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摘 要：厦门为“孤石”和“上软下硬”地层高发区域，盾构施工会带来掘进速度缓慢，掘进参数、地面沉降难以控制，盾构刀具损坏严重等问题。以厦门市轨道交通四号线彭厝北站～蔡厝站区间盾构隧道工程为依托，分析了上述地层的形成过程、分布特征、盾构区间在复合地层中施工存在的主要风险，介绍了盾构掘进通过上述地层的主要措施。结果表明盾构机在孤石及上软下硬特殊地层中施工掘进从提前破碎孤石和基岩、预设好换刀加固点和选择合理的掘进模式、掘进参数三个方面进行控制，并可以取得较好的施工效果，本文可为类似工程施工提供参考借鉴作用。
关键词：孤石；上软下硬；分布特征；盾构施工；解决措施
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0110-02
引 言
厦门已建和正在建设的地铁1～4号线部分盾构区间工程穿越地层地质复杂，其中上软下硬与孤石地层是盾构施工的最大难题[1]。盾构在穿越上述地层时出现刀片磨损严重[2]、盾构姿态难控制[3]、掘进速度缓慢[4]、地面易发生塌陷[5]等问题。目前，虽然对上软下硬和孤石地层的形成过程和施工技术措施有所研究，但是并没有将其两者的共同特性进行讨论，即两者之间形成过程的相似性和施工措施的相互借鉴性。因此开展上述地層的共性研究具有一定的现实意义、经济价值和必要性。本文以厦门市轨道交通四号线彭厝北站～蔡厝站区间盾构隧道工程为依托，对上述问题展开了相关研究，相关成果可为类似地层工程提供参考借鉴。
1 工程地质概况
厦门地铁四号线彭厝北站～蔡厝站区间位于厦门市翔安区新店镇彭厝村东南侧，区间起点里程DK57+010.515，终点里程DK59+431.95，线路全长2421.435m。根据钻探揭露，区间盾构隧道洞身穿越地层主要为残积土、全～微风化层，局部为粉质黏土、中粗砂、淤泥、砂混淤泥。地层结构复杂，区间隧道洞身在局部孔段（M4IZ2-TPC-04、M4IZ2-TPC-01、M4IZ3-TPC补-07-1孔处）揭露含有中等风化花岗岩孤石，沿线中等～微风化基岩起伏较大，局部上软下硬侵入洞身，形成如图1、图2和图3所示典型的软硬复合地层。
2 软硬不均地层的形成和分布
2.1 厦门软硬不均地层的形成
福建花岗岩地质面积约占全省1/3[6]，孤石和上软下硬地层的形成主要在花岗岩地层中；其次，福建省位于欧亚大陆板块东南边缘，板块之间碰撞和构造作用为花岗岩地层的裂隙发育创造了条件；再者，华南地区的多雨温暖气候和花岗岩的矿物质成分为花岗岩的不均匀化学风化创造了条件[7]。因此，结合厦门已建和拟建地铁的地质勘察情况，盾构掘进穿越软硬不均地层为大概率事件，为不可忽略的工程重难点问题。
2.2 厦门软硬不均地层的分布特征
2.2.1 “孤石”地层的分布特征
通过参考我国东南沿海基础设施工程出现类似孤石地层的分布特征[8]及对厦门地铁4号线彭厝北站～蔡厝站区间孤石分布的数理统计分析，厦门区域地层孤石地层分布规律大致如下：
由上往下，球状风化体的赋存状态依次为全风化带和强风化带，全风化带的风化效果较强风化带明显增强，因此风化球体表现出“上小下大、上多下少”的总体变化趋势，也就是说，全风化带中赋存的风化球体较多且较小，而强风化带中赋存的风化球体较少且较大；通过上述可以推测，随着高程的减少和埋深的增加，风化球体同样表现出“球径增大、个数减少”的总体变化趋势。
2.2.2 “上软下硬”地层的分布特征
通过总结厦门已建和拟建地铁的地质和详细勘察情况，厦门地铁四号线彭厝北站～蔡厝站区间由于地层不均匀风化出现微风化上软下硬的现象。上软下硬地层总体呈现以下特征：岩体节理裂隙较发育，岩芯呈短～长柱状为主，部分块状，RQD大致为70～95%，岩石天然抗压强度值大部分为55～95MPa之间。
