浅埋盾构隧址区孤石处理技术

肖建辉 党如姣

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610032)

浅埋盾构隧址区孤石处理技术

肖建辉 党如姣

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610032)

介绍了目前孤石的主要处理技术，并以某海底浅埋盾构工程为例，从爆破预处理方案与钻孔参数设计两方面，阐述了隧址区含有硬质花岗岩孤石的预处理方法，保证了盾构机的顺利掘进。

盾构隧址区，孤石，爆破参数，装药量

1 概述

随着机械设备技术的进步，特别是盾构机制造业的飞速发展，越来越多的地下工程采用盾构机施工[1，2]，这些地下工程以隧道居多，且大多都埋深较浅。地球浅层地表土层复杂多变，含有自然形成的硬度较大的岩石风化核或人工建设形成的地下构筑物等，给盾构施工带来了困难[3，4]。其中花岗岩风化层中的球状风化核在盾构施工中较常见，特别是深圳、厦门、广州等东南地区盾构施工过程中经常会遇到，对施工进程和安全影响大。孤石是岩浆中的石英富集部分不容易风化所形成的[5]，它的尺寸，分布位置随机性大，强度较高，如采用盾构机直接掘进通过非常困难且风险大，可能会发生以下情况：1)盾构机姿态难以控制，刀具磨损严重，刀座和刀盘变形大；2)盾构机在花岗岩风化残留体地层中掘进时震动很大，刀盘压力难以控制，对地面环境保护极为不利；3)盾构掘进过程中，还时常会出现喷涌、塌方、刀盘被牢牢卡住或刀盘严重磨损而地质条件差又无法换刀等多种意外情况，此时，耽误的工期一般在2个～6个月，极大地增加了施工成本和拖延了地铁施工进度。因此，为保证盾构机的顺利掘进，需在盾构机到达前对异物进行预处理。

2 孤石主要的处理技术

孤石主要处理方式有两种，一种是地面处理，另一种是洞内处理。孤石处理方法要根据其大小、位置、形状及周边环境等因素来确定。当隧道上方地面具备冲孔、挖孔条件时，应首先采用地面处理方式；当地面不具备冲孔、挖孔条件时，采用洞内处理方式。地面处理方法主要有地层注浆加固后盾构推进、钻孔爆破孤石、人工挖孔破碎孤石、冲孔桩破碎法；洞内处理方法有盾构超前注浆孔注浆、盾构掘进、静态爆破、岩石分裂机破碎孤石、盾构机直接掘进。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某核电站循环冷却水先期两条平行引水隧洞位于江门台山腰古村，电站厂房位于陆域侧，取水口设置在离岸不远处的某岛屿上，隧洞采用盾构法从海底穿过，长约4 000 m，隧洞外径为8.7 m，内径7.3 m，采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构，两条隧洞净距20.5 m。该引水隧洞为我国首次采用大断面盾构机长距离施工的海底盾构工程。

由于该地区浅覆土地层中，未完全风化的花岗岩残留体分布较为密集，两条隧洞通过的址区中，先期工程地质勘探中发现也存有大量的花岗岩风化残留体，下称孤石。根据前期探测的成果，对已经发现的引水隧洞隧址区范围内的异常情况进行钻探验证，取水隧洞在花岗岩段的洞身范围内存在花岗岩风化残留体和就近搬运和滚落的孤石的物探异常得到验证，异常主要分布在核电站岸边300 m范围内，有两处孤石群，其余地段中风化花岗岩未进入隧洞设计洞底。

3.2 爆破预处理方案

经过专家认证，建议采用爆破进行预处理隧址区内所包含的硬质孤石，对硬质孤石体进行爆破破碎，要求破碎后的石块小于30 cm，以便能顺利通过盾构的刀盘开口。

3.2.1 钻孔设计

因探测结果表明，孤石区距离陆域侧较近，且该区域水深仅3 m左右，决定采用对该区域进行回填的方式，以便后续的爆破工艺实施。为便于装药及钻孔，设计钻孔直径为90 mm，先下直径75 mm的PVC管，然后将药卷装入PVC管内。因钻孔穿过的地层复杂，成孔不易，现场采用地质钻机和潜孔钻机相结合的垂直钻孔形式钻孔。

钻孔间距：根据盾构机参数要求碎块直径要小于30 cm，结合物探和钻探结果及现场实际情况，采用梅花形布置，炮孔排间距取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 爆破参数设计

