张 颖

(苏州轨道交通有限公司，江苏苏州 215006)

0 引言

大漂石一般指粒径大于200 mm的卵石，通常赋存在砂卵石地层或其他土层中，其空间分布具有较大的随机性，很难找到规律;且由于钻探布孔密度的原因，地质勘察时不易被发现，给盾构施工造成极大困难。其影响主要表现为:刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难;刀盘过度磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀盘变形;刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏;大漂石无法破碎，导致盾构掘进受阻或偏离设计线路等。

在盾构法施工大漂石处理技术方面，陈馈等［1］介绍了刀具的种类和破岩机制;管会生等［2-3］介绍了地铁施工时大漂石对盾构选型的影响、大漂石的行为预测和处理;酒井荣治等［4］研制了一种适合漂石、卵石砂砾层的盾构，该盾构尽量有效利用不破碎的优点，以减少刀具的磨损;杨书江及刘建国［5-6］等分别针对成都和深圳地铁施工中的大漂石处理技术进行了介绍;张兵和刘东等［7-8］针对北京直径线的富水砂卵石施工，论述了撕裂刀和滚刀对大卵石胶结层的破碎效果和刀具配置建议。上述研究大多是针对某一特定地质进行分析，反映的问题不够系统，没有给出解决较全面的措施。本文结合富水砂卵石地层中盾构法隧道施工实践，对滚刀破碎大漂石原理进行了阐述，提出了土压平衡盾构和泥水盾构在大漂石处理上的针对性设计，并总结出了行之有效的大漂石处理措施和“破大放小”的成功处理经验。

1 大漂石破碎原理

在滚刀破碎卵石的过程中，以其通过线为起点，逐渐产生拉伸力，从而将卵石破碎。

如果是较小的卵石，破碎过程就如用钢钎打入一样。若是大直径卵石则从表面出现细小的剥落开始，然后逐渐累积，根据切割连带效果和滚刀的连续运转带来的冲击，以刀尖为起点开始出现裂痕，最后实现破碎。具体过程见图1。

对于最大卵石直径不超过200 mm的砂卵石地层，在盾构选型和刀盘设计时按可能通过的最大卵石直径确定刀盘开口率和开口宽度。进入土仓的卵石粒径必须与螺旋输送机的输送能力相适应，确保进入土仓的卵石能被螺旋输送机顺利排出。

当最大卵石直径超过200mm时，由于受安装空间的限制，增大螺旋输送机直径受到多方面的制约，即使增大刀盘开口也难以有效解决排碴问题。只能在提高刀具破岩能力的同时，考虑其他辅助工法进行大漂石的破碎。对无水砂卵石地层可考虑采用辐条式刀盘或者辐条面板式刀盘，辅以带式螺旋机出碴。3种刀盘类型见图2。

图1 大漂石破碎示意图Fig.1 Pictureofboulderbreaking

2 大漂石对盾构选型的要求

为了确保盾构掘进的顺利实施，根据大漂石的粒径和密集成群的分布特点，在盾构选型时做了针对性设计。刀盘采用面板式结构，可维持掌子面的稳定，刀盘布置有多个开口槽，单个开口的大小将限制进入土仓或泥水仓的卵石大小。一般采用在开口部位焊接隔板的方法(见图3)，把400mm粒径以上的卵石阻止在刀盘以外，只允许400mm以下粒径的碴块通过以利于渣土排出。刀盘上安装有滚刀、撕裂刀、刮刀和切刀，被挡在刀盘外的大漂石靠滚刀滚压破碎。

图2 刀盘图Fig.2 Cutterheads

2.1 泥水平衡盾构

泥水盾构处理大漂石主要有以下2种方式:

1)刀盘前破碎 +机内破碎。在刀盘前利用布置的盘形滚刀将大漂石破碎至400mm以下，大漂石碎块和小于400mm的卵石通过刀盘上的开口进入泥水仓内，在气压仓的底部、排泥管吸浆口的前端安装了一台双颚板式破碎机(见图4)，将卵石再次破碎到粒径140mm以下后，才进入排泥管。破碎机能破碎的卵石的最大尺寸为400mm，其后配有隔栅条，用来限制进入排泥管的石块的尺寸。

