隧道范围内孤石处理技术

【摘要】文章结合广州市轨道交通二十一号线工程【施工17标】土建工程区间盾构施工工程的实例，深入分析了孤石的地面爆破处理过程中的难点和风险，提出了孤石的探測方法，介绍了孤石的主要处理方法和施工中应采取的措施。通过对比分析盾构通过孤石处理区的参数，有针对性地将该孤石处理方法应用于不同的工程中，为后期盾构施工穿越孤石创造有利条件，节约成本和降低工程风险。

【关键词】隧道工程;地铁;盾构;孤石;探测;爆破技术

ABSTRACT： This paper analyzes the difficulties and risks in ground blasting treatment of boulder， based on the example of shield construction in civil engineering section of Guangzhou Rail Transit Line twenty-one， this paper puts forward the detection method of Boulder， introduces the main treatment method of boulder and the measures to be taken in construction. By comparing and analyzing the parameters of the boulder treatment area， this method is applied to different projects to create favorable conditions for later shield construction to pass through the boulder， save cost and reduce project risk.

Key words： Tunnel Engineering; Metro; Shield; Boulder; detection; blasting technology

1、前言

在地铁隧道工程施工过程中，经常会遇到球状风化体，也就是孤石，属于岩体风化过程中所特有的地质现象。在采用盾构法进行隧道掘进施工作业的项目中，由于孤石的形状以及强度不一，盾构机难以将孤石破碎，施工过程中可能出现的主要问题有： 刀具磨损严重、刀座变形、更换困难;刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形;刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大;被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线等;同时影响隧道工程施工安全性以及施工进度。因此，必须针对隧道盾构施工中的孤石进行探测，同时采取合理的措施对孤石进行破碎处理，以确保盾构施工作业的顺利进行降低施工风险节约成本。

2、工程简介

广州市轨道交通二十一号线工程【施工17标】土建工程盾构区间隧道工程包括中新站-中新东站的中间风井～中新东站区间和中新东站～朱村站区间，两个盾构区间工程，且两个区间均遇到孤石。

根据详勘报告，本标段两个盾构区间共布置钻孔184个，其中中风井～中新东站区间156个，揭露孤石孔位共计5孔;中新东站～朱村站区间92个，揭露孤石孔位共计5孔。根据孤石补堪报告，本标段两个盾构区间共揭露孤石43处，其中中风井～中新东站区间揭露28处，中新东站～朱村站区间揭露15处;孤石分布在隧道的不同位置，孤石所处地面复杂，存在建构筑物、各种管线、农田、林地等。处理过程中困难极大，包括管线改迁、房屋保护等措施。相对盾构遇到孤石产生的危害是极其小的。

3、盾构遇孤石的危害

由于孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要问题有：

（1）刀具磨损与刀座变形，从而带来施工难度与开仓换刀的安全风险;

（2）刀盘损坏与刀盘变形将严重影响盾构机工作性能;

（3）刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏;

（4）盾构负载加大，千斤顶油压与刀盘油压明显升高，机器发生故障的频率增大;

（5）螺旋机出土口发生喷涌或卡螺旋机可能造成地面沉降过大;

（6）盾构遇到孤石时可能会造成地表或建（构）筑物隆起;

（7）盾构机在大型孤石中掘进时盾构姿态纠偏困难和管片拼装质量较差;

（8）盾构机过大孤石或孤石群时，盾尾刷易被损坏，更换盾尾刷存在较大风险;

（9）掘进较大孤石或孤石群时，盾构机盾体可能被孤石“卡死”从而不能继续掘进。

4、孤石的探测

孤石勘察钻孔沿隧道中心线上布置，布孔间距为10m，孔深均钻至隧道底部外轮廓线以下1m。钻探时如发现隧道洞身范围内存在“孤石”，则需进一步探测清楚“孤石”的形状和大小。由于“孤石”一般多为圆形，其宽度和厚度相差不大，所以探测“孤石”的形状和大小时按以下步骤布孔，见图4-1所示：

