盾构施工中隧道限界内基岩突起的深孔爆破预处理技术研究*

穆永江

(中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司， 518083， 深圳//高级工程师)

在盾构法隧道施工过程中，经常会遇到复杂地层[1-4]，其中一类被称为上软下硬的地层。该地层通常在隧道限界内随机分布着大量的基岩突起。盾构机在此类地层的施工中，刀具磨耗相当严重，并且很难有效地对高强度的基岩突起进行破除。由于岩体上部为软弱土层，极易发生沉降变形。在此情况下，盾构机掘进效率极低，盾构姿态很难保持，处理时间较长，严重影响了施工进度。因此有效、快速地处理好上软下硬地层中的盾构施工是一项技术难题。

目前，许多学者对盾构施工过程中隧道限界内出现孤石及基岩突起的处理方法进行了研究。文献[5]提出了盾构机是否可以直接破碎孤石的条件。文献[6]以广珠城际轨道交通工程为例，总结分析了利用冲击钻机破碎孤石的方法。文献[7]以东莞市轨道交通R2线盾构区间为例，分析了盾构在孤石及上软下硬地层中掘进所存在的风险。文献[8]简单介绍了针对隧道限界内出现的孤石，在地面进行钻孔，然后下管布置炸药进行破碎的方法。

本文针对盾构穿越上软下硬复合地层的施工技术进行研究，通过在试验区段进行地面钻孔预裂爆破处理孤石的试验，提出合理、科学的爆破参数及掘进参数，结合路面注浆封孔技术及变形精细化控制技术，最终使得盾构机快速、安全、高质量地穿越该区域，可为类似工程的施工提供参考依据。

1 工程概况

橫琴隧道1号井—湾仔北区间位于珠海市市区南湾大道，线路左侧临海，周边分布多种建筑物，其结构和建筑年限均不相同，环境复杂。施工区间位于主干道下，来往车辆繁多。珠海属亚热带海洋性气候，雨量充沛，年降雨量为1 770～2 300 mm。

盾构隧道全长1.237 km，双洞单线，且处于曲线段，纵断面为下坡，最大坡度为15.7‰，隧道顶覆土厚度为6.1～16.5 m。其中左、右线均存在较长距离的上软下硬不良地质段。该地段隧道限界内基岩多为花岗岩，且岩性较为复杂，差异性风化十分明显。

2 深孔爆破方案设计

对已探明岩石的不良地质，采用地面钻孔，并装炸药爆破隧洞范围内岩石，爆破完成后岩体破碎为单边长度小于30 cm的碎块，可顺利通过盾构刀盘开口进入土仓，并能通过螺旋机出渣，进而提高施工效率、缩短施工工期。部分深孔爆破试验区段地质断面情况如图1所示。

图1 部分深孔爆破试验区段地质断面图

2.1 爆破参数设计

2.1.1 钻孔直径

在地面布置地质钻机进行钻孔施工，钻孔孔径为φ90 mm，然后在所钻孔内放入PVC(聚氯乙烯)套管用于布置炸药，其直径小于钻孔直径15 mm。考虑到场地的特殊性，施工中增加130 mm的辅助孔。

2.1.2 钻孔形式

采用垂直钻孔形式，钻孔过程中用泥浆护孔，必要时下钢套筒。成孔后下φ75 mm的PVC套管护孔，套管底需安有堵头，爆破前孔口需遮盖，以防止异物掉入堵塞炮孔。

2.1.3 火工材料

炸药统一采用乳化炸药，且防水性较好，雷管孔内采用毫秒式导爆管，起爆雷管采用普通导爆管。

2.1.4 装药结构及起爆网络

由于施工隧道埋深较深(约20 m)，故起爆炸药通过细软钢丝悬挂在需处理的基岩突起位置。炸药布置在PVC管内基岩位置，且偏差在5 cm以内。PVC套管内有水压，需对起爆体实施抗浮措施。

爆破采用激发针起爆方式，每孔安装2个雷管，且分别属于不同的爆破网络,将这2个爆破网络并联然后引爆。爆破网络示意图如图2所示。

图2 爆破网络示意图

2.1.5 单耗药量计算

需要爆破处理的岩石位置较深，且地下水位较高，属水下爆破范畴。借鉴瑞典爆破计算规范，单耗药量计算如下：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

式中：

q——单耗药量；

q1——基本装药量，为一般陆地梯段爆破的2倍，当采用水下垂直钻孔时，该值再增加10%；

q2——爆破点上方的水压力增量，q2=0.01h2，h2为水位深度；

q3——爆破点上覆土层的增量，q3=0.02h3，h3为上覆土层厚度；

q4——岩石的膨胀增量，q4=0.03h，h为梯段高度。

本文h平均取4m，h2平均取20 m，h3平均取18 m，q1取1.1 kg/m3。经计算，q=1.84 kg/m3。

2.1.6 爆破与布孔分区

由于该隧道埋深在20 m以下，对基岩突起的爆破难度很大，为此要进行间隔爆破：首先对较薄的岩层前排孔位进行爆破，使得爆破区域因爆破气压出现空隙；然后进行后排孔起爆，这样前排孔的爆破会为后排孔的爆破提供充分的自由面，使得爆破效果最佳。炮孔间距及每排孔之间的距离均为70 cm，钻孔超深控制在1.0～2.0 m之间，装药深度比基岩厚度深约1.0 m。

