水下盾构隧道基岩爆破扰动地层管片外荷载实测分析

肖时辉,黄海斌,王明年,程海涛,刘大刚

(1.珠海大横琴股份有限公司,广东珠海 519031； 2.西南交通大学土木工程学院,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为一种安全、快捷、高效、环保的交通形式，迅速成为许多大城市解决两岸交通问题的首要选择[1-2]。海底盾构隧道修建过程中，经常遇到地层软硬不均、硬岩凸起、球状风化岩和穿越水底浅覆土层等情况[3-6]。鉴于施工考虑，通常采用工程爆破的方法处理隧道底部凸起的基岩及掘进断面内的孤石。爆破施工时，爆破震动和密集的钻孔造成了原始地层的频繁扰动，改变了地层的性质。

蔚立元等[7]介绍了邻近隧道爆破控制的研究现状，根据FLAC3D动态计算的特点分析了小净距海底隧道爆破振动响应。张欣，李树才[8]采用ABAQUS计算软件对爆破荷载作用下青岛胶州湾海底隧道覆盖岩层稳定性进行了分析。路耀邦等[9]通过采用爆破震动现场监测和钻孔取芯的方法，总结出一套针对海底盾构区间孤石爆破预处理的施工方法。阳军生等[10]依托台山核电站取水隧洞工程对高强度基岩爆破预处理泥水盾构掘进特征展开了研究。

现阶段针对海底隧道爆破的研究成果主要集中于矿山法隧道，基于盾构法隧道的海底软土地层爆破的研究较少，主要依托台山核电站引水隧洞工程[9-11]，且研究主要针对基岩爆破对盾构隧道施工的影响[12-13]。针对土层爆破扰动对盾构隧道围岩荷载影响的研究尚未有相关文献报道。

本文依托马骝洲交通隧道工程，采用现场试验的方法，对基岩爆破装药结构的爆破效果进行了验证，并首次对水下盾构隧道基岩爆破扰动地层管片外荷载在施工阶段的分布规律进行了分析。研究成果可供类似工程参考应用。

1 工程背景

1.1 工程概况

马骝洲交通隧道工程位于珠海市南湾城区和横琴新区，盾构隧道段长1.1 km，隧道外径14.5 m，厚0.6 m，中心环宽2 m，通道涉及铁路、道路、电力、给排水等多种功能不同的设施。选用直径14.93 m的泥水平衡盾构施工。是国内首条海域超大直径复合地层盾构法隧道。

1.2 工程地质

工程所处地质为典型的华南地区复合式地层。如图1所示，盾构主要穿越地层有：②1淤泥、②2黏土、②3中粗砂夹黏土、②4淤泥质黏土、④中粗砂、⑤砾质黏性土，局部基岩埋藏较浅处，以及⑥1全风化花岗岩、⑥2强风化花岗岩、⑥3中风化花岗岩等高强度基岩。土层主要物理力学参数见表1。

图1 工程沿线地质环境

土层重度/(kN·m-3)泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩模量/MPa淤泥16.30.46.13.41.96黏土19.20.330155.14砾质性黏土18.80.335.326.15.05强风化花岗岩19.10.232.525.45.58

2 现场测试方案

2.1 监测断面

监测断面①里程为WK2+600，对应第348环管片。隧道拱顶埋深12.2 m，底板埋深26.7 m，海水位深度约为6.37 m。隧道全断面穿越的地层包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥质黏土、⑤砾质黏性土，属于Ⅵ、Ⅴ级围岩，见图2所示。

监测断面②里程为WK2+690，对应第392环管片。隧道拱顶埋14.92 m，底板埋深29.42 m，海水位深度约为3.6 m。隧道全断面穿越的地层包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥质黏土、⑤砾质黏性土及⑥1全风化花岗岩，属于Ⅵ、Ⅴ级围岩，为基岩凸起断面，需进行爆破处理，见图3。

图2 监测断面①地质及仪器分布(单位：m)