（1）垂直隧道线路方向：以探到孤石的点为中心点向外布置钻孔，垂直隧道轴线方向钻孔间距2m从中心点布置1号钻孔，从1号钻孔向左2m处布置1-2号钻孔，如果1-2号钻孔没有探到孤石则在此孔向右1m处布置1-1号钻孔;如果1-2号钻孔探到孤石，则在此孔左侧2m处布置1-4号钻孔;如果1-4号钻孔没有探到孤石则在此孔右侧1m处布置1-3号钻孔;如果探到孤石钻孔结束，因为1-4号钻孔已超出隧道洞身范围。具体见图4-1所示：

（2）沿隧道轴线方向上以原1号探孔上方2m处布置3号钻孔，如果3号钻孔没有探到孤石则向下1m处布置2号钻孔;如果3号钻孔探到孤石则向上2m处布置5号钻孔，如果5号钻孔没有探到孤石，则向下1m处布置4号钻孔;如果5号钻孔探到孤石则向继续向上2m处布置钻孔，直到找到孤石边界，另外反方向以此类推。

（3）其他三个坐标内布置钻孔方法同第四象限。

根据施工补勘孤石揭露，中间风井～中新东站区间孤石处理设计图和中新东站～朱村站区间孤石处理設计图，在两个区间分别有28颗孤石和15颗孤石在盾构影响范围以内。

5、地面预处理方案

5.1目标

为降低盾构施工风险，对已探明的孤石，从地面采用地质钻机钻垂直孔，装药爆破隧道洞身范围内孤石，使破碎后孤石碎块粒径小于30cm，确保盾构机能顺利排渣并顺利完成孤石段掘进。

5.2爆破处理孤石流程

（1）在钻探遇到孤石时，查明孤石的数量、产状、大小、形状;

（2）根据已探明得到的数据，合理计算并制定爆破参数;

（3）采取深孔爆破时，利用查明孤石形状和大小的钻孔作为爆破引孔（孔位不足时增加钻孔），在钻孔内安放适量炸药;

（4）爆破完成后进行抽芯检测，判断“孤石”分裂程度是否达到破碎要求;

（5）待“孤石”处理达到预定要求后，使用水泥砂浆封堵爆破孔。

5.3爆破参数设计

（1）钻孔直径

采用地质钻机钻孔，孔径90mm，PVC套管直径75mm。

（2）钻孔形式

为便于施工和精准控制钻孔方向，通常采用垂直钻孔形式，如有管线影响则采用斜向钻孔（需对角度、爆破深度进行精准计算，以确保爆破位置准确性）。钻孔过程中采用泥浆护壁。成孔后立即下放75mmPVC套管护孔，套管底部及孔口均安装堵头，防止泥浆、杂物等堵塞套管影响装药。在孤石补勘钻探过程中，备好PVC套管，遇孤石立即下放套管，使钻孔得到有效利用。

（3）火工器材选型

盾构孤石爆破选用φ60 mm的2#岩石乳化炸药，孔内雷管选用双发非电毫秒雷管，间隔装药时则每段装药都采用双发非电毫秒雷管，非电雷管段别选择1～20段，具体根据现场的需要加工。

（4）装药结构及起爆网络

由于炮孔深度较深，孤石埋深较深，因此起爆药包采用软绳悬吊于孔内爆破点位置，绳顶端固定于孔口位置，药包标高控制误差在100mm以内。药包装载特制的PVC管体内，具备良好的防水性能，为避免起爆体移位，起爆体需配重抗浮。炮孔内采用正向装药起爆，起爆选用非电爆破网路，采用激发针起爆，每个炮孔装两发雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。网路示意图如图5-2所示

（5）单位耗药量计算

依据瑞典的设计方法，单位耗药量计算：

Q=q1+q2+q3+q4

式中q1-基本装药量，为一般陆地梯段爆破的两倍（本项目孤石处于地下12m～23m范围，存在地下水，故视为水下爆破）。对水下垂直钻孔，再增加10%。普通硬岩的深孔爆破平均单耗q1=0.5kg/m3，水下钻孔按两倍计则q1=1kg/m3，水下垂直孔q1=1.1kg/ m3。

q2-爆区上方水压增量，q2=0.01h2;h2-水深，m;q3-爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3;h3-覆盖层厚度，m;q4-岩石膨胀增量，q4=0.03h;h-梯段高度，m。

