孤石爆破預(yù)處理技術(shù)在盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用

許文明

（宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)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(hào)線工程中新站—中新東站—朱村站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，其中左線總長(zhǎng)3477.778m，右線總長(zhǎng)3477.226m。區(qū)間隧道連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)居民樓、廠房、加油站等重要建筑物，以及穿越國(guó)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(qū)間隧道主要穿越花崗巖殘積土（砂質(zhì)黏土<5N-2>），全風(fēng)化花崗片麻巖<6Z>、全風(fēng)化花崗巖<6H>、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖地層<7Z>、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層<7H>，見圖1；中新東站—朱村站區(qū)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(fēng)化花崗巖<6H>、全風(fēng)化花崗片麻巖<6Z>、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖<7H>、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖<7Z>、中風(fēng)化花崗巖<8H>，見圖2。

圖1 中～中區(qū)間隧道穿越地層統(tǒng)計(jì)

圖2 中～朱區(qū)間隧道穿越地層統(tǒng)計(jì)

根據(jù)勘察報(bào)告揭露，區(qū)間隧道沿線球狀風(fēng)化體（孤石）分布很不規(guī)律，中新站—中新東站區(qū)間揭露孤石37塊、中新東站—朱村站區(qū)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(qiáng)度26.2～113MPa，孤石給盾構(gòu)施工帶來(lái)極大的不利影響。

2 孤石危害

目前盾構(gòu)機(jī)均不具備孤石粉碎功能，僅靠刀盤配置的刀具對(duì)孤石施加切削和擠壓作用進(jìn)行破碎。當(dāng)遇到孤石時(shí)，因孤石強(qiáng)度高極易造成刀具磨損和刀座變形破壞，將帶來(lái)盾構(gòu)開倉(cāng)換刀風(fēng)險(xiǎn)；若盾構(gòu)穿越孤石群或大孤石時(shí)，刀盤處于不均勻受力、持續(xù)過(guò)載狀態(tài)，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(yán)重時(shí)將造成盾構(gòu)機(jī)永久“卡殼宕機(jī)”，而且極大提高了盾構(gòu)姿態(tài)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(huán)境破壞，造成惡劣的社會(huì)影響。

受盾構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)造影響，當(dāng)孤石粒徑超過(guò)30cm時(shí)，就已達(dá)到螺旋機(jī)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(shù)→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(hù)→實(shí)施爆破→孤石抽芯檢測(cè)→圍堰密封注漿。

4 孤石處理主要技術(shù)要求

4.1 孤石探測(cè)

初探時(shí)如發(fā)現(xiàn)隧道洞身范圍內(nèi)存在“孤石”，則需進(jìn)一步探清“孤石”位置和大小，按照“網(wǎng)格法”鉆孔排查，網(wǎng)格以隧道中心線為對(duì)稱軸，間距軸向1m×法向1m，網(wǎng)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(hào)示意圖（單位：mm）

4.1.1 網(wǎng)格法向探測(cè)孤石左、右邊界

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

4.1.2 網(wǎng)格軸向探測(cè)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(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)向前輻射，沿軸向前2m布置3號(hào)鉆孔，如未探到孤石則退后1m布置2號(hào)鉆孔，如仍未探到則繼續(xù)退后0.5m布置鉆孔；如3號(hào)鉆孔探到孤石，則前進(jìn)2m布置5號(hào)鉆孔，如未探到則退后1m布置4號(hào)鉆孔；如5號(hào)鉆孔探到孤石則繼續(xù)前進(jìn)2m進(jìn)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(cè)結(jié)果

經(jīng)網(wǎng)格法探測(cè)，區(qū)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(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖與花崗片麻巖，抗壓強(qiáng)度達(dá)40～120MPa。

4.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 布孔形式

根據(jù)已探明的孤石位置及大小情況，選取孤石探測(cè)孔作為基點(diǎn)，按照平面網(wǎng)格間距0.8m×0.8m布設(shè)爆破孔，孔徑90mm。爆破孔采用地質(zhì)鉆機(jī)垂直引孔，成孔后立即下放Φ75mmPVC套管。鉆孔過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)記錄孤石上、下巖面標(biāo)高，為爆破裝藥提供依據(jù)。

4.2.2 單位耗藥量計(jì)算

單位耗藥量采用經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(shù)；q2為爆破區(qū)上方水壓增量，可按q2=0.01h2計(jì)算，h2（m）為水深；q3為爆破區(qū)上方覆蓋層增量，可按q3=0.02h3計(jì)算，h3（m）為覆蓋層厚度；q4為巖石膨脹增量，可按q4=0.03h4計(jì)算，h4（m）為梯段高度。

4.2.3 單塊孤石爆破藥量計(jì)算

單塊孤石爆破總耗藥量計(jì)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(shí)測(cè)的孤石體積進(jìn)行單塊孤石爆破耗藥量計(jì)算，以實(shí)施精準(zhǔn)爆破，見表2。

表2 不同體積孤石總裝藥量參數(shù)表

4.2.4 裝藥結(jié)構(gòu)

考慮孤石厚度不均勻性、探孔定位誤差等影響，裝藥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度按以下原則確定：

（1）單孔單體爆破時(shí)，裝藥長(zhǎng)度選擇與孤石厚度等同。

（2）多孔單體爆破時(shí)，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(dāng)孤石厚度小于網(wǎng)格間距0.8m時(shí)，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，見圖4；當(dāng)孤石厚度大于網(wǎng)格間距時(shí)，采取分段裝藥結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖4 連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖5 分段裝藥結(jié)構(gòu)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(fā)非電毫秒雷管，起爆延期時(shí)間選擇1～20段別。

