侵入盾構隧道基巖地面鉆孔地下爆破預處理及效果檢驗技術

丁 銳，路耀邦，黨如姣，李 洋

(1.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009;2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著我國地下空間開發利用步伐的不斷加快，盾構施工作為地鐵、城市管線、越江、跨海等基礎設施建設的一種主要施工方法得到了廣泛應用［1－2］。基巖侵入盾構隧道在廣州、深圳、香港等地區的盾構施工中較常見，如果不對其進行預處理，而采用盾構直接掘進，則會出現盾構掘進效率低，刀盤刀具磨損嚴重，頻繁出現卡刀、掉刀、線路偏移等問題，不僅會嚴重影響施工進度，而且使施工面臨極大威脅，甚至導致工程失敗。

楊書江［3］結合廣州地鐵3號線大—漢盾構區間，采用鉆爆法開挖硬巖隧道并進行初期支護，盾構機空載推進拼裝管片通過;鄧彬等［4］依托深圳地鐵2號線僑香—香蜜站工程，通過調整盾構掘進參數，順利地通過了區間基巖突起地段;竺維彬等［5］針對復合地層中的基巖侵入體，采用地面鉆孔下藥施爆的控制鉆爆法，并通過鉆孔取芯來反饋、調整爆破設計，控制了巖石的破碎塊度;路耀邦等［6］結合臺山核電盾構區間基巖爆破預處理實際情況，采用爆破振動測試和爆破后鉆孔取芯相結合的方法調整、優化爆破參數，以達到滿足盾構施工要求的巖石破碎效果;黨如姣［7］采用高密度電阻率法與面波地震法相結合的方法，對隧道范圍內的基巖爆破和注漿效果的物探檢驗技術進行了研究，用電阻率值和橫波速度定量地分析了爆破和注漿質量，對爆破和注漿施工有一定的指導作用。

由此可見，盡管前人對侵入隧道的基巖已有不同的預處理方法，但處理后采用物探技術和鉆孔取芯相結合的方法驗證基巖預處理效果，可參考借鑒的文獻并不多。因此，為保證盾構機能安全順利地通過基巖突起地段，不但需對基巖突起進行預先處理，而且需要采用合理的檢驗方法對其破碎效果進行檢驗。

1 工程概況

深圳市軌道交通11號線車公廟站—紅樹灣站區間東起車公廟站，西至紅樹灣站，全長約5.5 km，區間線路大體呈東西走向，左、右線分修，其中心線距離為13.0 m，采用4臺內徑為6 m的盾構掘進。詳勘結果表明，左、右線均遇到基巖突起的情況，且最大單軸抗壓強度達150 MPa，這些侵入隧道范圍內的基巖將給盾構施工帶來較大困難，需要對其進行預處理。

1.1 工程地質與水文地質

區間隧道穿越地層主要為礫質黏性土、全強風化花崗巖，局部洞頂位于砂層或礫砂層中，局部底板位于中微風化花崗巖中。工程地質由上到下依次為素填土、填石層、淤泥層、黏土層、全風化粗粒花崗巖、強風化粗粒花崗巖、微風化粗粒花崗巖，盾構區間隧道洞身主要位于微風化粗粒花崗巖中。

區間范圍內的地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。其中，第四系孔隙潛水主要賦存于沖洪積砂層中，巖層裂隙水較發育，廣泛分布于粗粒花崗巖的中－強風化帶、構造節理裂隙密集帶及斷層破碎帶中。

1.2 基巖突起段分布情況

地勘資料表明，歡樂海岸人工湖下主要為基巖突起地段，右線隧道基巖突起段長284 m，左線隧道基巖突起段長271 m。其中，左、右線隧道頂板埋深約15 m，右線基巖突起最高點高出隧道頂板7 m，左線基巖突起最高點高出隧道頂板約6 m。計劃對歡樂海岸13#別墅基礎下的 138.709 m基巖突起段(左線72.275 m，右線66.434 m)進行提前處理，右線基巖突起段預處理縱剖面如圖1所示，突起段基巖單軸抗壓強度如表1所示。

圖1 右線基巖突起段地質縱剖面圖(單位:m)Fig.1 Geological profile of right tunnel tube showing bedrock intrusion(m)

表1 單軸抗壓強度統計表［8］Table 1 Uniaxial compressive strength［8］ MPa

2 爆破設計

2.1 鉆孔參數設計

現場鉆孔采用地質鉆機和潛孔鉆機相結合的垂直鉆孔方法，鉆孔直徑為110 mm。采用矩形布孔，鉆孔達到設計孔深后下直徑為90 mm的PVC管護孔。鉆孔在隧道左、右結構輪廓線外1 m范圍內布置，按分區域、分排順序進行，相鄰2個工作面的間隔距離為20 m，利用前排孔爆破對周圍土體擠壓產生的自由面逐個對后排孔進行爆破，炮孔平面布置如圖2所示。

