侵入盾构隧道基岩地面钻孔地下爆破预处理及效果检验技术

丁 锐，路耀邦，党如姣，李 洋

(1.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009;2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

随着我国地下空间开发利用步伐的不断加快，盾构施工作为地铁、城市管线、越江、跨海等基础设施建设的一种主要施工方法得到了广泛应用［1－2］。基岩侵入盾构隧道在广州、深圳、香港等地区的盾构施工中较常见，如果不对其进行预处理，而采用盾构直接掘进，则会出现盾构掘进效率低，刀盘刀具磨损严重，频繁出现卡刀、掉刀、线路偏移等问题，不仅会严重影响施工进度，而且使施工面临极大威胁，甚至导致工程失败。

杨书江［3］结合广州地铁3号线大—汉盾构区间，采用钻爆法开挖硬岩隧道并进行初期支护，盾构机空载推进拼装管片通过;邓彬等［4］依托深圳地铁2号线侨香—香蜜站工程，通过调整盾构掘进参数，顺利地通过了区间基岩突起地段;竺维彬等［5］针对复合地层中的基岩侵入体，采用地面钻孔下药施爆的控制钻爆法，并通过钻孔取芯来反馈、调整爆破设计，控制了岩石的破碎块度;路耀邦等［6］结合台山核电盾构区间基岩爆破预处理实际情况，采用爆破振动测试和爆破后钻孔取芯相结合的方法调整、优化爆破参数，以达到满足盾构施工要求的岩石破碎效果;党如姣［7］采用高密度电阻率法与面波地震法相结合的方法，对隧道范围内的基岩爆破和注浆效果的物探检验技术进行了研究，用电阻率值和横波速度定量地分析了爆破和注浆质量，对爆破和注浆施工有一定的指导作用。

由此可见，尽管前人对侵入隧道的基岩已有不同的预处理方法，但处理后采用物探技术和钻孔取芯相结合的方法验证基岩预处理效果，可参考借鉴的文献并不多。因此，为保证盾构机能安全顺利地通过基岩突起地段，不但需对基岩突起进行预先处理，而且需要采用合理的检验方法对其破碎效果进行检验。

1 工程概况

深圳市轨道交通11号线车公庙站—红树湾站区间东起车公庙站，西至红树湾站，全长约5.5 km，区间线路大体呈东西走向，左、右线分修，其中心线距离为13.0 m，采用4台内径为6 m的盾构掘进。详勘结果表明，左、右线均遇到基岩突起的情况，且最大单轴抗压强度达150 MPa，这些侵入隧道范围内的基岩将给盾构施工带来较大困难，需要对其进行预处理。

1.1 工程地质与水文地质

区间隧道穿越地层主要为砾质黏性土、全强风化花岗岩，局部洞顶位于砂层或砾砂层中，局部底板位于中微风化花岗岩中。工程地质由上到下依次为素填土、填石层、淤泥层、黏土层、全风化粗粒花岗岩、强风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩，盾构区间隧道洞身主要位于微风化粗粒花岗岩中。

区间范围内的地下水主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。其中，第四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层中，岩层裂隙水较发育，广泛分布于粗粒花岗岩的中－强风化带、构造节理裂隙密集带及断层破碎带中。

1.2 基岩突起段分布情况

地勘资料表明，欢乐海岸人工湖下主要为基岩突起地段，右线隧道基岩突起段长284 m，左线隧道基岩突起段长271 m。其中，左、右线隧道顶板埋深约15 m，右线基岩突起最高点高出隧道顶板7 m，左线基岩突起最高点高出隧道顶板约6 m。计划对欢乐海岸13#别墅基础下的 138.709 m基岩突起段(左线72.275 m，右线66.434 m)进行提前处理，右线基岩突起段预处理纵剖面如图1所示，突起段基岩单轴抗压强度如表1所示。

图1 右线基岩突起段地质纵剖面图(单位:m)Fig.1 Geological profile of right tunnel tube showing bedrock intrusion(m)

表1 单轴抗压强度统计表［8］Table 1 Uniaxial compressive strength［8］ MPa

2 爆破设计

2.1 钻孔参数设计

现场钻孔采用地质钻机和潜孔钻机相结合的垂直钻孔方法，钻孔直径为110 mm。采用矩形布孔，钻孔达到设计孔深后下直径为90 mm的PVC管护孔。钻孔在隧道左、右结构轮廓线外1 m范围内布置，按分区域、分排顺序进行，相邻2个工作面的间隔距离为20 m，利用前排孔爆破对周围土体挤压产生的自由面逐个对后排孔进行爆破，炮孔平面布置如图2所示。

