侵入盾構(gòu)隧道基巖地面鉆孔地下爆破預(yù)處理及效果檢驗(yàn)技術(shù)

丁 銳，路耀邦，黨如姣，李 洋

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著我國地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，盾構(gòu)施工作為地鐵、城市管線、越江、跨海等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種主要施工方法得到了廣泛應(yīng)用［1－2］。基巖侵入盾構(gòu)隧道在廣州、深圳、香港等地區(qū)的盾構(gòu)施工中較常見，如果不對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，而采用盾構(gòu)直接掘進(jìn)，則會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)效率低，刀盤刀具磨損嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)卡刀、掉刀、線路偏移等問題，不僅會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，而且使施工面臨極大威脅，甚至導(dǎo)致工程失敗。

楊書江［3］結(jié)合廣州地鐵3號(hào)線大—漢盾構(gòu)區(qū)間，采用鉆爆法開挖硬巖隧道并進(jìn)行初期支護(hù)，盾構(gòu)機(jī)空載推進(jìn)拼裝管片通過;鄧彬等［4］依托深圳地鐵2號(hào)線僑香—香蜜站工程，通過調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，順利地通過了區(qū)間基巖突起地段;竺維彬等［5］針對(duì)復(fù)合地層中的基巖侵入體，采用地面鉆孔下藥施爆的控制鉆爆法，并通過鉆孔取芯來反饋、調(diào)整爆破設(shè)計(jì)，控制了巖石的破碎塊度;路耀邦等［6］結(jié)合臺(tái)山核電盾構(gòu)區(qū)間基巖爆破預(yù)處理實(shí)際情況，采用爆破振動(dòng)測(cè)試和爆破后鉆孔取芯相結(jié)合的方法調(diào)整、優(yōu)化爆破參數(shù)，以達(dá)到滿足盾構(gòu)施工要求的巖石破碎效果;黨如姣［7］采用高密度電阻率法與面波地震法相結(jié)合的方法，對(duì)隧道范圍內(nèi)的基巖爆破和注漿效果的物探檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，用電阻率值和橫波速度定量地分析了爆破和注漿質(zhì)量，對(duì)爆破和注漿施工有一定的指導(dǎo)作用。

由此可見，盡管前人對(duì)侵入隧道的基巖已有不同的預(yù)處理方法，但處理后采用物探技術(shù)和鉆孔取芯相結(jié)合的方法驗(yàn)證基巖預(yù)處理效果，可參考借鑒的文獻(xiàn)并不多。因此，為保證盾構(gòu)機(jī)能安全順利地通過基巖突起地段，不但需對(duì)基巖突起進(jìn)行預(yù)先處理，而且需要采用合理的檢驗(yàn)方法對(duì)其破碎效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 工程概況

深圳市軌道交通11號(hào)線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間東起車公廟站，西至紅樹灣站，全長約5.5 km，區(qū)間線路大體呈東西走向，左、右線分修，其中心線距離為13.0 m，采用4臺(tái)內(nèi)徑為6 m的盾構(gòu)掘進(jìn)。詳勘結(jié)果表明，左、右線均遇到基巖突起的情況，且最大單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)150 MPa，這些侵入隧道范圍內(nèi)的基巖將給盾構(gòu)施工帶來較大困難，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

區(qū)間隧道穿越地層主要為礫質(zhì)黏性土、全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部洞頂位于砂層或礫砂層中，局部底板位于中微風(fēng)化花崗巖中。工程地質(zhì)由上到下依次為素填土、填石層、淤泥層、黏土層、全風(fēng)化粗?；◢弾r、強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖、微風(fēng)化粗粒花崗巖，盾構(gòu)區(qū)間隧道洞身主要位于微風(fēng)化粗?；◢弾r中。

區(qū)間范圍內(nèi)的地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。其中，第四系孔隙潛水主要賦存于沖洪積砂層中，巖層裂隙水較發(fā)育，廣泛分布于粗?；◢弾r的中－強(qiáng)風(fēng)化帶、構(gòu)造節(jié)理裂隙密集帶及斷層破碎帶中。

