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 。
球状风化的野外判定: (1) 风化球与风化带的风化等级呈突变; (2) 风化带的矿物成分中斜长石的含量高于钾长石含量, 而风化球中的钾长石和斜长石比例正常、裂隙不发育。
3、工程难点与重点
盾构穿越该类地层的风险主要表现为盾构姿态控制困难, 开挖面稳定性控制难度大。盾构在该类地层中掘进, 常发生盾构偏离轴线、喷涌、开挖面失稳、结泥饼、刀盘刀具严重磨损、甚至在岩层中发生因边
缘刀具磨损严重而使“盾构被围岩卡住”等风险事件。
4、施工措施
(1) 精心设计制作刀盘,在保留原刀盘对软岩、软土地层的适应性的基础上,着重提高刀盘对硬岩的破岩能力和对软硬不均地层的适应性。根据实际的地质条件,在刀具的选型及布置上着重增强其对地质的适应性。在掘进中加强对刀具的管理,制定详细的刀具管理计划以及刀具监控检查和更新方法,严格按计划换刀。
(2) 严格控制盾构机姿态。盾构机配备一套VMT 自动激光导向系统,主要由激光全站仪、电子激光靶、控制箱、计算机及其它配套硬件和软件组成。用于盾构掘进方向控制。一旦隧道线形发生偏差,须进行精度控制及纠偏,在盾构机纠偏过程中必须注意如下事项:
①在改变刀盘转动方向时,切换速度不宜过快;
②根据掌子面地层情况及时调整掘进参数,避免引起更大的偏差;
③蛇行的修正应以长距离慢慢修正为原则,如修正得过急,蛇行反而更加明显。
(3) 调整盾构掘进施工参数和加强对盾构机状态控制。盾构由软土层进入全断面岩层时,推进状态即由土压平衡状态向半土压平衡状态过渡,设定的土压力值根据实际情况降低,调整同步注浆量和注浆压力、调整各区域油压差,改变千斤顶的合力位置,放慢推进速度。
盾构由全断面岩石层进入软土层,推进状态由半土压状态向土压平衡状态过渡,这时,需根据土压平衡原理设定土压力值,以确保开挖面稳定。同时调整注浆量及注浆压力,提高盾构与隧道轴线的相对坡度,调整各区域油压差以改变千斤顶合力位置,同时加快推进速度。
(4) 及时换刀
在软硬不均及硬岩地层施工时,一般中心双刃滚刀磨损达到20 mm 、正滚刀磨损达到17mm 、边滚刀磨损达到15 mm 时,即进行刀具的更换。
(5) 加强勘测与监测。勘测时应注重：
①软硬不均地段的硬岩分布位置和占开挖面积,软土的类别和相应参数；
②硬岩侵入隧道的高度和走势；
③硬岩的风化状况、裂隙发育情况、强度和整体性；
④是否有孤石或其它硬质夹杂体存在；
⑤软硬不均地段的上方覆土类别。根据地质剖面图及随时监控出土时土的性质确定转换界面,在不同转换界面位置设置监测点,随时监测土体位移及地面沉降,根据监测信息及时调整施工参数。
(6)螺旋输送机转速的选择: 在上软下硬地层中,土压的保持是非常重要的。由于软岩部分非常容易坍塌,而硬岩部分因硬度较高不易切削,为保护刀具需要降低掘进速度,但此时的掘进速度对软岩部分的稳定非常不利。因此要保证掌子面的稳定性,需要保持较高的土压,要求螺旋输送机的出碴量小,转速一般保持在3～8r/min 之间。
5、工程实例
深圳地铁一号线续线深大站-桃园区间全长1957.12m ，区间线路最大坡度为6.448‰，最小坡度为2‰，隧道穿越的地层以花岗岩残积层砾质粘性土为主。其间多处遇到“孤石”地层。
盾构机自始发后，隧道范围内实际地质情况如下表所示：
处理孤石措施，可以总结为：
降水——>开仓前准备——>检查土仓情况——>开仓清理——>刀具更换
开仓前首先对土仓进行检查。打开土仓的泄水孔看是否有水流出。如果有水流出则继续降水，直至泄水孔中无水流出为止。通过土仓壁上的球阀判断土仓内的浆液是否已完全凝固。如果土仓出内基本无水且土仓内的浆液已基本凝固，则可进行开仓清理工作。
在清仓过程中，一边凿除一边对刀具进行拆除和更换，凿出一把，更换一把。对于难以安装的刀具，先拆除，待土仓清理完成后转动刀盘再进行更换。每更换一把刀具要对周围的空隙进行纱布封堵。
施工过程中加强监测频率，24小时现场进行监测。如单日沉降大于10mm ，则
需要24小时监测。对每日的监测数据进行评估，及时判断换刀施工是否安全，能否继续进行。
6、结论
对盾构法施工而言,穿越软硬不均且含有“孤石”地层确实是盾构法施工的重大难题,并且施工风险也很高。精心策划、科学组织、规范施工、严格过程管理控制是克服施工难题、控制施工风险的保证。在施工时充分估计困难和风险、采取必要的辅助措施,并充分准备应急预案,做到有备无患是克服施工难题、控制施工风险的必要手段。
排固结灌浆孔，第一排灌浆孔距上游坝面2.0m ，排距为2.5m ，孔距为2.5m ，孔深5.0m 。
5、坝基帷幕灌浆
从钻探揭露的地层情况看，弱风化花岗岩裂隙较发育，经现场压水试验测定其单位吸水量大部分在2.52～4.27Lu 范围内，基本为弱透水层。根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005的规定，坝高在50m 以下，帷幕的防渗标准和相对隔水层的透水率为5 Lu 。因三湾水库大坝采用弱风化岩做建基面，地基大部分地段不需要作防渗处理，但有两处局部透水性较强的部位需要进行处理：
1）右岸坝肩：正常蓄水位以下有全、强风化岩存在，并且在桩号0+545.36附近的弱风化层上部透水性较强，单位吸水量q=48.57Lu ，采用帷幕灌浆进行防渗处理，处理范围为桩号0+589.360（正常蓄水位与地下水位相交处）～0+516.360m ，帷幕灌浆最低底高程为9.7m ，最大深度为10.0m 。
2）桩号0+392.700～0+340.400m 段：弱风化层上部透水性较强，单位吸水量q=13.2Lu ，采用帷幕灌浆进行防渗处理，帷幕灌浆最低底高程为1.8m ，最大深度为6.0m 。
帷幕灌浆为单排布置，孔距为2.0m 。灌浆采用孔口封闭法，灌浆压力通过现场灌浆试验确定。
6、岸坡坝段接触灌浆
1#、2#、3#坝段的开挖边坡均较陡，为提高坝体与岸坡接触面的抗渗能力，在这3个坝段与岸坡接触面的上下游侧各设置一道铜止水，同时对接触面进行接触灌浆。
7、结语
在大型水利工程建设中，地基基础处理是一个重要环节，是关系到水库建设成功与否的关建。首先要查清坝址区的工程地质情况，再采用科学、合理的方法进行处理。当然，由于每个工程所处的地理位置不同，工程地质情况各异，所用的方法也不可能完全雷同。三湾水库是针对不同地质情况采用不同措施联合处理地基，它可为其他水利工程特别是混凝土大坝提供借鉴。