引言
地铁盾构施工过程中，孤石对盾构施工的影响非常大，孤石处理也一直是一个比较棘手的难题。本文基于花岗岩残积土层中的孤石成因及常见处理方法比较，探究孤石处理的有效方案，供参考。
1、花岗岩残积土层中孤石成因
花岗岩残积土发育过程中，由于花岗岩在成岩时的结构成分坚硬部分（主要是石英）聚集，以及在后期构造作用或风化过程中的差异，残留了较难风化的微风化或中风化岩块，从而在残积土层中遗留形成岩性较硬并多呈球状的风化孤石，因此花岗岩孤石又称“球状风化孤石”。
花岗岩残积土层中孤石的发育和分布规律不明显，石块形状各异，直径大小不一，其强度、硬度与周围地层存在较大差异，甚至抗压强度可达100MPa以上。
2.花岗岩孤石的主要特征
(1)由于孤石分布在花岗岩残积土层中，因此具有一定的隐蔽性。
(2)从外观上孤石大多呈“球状”，可用直径判断其大小。
(3)孤石内部无风化节理裂隙，岩质属中~微风化岩，硬度较高。
(4)孤石在风化残积土层中分布无规律性，造成处理难度大。
(5)孤石一般由岩石不均匀风化而成，其周围地层为风化残积土，力学性质不均匀。
3、盾构施工过程中花岗岩孤石造成的危害
花岗岩球状风化孤石的存在，在花岗岩残积土层中形成了软硬不均的不良地质现象，而由于花岗岩残积土遇水易崩解的特性，如不能较快处理盾构施工过程中遇到的孤石，地层中水分加剧地层软化，使得处于地层中的孤石对盾构施工的影响放大。
由于孤石位于花岗岩残积土层中，盾构机掘进时碰到的孤石难以固定，刀盘边缘滚刀和掌子面围岩很难产生足够的反力将孤石破碎。盾构机掘进时，孤石会一直在刀盘前方随着盾构机掘进向前，对地层造成很大的扰动。此外，孤石还会对盾构机刀盘及刀具产生磨损及破坏。如果孤石处在盾构的偏向一侧，可能会使盾构顺着孤石岩体被挤向地层软弱的另一侧，严重时会导致隧道轴线偏移。从而造成盾构机掘进姿态很难控制，增加了盾构掘进施工的风险和成本，严重影响隧道施工进度。
4、孤石探测方法
为保证盾构机能够顺利掘进，在盾构隧道施工期需要提前采用合理勘探方法，将孤石埋深及大小等探测清楚，然后根据孤石情况选择相应的处理方法进行提前处理，以减少盾构推进过程中的孤石风险。
（1）花岗岩残积土层孤石探测方法选择
在盾构施工前进行地质勘察，查明地质及孤石分布情况。常见的探测方式可分为地质钻探法和物理勘探法。传统的地质钻探法探查精度较高，是工程地质勘查中应用最广泛的一种勘探手段，但需进行大量钻孔才能探明孤石的大小、埋深、范围等，施工周期较长。物理勘探法简称物探，物探方法是一种间接的观测方法，是利用物理学原理和仪器获得已知岩矿石标本或模型的物性参数及其规律，再根据已建立的物性规律(数学物理模型) 去解释实际观测的参数值，然后再将物探成果(物性剖面、断面、平面图等) 解译为地质成果。物探法相对地质钻法精度欠缺，受周边环境影响因素大。
考虑到孤石对盾构施工的影响大，花岗岩残积土地层盾构施工勘察一般选用地质钻法进行孤石探测，以提高勘察精度，为盾构施工提供可靠依据。
同时鉴于花岗岩残积土层地质条件复杂，盾构掘进遇到孤石的可能性和处理未探明孤石的工期和安全风险较大，需要在孤石详勘的基础上进行孤石加密补勘。
（2）孤石特探测方法
①孤石勘察
为详细揭露孤石分布情况，盾构区间地质勘察时，按照一般的勘察的方案，勘察孔延隧道中心线间距10m布置，孔深钻至隧道底部外轮廓线以下1m。
②孤石边界探查。
对勘察钻孔揭露在隧道轮廓线外扩0.5m范围内有孤石的钻孔，周边进行加密探孔以探寻孤石的边界及高度，同时为下一步预处理提供相应条件。边界探寻加密孔围绕揭示有孤石的钻孔呈矩形对称向外布置，孤石探寻区域的边界在垂直隧道走向方向为隧道轮廓线外扩0.5m范围内，沿隧道中心线走向直至探寻孤石边界为止。孤石边界探寻孔由地面钻至区间隧道结构底标高以下0.5m，孤石预处理可仅对区间隧道结构以外0.5m的范围内的孤石进行处理。
③未发现孤石的勘察孔周边的孤石探寻
已确定有孤石发育区的盾构区间，10m钻孔间距若不能完全反映孤石分布情况，为了避免后期盾构掘进过程中遇到孤石后再进行处理，对未揭示孤石的区域分地质情况进行加密钻孔探寻孤石。加密补勘孔位于原勘察孔中间布孔，用来进一步了解区间隧道洞身范围内孤石的发育详细情况。
5、孤石处理方法
当勘察揭露孤石位于隧道洞身时，优先采用地面预处理。盾构机掘进过程中发现的孤石，如判断盾构机可直接掘进通过则采取检查、更换刀具等措施直接掘进通过；如判断盾构机直接掘进通过风险太大时，则进行地面或洞内处理后再掘进通过。
（1）盾构机直接通过
a、加强科学判断。安排有经验的工作人员在掘进过程中通过观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化（如推力、扭矩突然增大，盾构机有异响声等），来判断是否碰上球状风化岩体。