3 软硬不均地层对盾构施工的影响分析
3.1 盾构姿态及工期风险
在孤石和上软下硬复合地层中掘进时，由于边缘刀具磨损过大或异常损坏，刀盘开挖断面变小，同时围岩与盾体之间间隙易被碎石渣塞满，越垫越高，盾构前体逐步被抬起“上漂”，从而造成以下现象的发生：盾构姿态不易控制，易往地层软弱的一侧偏移，甚至超出隧道设计轴线允许范围。
3.2 地面存在坍塌风险
在孤石和上软下硬复合地层中，盾构穿越孤石时，由于其赋存风化带相对较软，出现随刀盘转动的现象，对地层扰动较大，有可能造成地面塌陷的现象发生。
3.3 盾构刀具磨损大，开仓存在安全风险
盾构机在此地层中掘进，对刀具磨损很大，需要经常开仓检查刀具，如果强行开仓（因为此段埋深较浅，地层复杂，地下水较多，加压开仓效果无法保证），安全将难以保证（见图6）。
4 软硬不均地层盾构施工的措施分析
4.1 盾构选型和刀盘设计
盾构穿越软硬不均地层[9]时，需要考虑刀具对不同地层的适应性以及频繁开舱对地层稳定性的影响，复合式盾构机以土压平衡盾构为基础，兼备气压盾构和硬岩掘进机的构造原理和优点，对软硬不均地层具有较好的适应性。根据经验总结，刀盘开口率设置为35%，配置滚刀、切刀和齿刀等多种类型刀具相互配合掘进，配置泡沫注入装置。其中，刀盘开口布置在刀盘顶部处，以避免掌子面顶部地层遇水软化塌陷。
4.2 孤石及基岩补探
施工前，对软硬不均地层段进行加密补充勘察[10]，根据详勘揭示的孤石范围和数理统计所揭示的孤石大小多为0～3m，探明孤石具体存在与否的钻孔布置距离需要合理确定，选择钻孔布置的距离为沿着隧道延伸方向纵向2m、横向2m进行钻孔探明，一旦发现孤石，立即进一步加密钻探，在探明存在孤石的钻孔周边以0.75m×0.75m加密布孔，直至周边孔不再揭示孤石存在，以确定孤石的大小和埋深。 上软下硬特殊地层的补勘原理同孤石地层，钻孔布置沿着隧道延伸方向纵向5m设置一排补勘孔，每排设置3个补勘孔，分别布置在隧道左右边线和中线处，以确认基岩在隧道范围内纵断面和横断面的岩面起伏情况。
4.3 孤石及基岩的预爆破处理
4.3.1 孤石爆破
（1）采用地质钻机钻孔探测，钻孔垂直深度控制在盾构隧道隧底以下0.8～1.0m。
（2）地质钻孔水平分布宽度为8.0m，即控制在盾构隧道边线外0.4～0.5m范围内。
（3）布孔形式采用矩形或梅花形，孔距（a）及排距（b）视具体孤石而定，原则上设计为a=b，且取值为0.5m，同时为减少钻孔数量，可采用在原有的补勘孔位中间加密钻孔当做爆破孔位。
4.3.2 基巖爆破
因本段基岩大部分较厚，一般都是分段起爆，即首先对前排孔进行爆破，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。炮孔间排距为0.5×0.5m，钻孔超深1.0～1.2m，装药深度比基岩厚度深约0.8～1.0m。
4.3.3 现场实施效果
软硬不均地层爆破处理后，地面钻孔取芯符合盾构推进相关条件。
5 结 语
本文对盾构机在孤石及上软下硬特殊地层掘进过程中的施工控制技术进行了一定的探讨，在实际施工过程中严格按照上述施工控制技术进行施工，并产生了较好的施工效果，主要体现在以下三个方面：
（1）刀盘的刀具磨损均属于正常磨损，没有产生严重的刀具崩刃现象；
（2）在此区域段掘进时，没有发生过地面坍塌现象，出土量正常，地表沉降均在规范的允许范围之内，并安全、高效地多次完成了开仓换刀作业；
（3）盾构姿态控制良好，从已完成施工的隧道复测结果来看，其高程、中心误差均在±50mm之内。
参考文献
[1]林树枝，黄建南.厦门地铁工程建设的若干岩土工程问题探讨[J].福建建筑，2013（3）：1～3.