1.2 基巖突起段分布情況

地勘資料表明，歡樂海岸人工湖下主要為基巖突起地段，右線隧道基巖突起段長284 m，左線隧道基巖突起段長271 m。其中，左、右線隧道頂板埋深約15 m，右線基巖突起最高點(diǎn)高出隧道頂板7 m，左線基巖突起最高點(diǎn)高出隧道頂板約6 m。計(jì)劃對(duì)歡樂海岸13#別墅基礎(chǔ)下的 138.709 m基巖突起段(左線72.275 m，右線66.434 m)進(jìn)行提前處理，右線基巖突起段預(yù)處理縱剖面如圖1所示，突起段基巖單軸抗壓強(qiáng)度如表1所示。

圖1 右線基巖突起段地質(zhì)縱剖面圖(單位:m)Fig.1 Geological profile of right tunnel tube showing bedrock intrusion(m)

表1 單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表［8］Table 1 Uniaxial compressive strength［8］ MPa

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔采用地質(zhì)鉆機(jī)和潛孔鉆機(jī)相結(jié)合的垂直鉆孔方法，鉆孔直徑為110 mm。采用矩形布孔，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后下直徑為90 mm的PVC管護(hù)孔。鉆孔在隧道左、右結(jié)構(gòu)輪廓線外1 m范圍內(nèi)布置，按分區(qū)域、分排順序進(jìn)行，相鄰2個(gè)工作面的間隔距離為20 m，利用前排孔爆破對(duì)周圍土體擠壓產(chǎn)生的自由面逐個(gè)對(duì)后排孔進(jìn)行爆破，炮孔平面布置如圖2所示。

圖2 炮孔平面布置示意圖(單位:m)Fig.2 Layout of blasting holes(m)

由于突起基巖最大埋深約23 m，需爆破厚度最大約9 m。為了保證爆破破碎效果，根據(jù)規(guī)范規(guī)定［9］，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖面的高低來確定鉆孔間距。當(dāng)巖面位于隧道中心以下時(shí)，采用800 mm×800 mm間距;當(dāng)巖面位于隧道中心以上而未超過隧道頂板時(shí)，采用600 mm×600 mm間距;當(dāng)巖面位于隧道頂板以上時(shí)，采用500 mm×500 mm間距。

2.2 裝藥量計(jì)算

2.2.1 炸藥單耗計(jì)算

目前，國內(nèi)外關(guān)于水下爆破裝藥量的計(jì)算公式有很多［10－11］，但通常采用瑞典經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行炸藥單耗計(jì)算，計(jì)算公式為

式中:q1為基本炸藥單耗，是一般陸地梯段爆破的2～3倍，對(duì)水下垂直鉆孔爆破再增加10%;q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01 h2(h2為水深);q3為爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02 h3(h3為覆蓋層厚度);q4為巖石膨脹增量，q4=0.03 h(h為梯段高度)。

陸地普通堅(jiān)硬巖石爆破平均單耗為 0.5～0.6 kg/m3，本次取 0.6 kg/m3，則當(dāng)采用水下鉆孔爆破時(shí)，基本裝藥量 q1=1.1 × (3 ×0.6)=1.98 kg/m3，梯段高度h=9 m，水深h2=23 m，覆蓋層厚度h3=21 m，代入式(1)得:q=1.98+0.01 × 23+0.02 ×21+0.03 × 9=2.9 kg/m3。

由于本工程所爆破的巖石位于地下20多m，巖石上方覆蓋層較厚，爆點(diǎn)無臨空面，巖層越厚，夾制作用越大，則單耗也相應(yīng)增加。適合本工程的炸藥單耗為qa=kq，k為巖層厚度系數(shù)，取1.0 ～ 1.5，這里取1.4，則qa=4.06 kg/m3。爆破作業(yè)過程中，將炸藥單耗調(diào)整為4.0 kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)巖石性質(zhì)及厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2.2 單孔裝藥量計(jì)算