（2）根據(jù)鉆孔取得的孔位參數(shù)情況，計(jì)算好單孔裝藥量和藥包長(zhǎng)度，先將炸藥和雷管裝入PVC管內(nèi)指定的位置，然后將PVC管兩端進(jìn)行堵塞密封處理。

4.4 藥包抗浮

由于炸藥與孔內(nèi)的泥漿水比重相近，導(dǎo)致藥包無(wú)法下沉或下沉后在浮力作用下而無(wú)法固定，所以需對(duì)藥包進(jìn)行配重抗浮，可按式：G炸藥+G配重＞F泥漿進(jìn)行配重設(shè)計(jì)。

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(chǎn)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(jù)鉆孔取得的孔位參數(shù)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(zhǎng)度N2；最后開始下放藥包，使N1=N2，就位誤差控制10cm以內(nèi)。當(dāng)藥包就位后，用鐵絲把掛繩固定在套管壁上，使其不再移動(dòng)。

4.6 泄壓孔布置

地面預(yù)爆破孤石處理深度大，難度系數(shù)高，為了達(dá)到理想的爆破效果以及防止爆破時(shí)因震動(dòng)對(duì)孤石周圍的建筑物或地下管線的破壞，應(yīng)在爆破范圍內(nèi)布置泄壓孔，以便釋放爆破時(shí)產(chǎn)生沖擊動(dòng)能。

泄壓孔按梅花形布置在炮眼中間，同時(shí)在孤石外側(cè)設(shè)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(hù)

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(chǎn)生的高壓氣體帶動(dòng)炮孔內(nèi)泥漿沖出孔外。為防止泥漿飛濺，首先將PVC套管內(nèi)外采取碎石堵塞，堵塞時(shí)嚴(yán)禁使用鐵器沖擊炮孔內(nèi)藥包與雷管，然后在地面上覆蓋鋼板與沙袋防護(hù)。

4.8 爆破施工

由于盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破單炮藥量較小，且每段裝藥都用雙發(fā)非電毫秒雷管，因此起爆網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)非電毫秒雷管分段，孔外分組簇聯(lián)，每個(gè)起爆體內(nèi)的兩發(fā)非電雷管分別聯(lián)接到兩個(gè)并聯(lián)回路，確保網(wǎng)絡(luò)可靠性[2]。

每批次爆破后應(yīng)檢查孤石破碎效果，可通過(guò)地質(zhì)勘探鉆機(jī)在相鄰兩個(gè)爆破孔中間采取巖塊取芯的方法進(jìn)行檢測(cè)：如巖柱（芯樣）連續(xù)且長(zhǎng)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(xù)且長(zhǎng)度值多數(shù)超過(guò)300mm，則應(yīng)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(gòu)長(zhǎng)時(shí)間穿越花崗巖風(fēng)化帶，開艙進(jìn)行刀具檢修頻繁，而土層受爆破擾動(dòng)氣密性差，給保壓開艙換刀作業(yè)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文采取袖閥管注漿工藝對(duì)隧道周邊爆破松動(dòng)圍巖進(jìn)行充填加固，以提高圍巖密實(shí)度和自穩(wěn)能力[3]。工藝參數(shù)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(shí)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(nèi)，同時(shí)結(jié)合盾構(gòu)在孤石區(qū)段的掘進(jìn)參數(shù)來(lái)看，深孔爆破對(duì)孤石破碎處理確實(shí)達(dá)到了目標(biāo)效果?？偨Y(jié)實(shí)施效果如下：

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)處于正常狀態(tài)，孤石處理區(qū)刀具磨損少未換刀，見表3。

表3 盾構(gòu)穿越孤石處理區(qū)的掘進(jìn)參數(shù)

（2）盾構(gòu)姿態(tài)良好：中新站—中新東站區(qū)間孤石區(qū)段盾構(gòu)最大軸線偏差為水平+2/+3mm，垂直+21/0mm（環(huán)號(hào)302環(huán)），中新東站—朱村站區(qū)間孤石區(qū)段盾構(gòu)最大軸線偏差為水平+11/-5mm，垂直-21/-27mm（環(huán)號(hào)164環(huán)）。

（3）管片姿態(tài)良好：孤石區(qū)段隧道管片拼裝未發(fā)生破損、裂縫、錯(cuò)臺(tái)及漏水等現(xiàn)象。

（4）地表沉降穩(wěn)定：中新站—中新東站區(qū)間地表最大沉降31.3mm已穩(wěn)定（點(diǎn)位L314-3），中新東站—朱村站區(qū)間地表最大沉降13.2mm（點(diǎn)位L162），未發(fā)生重大沉降事件。

6 結(jié) 語(yǔ)

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

（1）孤石處理前必須摸查清楚區(qū)間掘進(jìn)范圍內(nèi)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(gòu)）筑物情況，提前制定應(yīng)急保護(hù)措施；

（3）爆破后需對(duì)爆破區(qū)進(jìn)行抽芯檢測(cè)，待碎石粒徑大小滿足盾構(gòu)螺旋機(jī)出渣限制條件（不大于30cm）后方可允許盾構(gòu)通過(guò)。

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

本文以實(shí)際工程為例，講述盾構(gòu)穿越前的孤石預(yù)處理施工技術(shù)，為盾構(gòu)穿越孤石群打出一條綠色通道，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保障盾構(gòu)掘進(jìn)、出土、注漿、拼裝、糾偏等工序的有效實(shí)施。