地鐵盾構(gòu)隧道遇孤石、基巖凸起的地下爆破處理技術(shù)

付元豐（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海 200032）

1 孤石、基巖凸起的形成及特點(diǎn)

1.1 孤 石

所謂孤石，就是殘留于風(fēng)化巖體中，多為中－微風(fēng)化狀，周圍巖體多為全風(fēng)化狀，主要是不均勻風(fēng)化的產(chǎn)物（如花崗巖的球狀風(fēng)化）。一般來說，孤石是獨(dú)立存在的，所處位置不高，塊石主要為坡洪積、崩積、滑坡堆積、倒石錐等形成。

圖1

1.2 基巖凸起

基巖是風(fēng)化作用發(fā)生以后，原來高溫高壓下形成的礦物被破壞，形成一些在常溫常壓下較穩(wěn)定的新礦物，基巖凸起地層必存在巖土交界面，造成該地層上部土層與下部基巖巖土力學(xué)性能差異較大。

2 孤石、基巖凸起對盾構(gòu)掘進(jìn)造成的影響

通常，孤石分布在殘疾土層及砂層中。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，孤石位置難以固定，不足以給盾構(gòu)機(jī)提供一個破碎孤石的反力，孤石可能會隨著土體被擠壓而移動，而且孤石一般呈球狀微風(fēng)化體?；鶐r凸起地層屬于巖土交界位置，通常叫“上軟下硬地層”。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)遇孤石、基巖凸起時，會帶來以下不利影響。

（1）刀盤刀具損耗嚴(yán)重，盾構(gòu)掘進(jìn)困難。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)遇孤石、基巖凸起時，易產(chǎn)生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情況，嚴(yán)重時可造成盾構(gòu)刀盤卡死，導(dǎo)致無法正常掘進(jìn)，對工期和成本影響較大。

（2）盾構(gòu)姿態(tài)難以控制?；鶐r凸起一般處于隧道下側(cè)，上側(cè)為殘積土層或砂層，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，一側(cè)地層軟弱而另一側(cè)基巖強(qiáng)度很高，盾構(gòu)會順著基巖被擠向地層軟弱的一側(cè)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致隧道軸線偏移。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)對地層擾動大，易造成地面沉降。盾構(gòu)機(jī)遇孤石、基巖凸起難以正常推進(jìn)，刀盤在同一位置長時間轉(zhuǎn)動，對開挖面土體造成擾動，易造成刀盤前方松散土體垮塌；在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，若遇到粒徑較小的孤石，可能造成孤石隨刀盤轉(zhuǎn)動，造成開挖面土體嚴(yán)重擾動，易造成地面沉降，在城市施工中發(fā)生地面下沉，會給社會帶來很大的影響。

（4）更換刀具困難。由于刀具的磨損，需多次開倉換刀，而盾構(gòu)遇孤石易造成地層擾動，開挖面不穩(wěn)定，難以形成有效泥膜，氣壓開倉換刀作業(yè)較為困難，存在著很大的開倉安全風(fēng)險。

3 孤石、基巖凸起采用地下爆破處理方式

前期盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)補(bǔ)勘已完成，采用鉆孔勘察的方法對盾構(gòu)區(qū)間施工區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的探明。為了盡可能地減少遺漏孤石，降低對工期的影響，節(jié)省費(fèi)用，探測應(yīng)盡量做到詳盡細(xì)致。

3.1 探測孤石

在鉆孔探測施工前，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測儀對管線進(jìn)行探測，確保鉆孔過程中不會破壞地下管線。若鉆孔后未探測到孤石或基巖凸起，則直接用 C20 細(xì)石混凝土對鉆孔進(jìn)行填充至原地面，保證孔口標(biāo)高與原地面保持平整，然后將原地面清理干凈；若發(fā)現(xiàn)孤石或基巖凸起的鉆孔，則做好詳細(xì)鉆孔記錄（包括：鉆孔平面坐標(biāo)、孤石頂面及底面標(biāo)高、基巖頂面標(biāo)高），并用兩頭帶蓋子、直徑 75 mm 的PVC 護(hù)管全孔保護(hù)鉆孔（鉆孔直徑 89 mm）。對孤石的具體探測方法如下：

（1）地質(zhì)分析法：利用現(xiàn)有的設(shè)計地質(zhì)勘察報告以及前期對現(xiàn)有地質(zhì)的補(bǔ)勘資料，確定各個區(qū)間區(qū)段內(nèi)孤石分布的情況。

