金 花1，李治国2，刘洪震2，党如姣2
(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000;2.中铁隧道集团勘测设计研究院，河南 洛阳 471009)
［摘要］浅埋盾构隧址区赋存孤石是盾构施工中经常遇到的问题。为保证盾构机正常施工，针对不同的现场地面条件，比选出最优的物探探测手段，需在盾构机到达前将孤石的埋深及大小等探测清楚，并对其进行预处理。通过工程实例介绍了某海底浅埋盾构隧道工程隧址区含有硬质花岗岩孤石的探测方法及预处理方法，可为浅埋盾构工程遇孤石时选择物探方法及预处理措施提供参考。
［关键词］隧道工程;盾构;隧址区;探测
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，且大多埋深较浅。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，给盾构施工带来困难［3－4］。
其中盾构施工过程中遇到最多的是花岗岩风化层中的球状风化核［5］，这是在广州、深圳、厦门等东南地区盾构施工过程中经常会遇到影响施工进程和安全的一种地质现象。基于孤石尺寸、分布位置的随机性及较高的强度，采用盾构机直接掘进非常困难，会导致盾构机姿态难以控制，刀具磨损严重，刀座和刀盘变形;位于不良地层时，特别是在隧道地质条件较差或花岗岩风化残留体上方存在建(构)筑物、道路及密集管线时，进仓换刀困难;盾构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，这对保护地面环境极为不利。盾构掘进过程中，还时常会出现喷涌、塌方、刀盘被卡或刀盘严重磨损而地质条件差又无法换刀等意外情况，极大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，需在盾构机到达前采用合理物探探测方法，将异物埋深及大小等探测清楚，并对异物进行预处理。
2.1 孤石探测方法
采用物探法对浅埋隧道地质进行探测需具备2个条件:探测对象与相邻介质应存在一定的物性差异，并具有可被探测的规模;存在电、磁、振动等外界干扰时，探测对象的异常能够从干扰背景中区分出来。
要解决难度大、要求高的地质问题时，物探方法选择和观测系统布置尤为重要。只有选择行之有效的物探方法，才能获得反映地质问题的原始数据，为后续数据处理及解释奠定基础。不同物探方法对比评价如表1所示。
结合工程物探特点，通过综合比较，现阶段主要以电法(包括电磁法)和地震法为主，其他方法为辅的综合物探探测方法。
2.2 浅埋盾构隧道隧址区内孤石的常用探测方法
同类方法中，孔中的探测方法精度大多远高于地面的物探探测方法，但是前者投入的成本也是后者的数倍。因此在选择物探探测方法时，在结合现场工况的前提下，要在探测精度和投入成本之间做出权衡。针对浅埋盾构隧道，目前主要探测方法分为电法、电磁法和地震法。
表1 不同物探方法对比
物探方法 优缺点 适用条件仪的校准和数据质量的保证十分不利电磁法 效率高，受地形影响大，对施工环境要求高 存在磁性差异 对探测环境要求高，易受到外界干扰，且不能提供深度信息电法 观测系统可调整，灵活性高，探测深度有限 存在电性差异 可适应地面复杂多变的环境地震法 观测系统可调整，灵活性高，探测深度可控，但易受外界震动干扰有效评价重力 受地形影响大，干扰因素多，适用于深部构造探测存在密度差 重力仪受地形影响很大，复杂的地表施工条件对于重力适用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围放射性 简便高效，适用于区域成矿评价，但精度较低存在地震波阻抗差异存在放射性 在确定地下异物方面能力不足，且深度信息的提供有限，更加适用于矿产普测
2.2.1 电法
1)原理 通过对地下半空间中传导电流分布规律进行研究，以获得地下介质的视电阻率，从而进行勘探。因此该方法探测的物性基础是探测目标与周围介质在视电阻率上的差异。
2)包含方法 高密度电法、直流电法和跨孔电阻率成像等。
3)适用范围 高密度电法探测需要开阔的地面探测环境，用于布设电极，其探测效率高，探测成本低，可用于普查孤石、基岩突起和地下异常构筑物的埋深和延伸范围等;跨孔电阻率成像探测需钻设钻孔，用于布设电极探头，探测成本较高，可用于精确探测孤石和地下异常体的埋深及大小等。
2.2.2 电磁法
1)原理 通过发射天线向地下介质发射光谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性(介电常数、电导率、磁导率)差异界面时发生折射和反射，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用，接收天线接收并记录来自地下的电磁波信号，经过相应的数据处理，根据处理后的数据图像结合工程地质对介质情况进行推断解释。
2)包含方法 地质雷达和井中雷达成像等。
