水下盾構隧道基巖爆破擾動地層管片外荷載實測分析

肖時輝,黃海斌,王明年,程海濤,劉大剛

(1.珠海大橫琴股份有限公司,廣東珠海 519031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 3.上海隧道工程有限公司,上海 200032)

城市跨江越海隧道作為一種安全、快捷、高效、環保的交通形式，迅速成為許多大城市解決兩岸交通問題的首要選擇[1-2]。海底盾構隧道修建過程中，經常遇到地層軟硬不均、硬巖凸起、球狀風化巖和穿越水底淺覆土層等情況[3-6]。鑒于施工考慮，通常采用工程爆破的方法處理隧道底部凸起的基巖及掘進斷面內的孤石。爆破施工時，爆破震動和密集的鉆孔造成了原始地層的頻繁擾動，改變了地層的性質。

蔚立元等[7]介紹了鄰近隧道爆破控制的研究現狀，根據FLAC3D動態計算的特點分析了小凈距海底隧道爆破振動響應。張欣，李樹才[8]采用ABAQUS計算軟件對爆破荷載作用下青島膠州灣海底隧道覆蓋巖層穩定性進行了分析。路耀邦等[9]通過采用爆破震動現場監測和鉆孔取芯的方法，總結出一套針對海底盾構區間孤石爆破預處理的施工方法。陽軍生等[10]依托臺山核電站取水隧洞工程對高強度基巖爆破預處理泥水盾構掘進特征展開了研究。

現階段針對海底隧道爆破的研究成果主要集中于礦山法隧道，基于盾構法隧道的海底軟土地層爆破的研究較少，主要依托臺山核電站引水隧洞工程[9-11]，且研究主要針對基巖爆破對盾構隧道施工的影響[12-13]。針對土層爆破擾動對盾構隧道圍巖荷載影響的研究尚未有相關文獻報道。

本文依托馬騮洲交通隧道工程，采用現場試驗的方法，對基巖爆破裝藥結構的爆破效果進行了驗證，并首次對水下盾構隧道基巖爆破擾動地層管片外荷載在施工階段的分布規律進行了分析。研究成果可供類似工程參考應用。

1 工程背景

1.1 工程概況

馬騮洲交通隧道工程位于珠海市南灣城區和橫琴新區，盾構隧道段長1.1 km，隧道外徑14.5 m，厚0.6 m，中心環寬2 m，通道涉及鐵路、道路、電力、給排水等多種功能不同的設施。選用直徑14.93 m的泥水平衡盾構施工。是國內首條海域超大直徑復合地層盾構法隧道。

1.2 工程地質

工程所處地質為典型的華南地區復合式地層。如圖1所示，盾構主要穿越地層有：②1淤泥、②2黏土、②3中粗砂夾黏土、②4淤泥質黏土、④中粗砂、⑤礫質黏性土，局部基巖埋藏較淺處，以及⑥1全風化花崗巖、⑥2強風化花崗巖、⑥3中風化花崗巖等高強度基巖。土層主要物理力學參數見表1。

圖1 工程沿線地質環境

土層重度/(kN·m-3)泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮模量/MPa淤泥16.30.46.13.41.96黏土19.20.330155.14礫質性黏土18.80.335.326.15.05強風化花崗巖19.10.232.525.45.58

2 現場測試方案

2.1 監測斷面

監測斷面①里程為WK2+600，對應第348環管片。隧道拱頂埋深12.2 m，底板埋深26.7 m，海水位深度約為6.37 m。隧道全斷面穿越的地層包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥質黏土、⑤礫質黏性土，屬于Ⅵ、Ⅴ級圍巖，見圖2所示。

監測斷面②里程為WK2+690，對應第392環管片。隧道拱頂埋14.92 m，底板埋深29.42 m，海水位深度約為3.6 m。隧道全斷面穿越的地層包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥質黏土、⑤礫質黏性土及⑥1全風化花崗巖，屬于Ⅵ、Ⅴ級圍巖，為基巖凸起斷面，需進行爆破處理，見圖3。

圖2 監測斷面①地質及儀器分布(單位：m)

圖3 監測斷面②地質及儀器分布(單位：m)

