馬騮洲隧道海底孤石探測與鉆爆處理

胡天寶，韓元東，蔣 輝，謝志輝

（1.上海隧道工程有限公司；上海市200232；2.北京同度工程物探技術有限公司，北京市 100000；3.廣東明源勘測設計有限公司，廣東 珠海519000）

0 引言

珠海馬騮洲隧道為橫琴島的第三條交通通道，穿越馬騮洲水道，采用盾構機施工。隧道長約600 m，最大埋深34 m，直徑約15 m，雙向隧道。隧址地層從上至下為海陸交互相、海相沉積的淤泥、淤泥質土、粘土、中粗砂層、花崗巖殘積土和下伏的全風化、強風化、中風化花崗巖。工程地質勘探發現區內全、強風化層內存在孤石，對盾構施工安全構成威脅。孤石形態復雜，大小不一，分布無規律，對于工程鉆探與工程物探勘查都是疑難問題。依靠鉆探排查工作量太大，國內外的物探技術對于海底孤石的探測也是缺少成功經驗。現有的地質雷達和電磁方法難于用于海洋工況，反射地震方法的分辨率達不到孤石探測的要求。近年發展起來的用于非均勻地質對象勘察的地震散射新技術，在地鐵注漿效果評價[1]、采空區檢測[2]，道路與隧道病害診斷中已有成功的應用[3、4]。比較了孤石探查的多種物探方法[5-9]，在馬騮隧道海底孤石的探測中選擇了地震散射技術。由于海流影響大，航道交通干擾嚴重，探測能否達到預期效果還有一定的存疑。幸好該項工程中施工了2 426鉆孔，對物探結果起到了有力的驗證作用。

本文首先概要介紹地震散射法用于馬騮洲隧道孤石勘探的結果。通過對物探結果與施工各階段鉆探資料地分析對比，證明地震散射技術用于海底孤石的探測是可行的。同時表明，采用物探先行，結合鉆爆處理，是解決復雜地質條件下盾構施工安全的經濟有效手段。

1 物探結果概述

地震散射是近年發展起來的一種工程勘探新技術。它以非均勻地質模型為基礎，比地震反射法具有更高的分辨率。可用于孤石、巖溶、空洞、采空區和注漿體的探測。在馬騮洲隧道孤石探測中采用了這種方法。

勘探區為長300 m寬60 m的矩形區域，探測深度超過60 m。勘探區內按縱向1 m，橫向2 m的網格，在節點上布置炮點10 400個。采用能量2萬焦耳的電火花震源激發，24道地震系統接收，GPS系統定位。勘探得到每個炮點上垂直剖面的巖土介質波速分布，聯合所有炮點資料，組成測區的三維波速結構。這里將波速作為巖體的物理屬性，表征巖土質介質的力學性狀。三維波速數據的縱向點距1 m，橫向點距2 m，深度點距1 m。三維波速數據支持縱向、橫向、水平方向的剖分及后續數據處理。從三維波速數據中，可提取不同地層、巖性的空間分布。

結合巖芯實驗測試資料，將速度高于2 400 m/s的巖體確定為中等風化巖與孤石，其頂面高程分布繪于圖1。它表征了測區內中等風化巖和孤石的埋深。圖1中紅色表示埋深淺，藍色表示埋深大。從圖1可以看到，大多數地段的中等風化巖高程在-40 m到-38 m范圍內。隧道的最大埋深為-34 m，因此取高程-33 m做水平速度切片繪于圖2。圖2中將波速高于2 400 m/s巖體統稱為孤石，用紅色表示，其中大部分為基巖突起，少部分為殘留的孤石。按上述標準，測區內共發現孤石67處，其中在隧道范圍內的有25處，直徑超過3 m的有9處。圖中黑色橢圓輪廓為隧道與平面的交線。這25處孤石的幾何參數列于表1中。表1中給出了孤石的編號、相對坐標，以及與隧道的關系。