圖2 炮孔平面布置示意圖(單位:m)Fig.2 Layout of blasting holes(m)

由于突起基巖最大埋深約23 m，需爆破厚度最大約9 m。為了保證爆破破碎效果，根據規范規定［9］，應結合現場巖面的高低來確定鉆孔間距。當巖面位于隧道中心以下時，采用800 mm×800 mm間距;當巖面位于隧道中心以上而未超過隧道頂板時，采用600 mm×600 mm間距;當巖面位于隧道頂板以上時，采用500 mm×500 mm間距。

2.2 裝藥量計算

2.2.1 炸藥單耗計算

目前，國內外關于水下爆破裝藥量的計算公式有很多［10－11］，但通常采用瑞典經驗公式進行炸藥單耗計算，計算公式為

式中:q1為基本炸藥單耗，是一般陸地梯段爆破的2～3倍，對水下垂直鉆孔爆破再增加10%;q2為爆區上方水壓增量，q2=0.01 h2(h2為水深);q3為爆區上方覆蓋層增量，q3=0.02 h3(h3為覆蓋層厚度);q4為巖石膨脹增量，q4=0.03 h(h為梯段高度)。

陸地普通堅硬巖石爆破平均單耗為 0.5～0.6 kg/m3，本次取 0.6 kg/m3，則當采用水下鉆孔爆破時，基本裝藥量 q1=1.1 × (3 ×0.6)=1.98 kg/m3，梯段高度h=9 m，水深h2=23 m，覆蓋層厚度h3=21 m，代入式(1)得:q=1.98+0.01 × 23+0.02 ×21+0.03 × 9=2.9 kg/m3。

由于本工程所爆破的巖石位于地下20多m，巖石上方覆蓋層較厚，爆點無臨空面，巖層越厚，夾制作用越大，則單耗也相應增加。適合本工程的炸藥單耗為qa=kq，k為巖層厚度系數，取1.0 ～ 1.5，這里取1.4，則qa=4.06 kg/m3。爆破作業過程中，將炸藥單耗調整為4.0 kg/m3，現場可根據巖石性質及厚度進行適當調整。

2.2.2 單孔裝藥量計算

單孔裝藥量

式中:Q為單孔裝藥量，kg;q為水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量，kg/m3;a為炮孔行間距，m;b為炮孔排間距，m;H0為設計爆層厚度，m。

當炮孔間距為800 mm×800 mm時，單孔裝藥量Q=4 × 0.8 × 0.8H0=2.56H0;當炮孔間距為600 mm×600 mm時，單孔裝藥量 Q=4×0.6×0.6H0=1.44H0;當炮孔間距為 500 mm × 500 mm時，單孔裝藥量 Q=4×0.5×0.5H0=H0。現場可根據炮孔間距及巖面高度直接代入計算。

2.3 火工品的選擇

炸藥選取防水性、安定性良好的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為60 mm，長度為40 cm。孔內雷管選用毫秒導爆管雷管，導爆管長25～30 m。

2.4 裝藥結構及起爆網絡

炮孔采用間隔裝藥結構，且均正向裝藥起爆，如圖3—5所示。考慮到爆破振動對周圍建筑的影響，采取孔內微差、孔外延遲爆破技術。為了確保準爆，采用2套并聯網絡起爆，起爆網絡如圖6所示。

為確保安全，防止爆破產生的沖擊波將鉆孔中的泥漿噴出，影響周圍環境，裝藥完成后，采取向PVC管內填充碎石，并灌注水泥漿;同時，地表用鋼板將鉆孔孔口覆蓋，并在鋼板上堆壓砂袋作為防護措施。

3 爆破效果驗證

為驗證爆破參數的合理性，準確判斷爆破后基巖的破碎效果，現場采取物探和鉆孔取芯相結合的方法進行驗證。

3.1 物探驗證

結合工區的地質特點和施工環境，對比了各種物探方法的適用范圍。高密度電法主要通過對地下半空間中傳導電流分布規律進行研究，以獲得地下介質的視電阻率，從而進行勘探，它具有靈活性高、能夠精確刻畫地下介質的電性差異、克服地表泥濘的惡劣環境、高效反映地下視電阻率的變化等優點，因此選用其作為爆破效果評估的物探方法。

3.1.1 隧道左中軸線爆破效果檢測

利用高密度電阻率法對侵入工區隧道左線的硬巖爆破預處理效果進行檢驗，因小里程段有人工湖的阻擋，無法布置測線，導致小里程段測線較短，圖7為相應的測線布置示意圖。左線采取爆破前、后分別探測，并對比探測成果，分析預處理效果。