2.2 試驗設備及其埋設

海底爆破擾動地層襯砌外荷載的數值和分布情況的影響因素復雜，簡單的采用某一計算理論很難真實反映工程實際。采用YT-300A標準型鋼弦式滲壓計和YT-200A型振式高精度雙膜土壓力盒監測試驗環管片外側的水土壓力。

每環試驗管片共設5個土壓力測點，分別位于管片環的拱頂、左右拱肩及左右拱腳；共設3個水壓力測點，分別位于管片環的拱頂、側墻及底部。

為防止監測過程中泥沙堵塞滲壓計及運輸拼裝過程中的磕碰損壞滲壓計。埋設前先用醫用紗布多層纏繞滲壓計測水壓的端部，再用毛巾包裹，之后將滲壓計放入方形金屬盒內密封埋設在鋼筋籠外側。管片澆筑好后，將裝有滲壓計的金屬盒找出，敲出足夠多的孔洞使管片外側的水能與滲壓計連通(圖4)。土壓力計安裝如圖5所示。

圖4 滲壓計安裝

圖5 土壓計安裝

管片拼裝前，人工采集初始讀數。管片拼裝好后，立刻組網進行預埋儀器測試數據的自動采集。

3 爆破預處理

馬騮洲隧道在臺山核電站引水隧道基巖爆破裝藥結構的基礎上進行了爆破裝藥結構改進，如圖6(a)所示，在隧道上方設置小爆破點，小爆破點與泥面的距離大于5 m。圖6(b)為臺山核電站引水隧道基巖爆破裝藥結構[10]。

圖6 基巖爆破裝藥結構(單位：m)

由于基巖埋深較深，從而導致其爆破破碎難度較大，為了便于施工及達到爆破破碎效果，首先對前排孔進行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。馬騮洲基巖爆破裝藥結構較于臺山核電站引水隧洞的區別是在隧道的上方設置小爆破點。根據理論分析，隧道上部設置小爆破點有利于切斷泥水滲流路徑，從而省去爆破后對隧道上覆土層進行水平旋噴注漿加固的施工工序。

為驗證基巖爆破后爆破孔封堵效果，于西線岸上段WK1+991處進行爆破試驗。試驗共設17個爆破孔。根據冒漿試驗結果，在盾構推進過程中所有爆破孔均不冒漿(圖7)(其中包括不拔管、不封孔孔位)，結合西線隧道的順利貫通，可判斷爆破后是否進行注漿填充，對盾構推進并無影響，初步印證了于隧道上方設置小爆破點的作用。

圖7 冒漿實驗結果照片

爆破效果：經驗證，爆破后22號取芯最大直徑為22 cm，6號取芯最大直徑為26 cm，滿足盾構推進要求(圖8)。

綜合冒漿實驗結果及西線隧道施工的分析，考慮到經濟性、安全性以及可操作性，江中爆破采取爆破工況為：管材選用(價格較低的)祥塑管；于盾構推進斷面上方設置小爆破點；封孔采用自封孔工藝；爆破后只對水面上部管材做處理，其他不做處理。

圖8 監測斷面基巖爆破效果驗證

4 管片外荷載監測結果分析

4.1 水壓力分布規律

馬騮洲隧道施工采用的盾構機刀盤到盾尾的距離為13 m，盾構管片拼裝斷面距離盾尾4.7 m，即試驗環管片拼裝好后，盾構推進4.7 m(2.4環)時試驗環管片開始脫離盾尾并進行同步注漿。試驗環管片外側水壓力變化如圖9及圖10所示。

圖9 348環管片施工全過程水壓力時程曲線

圖10 392環管片施工全過程水壓力時程曲線

(1)全過程水壓力分布規律

從348環管片外水壓力時程曲線看，盾構推進到350環左右時，測試環管片脫離盾尾并進行同步注漿，外水壓力由于注漿壓力影響迅速上升為最大水壓力，達到了0.5 MPa左右。管片脫環后的5環內，盾尾同步注漿對試驗管片外水壓力影響顯著。之后注漿壓力作用減小，水壓力出現一個降幅。隨著盾構的推進，注漿壓力逐漸消散并趨于穩定，最終接近靜水壓力。由于潮汐及波浪的影響，該水壓力在消散過程中存在一定的波動。

