马骝洲隧道海底孤石探测与钻爆处理

胡天宝，韩元东，蒋 辉，谢志辉

（1.上海隧道工程有限公司；上海市200232；2.北京同度工程物探技术有限公司，北京市 100000；3.广东明源勘测设计有限公司，广东 珠海519000）

0 引言

珠海马骝洲隧道为横琴岛的第三条交通通道，穿越马骝洲水道，采用盾构机施工。隧道长约600 m，最大埋深34 m，直径约15 m，双向隧道。隧址地层从上至下为海陆交互相、海相沉积的淤泥、淤泥质土、粘土、中粗砂层、花岗岩残积土和下伏的全风化、强风化、中风化花岗岩。工程地质勘探发现区内全、强风化层内存在孤石，对盾构施工安全构成威胁。孤石形态复杂，大小不一，分布无规律，对于工程钻探与工程物探勘查都是疑难问题。依靠钻探排查工作量太大，国内外的物探技术对于海底孤石的探测也是缺少成功经验。现有的地质雷达和电磁方法难于用于海洋工况，反射地震方法的分辨率达不到孤石探测的要求。近年发展起来的用于非均匀地质对象勘察的地震散射新技术，在地铁注浆效果评价[1]、采空区检测[2]，道路与隧道病害诊断中已有成功的应用[3、4]。比较了孤石探查的多种物探方法[5-9]，在马骝隧道海底孤石的探测中选择了地震散射技术。由于海流影响大，航道交通干扰严重，探测能否达到预期效果还有一定的存疑。幸好该项工程中施工了2 426钻孔，对物探结果起到了有力的验证作用。

本文首先概要介绍地震散射法用于马骝洲隧道孤石勘探的结果。通过对物探结果与施工各阶段钻探资料地分析对比，证明地震散射技术用于海底孤石的探测是可行的。同时表明，采用物探先行，结合钻爆处理，是解决复杂地质条件下盾构施工安全的经济有效手段。

1 物探结果概述

地震散射是近年发展起来的一种工程勘探新技术。它以非均匀地质模型为基础，比地震反射法具有更高的分辨率。可用于孤石、岩溶、空洞、采空区和注浆体的探测。在马骝洲隧道孤石探测中采用了这种方法。

勘探区为长300 m宽60 m的矩形区域，探测深度超过60 m。勘探区内按纵向1 m，横向2 m的网格，在节点上布置炮点10 400个。采用能量2万焦耳的电火花震源激发，24道地震系统接收，GPS系统定位。勘探得到每个炮点上垂直剖面的岩土介质波速分布，联合所有炮点资料，组成测区的三维波速结构。这里将波速作为岩体的物理属性，表征岩土质介质的力学性状。三维波速数据的纵向点距1 m，横向点距2 m，深度点距1 m。三维波速数据支持纵向、横向、水平方向的剖分及后续数据处理。从三维波速数据中，可提取不同地层、岩性的空间分布。

结合岩芯实验测试资料，将速度高于2 400 m/s的岩体确定为中等风化岩与孤石，其顶面高程分布绘于图1。它表征了测区内中等风化岩和孤石的埋深。图1中红色表示埋深浅，蓝色表示埋深大。从图1可以看到，大多数地段的中等风化岩高程在-40 m到-38 m范围内。隧道的最大埋深为-34 m，因此取高程-33 m做水平速度切片绘于图2。图2中将波速高于2 400 m/s岩体统称为孤石，用红色表示，其中大部分为基岩突起，少部分为残留的孤石。按上述标准，测区内共发现孤石67处，其中在隧道范围内的有25处，直径超过3 m的有9处。图中黑色椭圆轮廓为隧道与平面的交线。这25处孤石的几何参数列于表1中。表1中给出了孤石的编号、相对坐标，以及与隧道的关系。

图1 波速2 400 m/s岩层表面高程分布图

图2 高程-33 m波速水平切片与孤石分布图

图2 中黄褐色区域的波速在2 000～2 400 m/s范围内，为强风化岩；淡黄色区域的波速在1 800～2 000 m/s范围内为全风化岩。

在物探工作结束之后，先后开展了钻探验证、孤石排查与钻爆处理工作，共施工了2 426个钻孔，这些资料对于物探技术的发展和工程应用都是十分宝贵的，值得认真总结。现分别对这些结果进行系统的对比分析。

2 钻探验证

物探工作完成后，于2016年1月29日至3月11日，选择了3处隧道区以外的孤石作为验证对象，开展了钻探验证。其中34#和35#号孤石位于东西两隧道中间部位，49#号孤石处位于测区西北侧边缘。这次验证共施工了87个钻孔。验证结果为两实一虚。详情如下：

（1）钻探证实34#和35#号孤石位置正确。物探与钻探位置的平面偏差仅1 m，最大偏差3 m；深度误差为1.4 m，相对误差为4%。

（2）49#号孤石因为靠近边缘，定位精度不够，在指定位置没有发现孤石。

3 钻探排查

在完成了三处孤石的钻探验证之后，于2016年5月20日至7月31日，根据物探结果对隧址区的孤石进行全面的钻探排查。排查中共施工了540个钻孔，其中416个钻孔在测区内。这些钻孔有302个是围绕物探确定的孤石布置的，有114个钻孔是布置在物探认为没有孤石的区域。目的是对物探结果的可靠性进行全面、系统的考核。

表1 孤石位置参数表

钻探排查结果表明，在测区内的416个钻孔中，有381个钻探的结果与物探结果相符合，即物探认为有孤石的位置遇到了孤石，物探认为没有孤石的地方就没遇到孤石；另外的35个钻探与物探的结果不相符。钻探排查总的符合率达到了92%，这在工程物探领域是一个罕见的例证。