图3 刀盘开口位置焊接的隔板Fig.3 Welded diaphragm at opening position of cutterhead

图4 双颚板式破碎机Fig.4 Double-jaw slat crusher

2)刀盘前破碎 +卵石分级。盘形滚刀将大漂石在刀盘前进行破碎之后，利用在气压仓与排泥管之间设置的旋转式分级器进行卵石分级处理，将粒径大于70 mm的卵石分离出来，采用碴车运输至洞外，相当于在泥水盾构之外，还需要配备土压盾构的矿车出碴系统(差别仅是没有安装螺旋输送机)，这种方式出碴效率较低，从而制约了盾构掘进效率的发挥，国内尚未见到工程应用实例的报道。

2.2 土压平衡盾构

土压平衡盾构采用螺旋输送机进行排土，由于配备的螺旋机直径受到盾构尺寸的限制，使排除的卵石直径受到限制，如轴式螺旋输送机直径为800 mm时，通过最大卵石粒径为300 mm。需利用刀盘上的滚刀将大粒径漂石破碎至300 mm以下，然后通过刀盘上的开口进入土仓内后采用螺旋输送机排土，效率较高。在富水砂卵石地层中，土压平衡盾构螺旋输送机采用了双螺旋、轴式，不仅提供更大的内径以利于大卵石的通过，而且有效地防止喷涌。成都地铁一号线一期工程盾构4标通过螺旋输送机上的预留孔注入膨润土、泡沫或聚合物等，极大改善了渣土的的流动性，确保了排碴的顺畅。

针对大漂石的盾构设计有另外一种思路，即采用辐条式刀盘，开口率65%左右，带式螺旋机排碴。日本在这方面成功经验较多，日立盾构采用直径1 000 mm的带式螺旋机，可以输送725 mm×670 mm的卵石，直径845 mm的带式螺旋机，可以输送630 mm×570 mm的卵石，即使在含大漂石的砂卵石地层中亦完全适用;但地下水位较高时，带式螺旋机容易出现喷渣问题，实际效果还有待于验证。

3 大漂石处理措施

清除大漂石对于施工人员和工程项目的危险性较高，掌子面坍塌可能造成人员伤亡，也可能引起隧道顶部地面过大的沉降。在没有自稳能力的地层，常压进入土仓或泥水仓的风险极大，通常需要从地面注入浆液或通过刀盘向开挖面地层注入浆液对土体进行加固。

3.1 掘进过程中出现大漂石的判断

在掘进过程中，出现下列情况之一时，初步判断刀盘前方可能遇到大漂石。

1)刀盘前方出现异常声音;2)正常掘进速度突然变小;

3)盾构推力、扭矩突然波动较大;

4)刀盘转动时出现颠簸现象，无法继续掘进。

3.2 利用盾构切削处理大漂石

1)做好补充地质勘察，在盾构到达大漂石地段前做好刀盘刀具的检查，保证刀盘刀具处于良好的工作状态。

2)改变掘进参数，适当减小刀盘转速，增大推力，将刀具的贯入量控制在10 mm/r以下，同时刀盘采取正、反转的方式缓慢切削大漂石，注意控制刀盘的扭矩变化量在10%以内。在刀盘正、反转的过程中应有耐心，不得急燥。

3)泥水平衡盾构在切削大漂石过程中注意控制好泥浆性能和泥水仓压力，保证掌子面泥膜能有效稳定掌子面，减小刀盘刀具的磨损，必要时调配优质泥浆。在切削大漂石过程中注意碎石机系统的检修，保证碎石机以良好的工作状态及时破碎可能产生的大粒径卵石，防止泥浆管路堵塞。

4)土压平衡盾构在切削大漂石时，尽可能多的向刀盘、土仓以及螺旋输送机内加入泡沫或膨润土泥浆进行润滑。

3.3 带压进仓处理

采取上述措施后，若未能破碎大漂石，优先考虑带压处理。在富水砂卵石地层中已经有成功实施泥水平衡盾构和土压平衡盾构带压进仓的技术。作业人员进入泥水仓(或土仓)利用液压锤或静态爆破进行大漂石的处理。