3)适用范围 电磁法属于电法范畴，其主要劣势是电磁波信号遇到地下水衰减较快，地面地质雷达探测场地小，探测深度可控(不同频率的天线)，探测效率高，可用于普查孤石、基岩突起、管线和地下构筑物的埋深和延伸范围等。孔中雷达法需钻设钻孔用于布设雷达天线，探测成本较高，探测到异常体后无法定向，需与其他方法结合起来探测，可用于精确探测孤石和地下异常体的埋深等。
2.2.3 地震法
1)原理 以地下各种介质的弹性差异为基础，研究由人工震源(如锤击、炸药爆破等)产生地震波的传播规律，分析地下介质分布形式的一类物探方法。
2)包含方法 面波地震法、地震折射法和跨孔地震CT法等。
3)适用范围 地震法其观测系统灵活多变，地震波信号包括面波、折射波和反射波等，其反映地下信息丰富，但该方法探测要求高，后期数据处理复杂。地面地震法需要开阔的地面探测环境用于布设检波器，其探测效率较高，探测成本较低，可用于普查孤石、基岩突起和地下异常构筑物的埋深和延伸范围等;跨孔地震CT探测需钻设钻孔用于布设检波器串，探测成本较高，可用于精确探测孤石和地下异常体的埋深及大小等。
一般情况下，地层中是否含有孤石，通常具有区域性，如我国的沿海地区。在这些地区采用盾构法修建隧道，需提前采取预防措施，先采用合理的方法进行物探，确定隧址区内孤石的体积、三维坐标、地表状况等基本要素，选择合适的预处理方法，如采取钻孔爆破处理或洞内破碎处理等方法。
3.1 孤石地表预处理技术
1)孤石周围地层强度提高法 该方法主要原理是提高孤石周边软土的强度，以便提高软土对孤石的握抱力，孤石在地层中不产生滚动，使盾构刀具可直接破碎孤石。主要采用注浆方式加固地层强度。
2)爆破预处理法 该方法对环境要求较高，地面要有钻孔条件，距周边建筑较远。主要采用地质钻机在地面直接钻孔且穿透孤石，采用微差爆破法在孤石范围内装入炸药破碎孤石。
3)小型竖井直接处理法 在所确定的孤石位置正上方，从地表人工开挖小型竖井，直接开挖到孤石处进行处理，或采用风镐、钻孔爆破等方式进行处理，之后采用黏土进行竖井回填并层层夯实。该方法比较直接，处理后的孤石碎块能取出，强度较高的孤石碎块对后续的盾构掘进再无影响。
4)冲击锤直接冲击破碎法 采用冲击锤从地表直接冲入地下一定深度至孤石高度，再用冲击锤直接破碎孤石。冲击孔的数量及冲击锤的大小根据孤石大小确定，处理后的冲孔也要采用黏土进行回填并层层夯实。
3.2 洞内掌子面直接处理孤石法
1)超前注浆加固法 当地面没有条件钻孔注浆时，利用盾构机注浆孔进行超前钻孔，对掌子面进行注浆加固，以提高孤石周边软土的强度及软土对孤石的握抱力，孤石在地层中不产生滚动，使盾构刀具可直接破碎孤石。
2)静态膨胀剂处理法 首先盾构机刀盘到达孤石所处里程，对地层进行加固并确保掌子面稳定的情况下，在密闭且加压下，处理人员通过盾构机人仓进入仓内，对孤石钻孔并装入静态膨胀剂，膨胀破碎孤石，边破碎孤石，边向前掘进，直至孤石处理结束。
3)岩石劈裂机直接切割法 同静态膨胀剂处理方法类似，盾构机刀盘到达孤石所处里程时，对地层进行加固并确保掌子面稳定的情况下，在密闭且加压下，处理人员通过盾构机人仓进入仓内，采用手持液压劈裂机直接对孤石进行劈裂切割，把孤石分割成小块取出。
4)直接掘进破碎孤石法 盾构机直接掘进破碎孤石风险较大，但在以上各处理方法不具备条件或工期很紧时，需要调整盾构机合适的推力、转速等施工参数，直接掘进通过孤石区，如减小推力、提高转速等。如孤石较大时，该方法较为适合。
4.1 工程概况
某大型地下工程位于我国沿海地区的江门台山市，包含2条输水隧洞，隧洞采用盾构法从海底穿过，把大襟岛与陆域连接起来，目的是方便从大襟岛的深水区取水并输送到陆域区。隧洞长约4 000m，外径8.7m，内径7.3m，采用复合式衬砌结构，管片支护结束后再进行二次钢筋混凝土衬砌，2条隧洞净距20.5m。该输水隧洞为我国首次采用大断面泥水盾构长距离施工的海底盾构工程。
1)工程地质 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，2条隧洞通过的区域中，先期工程地质勘探中发现存有大量的花岗岩风化残留孤石。据调查，孤石体主要是燕山期花岗岩侵入体风化后的残留体，颜色为灰黑色。
2)孤石分布情况 经过多方论证比选，选取地质补勘及水域地震反射波方法进行探测，并根据探测成果，对探测到的孤石再次进行地质钻机取芯验证。取芯验证表明，前期论证所采取的物探方法合理可靠，孤石主要分布在距岸边300m的范围之内，且主要集中在2个区域。同时，通过岩芯强度试验，孤石体单轴抗压强度基本在80～120MPa，进一步验证了孤石体与其周围软土强度相差较大，盾构隧址范围内孤石周边软土强度较低。
4.2 爆破预处理方案
经过专家论证，建议对隧址区内所包含高强度孤石体进行爆破破碎，要求破碎后的石块小于30cm，以便能顺利通过盾构机的刀盘开口。
4.2.1 钻孔设计
