第三节 盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术
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花岗岩地层盾构施工
3500
刀盘转速 （rpm）
1.6 1.6 1.4 1.6 1.7 1.7 1.5 1.5 1.2
刀盘扭矩 （bar）
70 130~138 130~150 110~130 120~150 130~150 130~150 130~150 90~120
掘进速度 （mm/min）
1-6 5-10 5-7 8-12 12-19 8-14 4-10 4-10 1-5
整个通过该楼房4个月，共掘进37环，更换刀具3次， 刚好是进入房屋前，在房屋下，出房屋后。
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监测情况：
右线盾构掘进647环—673环，同时左线盾构也同时在房屋地下掘进，房 屋沉降速率较大，房屋沉降已达到38.9mm。
右线盾构停机期间，在制作泥膜护壁时，左线在掘进，宿舍楼的出现较大 沉降，最大沉降点为H19沉降值为50.7mm，柱子SZ1沉降值为24.9mm。
Page 2
以三北区间1标过南华工商学院宿舍楼案例，首先 大家认识下花岗岩地层的特点：
2009年9月1日下午，右线海瑞克盾构机在647环，南华工商学院宿舍9 号楼前（两栋房屋之间的空地上），隧道洞身范围的地层为<7H>、 <9H>，采用2.4bar的气压进仓，进仓检查，掌子面无水，但刀盘转动 后，掌子面的土体剥落严重，已无法进行带压作业，紧急关仓，考虑 刀盘前面是宿舍楼，同时刀具损坏严重，往前掘进风险较大，往前掘 进300mm后将土仓压力建立，同时采用盾构机的超前注浆孔进行回填 注浆，保证土仓填满，从而防止地面沉降。
盾构清仓换刀至恢复掘进期间，楼最大沉降点H19该工况下沉5.5mm，沉 降值为63.4mm；柱子SZ1该工况下沉4.3mm，累计沉降值为33.3mm。
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刀盘转速 （rpm）
1.6 1.6 1.4 1.6 1.7 1.7 1.5 1.5 1.2
刀盘扭矩 （bar）
70 130~138 130~150 110~130 120~150 130~150 130~150 130~150 90~120
掘进速度 （mm/min）
1-6 5-10 5-7 8-12 12-19 8-14 4-10 4-10 1-5
整个通过该楼房4个月，共掘进37环，更换刀具3次， 刚好是进入房屋前，在房屋下，出房屋后。
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监测情况：
右线盾构掘进647环—673环，同时左线盾构也同时在房屋地下掘进，房 屋沉降速率较大，房屋沉降已达到38.9mm。
右线盾构停机期间，在制作泥膜护壁时，左线在掘进，宿舍楼的出现较大 沉降，最大沉降点为H19沉降值为50.7mm，柱子SZ1沉降值为24.9mm。
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以三北区间1标过南华工商学院宿舍楼案例，首先 大家认识下花岗岩地层的特点：
2009年9月1日下午，右线海瑞克盾构机在647环，南华工商学院宿舍9 号楼前（两栋房屋之间的空地上），隧道洞身范围的地层为<7H>、 <9H>，采用2.4bar的气压进仓，进仓检查，掌子面无水，但刀盘转动 后，掌子面的土体剥落严重，已无法进行带压作业，紧急关仓，考虑 刀盘前面是宿舍楼，同时刀具损坏严重，往前掘进风险较大，往前掘 进300mm后将土仓压力建立，同时采用盾构机的超前注浆孔进行回填 注浆，保证土仓填满，从而防止地面沉降。