图2 炮孔平面布置示意图(单位:m)Fig.2 Layout of blasting holes(m)

由于突起基岩最大埋深约23 m，需爆破厚度最大约9 m。为了保证爆破破碎效果，根据规范规定［9］，应结合现场岩面的高低来确定钻孔间距。当岩面位于隧道中心以下时，采用800 mm×800 mm间距;当岩面位于隧道中心以上而未超过隧道顶板时，采用600 mm×600 mm间距;当岩面位于隧道顶板以上时，采用500 mm×500 mm间距。

2.2 装药量计算

2.2.1 炸药单耗计算

目前，国内外关于水下爆破装药量的计算公式有很多［10－11］，但通常采用瑞典经验公式进行炸药单耗计算，计算公式为

式中:q1为基本炸药单耗，是一般陆地梯段爆破的2～3倍，对水下垂直钻孔爆破再增加10%;q2为爆区上方水压增量，q2=0.01 h2(h2为水深);q3为爆区上方覆盖层增量，q3=0.02 h3(h3为覆盖层厚度);q4为岩石膨胀增量，q4=0.03 h(h为梯段高度)。

陆地普通坚硬岩石爆破平均单耗为 0.5～0.6 kg/m3，本次取 0.6 kg/m3，则当采用水下钻孔爆破时，基本装药量 q1=1.1 × (3 ×0.6)=1.98 kg/m3，梯段高度h=9 m，水深h2=23 m，覆盖层厚度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岩石位于地下20多m，岩石上方覆盖层较厚，爆点无临空面，岩层越厚，夹制作用越大，则单耗也相应增加。适合本工程的炸药单耗为qa=kq，k为岩层厚度系数，取1.0 ～ 1.5，这里取1.4，则qa=4.06 kg/m3。爆破作业过程中，将炸药单耗调整为4.0 kg/m3，现场可根据岩石性质及厚度进行适当调整。

2.2.2 单孔装药量计算

单孔装药量

式中:Q为单孔装药量，kg;q为水下钻孔爆破单位炸药消耗量，kg/m3;a为炮孔行间距，m;b为炮孔排间距，m;H0为设计爆层厚度，m。

当炮孔间距为800 mm×800 mm时，单孔装药量Q=4 × 0.8 × 0.8H0=2.56H0;当炮孔间距为600 mm×600 mm时，单孔装药量 Q=4×0.6×0.6H0=1.44H0;当炮孔间距为 500 mm × 500 mm时，单孔装药量 Q=4×0.5×0.5H0=H0。现场可根据炮孔间距及岩面高度直接代入计算。

2.3 火工品的选择

炸药选取防水性、安定性良好的2#岩石乳化炸药，药卷直径为60 mm，长度为40 cm。孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，导爆管长25～30 m。

2.4 装药结构及起爆网络

炮孔采用间隔装药结构，且均正向装药起爆，如图3—5所示。考虑到爆破振动对周围建筑的影响，采取孔内微差、孔外延迟爆破技术。为了确保准爆，采用2套并联网络起爆，起爆网络如图6所示。

为确保安全，防止爆破产生的冲击波将钻孔中的泥浆喷出，影响周围环境，装药完成后，采取向PVC管内填充碎石，并灌注水泥浆;同时，地表用钢板将钻孔孔口覆盖，并在钢板上堆压砂袋作为防护措施。

3 爆破效果验证

为验证爆破参数的合理性，准确判断爆破后基岩的破碎效果，现场采取物探和钻孔取芯相结合的方法进行验证。

3.1 物探验证

结合工区的地质特点和施工环境，对比了各种物探方法的适用范围。高密度电法主要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，它具有灵活性高、能够精确刻画地下介质的电性差异、克服地表泥泞的恶劣环境、高效反映地下视电阻率的变化等优点，因此选用其作为爆破效果评估的物探方法。

3.1.1 隧道左中轴线爆破效果检测

利用高密度电阻率法对侵入工区隧道左线的硬岩爆破预处理效果进行检验，因小里程段有人工湖的阻挡，无法布置测线，导致小里程段测线较短，图7为相应的测线布置示意图。左线采取爆破前、后分别探测，并对比探测成果，分析预处理效果。

图7 左中轴线测线布置(单位:m)Fig.7 Layout of survey line along axis of left tunnel tube(m)