圖1 波速2 400 m/s巖層表面高程分布圖

圖2 高程-33 m波速水平切片與孤石分布圖

圖2 中黃褐色區域的波速在2 000～2 400 m/s范圍內，為強風化巖；淡黃色區域的波速在1 800～2 000 m/s范圍內為全風化巖。

在物探工作結束之后，先后開展了鉆探驗證、孤石排查與鉆爆處理工作，共施工了2 426個鉆孔，這些資料對于物探技術的發展和工程應用都是十分寶貴的，值得認真總結。現分別對這些結果進行系統的對比分析。

2 鉆探驗證

物探工作完成后，于2016年1月29日至3月11日，選擇了3處隧道區以外的孤石作為驗證對象，開展了鉆探驗證。其中34#和35#號孤石位于東西兩隧道中間部位，49#號孤石處位于測區西北側邊緣。這次驗證共施工了87個鉆孔。驗證結果為兩實一虛。詳情如下：

（1）鉆探證實34#和35#號孤石位置正確。物探與鉆探位置的平面偏差僅1 m，最大偏差3 m；深度誤差為1.4 m，相對誤差為4%。

（2）49#號孤石因為靠近邊緣，定位精度不夠，在指定位置沒有發現孤石。

3 鉆探排查

在完成了三處孤石的鉆探驗證之后，于2016年5月20日至7月31日，根據物探結果對隧址區的孤石進行全面的鉆探排查。排查中共施工了540個鉆孔，其中416個鉆孔在測區內。這些鉆孔有302個是圍繞物探確定的孤石布置的，有114個鉆孔是布置在物探認為沒有孤石的區域。目的是對物探結果的可靠性進行全面、系統的考核。

表1 孤石位置參數表

鉆探排查結果表明，在測區內的416個鉆孔中，有381個鉆探的結果與物探結果相符合，即物探認為有孤石的位置遇到了孤石，物探認為沒有孤石的地方就沒遇到孤石；另外的35個鉆探與物探的結果不相符。鉆探排查總的符合率達到了92%，這在工程物探領域是一個罕見的例證。

鉆探排查的結果繪于圖3中。其中紅色表示鉆孔遇到了孤石，藍色為沒遇到孤石。

圖3 物探與排查鉆探結果對比圖

4 鉆孔爆破處理

在隧道掘進施工中，對隱伏的孤石進行了鉆孔爆破處理。從2016年8月1日開始到2017年1月17日結束，共施工1 802個爆破鉆孔。其中，西線隧道施工鉆孔1 042個，東線760個。對于鉆爆與物探的結果對比，數據太多無法列表對比，現從平面分布和斷面分布兩個方面來進行分析對比。

4.1 平面分布對比

1 802個鉆爆孔位平面分布繪于圖4。其中紅色鉆孔終孔于孤石，藍色鉆孔未遇見孤石。

圖4 鉆孔爆破位置平面分布圖

鉆爆孔的終孔深度多為-34 m。以此對比，圖5給出了-34 m高程巖體波速的水平切片，其中紅色區為波速超過2 400 m/s的孤石。與-33 m高程切片相比，雖然深度僅增加1 m，但孤石的數量和尺度都較明顯地增加。

分析對比鉆爆資料圖（見圖4）與物探速度切片圖（見圖5），可以發現，隱伏孤石主要集中分布在如下的7個區域。即西線隧道的W1、W2和W3區，東線隧道的E1、E2、和E3區，以及兩隧道中間的M1區。

圖5 高程-34 m波速水平切片及孤石分布圖

對7處孤石分布區的水平位置進行認真的分析與對比表明，爆破鉆孔與物探的結果是基本一致的。僅在東線南部E1區的南端，爆破揭露的孤石范圍比物探確定的范圍略大些。各區的孤石編號及對比結果見表2所列。