钻探排查的结果绘于图3中。其中红色表示钻孔遇到了孤石，蓝色为没遇到孤石。

图3 物探与排查钻探结果对比图

4 钻孔爆破处理

在隧道掘进施工中，对隐伏的孤石进行了钻孔爆破处理。从2016年8月1日开始到2017年1月17日结束，共施工1 802个爆破钻孔。其中，西线隧道施工钻孔1 042个，东线760个。对于钻爆与物探的结果对比，数据太多无法列表对比，现从平面分布和断面分布两个方面来进行分析对比。

4.1 平面分布对比

1 802个钻爆孔位平面分布绘于图4。其中红色钻孔终孔于孤石，蓝色钻孔未遇见孤石。

图4 钻孔爆破位置平面分布图

钻爆孔的终孔深度多为-34 m。以此对比，图5给出了-34 m高程岩体波速的水平切片，其中红色区为波速超过2 400 m/s的孤石。与-33 m高程切片相比，虽然深度仅增加1 m，但孤石的数量和尺度都较明显地增加。

分析对比钻爆资料图（见图4）与物探速度切片图（见图5），可以发现，隐伏孤石主要集中分布在如下的7个区域。即西线隧道的W1、W2和W3区，东线隧道的E1、E2、和E3区，以及两隧道中间的M1区。

图5 高程-34 m波速水平切片及孤石分布图

对7处孤石分布区的水平位置进行认真的分析与对比表明，爆破钻孔与物探的结果是基本一致的。仅在东线南部E1区的南端，爆破揭露的孤石范围比物探确定的范围略大些。各区的孤石编号及对比结果见表2所列。

平面的分析结果表明，7个孤石区中6.5个基本吻合，吻合程度达90%以上。

表2 爆孔爆破与物探孤石结果的对比表

4.2 横断面对比分析

在清除孤石的钻爆施工中，利用钻孔资料绘制了11个断面图，其中西线隧道6个断面，东线隧道5个断面。这些断面图覆盖了东、西隧道的6个孤石分布区。断面图除了清楚地展现了隐伏孤石的形态，也是对物探结果最有力的验证。限于篇幅，这里仅选择其中的6个断面，每个孤石区选择1个断面作为代表。

这些断面图为西线隧道W1孤石区的WK2+550，W2孤石区的WK2+615，W3孤石区的WK2+695；东线隧道E1孤石区的EK2+564，E2孤石区的EK2+662，E3孤石区的EK2+720。现将钻孔断面图与相应历程的波速横截面对照如下。

4.2.1 西线W1区里程WK2+550断面

WK2+550断面位于西侧隧道的W1孤石区（见图6）。其左图是根据钻爆钻孔绘制的横断面图，右图是三维波速的横截面。图中左侧隧道为西线隧道，右侧为东线隧道。图中红色为速度超过2 400 m/s的中等风化岩与孤石。从中可以看到这里的孤石实际上是基岩突起。图中反应物探结果与爆破结果基本吻合。

图6 西线隧道WK2+550断面图

4.2.2 西线W2区里程WK2+615断面

WK2+615断面位于西侧隧道的W2孤石区（见图7）。其物探与爆破钻探两种方法确定的孤石的位置与深度结果基本一致。物探给出的孤石的形态横向变化比钻探剖面孤石的横向变化大。这些细节上差异主要是由于钻探密度不够，钻孔间由推断连接所致。

图7 西线隧道WK2+615断面对比图

4.2.3 西线W3区里程WK2+695断面

WK2+695断面位于W3孤石区（见图8）。图中表明物探确定的孤石的位置与深度与钻探结果相一致。物探给出的孤石是无根的，而钻探证实该孤石是有根的，属于基岩突起，差别不大。

图8 西线隧道WK2+695断面爆破与物探对比图

4.2.4 东线E1区里程EK2+564断面

EK2+564断面位于东线隧道E1孤石区（见图9）。波速断面图中右侧隧道为东线隧道，与钻孔断面图相对应。图中反应物探与钻探确定的孤石位置与深度基本一致。物探反映孤石的横向变化比钻孔剖面略大。这合乎情理。

图9 东线隧道EK2+564断面图

4.2.5 东线E2区EK2+662断面

EK2+662断面位于东线隧道E2孤石区（见图10）。物探与钻探确定的孤石的位置基本一致，只是物探给出的深度比钻孔确定的深度偏深2 m左右。

图10 东线隧道EK2+662断面爆破与物探对比图

4.2.6 东线E3区EK2+720断面

EK2+720断面位于东侧隧道E3孤石区（见图11）。物探与钻探结果都说明该位置的孤石是一个规模较小的基岩突起，形状犹如石牙。钻探确定的埋深比物探结果的深度偏浅1.0 m。

图11 东线隧道EK2+720断面爆破与物探对比图

通过断面图的分析对比，结果表明钻爆与物探确定的孤石的位置基本吻合，深度上偏差在1 m以内，个别在2 m以内。结果总体吻合在90%以上。

5 结 语

马骝洲隧道孤石探测采用地震散射新技术，勘探重建的三维波速结构经由2 426个钻孔数据的检验，结果表明：

（1）物探确定的孤石平面位置的准确率达到90%以上；位置与深度的平均偏差在1 m左右，最大不超过2 m。为隧道盾构施工安全起到了指导作用。

（2）以地震散射勘探为先导，与钻爆技术相结合，可作为确保盾构施工安全的经济、有效的技术手段，具有实用价值。

（3）地震勘探中炮点的密度是决定物探结果准确度的关键因素，在设计与施工中，必须特别关注。