[2]易广俊.土压盾构机在掘进过程中常压开仓换刀的技术研究[J].建筑施工，2014（4）：435～437.
[3]郑礼均.孤石地层盾构推进施工技术[J].铁道建筑技术，2014（7）：11～13.
[4]彭 勇.土压平衡盾构掘进上软下硬基岩凸起地层施工措施[J].广东土木与建筑，2015（1）：59～62.
[5]张益柱.气压辅助土压平衡模式在花岗片麻岩残积层孤石发育区掘进应用与控制[J].建设科技，2017（10）：94～95.
[6]王 荣，曾克峰，陈植华，等.福建太姥山花岗岩地貌特征及成因分析[J].国土与自然资源研究，2011（1）：95～96.
[7]王 浩，刘成禹，陈志波，等.闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J].工程地质学报，2011，19（4）：564～569.
[8]冯 涛，吴 光，王 华，等.广东花岗岩地段球状风化地下分布特征分析[J].铁道建筑，2007（1）：104～105.
[9]王景峰.典型上软下硬地层盾构施工技术[J].铁道建筑技术，2014（9）：21～23.
[10]宗成兵，田恒星.花岗岩地层地铁隧道盾构孤石探测及处置新方法[J].科学技术与工程，2015，15（26）：11～18.
收稿日期：2018-3-25
作者简介：宋 勤（1985-），男，湖北洪湖人，工程师，本科，主要从事城市地下工程的计算，施工及管理工作。
关键词：孤石；上软下硬；分布特征；盾构施工；解决措施
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）12-0110-02
引 言
厦门已建和正在建设的地铁1～4号线部分盾构区间工程穿越地层地质复杂，其中上软下硬与孤石地层是盾构施工的最大难题[1]。盾构在穿越上述地层时出现刀片磨损严重[2]、盾构姿态难控制[3]、掘进速度缓慢[4]、地面易发生塌陷[5]等问题。目前，虽然对上软下硬和孤石地层的形成过程和施工技术措施有所研究，但是并没有将其两者的共同特性进行讨论，即两者之间形成过程的相似性和施工措施的相互借鉴性。因此开展上述地層的共性研究具有一定的现实意义、经济价值和必要性。本文以厦门市轨道交通四号线彭厝北站～蔡厝站区间盾构隧道工程为依托，对上述问题展开了相关研究，相关成果可为类似地层工程提供参考借鉴。
1 工程地质概况
厦门地铁四号线彭厝北站～蔡厝站区间位于厦门市翔安区新店镇彭厝村东南侧，区间起点里程DK57+010.515，终点里程DK59+431.95，线路全长2421.435m。根据钻探揭露，区间盾构隧道洞身穿越地层主要为残积土、全～微风化层，局部为粉质黏土、中粗砂、淤泥、砂混淤泥。地层结构复杂，区间隧道洞身在局部孔段（M4IZ2-TPC-04、M4IZ2-TPC-01、M4IZ3-TPC补-07-1孔处）揭露含有中等风化花岗岩孤石，沿线中等～微风化基岩起伏较大，局部上软下硬侵入洞身，形成如图1、图2和图3所示典型的软硬复合地层。
2 软硬不均地层的形成和分布
2.1 厦门软硬不均地层的形成