單孔裝藥量

式中:Q為單孔裝藥量，kg;q為水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量，kg/m3;a為炮孔行間距，m;b為炮孔排間距，m;H0為設(shè)計(jì)爆層厚度，m。

當(dāng)炮孔間距為800 mm×800 mm時(shí)，單孔裝藥量Q=4 × 0.8 × 0.8H0=2.56H0;當(dāng)炮孔間距為600 mm×600 mm時(shí)，單孔裝藥量 Q=4×0.6×0.6H0=1.44H0;當(dāng)炮孔間距為 500 mm × 500 mm時(shí)，單孔裝藥量 Q=4×0.5×0.5H0=H0。現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)炮孔間距及巖面高度直接代入計(jì)算。

2.3 火工品的選擇

炸藥選取防水性、安定性良好的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為60 mm，長度為40 cm?？變?nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，導(dǎo)爆管長25～30 m。

2.4 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)

炮孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，且均正向裝藥起爆，如圖3—5所示?？紤]到爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑的影響，采取孔內(nèi)微差、孔外延遲爆破技術(shù)。為了確保準(zhǔn)爆，采用2套并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起爆，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

為確保安全，防止爆破產(chǎn)生的沖擊波將鉆孔中的泥漿噴出，影響周圍環(huán)境，裝藥完成后，采取向PVC管內(nèi)填充碎石，并灌注水泥漿;同時(shí)，地表用鋼板將鉆孔孔口覆蓋，并在鋼板上堆壓砂袋作為防護(hù)措施。

3 爆破效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性，準(zhǔn)確判斷爆破后基巖的破碎效果，現(xiàn)場(chǎng)采取物探和鉆孔取芯相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 物探驗(yàn)證

結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)和施工環(huán)境，對(duì)比了各種物探方法的適用范圍。高密度電法主要通過對(duì)地下半空間中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律進(jìn)行研究，以獲得地下介質(zhì)的視電阻率，從而進(jìn)行勘探，它具有靈活性高、能夠精確刻畫地下介質(zhì)的電性差異、克服地表泥濘的惡劣環(huán)境、高效反映地下視電阻率的變化等優(yōu)點(diǎn)，因此選用其作為爆破效果評(píng)估的物探方法。

3.1.1 隧道左中軸線爆破效果檢測(cè)

利用高密度電阻率法對(duì)侵入工區(qū)隧道左線的硬巖爆破預(yù)處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)，因小里程段有人工湖的阻擋，無法布置測(cè)線，導(dǎo)致小里程段測(cè)線較短，圖7為相應(yīng)的測(cè)線布置示意圖。左線采取爆破前、后分別探測(cè)，并對(duì)比探測(cè)成果，分析預(yù)處理效果。

圖7 左中軸線測(cè)線布置(單位:m)Fig.7 Layout of survey line along axis of left tunnel tube(m)

圖8為爆破前左線的高密度電法探測(cè)結(jié)果。圖8(c)中紅色虛線圈所在位置(ZCK7+760～+766)表現(xiàn)為淺藍(lán)色的相對(duì)高阻特征，這應(yīng)是未爆破基巖所致，可見剩余未爆破區(qū)域很小，且受周圍爆破區(qū)域的影響，在反演剖面圖中其差別與周邊不顯著。

在圖8(b)視電阻率剖面結(jié)果中，深度15～24 m范圍內(nèi)的視電阻率值與周圍介質(zhì)有所差異，數(shù)值上表現(xiàn)為比上部淤泥土和黏土的視電阻率值大，比下部基巖小;同時(shí)，結(jié)果表現(xiàn)為數(shù)值的不均勻，推斷為爆破所致。從圖8(b)中可以看出，爆破完的區(qū)域視電阻率值(1 ～4.5 Ω·m)較底部基巖(＞4.5 Ω·m)明顯降低。

圖9為爆破后的探測(cè)結(jié)果，與爆破前相比，工作區(qū)已全部爆破完畢。圖9(b)和圖9(c)中紅圈位置視電阻率值與周圍介質(zhì)的差異變小，表明隨著時(shí)間的推移，地下水逐漸滲流至該區(qū)域，地下水含量變大，爆破效果良好。

