孤石爆破預處理技術在盾構隧道中的應用

許文明

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

1 工程概況

廣州市軌道交通二十一號線工程中新站—中新東站—朱村站區間隧道采用盾構法施工，其中左線總長3477.778m，右線總長3477.226m。區間隧道連續穿越淺基礎居民樓、廠房、加油站等重要建筑物，以及穿越國防電纜、通信光纜、電力管線、供水管等重要管線。

中新站—中新東站區間隧道主要穿越花崗巖殘積土（砂質黏土<5N-2>），全風化花崗片麻巖<6Z>、全風化花崗巖<6H>、強風化花崗片麻巖地層<7Z>、強風化花崗巖地層<7H>，見圖1；中新東站—朱村站區間隧道主要穿越可塑花崗巖殘積土層<5H-1>、硬塑花崗巖殘積土層<5H-2>、全風化花崗巖<6H>、全風化花崗片麻巖<6Z>、強風化花崗巖<7H>、強風化花崗片麻巖<7Z>、中風化花崗巖<8H>，見圖2。

圖1 中～中區間隧道穿越地層統計

圖2 中～朱區間隧道穿越地層統計

根據勘察報告揭露，區間隧道沿線球狀風化體（孤石）分布很不規律，中新站—中新東站區間揭露孤石37塊、中新東站—朱村站區間揭露孤石15塊，分布于隧道洞身范圍不同埋深處，孤石垂直厚度0.5～3.8m，抗壓強度26.2～113MPa，孤石給盾構施工帶來極大的不利影響。

2 孤石危害

目前盾構機均不具備孤石粉碎功能，僅靠刀盤配置的刀具對孤石施加切削和擠壓作用進行破碎。當遇到孤石時，因孤石強度高極易造成刀具磨損和刀座變形破壞，將帶來盾構開倉換刀風險；若盾構穿越孤石群或大孤石時，刀盤處于不均勻受力、持續過載狀態，不僅提高刀盤變形及其他核心部件故障率（主軸承斷裂、軸承密封破壞、盾尾刷損壞），嚴重時將造成盾構機永久“卡殼宕機”，而且極大提高了盾構姿態糾偏和管片拼裝的施工難度，另外易造成地表或建筑物沉降或隆起等環境破壞，造成惡劣的社會影響。

受盾構螺旋機構造影響，當孤石粒徑超過30cm時，就已達到螺旋機出渣的凈空上限。

3 孤石處理工藝流程

查明孤石大小、形狀及分布→制定爆破參數→藥包加工與安放→藥包配重抗浮→布置爆破泄壓孔與炮孔防護→實施爆破→孤石抽芯檢測→圍堰密封注漿。

4 孤石處理主要技術要求

4.1 孤石探測

初探時如發現隧道洞身范圍內存在“孤石”，則需進一步探清“孤石”位置和大小，按照“網格法”鉆孔排查，網格以隧道中心線為對稱軸，間距軸向1m×法向1m，網格覆蓋面建議延伸至隧道外輪廓線以外1m，見圖3。

圖3 巖石邊界探孔編號示意圖（單位：mm）

4.1.1 網格法向探測孤石左、右邊界

先確定孤石左側邊界，以初探孤石中心為1號基準點向左輻射，沿法向左2m布置1-2號鉆孔，如未探到孤石則向右1m布置1-1號鉆孔，如仍未探到則繼續向右0.5m布置鉆孔；如1-2號鉆孔探到孤石，則向左2m布置1-4號鉆孔，如未探到孤石則向右1m布置1-3號鉆孔；如1-4號鉆孔探到孤石則終止排查，因1-4號鉆孔探測范圍已超出隧道邊界。孤石右側邊界的確定方法以此類推。

4.1.2 網格軸向探測孤石前、后邊界

先確定孤石前方邊界，以初探孤石中心為1號基準點向前輻射，沿軸向前2m布置3號鉆孔，如未探到孤石則退后1m布置2號鉆孔，如仍未探到則繼續退后0.5m布置鉆孔；如3號鉆孔探到孤石，則前進2m布置5號鉆孔，如未探到則退后1m布置4號鉆孔；如5號鉆孔探到孤石則繼續前進2m進行布孔，直至找到孤石邊界。孤石后方邊界的確定方法以此類推。

