地铁盾构隧道遇孤石、基岩凸起的地下爆破处理技术

付元丰（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 200032）

1 孤石、基岩凸起的形成及特点

1.1 孤 石

所谓孤石，就是残留于风化岩体中，多为中－微风化状，周围岩体多为全风化状，主要是不均匀风化的产物（如花岗岩的球状风化）。一般来说，孤石是独立存在的，所处位置不高，块石主要为坡洪积、崩积、滑坡堆积、倒石锥等形成。

图1

1.2 基岩凸起

基岩是风化作用发生以后，原来高温高压下形成的矿物被破坏，形成一些在常温常压下较稳定的新矿物，基岩凸起地层必存在岩土交界面，造成该地层上部土层与下部基岩岩土力学性能差异较大。

2 孤石、基岩凸起对盾构掘进造成的影响

通常，孤石分布在残疾土层及砂层中。在盾构掘进过程中，孤石位置难以固定，不足以给盾构机提供一个破碎孤石的反力，孤石可能会随着土体被挤压而移动，而且孤石一般呈球状微风化体。基岩凸起地层属于岩土交界位置，通常叫“上软下硬地层”。当盾构机掘进遇孤石、基岩凸起时，会带来以下不利影响。

（1）刀盘刀具损耗严重，盾构掘进困难。当盾构机掘进遇孤石、基岩凸起时，易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情况，严重时可造成盾构刀盘卡死，导致无法正常掘进，对工期和成本影响较大。

（2）盾构姿态难以控制。基岩凸起一般处于隧道下侧，上侧为残积土层或砂层，在盾构机掘进过程中，一侧地层软弱而另一侧基岩强度很高，盾构会顺着基岩被挤向地层软弱的一侧，严重时会导致隧道轴线偏移。

（3）盾构掘进对地层扰动大，易造成地面沉降。盾构机遇孤石、基岩凸起难以正常推进，刀盘在同一位置长时间转动，对开挖面土体造成扰动，易造成刀盘前方松散土体垮塌；在盾构机掘进过程中，若遇到粒径较小的孤石，可能造成孤石随刀盘转动，造成开挖面土体严重扰动，易造成地面沉降，在城市施工中发生地面下沉，会给社会带来很大的影响。

（4）更换刀具困难。由于刀具的磨损，需多次开仓换刀，而盾构遇孤石易造成地层扰动，开挖面不稳定，难以形成有效泥膜，气压开仓换刀作业较为困难，存在着很大的开仓安全风险。

3 孤石、基岩凸起采用地下爆破处理方式

前期盾构区间内的地质补勘已完成，采用钻孔勘察的方法对盾构区间施工区域进行进一步的探明。为了尽可能地减少遗漏孤石，降低对工期的影响，节省费用，探测应尽量做到详尽细致。

3.1 探测孤石

在钻孔探测施工前，应用地质雷达探测仪对管线进行探测，确保钻孔过程中不会破坏地下管线。若钻孔后未探测到孤石或基岩凸起，则直接用 C20 细石混凝土对钻孔进行填充至原地面，保证孔口标高与原地面保持平整，然后将原地面清理干净；若发现孤石或基岩凸起的钻孔，则做好详细钻孔记录（包括：钻孔平面坐标、孤石顶面及底面标高、基岩顶面标高），并用两头带盖子、直径 75 mm 的PVC 护管全孔保护钻孔（钻孔直径 89 mm）。对孤石的具体探测方法如下：

（1）地质分析法：利用现有的设计地质勘察报告以及前期对现有地质的补勘资料，确定各个区间区段内孤石分布的情况。

（2）工程调查法：调查施工区域周边工程施工情况，翻阅其相关工程地勘资料，同时咨询当地具有多年地下工程施工经验的专家，询问了解各个区域的工程地质情况。

（3）物探方法：结合采用超高密度电法，空间距 20 m左右，数据采集采用井－井、井－地，获得资料数据，对区域内地质情况进行对比。

根据上述方法，将孤石存在区域划分为：可能性最大、很大、较大和一般四个区域。具体划分里程详见各区间《孤石、基岩凸起探测钻孔平面布置图》（见图 1～图 4）。

（1）可能性最大区域：在该区域内采用梅花形布置钻探孔，钻孔到盾构管片底部，间距如图 1 所示。

（2）可能性很大区域：在该区域内采用梅花形布置钻探孔，钻孔到盾构管片底部，间距如图 2 所示。

（3）可能性较大区域：在该区域内采用梅花形布置钻探孔，钻孔到盾构管片底部，间距如图 3 所示。

（4）可能性一般区域：在一般区域内区间中线布置一排钻探孔，每排钻探孔线路纵向间距 5.0 m，钻孔到盾构管片底部。

图1 可能性最大区域平面布置图

图2 可能性很大区域平面布置图

图3 可能性较大区域平面布置图

图4 可能性一般区域平面布置图

3.2 探测孤石大小的钻探孔布置

钻探时若发现隧道洞身范围内存在孤石，则须测明孤石的形状和位置。由于孤石一般为圆形，其宽度和厚度相差不大，并考虑到尽量使钻孔在处理孤石时可以重复利用以降低成本，所以探测孤石的形状和位置时以探测到的孤石探孔点为中心向四个方向钻孔，第一轮的钻孔以孤石厚度的一半，如第一轮未探到孤石则在第一轮探孔向外 0.4 m再布设探孔，以此类推直到探出孤石边界为止。