3.1.2 隧道右中軸線爆破效果檢測(cè)

利用高密度電法進(jìn)行右線的硬巖處理質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作，圖10為相應(yīng)的測(cè)線布置示意圖。

由于同一里程斷面處左、右線基巖侵入隧道厚度相同，并且基巖爆破的處理方法一樣;因此，右線爆破前的探測(cè)結(jié)果可參考左線爆破前。

圖11為右中軸線爆破后的高密度電法探測(cè)結(jié)果。從施工狀態(tài)圖可知，此時(shí)探測(cè)范圍內(nèi)既有未爆破的區(qū)域，也有爆破后的區(qū)域。圖11(b)視電阻率剖面紅圈所在位置(＞3 Ω·m)比同深度其他位置(＜3 Ω·m)的視電阻率值大，說明此處地下介質(zhì)的含水量小，地層擾動(dòng)小，正好對(duì)應(yīng)未爆破區(qū)域，而其他區(qū)域由于爆破的原因，使得介質(zhì)的視電阻率值變小。從圖11(b)視電阻率剖面和圖11(c)反演剖面上看，爆破位置的視電阻率值變得很小，與深部的基巖高阻(圖11(c)中深度25 m以下的黃綠色部分，數(shù)值上＞5 Ω·m)有明顯差異，說明爆破效果良好。

3.2 鉆孔驗(yàn)證

在物探檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)認(rèn)為可能存在大塊度粒徑的巖石地段，采用地質(zhì)鉆孔方法進(jìn)行取芯驗(yàn)證，與物探方法結(jié)合驗(yàn)證爆破后巖體的破碎程度。

圖10 右中軸線測(cè)線布置(單位:m)Fig.10 Layout of survey line along axis of right tunnel tube(m)

圖12為爆破后取出的芯樣，從現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果可以看出，巖體比較破碎，塊度基本控制在30 cm之內(nèi)。爆破后，各取芯驗(yàn)證孔的芯樣長度統(tǒng)計(jì)如表2所示，97.4%的芯樣長度在30 cm以內(nèi)。其中，在10#鉆孔(里程為ZCK7+699.5)15 m深處取出長度為42 cm的芯樣，為現(xiàn)場(chǎng)裝藥過程中裝藥結(jié)構(gòu)(上、下層)間隔過長所致。爆破后的破碎塊度達(dá)到了對(duì)侵入隧道巖層進(jìn)行預(yù)處理的程度，為盾構(gòu)機(jī)的順利通過奠定了基礎(chǔ)。

圖11 右線爆破后探測(cè)成果Fig.11 Results of geology prediction of right tunnel tube made after blasting

表2 芯樣長度統(tǒng)計(jì)Table 2 Lengths of rock core samples

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文在前期地質(zhì)詳勘及鉆孔驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)侵入隧道不同的巖面高度選擇了不同的炮孔間距，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)炸藥單耗、單孔裝藥量進(jìn)行計(jì)算，并精心設(shè)計(jì)了裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)。取芯結(jié)果表明，基巖破碎塊度適中，能夠滿足盾構(gòu)順利通過的要求，同時(shí)也證明了采用地面鉆孔爆破方法對(duì)侵入隧道的基巖進(jìn)行預(yù)處理是可行的。爆破后，采用高密度電阻率法對(duì)基巖爆破預(yù)處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)破碎效果進(jìn)行定性分析。實(shí)踐表明，采用地面高密度電阻率法對(duì)爆破效果進(jìn)行檢測(cè)是較佳的選擇，該技術(shù)可為類似盾構(gòu)區(qū)間侵入隧道基巖的預(yù)處理及效果檢驗(yàn)提供指導(dǎo)。