（2）工程調(diào)查法：調(diào)查施工區(qū)域周邊工程施工情況，翻閱其相關(guān)工程地勘資料，同時咨詢當(dāng)?shù)鼐哂卸嗄甑叵鹿こ淌┕そ?jīng)驗(yàn)的專家，詢問了解各個區(qū)域的工程地質(zhì)情況。

（3）物探方法：結(jié)合采用超高密度電法，空間距 20 m左右，數(shù)據(jù)采集采用井－井、井－地，獲得資料數(shù)據(jù)，對區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行對比。

根據(jù)上述方法，將孤石存在區(qū)域劃分為：可能性最大、很大、較大和一般四個區(qū)域。具體劃分里程詳見各區(qū)間《孤石、基巖凸起探測鉆孔平面布置圖》（見圖 1～圖 4）。

（1）可能性最大區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)采用梅花形布置鉆探孔，鉆孔到盾構(gòu)管片底部，間距如圖 1 所示。

（2）可能性很大區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)采用梅花形布置鉆探孔，鉆孔到盾構(gòu)管片底部，間距如圖 2 所示。

（3）可能性較大區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)采用梅花形布置鉆探孔，鉆孔到盾構(gòu)管片底部，間距如圖 3 所示。

（4）可能性一般區(qū)域：在一般區(qū)域內(nèi)區(qū)間中線布置一排鉆探孔，每排鉆探孔線路縱向間距 5.0 m，鉆孔到盾構(gòu)管片底部。

圖1 可能性最大區(qū)域平面布置圖

圖2 可能性很大區(qū)域平面布置圖

圖3 可能性較大區(qū)域平面布置圖

圖4 可能性一般區(qū)域平面布置圖

3.2 探測孤石大小的鉆探孔布置

鉆探時若發(fā)現(xiàn)隧道洞身范圍內(nèi)存在孤石，則須測明孤石的形狀和位置。由于孤石一般為圓形，其寬度和厚度相差不大，并考慮到盡量使鉆孔在處理孤石時可以重復(fù)利用以降低成本，所以探測孤石的形狀和位置時以探測到的孤石探孔點(diǎn)為中心向四個方向鉆孔，第一輪的鉆孔以孤石厚度的一半，如第一輪未探到孤石則在第一輪探孔向外 0.4 m再布設(shè)探孔，以此類推直到探出孤石邊界為止。

3.3 基巖凸起探測

3.3.1 基巖探測孔位布置

基巖探測采用加密探孔的方法進(jìn)行探測，鉆孔探測區(qū)域孔位以梅花形式沿隧道中線兩側(cè)均勻分布，孔位距隧道邊線間距為 1.5 m，同側(cè)縱向兩孔間距為 3 m。孔深標(biāo)高為隧道管片底部標(biāo)高向下延伸 2 m。探測到基巖的鉆孔須做好詳細(xì)記錄（包括：探孔編號、坐標(biāo)、基巖頂面標(biāo)高、巖石分類等），并保護(hù)好鉆孔（同探測到孤石的鉆孔），待爆破作業(yè)時加以利用，并指導(dǎo)后續(xù)施工。

3.3.2 鉆探參數(shù)的確定

在鉆孔探測過程中，一旦探測到孔位 B 點(diǎn)存在基巖，如圖 4 所示，即選擇相鄰兩探孔 AB 中點(diǎn) C 進(jìn)行鉆孔探測，如果 C 點(diǎn)沒有探測到基巖，說明基巖邊緣在 BC 孔位之間，即選擇 BC 中點(diǎn)進(jìn)行鉆孔探測，如果探測出 C 點(diǎn)存在基巖，即選擇 AC 中點(diǎn) D 進(jìn)行鉆孔探測，以此類推，直至確定基巖的邊界，并做好相關(guān)記錄，其他方向上確定基巖邊界的方法與此相同。

3.4 地下爆破施工

因城市環(huán)境因素影響采用爆破法對探測出來的孤石和凸起巖石進(jìn)行預(yù)處理，爆破后的碎石塊度長邊尺寸必須小于 30 cm，以便碎石塊進(jìn)入盾構(gòu)出渣口。孤石及基巖凸起的爆破處理遵循如下幾個原則。

（1）爆破前對受影響范圍建（構(gòu)）筑物進(jìn)行鑒定，并根據(jù)不同建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)形式設(shè)定爆破振速限值。

（2）對距離較近的主要建構(gòu)筑物，爆破前采取隔振措施（如隔振槽等）；若地下爆破深度大于 15 m～18 m，且爆破點(diǎn)周圍無主要建（構(gòu)）筑物，則無需采取隔振措施。