1)炸药单耗计算。炸药单耗主要与岩石强度、自由面数量、水深及上覆土层厚度、炸药的爆速等相关。通过对现场各种影响因素的综合比较，结合水下爆破的经验和相关规定[6]，可选用瑞典炸药单耗计算公式进行炸药单耗计算，如式(1)所示：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

其中，q1为基本炸药单耗，kg/m3，是一般陆地梯段爆破的2倍～3倍，对水下垂直钻孔爆破，再增加10%；q2为爆区上方水压增量，q2=0.01h2，h2为水深，m；q3为爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3，h3为覆盖层(淤泥或土、砂等)厚度，m；q4为岩石膨胀增量，q4=0.03h，h为梯段高度，m。

根据本工程爆破条件，对象基本位于地下15 m～25 m之间，计算炸药单耗q在2 kg/m3～4 kg/m3之间，装药时根据钻孔及取芯情况现场调节。

2)单孔装药量计算。根据选取的炸药单耗计算公式，计算出炸药单耗，单孔装药量计算公式采用：

Q=qabH

(2)

其中，Q为单孔装药量，kg；q为炸药消耗量，kg/m3；a为炮孔间距，m；b为炮孔排距，m；H为孤石厚度，m。

钻孔作业过程中，精确记录好孤石取芯所得的孤石厚度，根据记录的厚度代入公式计算出该炮孔的装药量。爆破完成后，对爆破位置再次取芯验证爆破效果，结合爆破结果对爆破所选取的参数进行适当调整。

3)爆破器材的选择。炸药选用防水性能、安定性和起爆性能良好的单卷药重1.2 kg、药卷直径为60 mm的 2号岩石乳化炸药。雷管选用毫秒导爆管雷管，根据孔深导爆管要求长度30 m。因海边雷雨多发，不使用电雷管，起爆结合起爆针及高压起爆器进行起爆。

4)装药结构及起爆网络。根据孤石大小，当孤石厚度小于2 m时，采用径向集中装药结构，尺寸大于2 m的孤石采用间隔装药，均采用正向装药起爆。为确保临近建筑物安全，在针对临近建筑物进行爆破振动监测的同时，尽量减小一次起爆药量，采用孔内外相结合的方式进行联网起爆。为确保网络起爆的成功率，采用两套并联网络，并分别由两发瞬发雷管连接起爆。

5)爆破效果取芯验证。不同于有自由面的岩石爆破，孤石深埋于地层中，爆破效果很难看到。为验证爆破后孤石破碎效果及爆破参数设计的合理性，爆破完成后需对处理位置地质钻取芯，根据取芯实际情况来验证爆破后岩体的破碎程度。图1为爆破前某处孤石钻孔取出的芯样，岩体结构较完整，节理裂隙少。图2为爆破后图1处孤石取出的芯样，从现场取芯结果可以看出：岩体比较破碎，大部分粒径在10 cm以下，较大粒径也在10 cm～20 cm，均小于30 cm。达到了对孤石进行预处理的效果，为盾构机的顺利通过奠定了基础。

4 讨论

针对地层中所出现的异物，可采取多种不同的物探方法，根据环境条件不同，选取一种进行探测或多种合适的物探方法互相验证以提高准确度的方法，来处理盾构隧道工程中隧道隧址区的异物，根据探测结果进行针对性的预处理，方法是行之有效的。如工程实例中，盾构穿越含有孤石的软硬不均地层是盾构施工的一大难题，施工风险极高。基于孤石大小，分布位置的随机性及其强度较高的特点，选择合适的一种或多种物探相结合的方法进行孤石探测，首先确定了孤石的相对位置才能进行下一步的爆破预处理工作。而在前期物探及钻孔验证的基础之上，对炮孔布置形式、装药量、装药结构、起爆网络等精心设计，总结出一套针对海底隧道孤石爆破预处理的施工方法。对爆破后的炮孔进行取芯验证的方法，结果表明：选用此爆破参数处理孤石破碎效果良好、孤石大块率较低，满足盾构顺利通过的要求。

[1] 王梦恕.21世纪是隧道及地下空间大发展的时代[J].岩土工程界,2000,3(6):3-15.

[2] 王梦恕.我国地下铁道施工方法综述与展望[J].地下空间,1998,18(2):98-103.

[3] 张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4] [日]地盘工学会.盾构法的调查·设计·施工[M].牛清山，陈凤英,徐 华，译.北京:中国建筑工业出版社，2008.

[5] 竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[6] JTS 204—2008，水运工程爆破技术规范[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

肖建辉(1983- )，男，工程师

U455.43

A