4.2 建議

采用地面高密度電阻率法較好地描述了由于爆破施工進(jìn)展變化而導(dǎo)致的地下介質(zhì)電阻率變化，從而推測(cè)其施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。但是，其缺點(diǎn)是只能得到中軸線上的情況，而無法反映全部地下工區(qū)的情況。因此，建議加大監(jiān)測(cè)范圍及次數(shù)。此外，鑒于爆破區(qū)域地處人工湖，地下水較豐富，且爆破會(huì)擾動(dòng)炮孔周圍地層，為保證盾構(gòu)過基巖爆破處理后地層的氣密性，爆破完成后應(yīng)立即對(duì)炮孔進(jìn)行封堵，并根據(jù)壓水試驗(yàn)求出該區(qū)域各地層的滲透系數(shù)，以此來檢驗(yàn)炮孔的封堵效果。

［1］ 洪開榮，路耀邦，梁奎生，等.越海泥水盾構(gòu)提前到達(dá)施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2012，32(2):192－196.(HONG Kairong，LU Yaobang，LIANG Kuisheng，et al.Key construction technologies for arrival of sea-crossing slurry shield before completion of arriving shaft sinking［J］.Tunnel Construction，2012，32(2):192 －196.(in Chinese))

［2］ 地盤工學(xué)會(huì)(日).盾構(gòu)法的調(diào)查·設(shè)計(jì)·施工［M］.牛清山，陳鳳英，徐華，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］ 楊書江.硬巖地鐵隧道鉆爆法開挖結(jié)合盾構(gòu)法襯砌的施工技術(shù)［J］.城市軌道交通，2006(2):42 －46.(YANG Shujiang.Drill and blast method of tunnel excavation on hard rock［J］.Urban Mass Transit，2006(2):42 －46.(in Chinese))

［4］ 鄧彬，顧小芳.上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(2):59－64.(DENG Bin，GU Xiaofang.Study of shield construction technology in soft upper stratum and hard under stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49(2):59 －64.(in Chinese))

［5］ 竺維彬，黃威然，孟慶彪，等.盾構(gòu)工程孤石及基巖侵入體爆破技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(5):12－17.(ZHU Weibin，HUANG Weiran，MENG Qingbiao，et al.Research on controlled blasting technology for boulders and invading bedrock in shield construction［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(5):12 －17.(in Chinese))

［6］ 路耀邦，劉洪震，游永鋒，等.海底盾構(gòu)隧道孤石爆破預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(5):117－122.(LU Yaobang，LIU Hongzhen，YOU Yongfeng，et al.Key techniques for the pretreatment of boulder blasting in an under-sea shield-driven tunnel［J］. Modern Tunnelling Technology，2012，49(5):117 －122.(in Chinese))

［7］ 黨如姣.基巖爆破和注漿處理效果的物探檢驗(yàn)技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2012，32(5):643－648.(DANG Rujiao.Technology for geophysical prospecting of blasting and grouting effects of bed rocks［J］.Tunnel Construction，2012，32(5):643 －648.(in Chinese))

［8］ 曾亮，李璐.深孔松動(dòng)爆破技術(shù)在盾構(gòu)穿越長距離硬巖段工程中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2012，32(4):566－570.(ZENG Liang，LI Lu.Application of deep-hole loosening blasting technology in shield tunneling through long-distance hard rocks［J］.Tunnel Construction，2012，32(4):566 －570.(in Chinese))

［9］ JTS 204—2008水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［10］ 陳墩科，蘇利軍，劉立新.三峽三期圍堰深水硐室爆破藥量計(jì)算方法探討［J］.爆破，2006，23(1):82－84.(CHEN Dunke，SU Lijun，LIU Lixin.Research on charge calculation of deep-water chamber blasting in the 3rd stage cofferdam of three gorges project［J］.Blasting，2006，23(1):82 －84.(in Chinese))

［11］ 劉美山，李丹，彭翠玲，等.大型水電站導(dǎo)流洞圍堰拆除爆破關(guān)鍵問題分析［J］.爆破，2006，23(2):80－84.(LIU Meishan，LI Dan，PENG Cuiling，et al.Analysis of key problems of explosive demolition for cofferdam of water conveyance tunnel on large hydropower station［J］.Blasting，2006，23(2):80 －84.(in Chinese))