進(jìn)行帶壓工作。7、對(duì)于孤石的處理，除采用盾構(gòu)機(jī)直接破除孤石外，還可根據(jù)掌子面穩(wěn)定情況，孤石周邊臨空面情況采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄆ瞥?、對(duì)于在孤石地層掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)刀具最主要的破壞形式有刀圈崩斷，刀圈偏磨，刀座、刀盤(pán)變形等，應(yīng)通過(guò)控制掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩、貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等措施減少刀圈崩斷、刀圈偏磨，通過(guò)控制推力來(lái)減少刀座、刀盤(pán)變形。9、在孤石地層掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)注意控制土倉(cāng)的溫度，土倉(cāng)溫度過(guò)高，可能會(huì)加速刀具的破壞。工程實(shí)例、天五區(qū)間盾構(gòu)機(jī)過(guò)球狀風(fēng)化體天五區(qū)間右線自2004年2月7日掘進(jìn)至614環(huán)開(kāi)始進(jìn)入孤石群，2004年9月底脫離困境，歷時(shí)8個(gè)月，孤石區(qū)長(zhǎng)度348米，先后進(jìn)行氣壓法換刀15次，更換各類(lèi)刀具251把，工程為此付出了巨大代價(jià)，盾構(gòu)穿越花崗巖球狀風(fēng)化體是一個(gè)世界性難題，目前在國(guó)際上尚未有重大技術(shù)突破。由于對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化體認(rèn)識(shí)不深，在右線第一次遇到球狀風(fēng)化體時(shí)竟束手無(wú)策，盾構(gòu)機(jī)一停就是三個(gè)多月。以下是天五區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越花崗巖球狀風(fēng)化體區(qū)段的施工過(guò)程。圖4-53 刀盤(pán)前方的孤石圖4-54 刀盤(pán)上拆下的滾刀 圖4-55 土倉(cāng)撈出的刀具（一）天五區(qū)間右線第一段孤石長(zhǎng)15m，盾構(gòu)掘進(jìn)歷時(shí)107天，更換滾刀51把2004年2月7日至2004年6月8日，天五右線盾構(gòu)機(jī)從支YDK1+691支YDK1+706（環(huán)號(hào)614624）15m距離盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)歷時(shí)107天，更換滾刀51把， 2004年2月19日，天五區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到支YDK1+691（距上次開(kāi)艙換刀85環(huán)），掘進(jìn)期間遇花崗巖球狀風(fēng)化孤石，刀具損壞嚴(yán)重，開(kāi)始第二次壓氣作業(yè)換刀工作，至2004年3月11日完成換刀，共計(jì)更換滾刀24把。2004年3月12日恢復(fù)掘進(jìn)。由于盾構(gòu)機(jī)在孤石區(qū)掘進(jìn)過(guò)長(zhǎng)，造成刀具嚴(yán)重?fù)p壞，有些刀座已變形，需要?jiǎng)踊鸱娇刹鸪瑝簹庾鳂I(yè)條件下無(wú)法動(dòng)火，所以有些刀具沒(méi)進(jìn)行更換，造成了以后的換刀困難。2004年3月15日，天五區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到支YDK1+706里程處（距離上次換刀距離10環(huán)），推進(jìn)過(guò)程困難并頻繁卡刀盤(pán)，3月16日，進(jìn)行第三次壓氣檢查刀具作業(yè)，發(fā)現(xiàn)掌子面下方有孤石，第二次壓氣作業(yè)換刀時(shí)更換的滾刀已嚴(yán)重磨損，有很多刀具在壓氣作業(yè)下無(wú)法更換，為保護(hù)刀盤(pán)并順利通過(guò)該孤石群地段，決定嘗試盾構(gòu)機(jī)后退洞內(nèi)注漿加固、噴射砼注漿加固方法，以便開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行刀具的全盤(pán)更換。