隧道盾構區間含孤石的基巖凸起等不良地質探測
——以濱海快線為例

朱志武

中國交通建設股份有限公司軌道交通分公司

隧道盾構區間含孤石的基巖凸起等不良地質是目前城際鐵路工程隧道施工的難點之一。因孤石的分布具有離散型、區域性，后期處理難度大。一般大于0.5米的孤石需要采用人員破碎處理方法。在隧道掘進過程中如果遇到較大的孤石不僅會影響隧道掘進作業的開展，而且也對盾構設備產生一定損害，包括磨損刀盤刀具、降低刀盤強度、增加盾構機負荷、破壞主軸承和主軸承密封等一系列影響。針對此現象，在城際鐵路工程隧道施工時遭遇含孤石的基巖凸起地層，會對范圍內的孤石進行預處理，包括孤石勘探和孤石清除兩部分，常見的有爆破清除、密集鉆孔清除兩種方式，其中爆破清除效果較為徹底，但對環境影響較大；密集鉆孔對環境破壞較小，但施工成本較高。本研究根據濱海快線實際情況，將兩種方法有機結合，對隧道盾構區間含孤石的基巖凸起等不良地質進行探測[1]。

1 工程隧道盾構區間孤石群分布情況

濱海快線（福州-長樂機場城際鐵路工程）線路總長約62.4 km。該工程孤石類型主要為中風化花崗巖孤石，飽和抗壓強度介于 41.02～90.01 MPa，孤石堅硬，盾構不易推進，且不排除孔與孔之間可能存在孤石的可能性。利用微動探測技術和等值反磁通瞬變電磁技術進行探測后發現，1號孤石段左線有10處基巖凸起區域，存在10處孤石，1處破碎帶；右線有3處基巖隆起區域，存在15處孤石。2號線孤石段左線共有3處基巖隆起區域，存在11處孤石，1處富水區；右線有1處基巖隆起區域，存在5處孤石。3號大禮堂孤石段左線有3處基巖凸起區域，存在8處孤石；右線有2處基巖凸起區域，存在2處孤石。3號胡蘆山北坡孤石段左線為基巖凸起區域，存在3處孤石；右線存在6處孤石。4號孤石段盾構區間位于4中風化花崗基巖面以上。5號孤石段左線有1處基巖隆起區域，存在9處孤石；右線有1處基巖隆起區域，有8處孤石。6號孤石段左線有1處基巖隆起區域，存在2處孤石；右線存在1處孤石。7號孤石段左線有1處基巖隆起區域，存在3處孤石；右線存有2處基巖隆起區域，存在2處孤石[2]。

2 探測方法的選擇

2.1 微動探測方法

2.1.1 微動探測原理

微動探測方法是一種通過提取天然場源微動信號波頻散信息，然后對該信息進行反演后獲取地下介質橫波速度結構，通過分析地質體和周圍介質之間的波速，進而獲取工程地質存在的問題。地面存在的微動主要由面波和體波組成，其中面積產生的微動能量高達70%以上，與體波不同的是，面波在不均勻介質中進行傳播時會出現頻散現象，而體波不會發生該現象，因此微動探測以面波為主要對象。

2.1.2 微動探測步驟

首先利用微動探測儀器采集地面微動信號，然后利用空間自相關法提取地層頻散曲線，該曲線可以直觀的反映地層速度界面；其次采用反演方法對頻散曲線進行處理，獲取地層擬面波速度剖面圖；最后根據坡面圖分析施工現場現場存在的孤石。

2.2 等值反磁通瞬變電磁勘探法

2.2.1 瞬變電磁探測法原理

瞬變電磁法是一種利用不接地回線向地下發射一次場，然后通過感應線圈探測地下介質產生的二次場變化情況，根據該變化尋找地質體。該探測方法以相同的兩組線圈通以反向電流時產生等值反向磁通的電磁場時空分布規律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發射源，且在該雙線合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場，裝置如圖1所示。

圖1 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖

2.2.2 瞬變電磁勘探步驟

（1）天線與操作PC保持5 m以上距離，避免PC對數據的干擾；

（2）操作PC與儀器主機在水平通視狀態下，距離不能超過30 m；

（3）現場人和動物遠離天線，傳輸線纜不纏繞或繞圈[3]；

（4）發送頻率選擇：依據具體的探測深度和2020年南京地調中心的采集參數，本次工作發送頻率選擇25 Hz。

3 區間孤石預處理爆破設計

3.1 爆破方案

針對該工程地質孤石情況，為保證隧道盾構掘進作業有序開展，擬采用“深孔爆破法”對孤石進行預處理。首先在開展爆破作業前對爆破現場進行實地勘察，對爆破現場孤石進行分割、鉆孔，其次在地面上將炸藥安裝于指定位置，利用炸藥產生的能量將碎石進行解體、分割。考慮到施工現場孤石的位置、深度和強度等，開展爆破作業時需要控制炸藥量、爆破振動和飛石等，確保爆破作業的安全性。