4.1.3 探測結果

經網格法探測，區間沿線共涉及孤石52顆，孤石呈球狀，粒徑大至1～4m，小到50cm。孤石基本為中風化、微風化花崗巖與花崗片麻巖，抗壓強度達40～120MPa。

4.2 爆破參數設計

4.2.1 布孔形式

根據已探明的孤石位置及大小情況，選取孤石探測孔作為基點，按照平面網格間距0.8m×0.8m布設爆破孔，孔徑90mm。爆破孔采用地質鉆機垂直引孔，成孔后立即下放Φ75mmPVC套管。鉆孔過程中應詳細記錄孤石上、下巖面標高，為爆破裝藥提供依據。

4.2.2 單位耗藥量計算

單位耗藥量采用經驗公式[1]：Q=q1+q2+q3+q4確定單位耗藥量，見表1算例。

表1 單位耗藥量計算表

式中：q1為基本裝藥量，陸地普通硬巖深孔爆破平均單耗取q1=0.5kg/m3，水下深孔爆破則按2倍取值，若為水下垂直鉆孔，則考慮1.1安全系數；q2為爆破區上方水壓增量，可按q2=0.01h2計算，h2（m）為水深；q3為爆破區上方覆蓋層增量，可按q3=0.02h3計算，h3（m）為覆蓋層厚度；q4為巖石膨脹增量，可按q4=0.03h4計算，h4（m）為梯段高度。

4.2.3 單塊孤石爆破藥量計算

單塊孤石爆破總耗藥量計算公司：Q＝qV。式中：Q為單塊孤石爆破所需的總藥量，kg；q為炸藥單耗，kg/m3；V為單塊孤石體積，m3。

本文以實測的孤石體積進行單塊孤石爆破耗藥量計算，以實施精準爆破，見表2。

表2 不同體積孤石總裝藥量參數表

4.2.4 裝藥結構

考慮孤石厚度不均勻性、探孔定位誤差等影響，裝藥結構長度按以下原則確定：

（1）單孔單體爆破時，裝藥長度選擇與孤石厚度等同。

（2）多孔單體爆破時，其中一炮孔鉆穿至孤石底，裝藥由炮孔底面起，至孤石頂面以下100mm為止；相鄰炮孔鉆至孤石底面以上100mm，裝藥由炮孔底面起，至孤石頂面以下100mm為止。

（3）當孤石厚度小于網格間距0.8m時，采用連續裝藥結構，見圖4；當孤石厚度大于網格間距時，采取分段裝藥結構，見圖5。

圖4 連續裝藥結構圖

圖5 分段裝藥結構圖

4.3 藥包加工

（1）炸藥選用φ60mm的2#巖石乳化炸藥，起爆材料選用雙發非電毫秒雷管，起爆延期時間選擇1～20段別。

（2）根據鉆孔取得的孔位參數情況，計算好單孔裝藥量和藥包長度，先將炸藥和雷管裝入PVC管內指定的位置，然后將PVC管兩端進行堵塞密封處理。

4.4 藥包抗浮

由于炸藥與孔內的泥漿水比重相近，導致藥包無法下沉或下沉后在浮力作用下而無法固定，所以需對藥包進行配重抗浮，可按式：G炸藥+G配重＞F泥漿進行配重設計。

式中：G炸藥為炸藥自重，炸藥密度0.95～1.25g/cm3，此處取1.00g/cm3；G配重為配重，配重可采用粒徑0.5cm碎石，碎石密度取1.50g/cm3；F泥漿為泥漿產生的浮力，泥漿密度取1.15g/cm3。

4.5 藥包就位

藥包加工好后，首先根據鉆孔取得的孔位參數情況，記錄炮孔深度N1；然后在PVC管壁上端鉆兩孔，用鐵絲綁定掛繩，記錄PVC管與掛繩的總長度N2；最后開始下放藥包，使N1=N2，就位誤差控制10cm以內。當藥包就位后，用鐵絲把掛繩固定在套管壁上，使其不再移動。

4.6 泄壓孔布置

地面預爆破孤石處理深度大，難度系數高，為了達到理想的爆破效果以及防止爆破時因震動對孤石周圍的建筑物或地下管線的破壞，應在爆破范圍內布置泄壓孔，以便釋放爆破時產生沖擊動能。

