淺埋盾構隧址區孤石處理技術

肖建輝 黨如姣

(中鐵城市發展投資集團有限公司，四川 成都 610032)

淺埋盾構隧址區孤石處理技術

肖建輝 黨如姣

(中鐵城市發展投資集團有限公司，四川 成都 610032)

介紹了目前孤石的主要處理技術，并以某海底淺埋盾構工程為例，從爆破預處理方案與鉆孔參數設計兩方面，闡述了隧址區含有硬質花崗巖孤石的預處理方法，保證了盾構機的順利掘進。

盾構隧址區，孤石，爆破參數，裝藥量

1 概述

隨著機械設備技術的進步，特別是盾構機制造業的飛速發展，越來越多的地下工程采用盾構機施工[1，2]，這些地下工程以隧道居多，且大多都埋深較淺。地球淺層地表土層復雜多變，含有自然形成的硬度較大的巖石風化核或人工建設形成的地下構筑物等，給盾構施工帶來了困難[3，4]。其中花崗巖風化層中的球狀風化核在盾構施工中較常見，特別是深圳、廈門、廣州等東南地區盾構施工過程中經常會遇到，對施工進程和安全影響大。孤石是巖漿中的石英富集部分不容易風化所形成的[5]，它的尺寸，分布位置隨機性大，強度較高，如采用盾構機直接掘進通過非常困難且風險大，可能會發生以下情況：1)盾構機姿態難以控制，刀具磨損嚴重，刀座和刀盤變形大；2)盾構機在花崗巖風化殘留體地層中掘進時震動很大，刀盤壓力難以控制，對地面環境保護極為不利；3)盾構掘進過程中，還時常會出現噴涌、塌方、刀盤被牢牢卡住或刀盤嚴重磨損而地質條件差又無法換刀等多種意外情況，此時，耽誤的工期一般在2個～6個月，極大地增加了施工成本和拖延了地鐵施工進度。因此，為保證盾構機的順利掘進，需在盾構機到達前對異物進行預處理。

2 孤石主要的處理技術

孤石主要處理方式有兩種，一種是地面處理，另一種是洞內處理。孤石處理方法要根據其大小、位置、形狀及周邊環境等因素來確定。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時，應首先采用地面處理方式；當地面不具備沖孔、挖孔條件時，采用洞內處理方式。地面處理方法主要有地層注漿加固后盾構推進、鉆孔爆破孤石、人工挖孔破碎孤石、沖孔樁破碎法；洞內處理方法有盾構超前注漿孔注漿、盾構掘進、靜態爆破、巖石分裂機破碎孤石、盾構機直接掘進。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

某核電站循環冷卻水先期兩條平行引水隧洞位于江門臺山腰古村，電站廠房位于陸域側，取水口設置在離岸不遠處的某島嶼上，隧洞采用盾構法從海底穿過，長約4 000 m，隧洞外徑為8.7 m，內徑7.3 m，采用盾構管片和二次襯砌復合支護結構，兩條隧洞凈距20.5 m。該引水隧洞為我國首次采用大斷面盾構機長距離施工的海底盾構工程。

由于該地區淺覆土地層中，未完全風化的花崗巖殘留體分布較為密集，兩條隧洞通過的址區中，先期工程地質勘探中發現也存有大量的花崗巖風化殘留體，下稱孤石。根據前期探測的成果，對已經發現的引水隧洞隧址區范圍內的異常情況進行鉆探驗證，取水隧洞在花崗巖段的洞身范圍內存在花崗巖風化殘留體和就近搬運和滾落的孤石的物探異常得到驗證，異常主要分布在核電站岸邊300 m范圍內，有兩處孤石群，其余地段中風化花崗巖未進入隧洞設計洞底。

3.2 爆破預處理方案

經過專家認證，建議采用爆破進行預處理隧址區內所包含的硬質孤石，對硬質孤石體進行爆破破碎，要求破碎后的石塊小于30 cm，以便能順利通過盾構的刀盤開口。

3.2.1 鉆孔設計

因探測結果表明，孤石區距離陸域側較近，且該區域水深僅3 m左右，決定采用對該區域進行回填的方式，以便后續的爆破工藝實施。為便于裝藥及鉆孔，設計鉆孔直徑為90 mm，先下直徑75 mm的PVC管，然后將藥卷裝入PVC管內。因鉆孔穿過的地層復雜，成孔不易，現場采用地質鉆機和潛孔鉆機相結合的垂直鉆孔形式鉆孔。

鉆孔間距：根據盾構機參數要求碎塊直徑要小于30 cm，結合物探和鉆探結果及現場實際情況，采用梅花形布置，炮孔排間距取0.8 m～1.0 m。每次起爆的首排炮孔宜比其后各排炮孔深0.2 m。

3.2.2 爆破參數設計

1)炸藥單耗計算。炸藥單耗主要與巖石強度、自由面數量、水深及上覆土層厚度、炸藥的爆速等相關。通過對現場各種影響因素的綜合比較，結合水下爆破的經驗和相關規定[6]，可選用瑞典炸藥單耗計算公式進行炸藥單耗計算，如式(1)所示：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