探测结果表明，孤石区距离陆域侧较近，且该区域水深约3m，为方便施工处理，施工中采用对含孤石区域先进行回填，再进行后续的爆破工艺。为便于装药，设计钻孔直径为90mm，先下直径75mm的PVC管，然后药卷装入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。
根据盾构机参数要求碎块直径要小于30cm，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0.8～1.0m。现场炮孔设置如图1所示。
图1 孤石爆破炮孔布置示意
4.2.2 爆破参数及爆破效果
1)炸药单耗选取
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。参照水下爆破的经验和相关规定［6－13］，通过对各种影响因素的综合比较，采用瑞典炸药单耗计算公式进行炸药单耗计算，如式(1)所示:
式中:q1为基本炸药单耗，kg/m3，是一般陆域台阶法爆破的2～3倍;q2为孤石上方水压增量，q2= 0.01h2，h2为水深，m;q3为孤石上方覆盖层增量，q3=0.01h3，h3为孤石上方覆盖层厚度，m;q4为岩石膨胀增量，q4=0.03h，h为孤石直径，m。
根据现场实际边界条件，孤石主要位于海面下20m左右区域，据此计算所得爆破破碎孤石炸药单耗q在2～4kg/m3，实际装药需根据现场取芯来灵活确定。
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，单孔装药量根据公式(2)计算:
式中: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。爆破后对爆破再次取芯验证爆破效果，并结合爆破结果对爆破参数适时调整。
3)爆破器材
火工品选用防水性能、安定性和起爆性能良好的2号岩石乳化炸药，药卷直径60mm，长40cm，单卷药重1.2kg。雷管选用毫秒导爆管雷管，根据孔深，导爆管要求长度为30m。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)装药方式及连接网络
采用径向集中装药结构，正向装药起爆，装药结构如图2所示。为确保邻近建筑物安全，在针对邻近建筑物进行爆破震动监测的同时，尽量减小一次齐爆药量，采用孔内外相结合的延时方式进行联网起爆。为确保网络起爆的成功率，采用双发雷管起爆，连接成2套并联的网络，并由瞬发雷管进行起爆。
图2 装药结构示意
5)爆破效果取芯验证
不同于有自由面的岩石爆破，孤石深埋地层中，爆破后看不到爆破效果。因此，为验证爆破后孤石破碎效果及爆破参数设计的合理性，在孤石爆破处理后，需采用地质钻进行取芯，根据取芯实际情况验证爆破后岩体的破碎程度(见图3)。图3a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3b为爆破后某处孤石取出的芯样，从现场取芯结果可以看出:岩体比较破碎，大部分粒径在10cm以下，较大粒径也在10～20cm，均小于30cm，达到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。
图3 取芯验证实际照片
4.2.3 爆破安全监测
根据爆破安全规程，爆破振动测试内容主要包括:质点振动速度、质点振动位移、质点振动加速度。在爆破过程中为控制爆破振动对邻近隧道的影响，在爆破施工过程中，选取与爆源里程相对应的1号隧洞进行爆破震动跟踪测试。
采用TC-4850智能化爆破振动采集仪及配套传感器，探头布置在1号隧道靠近爆源侧的管片上。爆破振动监测可得到如下规律:质点垂直振速明显大于水平振速;单段药量增加后，所测得的质点振速明显增加;质点振动频率较大，一般大于100Hz，利于管片的保护;爆破振动速度较小，低于水工隧道爆破振动安全允许速度。典型爆破振动速度历时曲线如图4所示。
图4 爆破振动速度历时曲线
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，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。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，首先确定孤石的相对位置后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:孤石破碎效果良好、大块率较低，满足了盾构顺利通过的要求，爆破参数的设计合理、切实可行。
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［作者简介］金 花，讲师，E-mail:jinhua605@sohu．com
［收稿日期］2016-09-17
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