盾构清仓换刀至恢复掘进期间，楼最大沉降点H19该工况下沉5.5mm，沉 降值为63.4mm；柱子SZ1该工况下沉4.3mm，累计沉降值为33.3mm。
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盾构机在花岗岩球状风化孤石地层中被动停机处理的设计及施工技术
盾构机在花岗岩球状风化孤石地层中被动停机处理的设计及施工技术摘要：以盾构机被动停机的原因为切入点，对盾构掘进过程中被动停机的影响及危害进行了分析。
结合工程实际处理经验，提出了多种盾构机被动停机处理的设计及施工处理措施，详细的阐述了不同处理方法的适用条件及工况，有利于盾构机被动停机状态的快速处理，减少盾构施工过程中被动停机的时间，从而减小其引起的地面沉降的影响，减小施工风险。
关键词：球状风化孤石、被动停机、盾构掘进0 引言盾构法施工因其安全、快速等优点被广泛应用于地铁工程建设［1］。
在盾构的掘进施工过程中，常常因地质条件的复杂性造成盾构机被迫停机。
盾构机长时间停机主要会面临以下风险：（1）地表沉陷，严重的可能会引起地面塌陷；（2）盾构机出现下沉和机头“载头”现象；（3）盾尾漏水，严重的可能会涌泥；（4）盾构机与周围土体固结，导致盾构机被裹死［1］-［3］；本文依托广州地铁知识城线工程，针对花岗岩残积土和全风化花岗岩地层的地铁盾构施工过程中多次遇到的被动停机问题，研究了花岗岩球状风化孤石造成盾构机刀盘卡停的根本原因，并在此基础上提出刀盘脱困的设计方案及施工处置对策，并提出预防盾构机被动停机的措施。
1 工程概况广州地铁知识城线区间隧道开挖范围以砂层、花岗岩残积土和全风化花岗岩地层为主，拱顶以上地层以填土、淤泥、粉质黏性土为主。
根据详勘及详勘补勘地质资料、详（补）勘孤石分布状况，在隧道掘进范围内发现多处孤石，盾构掘进范围内孤石主要表现为球状风化。
补勘钻孔孤石取样见图1-1。
图1-1 部分补勘钻孔孤石取样1.盾构机被动停机的原因分析在盾构机掘进过程中，掌子面上的球状花岗岩孤石与刀盘正面直接接触，盾构掘进主要靠刀盘上的滚刀破岩前进，而滚刀能否顺利破岩主要取决于盾构能否提供足够的切削力破岩以及孤石不能移动［4］。
通过孤石（群）地层时，掘进速度慢，掘进参数波动大，对周边地层扰动较大；掘进时周边软弱土体破坏，使孤石移动，盾构姿态难以控制；孤石强度太高或孤石滚动使滚刀无法顺利破岩，在掘进中容易出现刀具损坏失效的问题，导致盾构不能正常掘进；盾构在孤石群中连续破岩掘进。
盾构机通过花岗岩球状风化体的掘进施工技术
５ 工 程 实例
５１ 某盾构 工程右 线 孤石 长 １ ｍ， ． ５ 更换 滚 刀 ５ 把 １
某 盾 构 工 程 右 线 盾 构 机 从 里 程 １ ６ １ 支 １ ７ ６ （ 号 ＋９～ ＋０ 环 ６ ４ ６ ４ １ｍ 距 离 盾 构机 掘 进 历 时 １７ ， 换 滚 刀 ５ 把 ， 构 １～ ２ ） ５ ０ ｄ更 １ 盾
机 掘 进 到 支 １６ １距 上 次 开 舱 换 刀 ８ ） 掘 进 期 间 遇 花 岗岩 ＋９ （ ５环 ， 球 状 风 化 孤 石 ， 具 损 坏 严 重 ， 用 压气 作业 换 刀 工 作 ， 计 更 刀 采 共 换滚刀 ２ ４把 ， 由于 盾 构 机 在 孤 石 区 掘 进 过 长 ， 成 刀 具 严 重 但 造 损 坏 ， 些 刀座 已变 形 ， 要 动 火 方 可 拆 除 ， 气 作 业 条 件 下无 有 需 压 法 动 火 ， 以有 些 刀具 没 进 行 更 换 ， 成 了 以后 的换 刀 困难 。 所 造 在 掘 进 ｌ 后 ， 线盾 构机 掘进 到 里 程 １７ ６处 （ 破 或 火 药 爆破 。
③地面钻孑 爆破或冲孔破除孤石 。 Ｌ ④ 压气 作业条件 下人 工破 除孤 石， 除时可采用岩石 分裂 破 机等设备。 （） 用 地 面 三 重 管 旋 喷 桩 、 阀管 、 内注 浆 等 加 固措 施 ６采 袖 洞 或 压气 作业 等 措 施 进 行 刀 具 更 换 ， 短 刀 具 更 换 时 间 。 缩