圖7 左中軸線測線布置(單位:m)Fig.7 Layout of survey line along axis of left tunnel tube(m)

圖8為爆破前左線的高密度電法探測結果。圖8(c)中紅色虛線圈所在位置(ZCK7+760～+766)表現為淺藍色的相對高阻特征，這應是未爆破基巖所致，可見剩余未爆破區域很小，且受周圍爆破區域的影響，在反演剖面圖中其差別與周邊不顯著。

在圖8(b)視電阻率剖面結果中，深度15～24 m范圍內的視電阻率值與周圍介質有所差異，數值上表現為比上部淤泥土和黏土的視電阻率值大，比下部基巖小;同時，結果表現為數值的不均勻，推斷為爆破所致。從圖8(b)中可以看出，爆破完的區域視電阻率值(1 ～4.5 Ω·m)較底部基巖(＞4.5 Ω·m)明顯降低。

圖9為爆破后的探測結果，與爆破前相比，工作區已全部爆破完畢。圖9(b)和圖9(c)中紅圈位置視電阻率值與周圍介質的差異變小，表明隨著時間的推移，地下水逐漸滲流至該區域，地下水含量變大，爆破效果良好。

3.1.2 隧道右中軸線爆破效果檢測

利用高密度電法進行右線的硬巖處理質量監測工作，圖10為相應的測線布置示意圖。

由于同一里程斷面處左、右線基巖侵入隧道厚度相同，并且基巖爆破的處理方法一樣;因此，右線爆破前的探測結果可參考左線爆破前。

圖11為右中軸線爆破后的高密度電法探測結果。從施工狀態圖可知，此時探測范圍內既有未爆破的區域，也有爆破后的區域。圖11(b)視電阻率剖面紅圈所在位置(＞3 Ω·m)比同深度其他位置(＜3 Ω·m)的視電阻率值大，說明此處地下介質的含水量小，地層擾動小，正好對應未爆破區域，而其他區域由于爆破的原因，使得介質的視電阻率值變小。從圖11(b)視電阻率剖面和圖11(c)反演剖面上看，爆破位置的視電阻率值變得很小，與深部的基巖高阻(圖11(c)中深度25 m以下的黃綠色部分，數值上＞5 Ω·m)有明顯差異，說明爆破效果良好。

3.2 鉆孔驗證

在物探檢驗的基礎上，對認為可能存在大塊度粒徑的巖石地段，采用地質鉆孔方法進行取芯驗證，與物探方法結合驗證爆破后巖體的破碎程度。

圖10 右中軸線測線布置(單位:m)Fig.10 Layout of survey line along axis of right tunnel tube(m)

圖12為爆破后取出的芯樣，從現場取芯結果可以看出，巖體比較破碎，塊度基本控制在30 cm之內。爆破后，各取芯驗證孔的芯樣長度統計如表2所示，97.4%的芯樣長度在30 cm以內。其中，在10#鉆孔(里程為ZCK7+699.5)15 m深處取出長度為42 cm的芯樣，為現場裝藥過程中裝藥結構(上、下層)間隔過長所致。爆破后的破碎塊度達到了對侵入隧道巖層進行預處理的程度，為盾構機的順利通過奠定了基礎。

圖11 右線爆破后探測成果Fig.11 Results of geology prediction of right tunnel tube made after blasting

表2 芯樣長度統計Table 2 Lengths of rock core samples

4 結論與建議

4.1 結論

本文在前期地質詳勘及鉆孔驗證的基礎上，針對侵入隧道不同的巖面高度選擇了不同的炮孔間距，結合經驗公式對炸藥單耗、單孔裝藥量進行計算，并精心設計了裝藥結構及起爆網絡。取芯結果表明，基巖破碎塊度適中，能夠滿足盾構順利通過的要求，同時也證明了采用地面鉆孔爆破方法對侵入隧道的基巖進行預處理是可行的。爆破后，采用高密度電阻率法對基巖爆破預處理效果進行檢驗，對破碎效果進行定性分析。實踐表明，采用地面高密度電阻率法對爆破效果進行檢測是較佳的選擇，該技術可為類似盾構區間侵入隧道基巖的預處理及效果檢驗提供指導。

4.2 建議

采用地面高密度電阻率法較好地描述了由于爆破施工進展變化而導致的地下介質電阻率變化，從而推測其施工質量，實現對爆破施工質量的監測。但是，其缺點是只能得到中軸線上的情況，而無法反映全部地下工區的情況。因此，建議加大監測范圍及次數。此外，鑒于爆破區域地處人工湖，地下水較豐富，且爆破會擾動炮孔周圍地層，為保證盾構過基巖爆破處理后地層的氣密性，爆破完成后應立即對炮孔進行封堵，并根據壓水試驗求出該區域各地層的滲透系數，以此來檢驗炮孔的封堵效果。

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