花岗岩地区盾构隧道工程的孤石探测及综合处理技术研究

叶越胜，林博文

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州510310；2.广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广东 广州510500）

花岗岩是一种深层侵入岩，在成岩过程中岩浆上升冷凝结晶形成岩体，在冷凝结晶过程中岩体体积收缩产生原生节理。由于节理相互交接的位置更易受到风化作用，随着时间的推移，棱角处逐渐被磨圆，岩体的圆度逐渐增加，形成球状风化，俗称“孤石”[1]。由于孤石埋藏分布的随机性强，大小从几十公分到几米，难以用常规的地质钻探形式探明场地内分布位置，且部分孤石的强度可以达到100MPa以上[2]。

此类地质现象在华南地区中非常常见，直接影响到盾构隧道工程施工的安全、质量、成本和工期。广州市轨道交通六号线二期主要位于广州东北部，全线穿越地层主要为花岗岩残积土层和风化层，孤石发育强烈。本文根据在广州市轨道交通六号线二期的盾构隧道的工程实践，系统地研究了盾构机穿越孤石的关键节点，并提出一套花岗岩地区孤石探测及预处理的综合工程技术。

1 孤石探测

由于孤石的分布具有离散性大和空间赋存特征不规则的特性，其埋藏分布及大小是随机的（原位和异位）[3]，在盾构掘进前必须进行场地内详尽的孤石探测，查明隧道投影范围内孤石的分布、大小和强度。在盾构隧道工程中，可行的孤石探测方法主要为新兴的物探方法和传统的勘探方法。

1.1 物探方法

可用于孤石探测的物探法有很多，且各有所长，主要可分为重力探测、高密度电阻率法、瑞雷波法、地震波CT法等。城市轨道交通的盾构隧道施工属于城市施工，隧道线路上部多为居民区或城市道路，建筑物及车辆较多，环境嘈杂，且周围大多存在高压输电线、各类通讯电缆光纤，电磁环境复杂。根据城市轨道交通的特点，广州市轨道交通六号线二期某盾构区间采用了多种电法探测进行物探试验，但由于周围电磁环境较复杂，临近有输电线和地下管道等，最终无法从探测图像中识别出下方孤石。

1.2 勘探方法

在大范围孤石探测中，运用物探手段准确率不高，反而需要较大的成本，对于工程建设本身是难以接受的。采用传统的钻探方法更为准确、实际，但采集的主要是点位信息，无法利用钻孔把工程区域内的孤石全部探测出来。因此，综合比较，以下根据钻孔布置原则、方式和关键点，分析传统勘探方法在孤石探测中的实际应用要点，以满足盾构隧道工程施工前期完全探出孤石群地段及大部分单体孤石的要求。

1.2.1 孤石钻探孔布置原则

（1）全线布孔方式结合初勘和详勘已有钻孔，以及现场地状地貌特征，选择钻探的重点区域，一般为临近山丘的平面地段。

（2）钻探孔采用逐级加密布孔，并根据现场情况实行位置和数量的动态调整，平衡钻探的准确性和成本。

（3）加密勘察中，以揭露孤石的初勘钻孔为中心向前、向后各2倍初勘孔间距范围，通过孤石加密勘察将相邻钻孔间距加密一倍。当新增的加密钻孔或物探验证孔揭露到孤石时，继续以新揭露孤石的加密钻孔或物探验证孔为中心，向未加密侧外扩2倍初勘钻孔间距范围，并依此类推。

1.2.2 孤石钻探孔布置方式

在孤石重点探测区域，钻探孔沿隧道线型按三排错孔布置，一排布置在隧道中心线上，另两排分别距隧道边线1.5m布设，如图1所示。

图1 重点探测区域布置方式

1.2.3 孤石钻探应用实例及效果

广州市轨道交通六号线二期的某隧道区间，在初勘和详勘阶段的部分钻孔揭露了孤石。建设各方结合传统勘探方法，总结出以上孤石钻探孔的布置方案，并在补勘中完全探出孤石群地段及大部分单体孤石，为后续的孤石预处理提供了依据和方向。

2 孤石地面预处理方法

孤石的处理方法应根据钻孔探测揭露隧道沿线孤石、基岩的大小、位置、形状、周边环境因素确定。孤石的处理第一选择为地面预处理，实际的盾构隧道工程施工中，孤石的地面预处理主要可分为深孔爆破处理和旋挖钻处理，现结合工程实例，分析孤石地面预处理方法的使用范围和具体实施效果。

2.1 深孔爆破处理

2.1.1 爆破实施步骤

地下深孔爆破采用地下隐蔽岩体爆破技术进行，其主要是利用封闭岩体与周边围岩介质的差异，分期爆破，第一期爆破形成空腔，为第二期爆破提供自由面，经多孔多段微差挤压爆破，最终破碎岩体[4]。对地质勘探中已探明的孤石，采用地面深孔爆破可使其成为单边长度小于30cm的碎块，破碎后的岩石能顺利进入土仓。具体实施可分为以下几个步骤：布孔、装药、孤石爆破、爆破后注浆回填压密。孤石群进行预爆破处理后，爆破孔周边土体会遭受扰动，局部会出现空洞。因此，爆破施工完成后应及时利用爆破孔对所有孤石周边土体进行回填压密注浆。