3.4 地层加固后常压进仓处理

在带压进仓条件不允许时，考虑从地面进行地层加固，待掌子面有足够的自稳能力后，进入泥水仓(或土仓)利用液压锤进行大漂石处理。常压进仓地层加固应综合考虑地质情况、隧道埋深、地面环境等确定加固措施。地层加固方面的工程实例较多，在此不做详细介绍。

3.5 深孔爆破处理

深圳地铁在地面具有围挡施工的条件下，采用了深孔爆破处理新技术。深孔爆破是指孔深在5 m以上的钻孔爆破技术，可根据大漂石的形状、大小来确定孔径、深度和装药量，对厚度较大的大漂石可实施分层爆破。考虑盾构的出渣能力，爆破后石块的单边长度控制在300 mm以下，以利于螺旋输送机顺利出渣。爆破后石块的大小通过调整爆破孔间距和用药量来进行控制。钻孔直径为110 mm，孔距和排距均为800 mm。孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，起爆雷管选用顺发电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为60 mm。

3.6 人工挖孔桩或冲孔桩破碎

对个别体积较大的大漂石，采用地表人工挖孔桩或冲孔桩的方法破碎，设计挖孔直径1.5 m。人工挖孔至孤石位置，采用风钻打眼，间距300 mm×300 mm，梅花形布置，孔径40 mm。钻孔结束后使用岩石劈裂机对大漂石进行破碎，破碎后碴块被清理吊出，破除至盾构周身范围以外15cm。大漂石破碎后，对孔洞进行黏土回填，并随填随夯，保证密实度，同时在孔中埋设注浆管，回填完毕后对其进行注浆加固。

准确判定大漂石的位置后，用冲孔钻机从地面冲孔破碎也是一种有效的处理方法。

4 结论与建议

实践证明，利用盾构切削系统破碎大粒径的漂石然后排出(即“破大放小”)的原则是可行的。在含大漂石地层中掘进时，应进一步提高盾构刀盘刀具、碎石机和排浆泵及管路、螺旋输送机等系统的耐磨损性能。对土压平衡盾构，采用增大刀盘开口或采用辐条式刀盘同时利用大直径带式螺旋输送机来输送大粒径卵石的措施来处理大漂石，以提高盾构掘进效率、减小刀盘刀具以及渣土输送系统的磨耗，可在今后的施工中做一些尝试。

［1］ 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 管会生，高波.陆建新软土隧道中大漂石的处理与行为预测［C］//大直径隧道与城市轨道交通工程技术——2005上海国际隧道工程研讨会文集.上海:上海市土木工程学会，2005.

［3］ 管会生.盾构选型中大漂石的影响及处理［J］.建筑机械化，2008(4):57-59.(GUAN Huisheng.Affection of boulder to shield model selection and its processing method［J］.Construction Mechanization，2008(4):57-59.(in Chinese))

［4］ 酒井荣治，岛田英树，松井纪九男，等.漂石、卵石砂砾层用多轴破碎型盾构掘进机的研制［C］//2003非开挖技术会议论文专辑.北京:非开挖技术中心，2003.

［5］ 杨书江，章龙管，韩亚丽，等.富水砂卵石地层盾构法施工关键技术研究［R］.郑州:中铁隧道股份有限公司，2009.

［6］ 刘建国.深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策［J］.现代隧道技术，2010(5):79-83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in aard and soft mixed strata of Shenzhen Subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010(5):79-83.(in Chinese))

［7］ 张兵，李建华.砂卵石地层大直径泥水盾构刀具配置适应性分析［C］//中铁隧道集团第三届科技大会论文集.洛阳:中铁隧道集团有限公司，2010.

［8］ 刘东.繁华城区富水砂卵石地层大直径泥水盾构隧道施工关键技术［J］.隧道建设，2011，31(1):76-81.(LIU Dong.Key construction technology for large diameter slurry shield tunneling in water-rich sandy gravel strata in busy urban area［J］.Tunnel Construction，2011，31(1):76-81.(in Chinese))