图8为爆破前左线的高密度电法探测结果。图8(c)中红色虚线圈所在位置(ZCK7+760～+766)表现为浅蓝色的相对高阻特征，这应是未爆破基岩所致，可见剩余未爆破区域很小，且受周围爆破区域的影响，在反演剖面图中其差别与周边不显著。

在图8(b)视电阻率剖面结果中，深度15～24 m范围内的视电阻率值与周围介质有所差异，数值上表现为比上部淤泥土和黏土的视电阻率值大，比下部基岩小;同时，结果表现为数值的不均匀，推断为爆破所致。从图8(b)中可以看出，爆破完的区域视电阻率值(1 ～4.5 Ω·m)较底部基岩(＞4.5 Ω·m)明显降低。

图9为爆破后的探测结果，与爆破前相比，工作区已全部爆破完毕。图9(b)和图9(c)中红圈位置视电阻率值与周围介质的差异变小，表明随着时间的推移，地下水逐渐渗流至该区域，地下水含量变大，爆破效果良好。

3.1.2 隧道右中轴线爆破效果检测

利用高密度电法进行右线的硬岩处理质量监测工作，图10为相应的测线布置示意图。

由于同一里程断面处左、右线基岩侵入隧道厚度相同，并且基岩爆破的处理方法一样;因此，右线爆破前的探测结果可参考左线爆破前。

图11为右中轴线爆破后的高密度电法探测结果。从施工状态图可知，此时探测范围内既有未爆破的区域，也有爆破后的区域。图11(b)视电阻率剖面红圈所在位置(＞3 Ω·m)比同深度其他位置(＜3 Ω·m)的视电阻率值大，说明此处地下介质的含水量小，地层扰动小，正好对应未爆破区域，而其他区域由于爆破的原因，使得介质的视电阻率值变小。从图11(b)视电阻率剖面和图11(c)反演剖面上看，爆破位置的视电阻率值变得很小，与深部的基岩高阻(图11(c)中深度25 m以下的黄绿色部分，数值上＞5 Ω·m)有明显差异，说明爆破效果良好。

3.2 钻孔验证

在物探检验的基础上，对认为可能存在大块度粒径的岩石地段，采用地质钻孔方法进行取芯验证，与物探方法结合验证爆破后岩体的破碎程度。

图10 右中轴线测线布置(单位:m)Fig.10 Layout of survey line along axis of right tunnel tube(m)

图12为爆破后取出的芯样，从现场取芯结果可以看出，岩体比较破碎，块度基本控制在30 cm之内。爆破后，各取芯验证孔的芯样长度统计如表2所示，97.4%的芯样长度在30 cm以内。其中，在10#钻孔(里程为ZCK7+699.5)15 m深处取出长度为42 cm的芯样，为现场装药过程中装药结构(上、下层)间隔过长所致。爆破后的破碎块度达到了对侵入隧道岩层进行预处理的程度，为盾构机的顺利通过奠定了基础。

图11 右线爆破后探测成果Fig.11 Results of geology prediction of right tunnel tube made after blasting

表2 芯样长度统计Table 2 Lengths of rock core samples

4 结论与建议

4.1 结论

本文在前期地质详勘及钻孔验证的基础上，针对侵入隧道不同的岩面高度选择了不同的炮孔间距，结合经验公式对炸药单耗、单孔装药量进行计算，并精心设计了装药结构及起爆网络。取芯结果表明，基岩破碎块度适中，能够满足盾构顺利通过的要求，同时也证明了采用地面钻孔爆破方法对侵入隧道的基岩进行预处理是可行的。爆破后，采用高密度电阻率法对基岩爆破预处理效果进行检验，对破碎效果进行定性分析。实践表明，采用地面高密度电阻率法对爆破效果进行检测是较佳的选择，该技术可为类似盾构区间侵入隧道基岩的预处理及效果检验提供指导。

4.2 建议

采用地面高密度电阻率法较好地描述了由于爆破施工进展变化而导致的地下介质电阻率变化，从而推测其施工质量，实现对爆破施工质量的监测。但是，其缺点是只能得到中轴线上的情况，而无法反映全部地下工区的情况。因此，建议加大监测范围及次数。此外，鉴于爆破区域地处人工湖，地下水较丰富，且爆破会扰动炮孔周围地层，为保证盾构过基岩爆破处理后地层的气密性，爆破完成后应立即对炮孔进行封堵，并根据压水试验求出该区域各地层的渗透系数，以此来检验炮孔的封堵效果。

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