期間曾采用靜態(tài)爆破、火工爆破對(duì)孤石進(jìn)行清除。本次停機(jī)歷時(shí)85天，累計(jì)注漿200多m3，共換滾刀27把，由于掌子面不穩(wěn)定，所有的刮刀齒刀均沒(méi)更換。到2004年6月9日下午恢復(fù)掘進(jìn)。經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)：（1）由于上次有些損壞的刀沒(méi)更換，造成新更換的刀具很快被破壞，壓氣條件下無(wú)法更換。（2）本次盾構(gòu)機(jī)后退洞內(nèi)注漿加固效果依然是周邊無(wú)法加固，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后加固體全被損壞。圖4-56 右線盾構(gòu)施工造成地面下沉（3）采用噴射砼注漿加固可以使掌子面穩(wěn)定，但工期過(guò)長(zhǎng)，且滾刀位置無(wú)法加固，在換滾刀時(shí)會(huì)從刀座處涌泥，增加換刀困難，且刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)后注漿加固體被破壞， 需重新噴砼注漿加固。（4）靜態(tài)爆破清除孤石不理想，但可在壓氣條件下進(jìn)行，采用火工爆破清除孤石不可行，但需開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行，且對(duì)掌子面撓動(dòng)破壞較大，在掌子面不穩(wěn)定條件下實(shí)施存在很大的危險(xiǎn)性。（5）盾構(gòu)在孤石地層中掘進(jìn)，較小的孤石會(huì)隨著刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，并與盾構(gòu)機(jī)一起向前移動(dòng)，這些轉(zhuǎn)動(dòng)前移的孤石會(huì)持續(xù)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，引起崩刀，在遇到此類(lèi)孤石時(shí)，最好采用人工清除后再掘進(jìn)。盾構(gòu)在孤石群中掘進(jìn)緩慢，再加上上面有轉(zhuǎn)動(dòng)前移的孤石，使盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)對(duì)土體的撓動(dòng)加大，在土壓力控制不好的情況下，會(huì)增加出土量，引起地面過(guò)大沉降，甚至塌方。2004年5月14日，即盾構(gòu)掘進(jìn)到此處2個(gè)月后，地面出現(xiàn)了直徑6米的大坑。見(jiàn)圖4-56。（二）天五區(qū)間左線盾構(gòu)過(guò)華農(nóng)獸藥廠孤石群歷時(shí)73天，更換滾刀40把2005年3月17日，天五區(qū)間左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)到ZDK2+381.86時(shí)遇到花崗巖球狀風(fēng)化孤石。停機(jī)后進(jìn)行壓氣換刀，但地面漏氣，無(wú)法進(jìn)行換刀。采用洞內(nèi)注漿加固后，累計(jì)換刀10把，其中26號(hào)刀更換兩次。由于地面漏氣過(guò)大，需更換的刀具無(wú)法全部更換。后嘗試采用地面鉆孔爆破的方法對(duì)孤石進(jìn)行爆破，先采用鉆孔探清巖石，共鉆7孔，其中在刀盤(pán)前端0.7m處的三個(gè)孔鉆到孤石，見(jiàn)圖4-57。后對(duì)有孤石的三個(gè)孔實(shí)施了爆破，爆破后，4月8日恢復(fù)掘進(jìn)，但掘進(jìn)速度仍很慢，并頻卡刀盤(pán)，掘了一環(huán)后停機(jī)，壓氣檢查發(fā)現(xiàn)外圍29號(hào)刀以外的刀均損壞，由于地面漏氣不能保壓，無(wú)法進(jìn)行更換。4月10日，在盾構(gòu)機(jī)前方鉆孔繼續(xù)探明孤石情況，共鉆10個(gè)，其中5個(gè)探到孤石，孤石分布如圖4-58。經(jīng)研究決定采用直徑2.5m的沖孔樁對(duì)孤石進(jìn)行清除，如圖4-71。