泄壓孔按梅花形布置在炮眼中間，同時在孤石外側設置一圈孔位，孔徑110mm，間距800mm，其中孤石探孔可兼做泄壓孔使用。

4.7 炮孔防護

由于孤石爆破面在地下10m以下部位，不存在飛石，僅有爆破產生的高壓氣體帶動炮孔內泥漿沖出孔外。為防止泥漿飛濺，首先將PVC套管內外采取碎石堵塞，堵塞時嚴禁使用鐵器沖擊炮孔內藥包與雷管，然后在地面上覆蓋鋼板與沙袋防護。

4.8 爆破施工

由于盾構區間孤石爆破單炮藥量較小，且每段裝藥都用雙發非電毫秒雷管，因此起爆網絡采用孔內非電毫秒雷管分段，孔外分組簇聯，每個起爆體內的兩發非電雷管分別聯接到兩個并聯回路，確保網絡可靠性[2]。

每批次爆破后應檢查孤石破碎效果，可通過地質勘探鉆機在相鄰兩個爆破孔中間采取巖塊取芯的方法進行檢測：如巖柱（芯樣）連續且長度值基本不大于300mm，孤石則破碎效果滿足施工要求；如巖柱（芯樣）連續且長度值多數超過300mm，則應利用檢查孔重新裝藥爆破，直至破碎效果滿足施工要求。

4.9 圍巖密封注漿

盾構長時間穿越花崗巖風化帶，開艙進行刀具檢修頻繁，而土層受爆破擾動氣密性差，給保壓開艙換刀作業帶來極大的風險。因此，本文采取袖閥管注漿工藝對隧道周邊爆破松動圍巖進行充填加固，以提高圍巖密實度和自穩能力[3]。工藝參數如下：

（1）注漿范圍：下至孤石底部，上至隧道頂3m覆土厚度，左右至隧道外各1m。

（2）注漿孔布置：間距1.0m，梅花形布置，孔徑90mm。

（3）漿液配比：水泥∶水=1∶1～1.5（重量比）。（4）注漿壓力：0.4～1.0MPa。

5 實施效果分析

該工程處理孤石共43顆，最大粒徑3m，最小粒徑50cm，爆破后碎石粒徑均處于30cm以內，同時結合盾構在孤石區段的掘進參數來看，深孔爆破對孤石破碎處理確實達到了目標效果。總結實施效果如下：

（1）盾構掘進參數處于正常狀態，孤石處理區刀具磨損少未換刀，見表3。

表3 盾構穿越孤石處理區的掘進參數

（2）盾構姿態良好：中新站—中新東站區間孤石區段盾構最大軸線偏差為水平+2/+3mm，垂直+21/0mm（環號302環），中新東站—朱村站區間孤石區段盾構最大軸線偏差為水平+11/-5mm，垂直-21/-27mm（環號164環）。

（3）管片姿態良好：孤石區段隧道管片拼裝未發生破損、裂縫、錯臺及漏水等現象。

（4）地表沉降穩定：中新站—中新東站區間地表最大沉降31.3mm已穩定（點位L314-3），中新東站—朱村站區間地表最大沉降13.2mm（點位L162），未發生重大沉降事件。

6 結 語

孤石爆破處理只能為盾構穿越孤石區提供一定的有利條件，并不能完全消除“孤石”危害，結合以上案例的實施情況提出以下注意要點：

（1）孤石處理前必須摸查清楚區間掘進范圍內的孤石位置及大小等，并按1∶1比例繪制孤石分布圖；

（2）孤石爆破前必須摸查清楚周邊一倍深度范圍的建（構）筑物情況，提前制定應急保護措施；

（3）爆破后需對爆破區進行抽芯檢測，待碎石粒徑大小滿足盾構螺旋機出渣限制條件（不大于30cm）后方可允許盾構通過。

（4）孤石爆破后要及時封堵爆破孔，避免盾構掘進時造成地面冒漿或冒氣等不良危害。

本文以實際工程為例，講述盾構穿越前的孤石預處理施工技術，為盾構穿越孤石群打出一條綠色通道，降低施工風險，保障盾構掘進、出土、注漿、拼裝、糾偏等工序的有效實施。