个 ， 中 ５个 探 到 孤 石 ， 石 分 布 图 ８ 实施洞内火攻控 制爆 其 孤 如 图 ９ 决 定 采 用 直 径 击 ．ｍ 的 冲 孔 桩 对 孤 石 进 行 清 除 。冲 孔 ， ２５ 桩 施 工 完 成 后 ， 恢 复 掘 进 到 ２ ３ １ ６ 仍 出现 掘 进 缓 慢 且 频 试 ＋８． ， ８ 刀 盘 。经 讨论 认 为 ， 由于 对 孤 石 形 状 、 小 均 不 清 楚 ， 用 爆 大 采 破 进 行 清 除 效 果 不 理 想 ， 爆 破 冲 击 力 对 刀 盘 的影 响也 无 法 估 且 计 ， 用 冲孔桩清除孤石 ， 采 无法 做 到 完全 清 除 干 净 ， 得 盾 构机 使 在 刀 具 损 坏 的情 况 下 仍 无 法 通 过 没 清 除 的 少 量孤 石 ， 据 地 面 根 条 件 ， 用 地 面 三 重 管 高 压 旋 喷 加 固方 法 （ 图 １） 采 见 ０ 。共 设七 排 ｑ ０ ｍ 旋 喷 桩 ， 距 ５０ ｍ， 盘 前 面 一 排 及 顶 上 … 排 桩 间 ｂ ０ｍ ７ 排 ０ｍ 刀 距 ５ ０ ｍ， 它桩 间距 ６ ０ ｍ。 喷 范 围为 ： ０ｍ 其 ０ｒ 旋 ａ 隧道 上 部 ５ ｍ到 底 部 ｌ ｍ。地 而 加 固完 成 后 ， 接 开 仓 换 刀 ， 理 孤 石 。 直 处
盾构区间花岗岩球状风化孤石处理设计及综合效果比较
间 孤 石 较 多孤 石 的 存 在 对 盾 构 的 安 全 掘 进 具 有 很 大 的 影 响 。
太软 固 定不 住 孤 石 ． 孤 石 就 会 随 着 土 体 的 破 坏 而移 动 ， 挡在 刀
盘 前 面 并损 坏 刀具【 ¨】 。
２ 孤 石 预 处 理 的不 同 工 法 及 效 果
异大 ， 加 之 断 裂 构 造 发 育 及 岩 体 的 次 生 裂 隙 导 致 岩 体破 碎 ， 随 ２ ． １ ． ４ 实 施 效 果 隧道 掘 进 方 向 正 上 方 隧 道 边 右 侧 为绿 化 带 ．距 离 九龙 大 着 风化 作 用 不 断进 行 ， 形 成 球 状 花 岗岩 孤 石 。 为 确保 探 明孤 石 的分布情况 ． 宜采 取 先 钻 探后 物探 的 方 法进 行 孤 石 的探 测 。 区 道约 １ ｌ ｍ． 隧道正上方为 １ 条 明 渠排 水 沟 ， 隧道 上 方 无其 他 管 线 和 其他 建 （ 构） 筑物 ， ５ ０ ｍ 范 围 内无其 他 房 屋 建 筑 物 ， 采 取 爆 其 爆破 布 置 孔 如 图 ２ 在 硬 土层 中 ． 若 滚 刀 破 碎 不 了孤 石 ， 孤 石 被 刀 盘 的 旋 转 推 力 弹 破 法设 计 对孤 石进 行 处理 ． 开或 被 推 向 隧道 旁边 ， 孤 石处在盾构的外侧 时， 可 能 会 挤 压 盾 构使其偏 离方向， 隧 道 的 轴 线 也 将 偏 斜 。 在 软 土层 中 ， 若 土 质
２ ． １钻孔爆破孤石设计及实施效果
地 质 勘 探 过 程 中遇 到 孤 石 时 ， 查 明孤 石 的 产 状 、 大 小、 形
状 并 依 此 来 制 定 爆破 孔 的 数 量 、 分布和装药量 ， 利 用 小 口径 钻 头 从 地 面下 钻 ． 然后 安 放 适 量 的静 爆 炸 药对 孤 石 进行 爆破 。多 次爆破进而达到分裂、 瓦解 孤 石 的 目的 。 对 于垂 直 高度 特 别 大 的 巨石 可 进 行 多次爆 破 直 到钻 孔 穿过 巨石 。
盾构法隧道球状风化孤石处理关键技术
盾构法隧道球状风化孤⽯处理关键技术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 。
花岗岩地层盾构施工 PPT
花岗岩地层将崩解过程划分为扰动性崩解、结构性崩解 和溶解性崩解三个阶段。广州的花岗岩残积土的微结构 大多呈骨架状,节点和颗粒之间主要靠游离氧化物的胶结 作用实现联结,因此花岗岩残积土崩解的根本原因是浸水 软化导致土骨架损伤发展的结果,浸水前的扰动会使节点 受到先期损伤,加速崩解。