图3 监测断面②地质及仪器分布(单位：m)

2.2 试验设备及其埋设

海底爆破扰动地层衬砌外荷载的数值和分布情况的影响因素复杂，简单的采用某一计算理论很难真实反映工程实际。采用YT-300A标准型钢弦式渗压计和YT-200A型振式高精度双膜土压力盒监测试验环管片外侧的水土压力。

每环试验管片共设5个土压力测点，分别位于管片环的拱顶、左右拱肩及左右拱脚；共设3个水压力测点，分别位于管片环的拱顶、侧墙及底部。

为防止监测过程中泥沙堵塞渗压计及运输拼装过程中的磕碰损坏渗压计。埋设前先用医用纱布多层缠绕渗压计测水压的端部，再用毛巾包裹，之后将渗压计放入方形金属盒内密封埋设在钢筋笼外侧。管片浇筑好后，将装有渗压计的金属盒找出，敲出足够多的孔洞使管片外侧的水能与渗压计连通(图4)。土压力计安装如图5所示。

图4 渗压计安装

图5 土压计安装

管片拼装前，人工采集初始读数。管片拼装好后，立刻组网进行预埋仪器测试数据的自动采集。

3 爆破预处理

马骝洲隧道在台山核电站引水隧道基岩爆破装药结构的基础上进行了爆破装药结构改进，如图6(a)所示，在隧道上方设置小爆破点，小爆破点与泥面的距离大于5 m。图6(b)为台山核电站引水隧道基岩爆破装药结构[10]。

图6 基岩爆破装药结构(单位：m)

由于基岩埋深较深，从而导致其爆破破碎难度较大，为了便于施工及达到爆破破碎效果，首先对前排孔进行爆破，然后利用前排孔爆破挤压周围土层产生的自由面，再对后排孔进行逐个起爆。马骝洲基岩爆破装药结构较于台山核电站引水隧洞的区别是在隧道的上方设置小爆破点。根据理论分析，隧道上部设置小爆破点有利于切断泥水渗流路径，从而省去爆破后对隧道上覆土层进行水平旋喷注浆加固的施工工序。

为验证基岩爆破后爆破孔封堵效果，于西线岸上段WK1+991处进行爆破试验。试验共设17个爆破孔。根据冒浆试验结果，在盾构推进过程中所有爆破孔均不冒浆(图7)(其中包括不拔管、不封孔孔位)，结合西线隧道的顺利贯通，可判断爆破后是否进行注浆填充，对盾构推进并无影响，初步印证了于隧道上方设置小爆破点的作用。

图7 冒浆实验结果照片

爆破效果：经验证，爆破后22号取芯最大直径为22 cm，6号取芯最大直径为26 cm，满足盾构推进要求(图8)。

综合冒浆实验结果及西线隧道施工的分析，考虑到经济性、安全性以及可操作性，江中爆破采取爆破工况为：管材选用(价格较低的)祥塑管；于盾构推进断面上方设置小爆破点；封孔采用自封孔工艺；爆破后只对水面上部管材做处理，其他不做处理。

图8 监测断面基岩爆破效果验证

4 管片外荷载监测结果分析

4.1 水压力分布规律

马骝洲隧道施工采用的盾构机刀盘到盾尾的距离为13 m，盾构管片拼装断面距离盾尾4.7 m，即试验环管片拼装好后，盾构推进4.7 m(2.4环)时试验环管片开始脱离盾尾并进行同步注浆。试验环管片外侧水压力变化如图9及图10所示。

图9 348环管片施工全过程水压力时程曲线

图10 392环管片施工全过程水压力时程曲线

(1)全过程水压力分布规律

从348环管片外水压力时程曲线看，盾构推进到350环左右时，测试环管片脱离盾尾并进行同步注浆，外水压力由于注浆压力影响迅速上升为最大水压力，达到了0.5 MPa左右。管片脱环后的5环内，盾尾同步注浆对试验管片外水压力影响显著。之后注浆压力作用减小，水压力出现一个降幅。随着盾构的推进，注浆压力逐渐消散并趋于稳定，最终接近静水压力。由于潮汐及波浪的影响，该水压力在消散过程中存在一定的波动。