本项目中，h=4m（根据最大孤石粒径），h2平均取18m（根据地下水位埋深），h3=18m

Q=1.1+0.01×18+0.02×18+0.03×4=1.76Kg/m3。

本工程取平均单耗q=1.76 Kg/m3。

在爆破作业过程中可参照上述数据进行试爆，并针对具体情况调整爆破参数。

（6）布孔形式及装药结构

孤石的位置及大小已经探明，在探明孤石的范围内以孤石钻孔为基点，在垂直隧道方向和沿隧道轴线方向布孔，孔排距a=b=0.8m，具体方式如下图所示。钻孔过程中详细记录孤石的上岩面与下岩面标高，为爆破装药提供依据。

因孤石厚度不均，考虑补勘定位及药包吊装过程中产生的误差（累计误差不超过100mm）。因此孤石爆破时，当单孔单体爆破时装药长度与孤石厚度相同，多孔单体爆破时，相邻两炮孔，其中一孔钻穿至孤石底面，装药至炮孔底部，孤石顶面留100mm不装药;邻孔孔底距离孤石底面100mm，装药至炮孔底部，孤石顶面留100mm不装药。

当孤石厚度小于孔排距（即0.8m）时采取连续装药结构，当孤石厚度大于孔排距时，采取分段装药结构，见图5-5

（7）单块孤石爆破药量计算：

单块孤石爆破总药量计算：Q=qV

式中：Q — 单块孤石爆破所需的总药量，Kg; q — 炸药单耗，Kg/m3;      V — 单块孤石体积，m3。

单孔装药量要由技术员根据每一块孤石的钻孔情况现场确定并指导药包制作。

表5-1 不同体积孤石总装药量参数表

盾构掘进时如遇到未探明的孤石，为了减少开仓次数，同时考虑保护盾构机刀盘，优先考虑地面钻孔爆破，但相关参数应进行相应调整（调小）。

（8）药包加工

炮孔验收合格后，对装药爆区范围内设置警戒，开始加工药包。首先要准备好下方炸药的PVC管，根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况，计算好单孔装药量和药包长度，将炸药和雷管装入PVC管内指定的位置，PVC管两端应进行密封处理（抗压）。由于孔内有水及少量泥浆，为了顺利装药，需对药包适当配重。PVC管的长度需根据药包长度和配重长度来截取。

L = L1 + L2

式中：L-所取PVC管长度;L1-药包长度;L2-配重长度。

（9）抗浮配重

由于炸药与孔内的泥浆水比重相近，导致药包无法下沉或下沉后在浮力作用下而无法固定，所以需对药包进行配重抗浮。配重采用粒径0.5㎝的碎石，密度约为1.50g/cm3;炸药密度约为0.95～1.25g/cm3，此处取1.00g/cm3;孔内泥浆水密度约为1.15g/cm3。如果三者满足下式关系，则药包会顺利下沉。

G炸药+ G碎石> F泥浆水

所以只要满足上述条件就可达到抗浮的效果。

（10）药包就位

药包加工好后，在管壁上端钻两孔，用铁丝绑定，上系绳索，然后开始下药包。根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况，确定装药底部深度N1，然后准确测量PVC管与绳索的长度之和N2，使N1= N2，将整个药包悬吊到准确的位置上，误差控制在 +10㎝之内。药包就位后，用铁丝把绳索固定在套管壁上，使其不再移动。

（11）炮孔防护

药包就位且固定后，开始进行堵塞。严禁使用铁器冲击炮孔内药包，雷管。套管内外均用碎石堵塞密实，防止泥浆喷出和套管的突起。由于孤石爆破在地下10m以下进行，不会有飞石产生，只有在爆破后产生的高压气体会将炮孔内的泥浆压出孔外，为了防止涌出的泥浆飞溅，地面采取如下联合防护体系（如图5-9）。如果本次爆区周围已经实施过爆破作业，则需对其周围的爆破残孔用砂袋覆盖，防止泥浆喷射。