存在风化深槽和球状风化体： 岩石风化不均匀形成的风化深槽和球状风化，而
整个通过该楼房4个月，共掘进37环，更换刀具3次 ，刚好是进入房屋前，在房屋下，出房屋后。
监测情况：
右线盾构掘进647环—673环，同时左线盾构也同时在房屋地下掘进，房
屋沉降速率较大，房屋沉降已达到38.9mm。
右线盾构停机期间，在制作泥膜护壁时，左线在掘进，宿舍楼的出现较大 沉降，最大沉降点为H19沉降值为50.7mm，柱子SZ1沉降值为24.9mm。
泥膜护壁完成后带压换刀期间，沉降随压力波动变化敏感，最终最大沉降 点位H19沉降值该工况下沉3.6mm，累计沉降为54.3mm，柱子SZ1沉降值 该工况下沉3.5mm累计为28.4mm 。
盾构土仓回填期间，楼的沉降最大沉降点H19在该工况下下沉3.6mm，累 计沉降值为57.9mm，柱子SZ1在该工况下下沉0.6mm，累计沉降值为 29.0mm。
且风化深槽和球状风化体无规律性，不确定性 大。
2、花岗岩硬岩的特点
花岗岩微风化花岗岩地层的特点：岩石强度高、岩石完 整性好，岩面起伏大。 燕山期花岗岩：呈深灰、灰白色，中细粒结构，块状构 造，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈短柱状、长柱状，少 量块状，锤击声脆。岩石质量指标RQD值为60～95%， 岩石天然抗压强度范围值fc=46.4～200MPa。 震旦系混合花岗岩：呈灰、灰白等色，中细粒结构，块 状构造，裂隙稍发育～发育，岩石坚硬，较完整，岩芯 多呈短柱状、长柱状，少量块状，锤击声脆。岩石质量 指标RQD值为65～95%，岩石天然抗压强度范围值 fc=31.7～215.6MPa。
盾构机在砂卵石及中风化泥岩复合地质情况下掘进技术
盾构机在砂卵石及中风化泥岩复合地质情况下掘进技术摘要：盾构隧道掘进机，简称盾构机。
是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。
盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。
该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。
挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
不同的地质构造对盾构机的正常掘进安全影响不同，依托成都轨道交通30号线双寺区间工程，本文对盾构机在砂卵石及中风化泥岩复合地质情况下掘进技术进行了详细阐述，希望能为同行提供一些借鉴和参考。
关键词：盾构机；砂卵石；中风化泥岩；复合地质；掘进技术1砂卵石及中风化泥岩复合地质砂卵石，对于浑圆状颗粒，分为圆砾石、卵石、漂石、砾石土、砂卵石等;对棱角状颗粒，分为角砾石、碎石、块石、碎石土等。
砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏。
刀盘旋转切削时地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的围岩扰动使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定。
泥岩风化特点，泥岩构成的崖壁风化速度快，而结核形成的石蛋风化速度慢，当泥岩层层风化剥落石蛋就慢慢孕育而出。
中风化泥岩是软质岩。
岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分发生变化的现象。
导致上述现象的作用称风化作用。
风化岩划分为未风化岩、微风化岩、中等风化岩、强风化岩、全风化岩与残积土。
泥岩弱固结的粘土经过中等程度的后生作用（如挤压作用、脱水作用、重结晶作用及胶结作用等）即可形成强固结的泥岩和页岩。
盾构穿越花岗岩球形风化残留体发育地层施工关键技术
实测值 电阻率差值>2.5Ω·m 电阻率差值>3Ω·m 电阻率差值>2.5Ω·m
