周明[1]
中铁上海设计院集团有限公司，上海，200070
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。
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2.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。以上问题都会使刀具磨损严重、刀盘受力不均，刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形。盾构机需要频繁被动停机来对遇到的孤石进行处理，对受损的刀盘进行开舱换刀［5］-［6］。
3.盾构机被动停机的处理方法及效果
3.1 WSS注浆加固
盾构机在推进过程中，由于地层原因，遇到球状花岗岩孤石，而包裹孤石的地层为全、强风化地层，强度较小，周围地层不能提供足够的反力固定孤石，盾构机不能依靠刀盘上的滚刀破岩前进，随着盾构机的掘进，孤石不断的被挤压至土体产生较大的扰动，同时盾构机的姿态也难以控制，从而导致盾构机被动停机。在该情况下适用于WSS注浆加固。
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3.2 采用衡盾泥进行开仓换刀
盾构在球状花岗岩孤石地层掘进过程中，主要靠刀盘上滚刀的破岩前进，对刀具磨损严重，导致盾构机无法继续前进，造成盾构机的被动停机。主要适用于刀盘磨损严重，需要开仓换刀的情况
3.3 孤石清障
当盾构掘进过程中遇到较大孤石（群）时，由于孤石强度太高且孤石密集，刀盘上的滚刀不具备破除高强度孤石继续掘进的实力，此时需要对前方的孤石进行清障处理。
（1） 钻孔爆破孤石设计
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。
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（2）冲孔桩处理孤石设计、施工
对于尺径小于1m的小尺径孤石，在小区域内分布较为分散但能够明确位置的，可以采用冲孔成桩工艺进行孤石破除。对于尺径大于1m的大尺径孤石可考虑采用冲孔桩配合潜孔钻的共同作用来对孤石进行破除。
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（3）潜孔钻设计及施工
潜孔钻成孔方法比较适合钻进强度较高孤石或整体岩层，成孔速率较高，在进行冲击钻处理孤石设计的同时，辅以潜孔钻设计对孤石进行预裂，采用高风压潜孔钻对孤石进行预裂处理设计，可以进一步的提高孤石的处理效率，同时能保证孤石的处理效果。
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3.4 冷冻法加固处理
主要适用于刀盘前方遇到孤石，对于孤石处理后，盾构机仍无法正常掘进，需要对盾构机刀盘及前盾进行开仓，对设备进行检测和维修。
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3.5 启动脱困扭矩
盾构由于长期停机被裹死的，刀盘前方没有任何障碍物，盾构的机械、设备经检查都没有问题，可以启动盾构机的脱困扭矩，增大其旋转动力，促使刀盘切割周围土体，使盾构机恢复正常工作。
4.结语
盾构在正常掘进过程中被动停机一直是影响盾构工期及施工风险的重大难题，花岗岩球状风化孤石强度高，盾构机在通过孤石过程中对刀盘磨损严重，经常遇到被动停机的情形。本文从球状风化体孤石的形成原因出发，分析了球状风化体的形成机理、原因及对盾构施工的影响。以实际工程为依托，根据不同孤石的大小、位置、形状以及周边环境等方面对盾构机被动停机处理的设计和施工进行了分析，提出了多种成功的盾构机被动停机处理的设计及施工处理措施，有利于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。
参考文献：
[1] 竺维彬，朱六兵，刘乐元． 盾构穿越花岗岩球状风化地层的掘进技术［J］．城市建设
[2]黄恒儒.盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术［J］． 隧道建设
[3] 王鹏华． 不同地质条件下盾构工程孤石处理工艺及实例［J］．隧道建设
[4] 林存刚，吴世明，张忠苗，等．盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响［J］． 岩土力学，
[5]贾璐,温法庆,刘圣勇,皮膺海. 特殊地质条件下盾构机脱困技术研究[J]. 施工术
[6]米晋生，鞠世键.盾构掘进处理孤石施工技术[C]//2005 上海国际隧道工程研讨会文集.