福建花岗岩地质面积约占全省1/3[6]，孤石和上软下硬地层的形成主要在花岗岩地层中；其次，福建省位于欧亚大陆板块东南边缘，板块之间碰撞和构造作用为花岗岩地层的裂隙发育创造了条件；再者，华南地区的多雨温暖气候和花岗岩的矿物质成分为花岗岩的不均匀化学风化创造了条件[7]。因此，结合厦门已建和拟建地铁的地质勘察情况，盾构掘进穿越软硬不均地层为大概率事件，为不可忽略的工程重难点问题。
2.2 厦门软硬不均地层的分布特征
2.2.1 “孤石”地层的分布特征
通过参考我国东南沿海基础设施工程出现类似孤石地层的分布特征[8]及对厦门地铁4号线彭厝北站～蔡厝站区间孤石分布的数理统计分析，厦门区域地层孤石地层分布规律大致如下：
由上往下，球状风化体的赋存状态依次为全风化带和强风化带，全风化带的风化效果较强风化带明显增强，因此风化球体表现出“上小下大、上多下少”的总体变化趋势，也就是说，全风化带中赋存的风化球体较多且较小，而强风化带中赋存的风化球体较少且较大；通过上述可以推测，随着高程的减少和埋深的增加，风化球体同样表现出“球径增大、个数减少”的总体变化趋势。
2.2.2 “上软下硬”地层的分布特征
通过总结厦门已建和拟建地铁的地质和详细勘察情况，厦门地铁四号线彭厝北站～蔡厝站区间由于地层不均匀风化出现微风化上软下硬的现象。上软下硬地层总体呈现以下特征：岩体节理裂隙较发育，岩芯呈短～长柱状为主，部分块状，RQD大致为70～95%，岩石天然抗压强度值大部分为55～95MPa之间。
3 软硬不均地层对盾构施工的影响分析
3.1 盾构姿态及工期风险
在孤石和上软下硬复合地层中掘进时，由于边缘刀具磨损过大或异常损坏，刀盘开挖断面变小，同时围岩与盾体之间间隙易被碎石渣塞满，越垫越高，盾构前体逐步被抬起“上漂”，从而造成以下现象的发生：盾构姿态不易控制，易往地层软弱的一侧偏移，甚至超出隧道设计轴线允许范围。
3.2 地面存在坍塌风险
在孤石和上软下硬复合地层中，盾构穿越孤石时，由于其赋存风化带相对较软，出现随刀盘转动的现象，对地层扰动较大，有可能造成地面塌陷的现象发生。
3.3 盾构刀具磨损大，开仓存在安全风险
盾构机在此地层中掘进，对刀具磨损很大，需要经常开仓检查刀具，如果强行开仓（因为此段埋深较浅，地层复杂，地下水较多，加压开仓效果无法保证），安全将难以保证（见图6）。
4 软硬不均地层盾构施工的措施分析
4.1 盾构选型和刀盘设计
盾构穿越软硬不均地层[9]时，需要考虑刀具对不同地层的适应性以及频繁开舱对地层稳定性的影响，复合式盾构机以土压平衡盾构为基础，兼备气压盾构和硬岩掘进机的构造原理和优点，对软硬不均地层具有较好的适应性。根据经验总结，刀盘开口率设置为35%，配置滚刀、切刀和齿刀等多种类型刀具相互配合掘进，配置泡沫注入装置。其中，刀盘开口布置在刀盘顶部处，以避免掌子面顶部地层遇水软化塌陷。
4.2 孤石及基岩补探
施工前，对软硬不均地层段进行加密补充勘察[10]，根据详勘揭示的孤石范围和数理统计所揭示的孤石大小多为0～3m，探明孤石具体存在与否的钻孔布置距离需要合理确定，选择钻孔布置的距离为沿着隧道延伸方向纵向2m、横向2m进行钻孔探明，一旦发现孤石，立即进一步加密钻探，在探明存在孤石的钻孔周边以0.75m×0.75m加密布孔，直至周边孔不再揭示孤石存在，以确定孤石的大小和埋深。 上软下硬特殊地层的补勘原理同孤石地层，钻孔布置沿着隧道延伸方向纵向5m设置一排补勘孔，每排设置3个补勘孔，分别布置在隧道左右边线和中线处，以确认基岩在隧道范围内纵断面和横断面的岩面起伏情况。