3.3 基岩凸起探测

3.3.1 基岩探测孔位布置

基岩探测采用加密探孔的方法进行探测，钻孔探测区域孔位以梅花形式沿隧道中线两侧均匀分布，孔位距隧道边线间距为 1.5 m，同侧纵向两孔间距为 3 m。孔深标高为隧道管片底部标高向下延伸 2 m。探测到基岩的钻孔须做好详细记录（包括：探孔编号、坐标、基岩顶面标高、岩石分类等），并保护好钻孔（同探测到孤石的钻孔），待爆破作业时加以利用，并指导后续施工。

3.3.2 钻探参数的确定

在钻孔探测过程中，一旦探测到孔位 B 点存在基岩，如图 4 所示，即选择相邻两探孔 AB 中点 C 进行钻孔探测，如果 C 点没有探测到基岩，说明基岩边缘在 BC 孔位之间，即选择 BC 中点进行钻孔探测，如果探测出 C 点存在基岩，即选择 AC 中点 D 进行钻孔探测，以此类推，直至确定基岩的边界，并做好相关记录，其他方向上确定基岩边界的方法与此相同。

3.4 地下爆破施工

因城市环境因素影响采用爆破法对探测出来的孤石和凸起岩石进行预处理，爆破后的碎石块度长边尺寸必须小于 30 cm，以便碎石块进入盾构出渣口。孤石及基岩凸起的爆破处理遵循如下几个原则。

（1）爆破前对受影响范围建（构）筑物进行鉴定，并根据不同建（构）筑物结构形式设定爆破振速限值。

（2）对距离较近的主要建构筑物，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，且爆破点周围无主要建（构）筑物，则无需采取隔振措施。

（3）根据基岩凸起高度、岩石强度、岩性、风化程度和周边环境条件制定处理方案，以此调整爆破钻孔高度、钻孔直径、间距及装药量，爆破范围宜超出隧道洞身边界以外一定范围。

（4）对于基岩凸起较高的断面，建议在爆破孔附近设置若干个空钻孔，以创造临空面，提高爆破效果。

（5）对爆破的效果进行抽芯检测，抽芯孔不宜距离爆破孔太近；对于抽芯尺寸不满足要求的区域，应当进行补爆破。

3.4.1 孤石爆破处理

（1）方案一：对于探测到的孤石，具备地面处理条件的，优先选用爆破法处理，采用 500@800梅花形布设爆破孔并结合利用原探测孔。

（2）方案二：不具备地面处理条件或探测时遗漏的孤石，地下盾构开仓处理，采用岩石分裂机处理前方孤石。岩石分裂机是一种手工操作操作的设备，它利用液压原理，可以控制性地分裂岩石。单机最大分裂力可达 413 t，静音、无粉尘工作、没有振动；重理轻、分裂尺寸精确、可控性分裂、操作简便。

（3）方案三：不具备地面处理条件或探测时遗漏的孤石，可采用盾构机换刀切削的方法。须先对孤石周围地层进行加固，确保球状孤石在被切削时相对固定。

3.4.2 基岩凸起爆破处理

基岩凸起爆破孔布置采用 500@800梅花形布设，炸药单耗 5 kg/m3。

3.4.3 地下爆破后恢复

在区间孤石及基岩处理爆破施工后，地下土体松动，路面破坏，因此首先要对爆破区域采取钻孔注浆措施。水泥浆液比重为 1∶1，钻孔间距与原爆破钻孔间距一致，钻孔深度比原爆破钻孔深度深 1.0 m。注浆的目的主要是对已经扰动的土体进行加固稳定，确保盾构机掘进时再次对该地层的扰动而不会出现地表沉降的现象。注浆完成后，对原地面进行恢复。若是路面，则根据现场情况对爆破区域 1 m ～3 m范围内的路面进行切割清理，重新施做路基路面结构。

4 结 语

本文结合“厦门轨道交通 1 号线将军祠站—文灶站区间”工程实例，采用地下爆破处理技术对孤石和基岩凸起进行了处理，使得盾构机顺利掘进。由于该区间线路上有无法拆除的商铺和燃气管线，造成部分位置无法对地下孤石和基岩进行爆破处理，而是采用盾构机硬磨的方式。当盾构机在未处理的孤石和基岩凸起段掘进时，刀具磨损严重，出现了多次开仓换刀的状况，进度十分缓慢且增加了工程成本。经过对比，现归纳总结如下。

（1）减小了风险。通过对孤石和基岩凸起的预处理，避免了盾构机在掘进过程中反复开仓、轴线偏移等安全和质量风险。

（2）缩短了工期。孤石和基岩凸起的地下爆破处理可以在地铁线路确定后实施，与盾构掘进施工互不干扰，只是在时间上存在先后顺序，可以让工期可控。

（3）成本得到了控制。当盾构机掘进未处理过的孤石和基岩凸起地层时，会造成反复开仓等较多不可控因素，使成本增加；但经过对孤石和基岩凸起爆破处理后，会减小盾构机开仓次数，同时减小隧道的施工风险，从而达到控制成本的目标。

通过对利用地下爆破处理施工技术破碎岩石的分析，形成了一套完整的孤石和基岩凸起地下爆破施工技术，包括孤石和基岩凸起的勘探和爆破技术，以期为后续类似项目提供参考与借鉴。