其中，q1為基本炸藥單耗，kg/m3，是一般陸地梯段爆破的2倍～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=0.01h2，h2為水深，m；q3為爆區上方覆蓋層增量，q3=0.02h3，h3為覆蓋層(淤泥或土、砂等)厚度，m；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度，m。

根據本工程爆破條件，對象基本位于地下15 m～25 m之間，計算炸藥單耗q在2 kg/m3～4 kg/m3之間，裝藥時根據鉆孔及取芯情況現場調節。

2)單孔裝藥量計算。根據選取的炸藥單耗計算公式，計算出炸藥單耗，單孔裝藥量計算公式采用：

Q=qabH

(2)

其中，Q為單孔裝藥量，kg；q為炸藥消耗量，kg/m3；a為炮孔間距，m；b為炮孔排距，m；H為孤石厚度，m。

鉆孔作業過程中，精確記錄好孤石取芯所得的孤石厚度，根據記錄的厚度代入公式計算出該炮孔的裝藥量。爆破完成后，對爆破位置再次取芯驗證爆破效果，結合爆破結果對爆破所選取的參數進行適當調整。

3)爆破器材的選擇。炸藥選用防水性能、安定性和起爆性能良好的單卷藥重1.2 kg、藥卷直徑為60 mm的 2號巖石乳化炸藥。雷管選用毫秒導爆管雷管，根據孔深導爆管要求長度30 m。因海邊雷雨多發，不使用電雷管，起爆結合起爆針及高壓起爆器進行起爆。

4)裝藥結構及起爆網絡。根據孤石大小，當孤石厚度小于2 m時，采用徑向集中裝藥結構，尺寸大于2 m的孤石采用間隔裝藥，均采用正向裝藥起爆。為確保臨近建筑物安全，在針對臨近建筑物進行爆破振動監測的同時，盡量減小一次起爆藥量，采用孔內外相結合的方式進行聯網起爆。為確保網絡起爆的成功率，采用兩套并聯網絡，并分別由兩發瞬發雷管連接起爆。

5)爆破效果取芯驗證。不同于有自由面的巖石爆破，孤石深埋于地層中，爆破效果很難看到。為驗證爆破后孤石破碎效果及爆破參數設計的合理性，爆破完成后需對處理位置地質鉆取芯，根據取芯實際情況來驗證爆破后巖體的破碎程度。圖1為爆破前某處孤石鉆孔取出的芯樣，巖體結構較完整，節理裂隙少。圖2為爆破后圖1處孤石取出的芯樣，從現場取芯結果可以看出：巖體比較破碎，大部分粒徑在10 cm以下，較大粒徑也在10 cm～20 cm，均小于30 cm。達到了對孤石進行預處理的效果，為盾構機的順利通過奠定了基礎。

4 討論

針對地層中所出現的異物，可采取多種不同的物探方法，根據環境條件不同，選取一種進行探測或多種合適的物探方法互相驗證以提高準確度的方法，來處理盾構隧道工程中隧道隧址區的異物，根據探測結果進行針對性的預處理，方法是行之有效的。如工程實例中，盾構穿越含有孤石的軟硬不均地層是盾構施工的一大難題，施工風險極高。基于孤石大小，分布位置的隨機性及其強度較高的特點，選擇合適的一種或多種物探相結合的方法進行孤石探測，首先確定了孤石的相對位置才能進行下一步的爆破預處理工作。而在前期物探及鉆孔驗證的基礎之上，對炮孔布置形式、裝藥量、裝藥結構、起爆網絡等精心設計，總結出一套針對海底隧道孤石爆破預處理的施工方法。對爆破后的炮孔進行取芯驗證的方法，結果表明：選用此爆破參數處理孤石破碎效果良好、孤石大塊率較低，滿足盾構順利通過的要求。

[1] 王夢恕.21世紀是隧道及地下空間大發展的時代[J].巖土工程界,2000,3(6):3-15.

[2] 王夢恕.我國地下鐵道施工方法綜述與展望[J].地下空間,1998,18(2):98-103.

[3] 張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4] [日]地盤工學會.盾構法的調查·設計·施工[M].牛清山，陳鳳英,徐 華，譯.北京:中國建筑工業出版社，2008.

[5] 竺維彬,鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京:中國科學技術出版社,2006.

[6] JTS 204—2008，水運工程爆破技術規范[S].

On treatment of boulder at shallow shielding tunnel address

Xiao Jianhui Dang Rujiao

(ChinaRailwayCityDevelopmentandInvestmentGroupCo.,Ltd,Chengdu610032,China)

The paper introduces the main treatment technique of boulders, and illustrates the advanced treatment of the hard granite boulder at the tunnel area from the blasting advanced treatment scheme and the drilling parameter design by taking some shallow shielding project at some sea bottom, so as to ensure the jacking of the shielding machine.

shielding tunnel area, boulder, blasting parameter, explosive payload

1009-6825(2017)05-0198-02

2016-12-07

肖建輝(1983- )，男，工程師

U455.43

A