由于爆破试验区位于主干道，如进行全封闭施工，势必会影响到正常车辆的通行，因此正式施工时采取分区分段施工。将施工区域沿隧道中心线分为东西两个区域。爆破试验段爆破及布孔分区如图3所示，西区布孔同东区布孔方式。

a) 爆破分区

b) 布孔分区

将图3 a)中的单区设置为4块，爆破方式为少量多爆，即各个区域分别完成4～5孔后进行一次集中爆破。爆破顺序(见图3 b))为先进行1、3、5、7爆破，完成后再进行2、4、6、8区域钻孔爆破。

2.1.7 药包加工及就位

炮孔布置完成后进行验收，验收合格且爆破之前应设置警戒区进行药包加工。用切割机准备好1/4的φ75 mm的PVC套管，用于固定炸药，长度根据药包的长度及配重的长度之和来确定。每个孔位根据验孔情况计算药包长度，然后下放到指定的位置。药包加工示意图如图4所示。钻孔完毕后孔内会留有泥浆，为了使炸药顺利下放，要对炸药进行适当的配重。钻孔装药结构及爆破平面布孔情况如图5～6所示。

a) 单段药包

b) 分段药包

2.1.8 炮孔堵塞

药包布置好后，使用粒径10 mm的碎石对炮孔进行堵塞，以防止泥浆冒出及套管的隆起，为了增加爆破施工的安全性，地面设置防护覆盖装置，如图7所示。每次爆破后要对已爆破孔进行封堵，防止泥浆及飞石喷出。

注：a表示孔距，a=0.8～1.5 m

a) 限界内基岩厚度为0～4.0 m

b) 隧道限界内基岩厚度为4.0 m以上

注：b表示排距，b=0.8～1.5 m

图6 基岩突起爆破布孔平面示意图

图7 爆破防护示意图

2.2 爆破安全校核

为保证爆破作业的安全，避免对周围的交通、住宅等环境造成不必要的损坏，施工前必须要进行安全校核工作，须对计算得到的安全用药量及安全距离进行严格控制。爆破地震安全距离计算如下：

(2)

式中：

R——爆破地震安全距离；

V——地震安全速度；

Q——最大段装药量；

K——与地质条件有关的系数；

α——爆破衰减系数。

2.3 主要施工控制要点

(1) 钻孔定位：根据设计方案进行定位钻孔，采用RTK-DGPS定位系统(精度：水平为±2 cm+2×10-6cm，高程为±4 cm+4×10-6cm)及全站仪定位，孔位偏差要小于20 cm。

(2) 钻孔标高控制及验收：钻孔人员利用测深绳在钻孔完毕及爆破之前对炮孔进行严格控制，并定期校核。同时需提交记录详细的钻孔参数，包括钻孔直径、孔距、排距、触岩标高以及钻孔深度等，误差要小于10 cm。

(3) 炮孔装药：药包加工完成后进行装药操作，严格按照设计要求进行炸药的布置及起爆体的加工安装，严格控制好炸药放置标高。炸药安装好以后用碎石对炮孔的上部进行填塞，一次起爆的炮孔全部装好炸药后，联接起爆网路。

(4) 封孔：爆破施工完毕后，施工场地会留有残孔，为保持盾构机通过爆破处理孤石区域时土压的稳定，需要对余孔进行密封堵塞，以避免盾构通过爆破区域时发生冒浆等事故。采用袖阀管桩及双液注浆进行施工，封孔措施为：①使用地质钻机对已爆孔进行清扫，保证孔内无PVC残留；②将堵塞用石子和水泥在地面干拌均匀；③将人工将拌好的水泥石子装填入清扫好的孔内，并保证填塞长度不小于孔深的2/3；④因孔内有水，装入的水泥石子遇水会膨胀固结，从而达到密封孔的效果。

3 效果检测

对隧道岩石进行爆破试验的目的主要是检验采用预爆破方法能否有效地减少盾构单环掘进时间,从而提高施工效率，最终满足施工计划工期。

当已爆区域达到一定范围，应在此范围内再次钻孔取芯，以检验爆破效果。根据经验，地下岩体爆破影响范围为2～3 m，因此选取每6～9 m2爆破区域布置1组取芯孔来检验效果，然后根据取芯情况科学地调整爆破参数及取芯参数。试验段爆破施工后，爆破效果如图8～9所示。

图8 试验段爆破处理前后盾构机掘进速度比较图

图9 试验段爆破处理前后盾构机刀盘转速比较图

对隧道限界内的基岩进行深孔爆破处理以后，岩石破碎成20 mm以下的碎块，由于爆破效果很好，导致根本就无法钻芯取样。由图8～9可以看出，经过深孔爆破预处理后，盾构机推进过程中的刀盘转速显著降低，且推进速度最大提高了7倍，未经爆破处理区段每天推进1环左右，经过深孔爆破处理基岩突起后，平均每天推进6环左右。

4 结语

本文针对盾构穿越上软下硬复合地层的施工技术展开研究。对隧道限界内突起的基岩应用深孔爆破技术进行预处理，并动态调整爆破参数。爆破后基岩均被破碎成20 mm以下的碎块，最终使得盾构机推进速度最大提高了7倍，保证了盾构机顺利、快速地通过该复杂区域。