沖孔樁施工完成后，4月17日試恢復(fù)掘進(jìn)到支ZDK2+381.86，仍出現(xiàn)掘進(jìn)緩慢且頻卡刀盤(pán)。4月18日，項(xiàng)目部召開(kāi)方案討圖4-57 右線里程YDK1+709（624環(huán)）球狀風(fēng)化體情況論會(huì)，經(jīng)討論認(rèn)為：a.由于對(duì)孤石形狀、大小均不清楚，采用爆破進(jìn)行清除效果不理想，且爆破沖擊力對(duì)刀盤(pán)的影響也無(wú)法估計(jì)；b.采用沖孔樁清除孤石，無(wú)法做到完全清除干凈，使得盾構(gòu)機(jī)在刀具損壞的情況下仍無(wú)法通過(guò)沒(méi)清除的少量孤石；c.目前地面已具備加固的條件，應(yīng)采取地面加固后換刀方案，考慮到需從洞內(nèi)清除孤石，加固應(yīng)以能開(kāi)倉(cāng)常壓換刀的目標(biāo)進(jìn)行。經(jīng)討論，擬采用地面三重管高壓旋噴加固方法。共設(shè)七排700mm旋噴樁，排距500mm，刀盤(pán)前面一排及頂上一排樁間距500mm，其它樁間距600mm。旋噴范圍為：隧道上部5m到底部1m。圖4-58 華農(nóng)獸藥廠孤石群區(qū)加密補(bǔ)充地質(zhì)勘探示意圖2005年5月13日完成加固后，于2005年5月20日壓氣試開(kāi)倉(cāng)，結(jié)果仍出現(xiàn)地面漏氣現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法進(jìn)倉(cāng)，后于2005年5月23日開(kāi)倉(cāng)常壓條件下開(kāi)倉(cāng)換刀成功，共換刀27把，于2005年5月30日恢復(fù)掘進(jìn)。在判斷遇到孤石后，立即進(jìn)行了壓氣檢查和刀具更換，但是由于地層原因，刀具更換無(wú)法全面完成。由于鉆孔探測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確探明孤石性質(zhì)和位置，因此爆破和沖孔樁清除孤石效果不佳?？梢?jiàn)該處孤石范圍大，強(qiáng)度高，清除困難是這次換刀困難的主要原因。后采用旋噴樁進(jìn)行地面加固，準(zhǔn)備換刀后盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)行通過(guò)。旋噴樁加固完成后7天進(jìn)行試壓氣換刀，壓氣控制在1.5bar，結(jié)果地面大面積漏氣，氣壓僅能控制在0.9bar以?xún)?nèi)，從這情況看，旋噴樁并沒(méi)有將這地層很好的封閉，原因可能是土體內(nèi)存在樹(shù)根木塊所致，因?yàn)樵跊_孔樁施工時(shí)撈出很多樹(shù)根木塊。但根據(jù)旋噴施工記錄，每米水泥用量均達(dá)400kg以上，用量較大，所以只要土體內(nèi)水泥強(qiáng)度能上來(lái)，加固體達(dá)到穩(wěn)定效果后，即使有水也不會(huì)產(chǎn)生塌方。于是在加固完成10天后，進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)檢查，發(fā)現(xiàn)加固效果良好，掌子面土體穩(wěn)定，使得換刀成功，并順利通過(guò)該段孤石區(qū)。圖4-59 華農(nóng)的孤石 圖4-60 刀具在孤石上留下的痕跡 圖4-61 出土取出的孤石 圖4-62 嘗試用沖孔樁機(jī)沖擊孤石 圖4-63 土倉(cāng)內(nèi)換刀前掌子面注雙液漿加固圖4-64 壓氣換刀作業(yè)天五右線614750環(huán)204米孤石密集段累計(jì)壓氣換刀11次共換135把刀，圖為工人在壓氣條件下更換滾刀。2004年1月13日,右線掘進(jìn)通過(guò)能源所10樓后，529環(huán)首次遇到大量孤石,地面沒(méi)有加固的場(chǎng)地條件。先后嘗試刀盤(pán)前施作水泥墻，掌子面注漿加固。圖為對(duì)掌子面進(jìn)行噴漿封閉后注雙液漿加固后進(jìn)倉(cāng)換刀。 圖4-65 進(jìn)入刀盤(pán)前實(shí)施人工破巖圖2004年5月21日，624環(huán)遇到孤石損壞了很多刀具，嘗試膨脹劑不理想后，嘗試爆破。圖為火工爆破用的硝酸氨炸藥。圖4-66 實(shí)施洞內(nèi)火攻控制爆破對(duì)于在刀