b、进行补充地质勘探，详细掌握孤石的分布情况，并判断盾构机可否直接掘进通过。
c、勤检查、勤换刀具。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆盾构机直接掘进通过的主要手段就是勤检查、勤更换刀具。根据不同情况可采用常压或带压开仓换刀等。
盾构机直接掘进破碎孤石风险较大，对盾构机机械性能要求较高，也不适合较多孤石分散分布区域。
（2）地质勘察后孤石提前处理
根据施工前期进行的地质勘探，确定盾构区间内孤石的大小、位置、周边环境等基本要素，然后选择合适的方法提前处理孤石。如采取孤石周围地层加固、钻孔爆破处理孤石（一般采用微差钻孔爆破）、人工挖孔破除孤石、冲击锤冲击破碎孤石、钻孔机钻孔劈裂孤石、旋挖钻机抽芯破碎孤石等方法。
①孤石周围地层注浆加固
此方法主要原理是采用注浆的方法，提高孤石周围地层的强度，以提高土体对孤石的握抱力，使孤石在掘进地层中不产生滚动，给盾构刀具提供反力破碎孤石。
②钻孔爆破处理孤石
此方法对环境要求较高，地面要有钻孔条件，距周边建筑较远。主要采用地质钻机在地面直接钻孔且穿透孤石，采用微差爆破法在孤石范围内装入炸药破碎孤石。
③人工挖孔破除孤石
按照方案做好人工挖孔桩，再把孤石周边的土层或岩层挖除，将影响盾构掘进施工的孤石直接破碎或用静态爆破药剂破成小块后取出，然后回填低标号混凝土或者砂浆。
此方法孤石处理比较直接，处理后的孤石碎块能取出，孤石碎块对后续的盾构掘进再无影响。适合孤石较少，隧道埋深较浅地区。
④冲击锤冲击破碎孤石
采用冲击锤从地表直接冲入地下一定深度至孤石高度，再用冲击锤直接破碎孤石或者将孤石冲至盾构隧道以下。冲孔的数量及冲锤的大小根据孤石大小确定，处理后的冲孔也要采用黏土进行回填并夯实。
该方法简单实用，但处理时间周期较长，效率低，对周边环境影响也较大。
⑤钻孔机钻孔劈裂孤石
确定孤石大小和位置后，从地面利用钻孔机对盾构隧道范围孤石进行钻孔劈裂，降低孤石强度，处理完成后回填夯实，盾构机推过。
此方法对大量孤石集中区域比较有效，操作简单，施工安全，不受孤石埋深和位置影响，仅对钻孔施工有场地要求。
⑥孤石旋挖钻机抽芯破碎处理
采用旋挖钻机进行抽芯破碎处理。钻孔孔位布置避开刀盘，采用梅花形布置钻挖抽芯将孤石抽取出，以达到孤石破除效果。孤石抽芯处理完成后，采用水泥砂浆回填。
此方法孤石处理效果较好，适合处理较大孤石，需要机械施工场地，机械成本较高。
（3）盾构掘进过程中遇到孤石的处理
对于盾构施工过程中遇到的孤石，考虑施工安全、成本和可操作性，应当优先选择按照地面处理的方式进行处理，地面处理条件不具备时再考虑洞内处理。
地面孤石处理参照地质勘察发现孤石的处理方法。
洞内处理一般方法有注浆加固土体直接盾构机掘进通过、盾构机开仓人工碎裂孤石、静态爆破等方法。
①注浆加固土体直接盾构机掘进通过
当地面没有注浆加固条件时，利用盾构机注浆孔进行超前钻孔注浆，对掌子面进行加固，以提高孤石周围土体的强度及对孤石的握抱力，使孤石在地层中不产生滚动，为盾构提供足够反力使盾构刀具可直接破碎孤石。
②静态爆破处理孤石
盾构机刀盘遇到孤石后，对孤石所处地层进行注浆加固并确保掌子面稳定的前提下，操作人员通过盾构机人仓进入仓内，对孤石钻孔并装入静态爆破药剂，膨胀破碎孤石，然后盾构机掘进通过。
③盾构机开仓人工碎裂孤石
同静态爆破处理方法类似，盾构机刀盘遇到孤石后，对孤石所处地层进行注浆加固并确保掌子面稳定的前提下，操作人员通过盾构机人仓进入仓内，直接对孤石进行人工碎裂，把孤石分割成小块碎石取出。
上述几种常见孤石处理方法，具有各自的优缺点，并且随着工程中所遇到的孤石大小、位置、形状以及周边环境等因素的不同，适应性也不尽相同。地铁盾构施工过程中应根据处理方法对地层适应、环境影响、施工风险、施工效果、工期成本以及所需处理孤石的大小，对几种常见的孤石处理方式进行比较，比选使用，提高处理效率和安全性，节约成本。
6、总结
随着轨道交通工程的不断发展，会有更多的工程遇到孤石处理的类似问题。在盾构施工过程中遇到的相应问题，既要按照现有的技术手段，摸清孤石情况，根据孤石的大小、位置、形状、周边环境以及施工的难度、经济性和工期等因素综合考虑确定处理方法，还要探寻运用新科学、新技术，提高孤石处理的安全和效率，降低时间和投入成本，从而不断促进轨道交通事业发展。
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论文作者:侯传峰
论文发表刊物:《中国建筑知识仓库》2019年01期
论文发表时间:2019/6/18
标签：盾构论文; 钻孔论文; 花岗岩论文; 方法论文; 隧道论文; 地层论文; 土层论文; 《中国建筑知识仓库》2019年01期论文;