对比348环和392环管片的施工全过程水压力时程曲线，可知两测试断面试验环管片的各测点外水压力呈现相同的变化规律，反映了施工阶段作用在管片上的外水压力主要是同步注浆浆液流体和实际土层渗透水压的联合作用。

断面②由于隧道底部存在基岩凸起的情形，盾构施工前采用爆破的方式进行了预处理。海底无自由面爆破挤压软土土层，破坏了软弱土层中原有的渗流通道，因而同步注浆引起的超静孔隙水压消散较断面①缓慢。这也验证了在隧道上部设置小爆破点能起到切断泥水渗流路径的作用。

(2)稳定时段水压力分布规律

西线隧道贯通后，测试断面外水压力基本趋于稳定状态。由西线隧道贯通6个月后的水压力实测值(表2)可知，衬砌水压力随隧道的埋深增加而增大，水压力总体呈现顶部低、下部高的规律，与隧道区域渗流场的分布规律一致，隧道管片外水压力接近或等于静水压力[14]。根据文献[15]，当水下隧道采用全封堵衬砌时应取β=1，即水压力不折减。该工程的现场实测数据验证了这一理论。其误差可能与不同土层渗透性能、潮汐变化及波浪浪涌等因素有关。

表2 稳定水压力

4.2 接触压力分布规律

试验环管片实测接触压力变化见图11、图12所示。

(1)全过程接触压力分布规律

从两监测断面接触压力时程曲线可知，在管片环脱离盾尾时管片进行同步注浆作业，接触压力急剧增加，随着隧道的掘进，管片接触压力在时间和空间上都发生着变化。施工过程中每个测点的数据变化都存在加速段、减速段和变化趋于稳定时段。

在管片脱离盾尾15环内，注浆压力消散过程中浆液滤出水渗流和土体弹性变形进行复杂的耦合作用[16]。对比图11与图12可知，断面②管片外侧接触压力在消散过程中相较于断面①管片接触压力存在更大的波动。分析认为爆破施工时，爆破震动和密集的钻孔造成了原始地层的频繁扰动，使得断面②的地层条件更为复杂，即该处地层注浆压力与水土荷载的“耦合”更为复杂。

图11 348环管片施工全过程接触压力时程曲线

图12 392环管片施工全过程接触压力时程曲线

(2)稳定时段接触压力分布规律

断面①与断面②除隧道底部外，隧道两侧土层分布情况基本一致。对比稳定时段348环管片外侧接触压力与392环管片外侧接触压力的大小可知，392环管片侧向接触压力要比348环管片大得多，可认为基岩无临空面爆破破坏了土层原有的结构，使得土层更为破碎，侧压力增大。在进行爆破地层盾构隧道结构设计时，应充分考虑爆破对土层扰动的影响。

试验环管片脱离盾尾20环后，围岩压力不再受施工环境的影响，趋于稳定。由于浆液体凝固后在管片环周围形成硬化包裹层，浆液体将压力分担给测点邻近衬砌结构，使得个别测点接触压力值实测数据偏小。对比图9与图11，图10与图12可知围岩压力主要体现为水压力。

5 结论

(1)该盾构隧道用于基岩/孤石爆破的装药结构，经过现场验证具有良好的爆破效果。

(2)海底盾构隧道基岩/孤石爆破时，在隧道上部设置小爆破点能起到切断泥水渗流路径的作用，可简化施工作业，利于盾构施工。

(3)海底盾构隧道无自由面爆破破坏了土层的原有结构，对隧道的外荷载有较大的影响。主要表现为注浆过程中水压力消散较慢；浆液消散过程中水土“耦合”更为复杂；爆破地层隧道侧压力增大。

(4)监测数据表明无论爆破与否，海底盾构隧道围岩压力仍表现以水压力为主的特征。