3.2 爆破

當前應用較多的爆破方案是從地面布孔對孤石進行深孔爆破，爆破平面范圍為隧道兩側各1 m，然后對爆破區進行注漿回填。孤石裝藥每塊孤石均鉆至無巖石為止，從而可確定出孤石的邊界，孤石爆破鉆孔間距為0.8×0.8 m，按梅花型或矩形布置，個別孔洞位置可微調。根據揭示孤石的鉆孔參數計算藥包的長度，對于隧道外且距離0.8 m以上、粒徑0.3 m以下的孤石不予爆破，厚度2.0 m以下的孤石采用連續裝藥，孤石爆破布孔示意圖如圖2所示；厚度在2.0 m以上的孤石采用間隔裝藥，孤石爆破布孔示意圖如圖3所示。

圖2 厚度2.0 m以下孤石爆破布孔示意圖

圖3 厚度2.0 m以上孤石爆破布孔示意圖

3.3 爆破參數

（1）炮孔間距：孔距80 cm，排距80 cm。

（2）孔深L：對于孤石，穿透孤石，根據每個孔鉆取巖心的長度確定裝藥長度，爆破巖石的全厚度進行裝藥。

（3）炸藥單耗計算

依據瑞典的設計方法，單位耗藥量計算如式①至式④：

①K=k1+k2+k3+k4

②k2=0.01 h2；

③k3=0.02 h3；

④k4=0.03 h。

公式①至公式④中，k1代表基本裝藥量，當陸地爆破時，使用常規裝藥量即可，當水下爆破時，需要使用雙倍裝藥量（本工程項目爆破位置含有地下水，所以是水下爆破）；k2代表爆區上方水壓增量，kg/m3；k3代表爆區上方覆蓋層增量，kg/m3；k4代表巖石膨脹增量，kg/m3；h2代表水深，m；h3代表覆蓋層（淤泥或土、砂）厚度，m；h梯段高度，m。

本工程h=3m、h2平均取15 m、h3=18 m、k1=1.7 kg/m3，代入式（1）后求解K=2.3 kg/m3。

4 含孤石的基巖凸起等不良地質探測結果

本工程1號段孤石探測區域位于機場過夜停車場旁空港大到，左線位于硬化路面中間位置，右線位于北車道綠化帶中，本文主要利用微動探測技術和瞬變電磁探測技術對1號段孤石區域不良地質進行探測。微動探測結果如圖5所示。

圖5 1號孤石段探測結果

從探測結果來看，微動視橫波速度剖面垂向上呈現由淺至深速度不斷增加的特征；瞬變電磁反演視電阻率剖面整體為三層結構，即低阻、中阻和高阻。根據地質巖性資料可以將地層劃分為填砂層、細砂層、全-強風化花崗巖和中風化花崗巖[4]。

填砂層：1號孤石段左線填砂層地面海拔高度為0～7 m，平均厚度為2～3 m，其中最深位置在13 090點，該點可能為空港大道修建施工時的回填工程；右線地面海拔高度為6～9 m，平均厚度為2～3 m，該位置填砂層主要為空港大道修建過程中的回填物。從整體來看，1號孤石段左線和右線剖面厚度相對均勻。

粉細砂層：1號孤石段左線底面海拔高度為-12～6 m，平均厚度為9～18 m，該地層主要以粉砂和細砂為主，地層最薄位置厚度為2 m，位于70點，該位置屬于基巖凸起區域；后線底面海拔高度為-25～5 m，平均厚度為4～18 m，最薄位置厚度為3 m，位于80～120點左后，該位置屬于基巖凸起區域。

全-強風化花崗巖層：左線底面海拔高度為-30～0 m，平均厚度為8～18 m，該地層含有大量的云母、石英顆粒和長石，大部分長石已經被風化為粘土礦物，巖石風化劇烈；右線底面海拔高度為-30～2 m，平均厚度為5～7 m，從剖面厚度來看，左線和右線剖面厚度變化顯著。

中風化花崗巖層：1號孤石段左線頂界面海拔高度為-27～5 m；右線頂界面海拔高度為-30～7 m，最高位置位于55 m處。左線和右線地層均為粗粒花結構，塊狀構造，從地層厚度分布情況開看，左線和右線地層厚度均呈不均勻分布。

斷裂：1號孤石段左線坡面152～162m位置存在斷裂發育情況，兩盤落差為4m；右線剖面278～283m位置存在斷裂發育情況，兩盤落差為2m。左線和右線速度剖面均呈現斷崖式下降趨勢，瞬變電磁剖面存在低阻帶[5]。

5 結語

綜上所述，濱海快線1號段孤石探測區域工程實例驗證，微動探測方法和等值反磁通瞬變電磁勘探法可以有效地探明隧道盾構區間內孤石與基巖突起的分布位置、形狀、體積大小、風化程度等參數，為后期孤石的清除方案提供充足的數據基礎，能夠確保盾構掘進作業的有序性和安全性，提高城際鐵路工程施工的效率。