2.1.2 实施效果

广州地铁六号线二期某车站端头段隧道存在孤石群，为保证盾构顺利掘进，采用深孔爆破进行预处理，处理效果如图2所示。孤石地面的预处理，降低了盾构机掘进孤石的推力、扭矩等各项参数，使盾构机设备在推进中更加安全，降低了盾构机掘进的刀具损耗量，减少了掘进岩石过程中进仓作业次数，提高了施工的安全性。

图2 爆破处理前后钻探情况

2.2 旋挖钻处理

2.2.1 旋挖钻实施步骤

当孤石群较多，场地及周围环境允许大型设备进场施工时，采用旋挖钻处理技术处理孤石的效果较好，具有环境影响小、进尺速度快的优点，宜用于对震动敏感的场地。具体实施可分为4个步骤：

（1）钻机定位，首先把逐级安装在桩芯位置。把套管插入本体内，在起重机吊着套管的状态下，使套管垂直并用加紧机构抱住。

（2）清理上层土体，反复旋转套管，用冲抓斗对套管内进行挖掘。

（3）孤石砸碎及清理，遇到孤石时，用安装在套管前端的钻头一边回旋切削，一边用落锤砸碎，然后用冲抓斗抓出。

（4）回填C15砼，在清理完毕该孔内孤石后，立即对孔内进行灌注C15混凝土，并分步拔起套管，直至灌注完成。

2.2.2 实施效果

广州地铁六号线二期某出入口段隧道风亭原定的围护结构为地下连续墙，但详勘阶段发现该位置有大量孤石。由于周边有民房较多，且离军用管线较近，对爆破产生的震动较为敏感，最终选择用旋挖钻进行孤石处理，并将围护结构改为钻孔灌注桩。

在钻孔灌注桩的施工过程中，旋挖钻处理可达到一举两得的功效，钻机取出的孤石如图3所示。但对于施工连续墙，还需采用方锤将圆孔修成方孔，会增加不必要的处理时间。此外，旋挖钻处理孤石时的垂直度全靠钻杆自身的刚度维持，而钻杆本身的刚度随着伸出的长度和节数而逐渐降低，因此孤石处理的深度存在限制，对于深度超过20m的孤石，不建议使用旋挖钻处理。

图3 旋挖钻机取出的孤石

3 孤石洞内静态爆破处理方法

孤石地面预处理方法需要地面有一定的施工场地，当地面有建（构）筑物或地下管线影响的，无法在地面采取措施处理的，勘探中未揭露而盾构机掘进过程中发现存在于刀盘前面的孤石，则须考虑洞内处理措施。采取人工爆破处理困难太大时，一般选取静态爆破处理措施对“孤石”进行分裂。静态爆破施工主要分为两种形式：

（1）静态爆破剂实施静态爆破。以特定比例混合的静态破碎剂，加水调成溶液并灌入钻孔中，水化反应后会出现膨胀，加大岩石的局部应力，使孤石胀裂、破碎。

（2）硬岩劈裂机实施静态爆破。利用普通风枪钻孔，成孔内插入劈裂机的楔形块组件——劈裂枪，启动液压泵站，液压泵站工作产生高压，驱动劈裂机楔形块组的中间楔块向前运动，将反向楔块两边撑开，产生巨大分裂力，此分裂力由岩石内部向外，破坏岩石内部结构，岩石在此分裂力作用下，将岩体分裂开来。

广州地铁六号线二期某区间联络通道内存在两块较完整孤石，根据孤石探测显示孤石轮廓与开挖轮廓基本重合，孤石周边土体加固浆脉清晰，无水流，地层自稳性较好。开挖时采用以左线土体前突以增加临空面，采用劈裂机先两边后中间，周边开挖完成立拱后再劈裂中部的原则开挖，通过加密钻孔劈裂的方式有效确保了开挖安全及效率。

4 结束语

花岗岩地区的孤石探测及预处理是盾构在孤石地层的掘进施工的重大难题，关系到施工质量、进度、安全和成本等关键问题。在本项技术研究中，结合了广州轨道交通六号线二期工程的建设全过程，综合分析了可用于盾构隧道工程的孤石探测方法，对物探方法和勘探方法进行原理和应用效果比对，并认为实际工程中，孤石探测形式应主要考虑结合沿线地状地貌和地质分层制定的勘探方案并采用逐级加密的钻孔方法。对孤石处理的方法，应首要考虑地面预处理，且在场地满足要求时采用更为经济的深孔爆破处理，或是更直接的旋挖钻处理。只有在外界条件较严苛，或情况比较特殊时，才选择洞内静态爆破和火工爆破的方式进行孤石处理。