注浆效果 较好
②炮孔450连线方向上：可能存在最大粒径尺寸为84.84-2×(粉碎区 半径+裂纹扩展半径),即是98.99-2×(14.61+17.18)=35.41cm。
由此可知,当炮孔间距为70×70cm时,爆破后,此区域可能存在岩石破 碎块度粒径在6.42~35.41cm之间。
第一组
1
2
3
4
孔
5
6
7
8
第一组
1’
2’
3’
4’
5’
6’
7’
8’
炮孔
孤石
1、1’ 炮孔编号
1.2地表沉降测试及分析 现场测试。
隧道走向方向
5m
绿化带
5m
东
莞
大
道
5m
5m
5m
垂直隧道走向方 向
5m
5m
5m
5m
5m
孤石
、注浆前爆破区域地表沉降分析
①沿隧道走向地表沉降。
Building Developments
建筑发展
第 3 卷◆第 10 期◆版本 1.0◆2019 年 10 月 文章类型：论文 刊号（ISSN）：2425-0082
盾构穿越花岗岩球形风化残留体发育地层施工关键技术
肖筱 中电建南方建设投资有限公司 DOI:10.32629/bd.v3i10.2786
表1 实测的爆破振动速度回归方程
孤石
探头方向
垂直方向(Z 向)
回归方程
1
V
=
1 8 3 .4 (
Q3 R
盾构机穿越球状风化体(孤石)地段的施工措施
盾构机穿越球状风化体(孤石)地段的施工措施由于本标段下伏基岩为花岗岩地段，根据花岗岩的特性及地区地层的特点，在其残积土层中可能存在球状风化体。
球状风化体的体积相对较小，在事前的地质钻探过程中难以精确地全部勘察清楚。
因此在盾构施工过程中，往往在较松软的介质，如残积的砂质粘性土中，会突然碰到小体积的非常坚硬的球状体。
此种地质不利因素会造成隧道管片破损、隧道中心线偏移以及盾构机损坏等许多难以预料的问题。
在施工时采取如下的处理措施：1.盾构施工前应对隧道范围内的工程地质条件进行详细勘查，加密补充地质勘探，以便及早掌握孤石的分布情况。
探明地层是否含有孤石，并摸清其位置、大小、强度。
开工前，组织地质专家、盾构专家会诊，召开孤石勘探及处理专家专题研讨会，找出对策，并按专家意见指导施工。
2.针对孤石岩质较硬的特点，刀具以盘形滚刀为主，掘进时采用小推力、低转速来将其切削成碎块。
3.若掘进速度相当慢或孤石随刀盘一起滚动时，则对土体进行加固采用地表注浆加固（有地面条件时）与洞内注浆加固相结合，使掘进掌子面的孤石处于一个相对稳定、孤石周边有约束、刀盘受力均匀、掘进时孤石不致于随刀盘转动的断面，再掘进破除，或地面冲孔破碎，必要时进入土仓进行人工处理，采取静态爆破、切割、人工液压锤等办法。
4.盾构进入可能存在孤石的区段后，要严格监测推进油缸和刀盘伸缩油缸的推力变化、盾构机姿态的突然变化及土仓压力和出碴量的变化，如发现异常变化，进入土仓进行检查，以判断是否存在孤石，并确定孤石与刀盘的位置关系。
5.掘进过程中随时监测刀具和刀盘受力状态，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。
6.在工作面稳定性差的情况下，进入土仓时必须建立一定的气压，此时按相应的规程进行工作。
7.孤石处理方法：a、人工切割：切割采用手提式金刚石蝶式切割机，或金刚石链锯切割，首先旋转刀盘，使刀盘开口部对准孤石，实施切割。
b、液压锤破碎：采用体积小、功率大的液压破碎锤，或液压镐，从刀盘的开口部将孤石破碎成碎块。
地铁盾构施工遇花岗岩风化球的处理对策及关键技术
深孔爆破法处理风化球是在具备地面处理条件 的情况下，对已探明 的 风 化 球 采 用 地 面 地 质 钻 机 垂 直打孔，装炸药 爆 破 隧 道 范 围 内 的 风 化 球。 要 求 控 制爆破后石块 粒 径 不 大 于 ３０ｃｍ，便 于 盾 构 机 出 碴 施工。
风化球编号
深圳地铁２号线燕南站至大剧院站荔枝公园区
３