（12）爆破安全距离计算

根据国家《爆破安全规程》及广州市公安局的规定，一般民房所能承受的最大允许安全震动速度为1cm/s，为了保证爆破震动不影响邻近居民生活，按1cm/s以下进行装药设计施工，反算一次爆破允许的最大装药Qmax。本工程需要保护的建筑物距离最近的爆破点距离为约20米。

根据公式V=k（Qm/R）α

V-爆破地震安全速度，cm/s ; Q-最大一段装药量，kg;  R-爆破区至被保护物距离，m;m-药量指数，取m=1/3;k -与爆破场地条件有关系数，取k=160;α-与地质条件有关系数，α=1.9。

最大一段装药量列表如下：

结合上表计算结果，在施工中严格控制单段最大药量，使其小于2.65Kg，同时，爆破作业时，做好爆破振动和地表位移监测，以便及时反馈数据，进一步指导施工。

（13）起爆网络

由于盾构区间孤石爆破单炮药量较小，且每段装药都用双发非电毫秒雷管，因此起爆网络采用孔内非电毫秒雷管分段，孔外分组簇联，每个起爆体内的两发非电雷管分别联接到两个并联回路，确保网络可靠性。见图5-10和图5-11

5.4 卸压孔的布置

地面预爆破孤石处理深度大，难度系数高，为了达到理想的爆破效果以及防止爆破时因震动对孤石周围的建筑物或地下管线的损坏。爆破前在孤石处理范围内布置卸压孔，以便释放爆破时产生的压力和冲击。在每两个炮眼之间布置一个卸压孔，卸压孔直径为110mm，间距为800mm。尽量利用地质补勘的钻孔（主要是发现孤石后查明孤石大小的钻孔）作为泄压孔，同时在孤石外侧设置一圈空孔作为泄压孔，减小对周边的影响，具体布置如下图5-12所示：

（1）效果检查

爆破效果检查主要针对每批次爆破后对孤石破碎处理后的结果检查，即要满足孤石经破碎后块度要求，不超过300mm。

在相邻两个爆破孔中间进行岩块取样，如发现多为超过300mm岩柱，应在相邻两孔间利用检查钻孔重新装药，对周边孤石再次爆破处理，直至处理范围块石满足设计要求，如图5-13爆破前后孤石对比。

结语：

在地铁隧道施工作业过程中，极易遇到孤石等不良地质条件，导致盾构施工作业无法顺利的推进。因此，在地铁隧道施工作业过程中，应该做好故事的探测分析，针对孤石的体积、风化程度等详细参数，合理的确定破碎方案，孤石处理应本着当地面具有处理条件时，首先考虑地面处理，若不具备条件则采用洞内处理的原则。各种孤石处理方法具有各自的优势和劣势，应根据孤石的大小、位置、形状、周边环境和施工风险等因素确定具体处理方法。施工过程中，尝试了各种破除花岗岩球状风化体的方法，采取了很多针对性措施，在参建各方的共同努力下，最终客服了困难，保证了盾构区间施工顺利进行。

参考文献：

[1]张新金，刘维宁，路美丽，等.盾构法与浅埋暗挖法结合建造地铁车站技术的结构方案初步研究[J].现代隧道技术，2009，

[2]谢状.花岗岩球状風化体地段地铁盾构施工风险分析与控制[D].中南大学，2010.

作者简介：

熊忠飞（1984—）男， 山西人，宏润建设集团股份有限公司，二级建造师，工程师，从事市政工程施工;

张吉会（1984—）男， 江苏人，宏润建设集团股份有限公司，二级建造师，工程师，从事市政工程施工;

郝明亮（1980-）男，辽宁人，宏润建设集团股份有限公司，一级建造师，高工，从事市政工程施工;

厉超（1986—）男， 安徽人，宏润建设集团股份有限公司，工程师，从事市政工程施工。