（3）根據(jù)基巖凸起高度、巖石強(qiáng)度、巖性、風(fēng)化程度和周邊環(huán)境條件制定處理方案，以此調(diào)整爆破鉆孔高度、鉆孔直徑、間距及裝藥量，爆破范圍宜超出隧道洞身邊界以外一定范圍。

（4）對于基巖凸起較高的斷面，建議在爆破孔附近設(shè)置若干個空鉆孔，以創(chuàng)造臨空面，提高爆破效果。

（5）對爆破的效果進(jìn)行抽芯檢測，抽芯孔不宜距離爆破孔太近；對于抽芯尺寸不滿足要求的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)爆破。

3.4.1 孤石爆破處理

（1）方案一：對于探測到的孤石，具備地面處理?xiàng)l件的，優(yōu)先選用爆破法處理，采用 500@800梅花形布設(shè)爆破孔并結(jié)合利用原探測孔。

（2）方案二：不具備地面處理?xiàng)l件或探測時遺漏的孤石，地下盾構(gòu)開倉處理，采用巖石分裂機(jī)處理前方孤石。巖石分裂機(jī)是一種手工操作操作的設(shè)備，它利用液壓原理，可以控制性地分裂巖石。單機(jī)最大分裂力可達(dá) 413 t，靜音、無粉塵工作、沒有振動；重理輕、分裂尺寸精確、可控性分裂、操作簡便。

（3）方案三：不具備地面處理?xiàng)l件或探測時遺漏的孤石，可采用盾構(gòu)機(jī)換刀切削的方法。須先對孤石周圍地層進(jìn)行加固，確保球狀孤石在被切削時相對固定。

3.4.2 基巖凸起爆破處理

基巖凸起爆破孔布置采用 500@800梅花形布設(shè)，炸藥單耗 5 kg/m3。

3.4.3 地下爆破后恢復(fù)

在區(qū)間孤石及基巖處理爆破施工后，地下土體松動，路面破壞，因此首先要對爆破區(qū)域采取鉆孔注漿措施。水泥漿液比重為 1∶1，鉆孔間距與原爆破鉆孔間距一致，鉆孔深度比原爆破鉆孔深度深 1.0 m。注漿的目的主要是對已經(jīng)擾動的土體進(jìn)行加固穩(wěn)定，確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時再次對該地層的擾動而不會出現(xiàn)地表沉降的現(xiàn)象。注漿完成后，對原地面進(jìn)行恢復(fù)。若是路面，則根據(jù)現(xiàn)場情況對爆破區(qū)域 1 m ～3 m范圍內(nèi)的路面進(jìn)行切割清理，重新施做路基路面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合“廈門軌道交通 1 號線將軍祠站—文灶站區(qū)間”工程實(shí)例，采用地下爆破處理技術(shù)對孤石和基巖凸起進(jìn)行了處理，使得盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)。由于該區(qū)間線路上有無法拆除的商鋪和燃?xì)夤芫€，造成部分位置無法對地下孤石和基巖進(jìn)行爆破處理，而是采用盾構(gòu)機(jī)硬磨的方式。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在未處理的孤石和基巖凸起段掘進(jìn)時，刀具磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)了多次開倉換刀的狀況，進(jìn)度十分緩慢且增加了工程成本。經(jīng)過對比，現(xiàn)歸納總結(jié)如下。

（1）減小了風(fēng)險。通過對孤石和基巖凸起的預(yù)處理，避免了盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中反復(fù)開倉、軸線偏移等安全和質(zhì)量風(fēng)險。

（2）縮短了工期。孤石和基巖凸起的地下爆破處理可以在地鐵線路確定后實(shí)施，與盾構(gòu)掘進(jìn)施工互不干擾，只是在時間上存在先后順序，可以讓工期可控。

（3）成本得到了控制。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)未處理過的孤石和基巖凸起地層時，會造成反復(fù)開倉等較多不可控因素，使成本增加；但經(jīng)過對孤石和基巖凸起爆破處理后，會減小盾構(gòu)機(jī)開倉次數(shù)，同時減小隧道的施工風(fēng)險，從而達(dá)到控制成本的目標(biāo)。

通過對利用地下爆破處理施工技術(shù)破碎巖石的分析，形成了一套完整的孤石和基巖凸起地下爆破施工技術(shù)，包括孤石和基巖凸起的勘探和爆破技術(shù)，以期為后續(xù)類似項(xiàng)目提供參考與借鑒。