ｍ 不等，一 次 性 爆 破 破 碎 难 度 较 大，故 采 取 对 前 排 孔先行爆破，然后利 用 前 排 孔 爆 破 挤 压 周 围 土 层 产 生的自由面，再 对 后 排 孔 进 行 逐 个 起 爆。 炮 孔 间 排 距０．６ｍ ～１．０ｍ，布孔形式采用矩形或梅花桩形， 风化球爆破布孔平面如图２所示：
盾构机直接破除法就是通过盾构机刀具配置及 优 化 掘 进 参 数 ，利 用 盾 构 机 自 身 能 力 破 除 风 化 球 ，俗 称 “硬 吃 硬 ”。
由于风化球岩质 较 硬 （饱 和 单 轴 抗 压 强 度 一 般 大于８０ ＭＰａ），盾构机刀具应以单刃盘形滚刀为主， 掘 进 时 应 采 用 小 推 力 、低 转 速 来 将 其 破 碎 成 碎 块 。
深圳地铁二期工程自 ２００７ 年 全 面 展 开，经 过 ４ 年多的时间建设，建成 了 １５５ｋｍ 的 地 铁 线 路，其 中 区间隧道大部分采用了盾构工法。大量的盾构工程 实践为深圳地区盾构施工解决花岗岩风化球问题提 供了平台。本文根据深圳地区地铁盾构隧道的施工 实践，探讨了盾构施 工 遇 花 岗 岩 风 化 球 的 处 理 对 策 及关键技术。
２．３ 竖 井 或 孔 桩 处 理 法 对具 备 地 面 施 工 条 件、已 经 探 明 风 化 球 发 育 的
地点，可以提前施做 竖 井 或 挖 孔 桩 处 理 风 化 球 或 用 冲孔桩破碎风化球。
风化球编号
深圳地铁２号线燕南站至大剧院站荔枝公园区
３
ｍ 不等，一 次 性 爆 破 破 碎 难 度 较 大，故 采 取 对 前 排 孔先行爆破，然后利 用 前 排 孔 爆 破 挤 压 周 围 土 层 产 生的自由面，再 对 后 排 孔 进 行 逐 个 起 爆。 炮 孔 间 排 距０．６ｍ ～１．０ｍ，布孔形式采用矩形或梅花桩形， 风化球爆破布孔平面如图２所示：
盾构机直接破除法就是通过盾构机刀具配置及 优 化 掘 进 参 数 ，利 用 盾 构 机 自 身 能 力 破 除 风 化 球 ，俗 称 “硬 吃 硬 ”。
由于风化球岩质 较 硬 （饱 和 单 轴 抗 压 强 度 一 般 大于８０ ＭＰａ），盾构机刀具应以单刃盘形滚刀为主， 掘 进 时 应 采 用 小 推 力 、低 转 速 来 将 其 破 碎 成 碎 块 。
深圳地铁二期工程自 ２００７ 年 全 面 展 开，经 过 ４ 年多的时间建设，建成 了 １５５ｋｍ 的 地 铁 线 路，其 中 区间隧道大部分采用了盾构工法。大量的盾构工程 实践为深圳地区盾构施工解决花岗岩风化球问题提 供了平台。本文根据深圳地区地铁盾构隧道的施工 实践，探讨了盾构施 工 遇 花 岗 岩 风 化 球 的 处 理 对 策 及关键技术。
２．３ 竖 井 或 孔 桩 处 理 法 对具 备 地 面 施 工 条 件、已 经 探 明 风 化 球 发 育 的
地点，可以提前施做 竖 井 或 挖 孔 桩 处 理 风 化 球 或 用 冲孔桩破碎风化球。
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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614～624）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。
（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，较小的图4-56 右线盾构施工造成地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φ2.5m 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φ700mm 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4-57 右线里程YDK1+709 （624环）球状风化体情况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。