4.3 孤石及基岩的预爆破处理
4.3.1 孤石爆破
（1）采用地质钻机钻孔探测，钻孔垂直深度控制在盾构隧道隧底以下0.8～1.0m。
（2）地质钻孔水平分布宽度为8.0m，即控制在盾构隧道边线外0.4～0.5m范围内。
（3）布孔形式采用矩形或梅花形，孔距（a）及排距（b）视具体孤石而定，原则上设计为a=b，且取值为0.5m，同时为减少钻孔数量，可采用在原有的补勘孔位中间加密钻孔当做爆破孔位。
4.3.2 基巖爆破
因本段基岩大部分较厚，一般都是分段起爆，即首先对前排孔进行爆破，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。炮孔间排距为0.5×0.5m，钻孔超深1.0～1.2m，装药深度比基岩厚度深约0.8～1.0m。
4.3.3 现场实施效果
软硬不均地层爆破处理后，地面钻孔取芯符合盾构推进相关条件。
5 结 语
本文对盾构机在孤石及上软下硬特殊地层掘进过程中的施工控制技术进行了一定的探讨，在实际施工过程中严格按照上述施工控制技术进行施工，并产生了较好的施工效果，主要体现在以下三个方面：
（1）刀盘的刀具磨损均属于正常磨损，没有产生严重的刀具崩刃现象；
（2）在此区域段掘进时，没有发生过地面坍塌现象，出土量正常，地表沉降均在规范的允许范围之内，并安全、高效地多次完成了开仓换刀作业；
（3）盾构姿态控制良好，从已完成施工的隧道复测结果来看，其高程、中心误差均在±50mm之内。
参考文献
[1]林树枝，黄建南.厦门地铁工程建设的若干岩土工程问题探讨[J].福建建筑，2013（3）：1～3.
[2]易广俊.土压盾构机在掘进过程中常压开仓换刀的技术研究[J].建筑施工，2014（4）：435～437.
[3]郑礼均.孤石地层盾构推进施工技术[J].铁道建筑技术，2014（7）：11～13.
[4]彭 勇.土压平衡盾构掘进上软下硬基岩凸起地层施工措施[J].广东土木与建筑，2015（1）：59～62.
[5]张益柱.气压辅助土压平衡模式在花岗片麻岩残积层孤石发育区掘进应用与控制[J].建设科技，2017（10）：94～95.
[6]王 荣，曾克峰，陈植华，等.福建太姥山花岗岩地貌特征及成因分析[J].国土与自然资源研究，2011（1）：95～96.
[7]王 浩，刘成禹，陈志波，等.闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J].工程地质学报，2011，19（4）：564～569.
[8]冯 涛，吴 光，王 华，等.广东花岗岩地段球状风化地下分布特征分析[J].铁道建筑，2007（1）：104～105.
[9]王景峰.典型上软下硬地层盾构施工技术[J].铁道建筑技术，2014（9）：21～23.
[10]宗成兵，田恒星.花岗岩地层地铁隧道盾构孤石探测及处置新方法[J].科学技术与工程，2015，15（26）：11～18.
收稿日期：2018-3-25
作者简介：宋 勤（1985-），男，湖北洪湖人，工程师，本科，主要从事城市地下工程的计算，施工及管理工作。