對比348環和392環管片的施工全過程水壓力時程曲線，可知兩測試斷面試驗環管片的各測點外水壓力呈現相同的變化規律，反映了施工階段作用在管片上的外水壓力主要是同步注漿漿液流體和實際土層滲透水壓的聯合作用。

斷面②由于隧道底部存在基巖凸起的情形，盾構施工前采用爆破的方式進行了預處理。海底無自由面爆破擠壓軟土土層，破壞了軟弱土層中原有的滲流通道，因而同步注漿引起的超靜孔隙水壓消散較斷面①緩慢。這也驗證了在隧道上部設置小爆破點能起到切斷泥水滲流路徑的作用。

(2)穩定時段水壓力分布規律

西線隧道貫通后，測試斷面外水壓力基本趨于穩定狀態。由西線隧道貫通6個月后的水壓力實測值(表2)可知，襯砌水壓力隨隧道的埋深增加而增大，水壓力總體呈現頂部低、下部高的規律，與隧道區域滲流場的分布規律一致，隧道管片外水壓力接近或等于靜水壓力[14]。根據文獻[15]，當水下隧道采用全封堵襯砌時應取β=1，即水壓力不折減。該工程的現場實測數據驗證了這一理論。其誤差可能與不同土層滲透性能、潮汐變化及波浪浪涌等因素有關。

表2 穩定水壓力

4.2 接觸壓力分布規律

試驗環管片實測接觸壓力變化見圖11、圖12所示。

(1)全過程接觸壓力分布規律

從兩監測斷面接觸壓力時程曲線可知，在管片環脫離盾尾時管片進行同步注漿作業，接觸壓力急劇增加，隨著隧道的掘進，管片接觸壓力在時間和空間上都發生著變化。施工過程中每個測點的數據變化都存在加速段、減速段和變化趨于穩定時段。

在管片脫離盾尾15環內，注漿壓力消散過程中漿液濾出水滲流和土體彈性變形進行復雜的耦合作用[16]。對比圖11與圖12可知，斷面②管片外側接觸壓力在消散過程中相較于斷面①管片接觸壓力存在更大的波動。分析認為爆破施工時，爆破震動和密集的鉆孔造成了原始地層的頻繁擾動，使得斷面②的地層條件更為復雜，即該處地層注漿壓力與水土荷載的“耦合”更為復雜。

圖11 348環管片施工全過程接觸壓力時程曲線

圖12 392環管片施工全過程接觸壓力時程曲線

(2)穩定時段接觸壓力分布規律

斷面①與斷面②除隧道底部外，隧道兩側土層分布情況基本一致。對比穩定時段348環管片外側接觸壓力與392環管片外側接觸壓力的大小可知，392環管片側向接觸壓力要比348環管片大得多，可認為基巖無臨空面爆破破壞了土層原有的結構，使得土層更為破碎，側壓力增大。在進行爆破地層盾構隧道結構設計時，應充分考慮爆破對土層擾動的影響。

試驗環管片脫離盾尾20環后，圍巖壓力不再受施工環境的影響，趨于穩定。由于漿液體凝固后在管片環周圍形成硬化包裹層，漿液體將壓力分擔給測點鄰近襯砌結構，使得個別測點接觸壓力值實測數據偏小。對比圖9與圖11，圖10與圖12可知圍巖壓力主要體現為水壓力。

5 結論

(1)該盾構隧道用于基巖/孤石爆破的裝藥結構，經過現場驗證具有良好的爆破效果。

(2)海底盾構隧道基巖/孤石爆破時，在隧道上部設置小爆破點能起到切斷泥水滲流路徑的作用，可簡化施工作業，利于盾構施工。

(3)海底盾構隧道無自由面爆破破壞了土層的原有結構，對隧道的外荷載有較大的影響。主要表現為注漿過程中水壓力消散較慢；漿液消散過程中水土“耦合”更為復雜；爆破地層隧道側壓力增大。

(4)監測數據表明無論爆破與否，海底盾構隧道圍巖壓力仍表現以水壓力為主的特征。