平面的分析結果表明，7個孤石區中6.5個基本吻合，吻合程度達90%以上。

表2 爆孔爆破與物探孤石結果的對比表

4.2 橫斷面對比分析

在清除孤石的鉆爆施工中，利用鉆孔資料繪制了11個斷面圖，其中西線隧道6個斷面，東線隧道5個斷面。這些斷面圖覆蓋了東、西隧道的6個孤石分布區。斷面圖除了清楚地展現了隱伏孤石的形態，也是對物探結果最有力的驗證。限于篇幅，這里僅選擇其中的6個斷面，每個孤石區選擇1個斷面作為代表。

這些斷面圖為西線隧道W1孤石區的WK2+550，W2孤石區的WK2+615，W3孤石區的WK2+695；東線隧道E1孤石區的EK2+564，E2孤石區的EK2+662，E3孤石區的EK2+720。現將鉆孔斷面圖與相應歷程的波速橫截面對照如下。

4.2.1 西線W1區里程WK2+550斷面

WK2+550斷面位于西側隧道的W1孤石區（見圖6）。其左圖是根據鉆爆鉆孔繪制的橫斷面圖，右圖是三維波速的橫截面。圖中左側隧道為西線隧道，右側為東線隧道。圖中紅色為速度超過2 400 m/s的中等風化巖與孤石。從中可以看到這里的孤石實際上是基巖突起。圖中反應物探結果與爆破結果基本吻合。

圖6 西線隧道WK2+550斷面圖

4.2.2 西線W2區里程WK2+615斷面

WK2+615斷面位于西側隧道的W2孤石區（見圖7）。其物探與爆破鉆探兩種方法確定的孤石的位置與深度結果基本一致。物探給出的孤石的形態橫向變化比鉆探剖面孤石的橫向變化大。這些細節上差異主要是由于鉆探密度不夠，鉆孔間由推斷連接所致。

圖7 西線隧道WK2+615斷面對比圖

4.2.3 西線W3區里程WK2+695斷面

WK2+695斷面位于W3孤石區（見圖8）。圖中表明物探確定的孤石的位置與深度與鉆探結果相一致。物探給出的孤石是無根的，而鉆探證實該孤石是有根的，屬于基巖突起，差別不大。

圖8 西線隧道WK2+695斷面爆破與物探對比圖

4.2.4 東線E1區里程EK2+564斷面

EK2+564斷面位于東線隧道E1孤石區（見圖9）。波速斷面圖中右側隧道為東線隧道，與鉆孔斷面圖相對應。圖中反應物探與鉆探確定的孤石位置與深度基本一致。物探反映孤石的橫向變化比鉆孔剖面略大。這合乎情理。

圖9 東線隧道EK2+564斷面圖

4.2.5 東線E2區EK2+662斷面

EK2+662斷面位于東線隧道E2孤石區（見圖10）。物探與鉆探確定的孤石的位置基本一致，只是物探給出的深度比鉆孔確定的深度偏深2 m左右。

圖10 東線隧道EK2+662斷面爆破與物探對比圖

4.2.6 東線E3區EK2+720斷面

EK2+720斷面位于東側隧道E3孤石區（見圖11）。物探與鉆探結果都說明該位置的孤石是一個規模較小的基巖突起，形狀猶如石牙。鉆探確定的埋深比物探結果的深度偏淺1.0 m。

圖11 東線隧道EK2+720斷面爆破與物探對比圖

通過斷面圖的分析對比，結果表明鉆爆與物探確定的孤石的位置基本吻合，深度上偏差在1 m以內，個別在2 m以內。結果總體吻合在90%以上。

5 結 語

馬騮洲隧道孤石探測采用地震散射新技術，勘探重建的三維波速結構經由2 426個鉆孔數據的檢驗，結果表明：

（1）物探確定的孤石平面位置的準確率達到90%以上；位置與深度的平均偏差在1 m左右，最大不超過2 m。為隧道盾構施工安全起到了指導作用。

（2）以地震散射勘探為先導，與鉆爆技術相結合，可作為確保盾構施工安全的經濟、有效的技術手段，具有實用價值。

（3）地震勘探中炮點的密度是決定物探結果準確度的關鍵因素，在設計與施工中，必須特別關注。