隧道盾构区间含孤石的基岩凸起等不良地质探测——以滨海快线为例

朱志武

中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司

隧道盾构区间含孤石的基岩凸起等不良地质是目前城际铁路工程隧道施工的难点之一。因孤石的分布具有离散型、区域性，后期处理难度大。一般大于0.5米的孤石需要采用人员破碎处理方法。在隧道掘进过程中如果遇到较大的孤石不仅会影响隧道掘进作业的开展，而且也对盾构设备产生一定损害，包括磨损刀盘刀具、降低刀盘强度、增加盾构机负荷、破坏主轴承和主轴承密封等一系列影响。针对此现象，在城际铁路工程隧道施工时遭遇含孤石的基岩凸起地层，会对范围内的孤石进行预处理，包括孤石勘探和孤石清除两部分，常见的有爆破清除、密集钻孔清除两种方式，其中爆破清除效果较为彻底，但对环境影响较大；密集钻孔对环境破坏较小，但施工成本较高。本研究根据滨海快线实际情况，将两种方法有机结合，对隧道盾构区间含孤石的基岩凸起等不良地质进行探测[1]。

1 工程隧道盾构区间孤石群分布情况

滨海快线（福州-长乐机场城际铁路工程）线路总长约62.4 km。该工程孤石类型主要为中风化花岗岩孤石，饱和抗压强度介于 41.02～90.01 MPa，孤石坚硬，盾构不易推进，且不排除孔与孔之间可能存在孤石的可能性。利用微动探测技术和等值反磁通瞬变电磁技术进行探测后发现，1号孤石段左线有10处基岩凸起区域，存在10处孤石，1处破碎带；右线有3处基岩隆起区域，存在15处孤石。2号线孤石段左线共有3处基岩隆起区域，存在11处孤石，1处富水区；右线有1处基岩隆起区域，存在5处孤石。3号大礼堂孤石段左线有3处基岩凸起区域，存在8处孤石；右线有2处基岩凸起区域，存在2处孤石。3号胡芦山北坡孤石段左线为基岩凸起区域，存在3处孤石；右线存在6处孤石。4号孤石段盾构区间位于4中风化花岗基岩面以上。5号孤石段左线有1处基岩隆起区域，存在9处孤石；右线有1处基岩隆起区域，有8处孤石。6号孤石段左线有1处基岩隆起区域，存在2处孤石；右线存在1处孤石。7号孤石段左线有1处基岩隆起区域，存在3处孤石；右线存有2处基岩隆起区域，存在2处孤石[2]。

2 探测方法的选择

2.1 微动探测方法

2.1.1 微动探测原理

微动探测方法是一种通过提取天然场源微动信号波频散信息，然后对该信息进行反演后获取地下介质横波速度结构，通过分析地质体和周围介质之间的波速，进而获取工程地质存在的问题。地面存在的微动主要由面波和体波组成，其中面积产生的微动能量高达70%以上，与体波不同的是，面波在不均匀介质中进行传播时会出现频散现象，而体波不会发生该现象，因此微动探测以面波为主要对象。

2.1.2 微动探测步骤

首先利用微动探测仪器采集地面微动信号，然后利用空间自相关法提取地层频散曲线，该曲线可以直观的反映地层速度界面；其次采用反演方法对频散曲线进行处理，获取地层拟面波速度剖面图；最后根据坡面图分析施工现场现场存在的孤石。

2.2 等值反磁通瞬变电磁勘探法

2.2.1 瞬变电磁探测法原理

瞬变电磁法是一种利用不接地回线向地下发射一次场，然后通过感应线圈探测地下介质产生的二次场变化情况，根据该变化寻找地质体。该探测方法以相同的两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，装置如图1所示。

图1 等值反磁通瞬变电磁装置示意图

2.2.2 瞬变电磁勘探步骤

（1）天线与操作PC保持5 m以上距离，避免PC对数据的干扰；

（2）操作PC与仪器主机在水平通视状态下，距离不能超过30 m；

（3）现场人和动物远离天线，传输线缆不缠绕或绕圈[3]；

（4）发送频率选择：依据具体的探测深度和2020年南京地调中心的采集参数，本次工作发送频率选择25 Hz。

3 区间孤石预处理爆破设计

3.1 爆破方案

针对该工程地质孤石情况，为保证隧道盾构掘进作业有序开展，拟采用“深孔爆破法”对孤石进行预处理。首先在开展爆破作业前对爆破现场进行实地勘察，对爆破现场孤石进行分割、钻孔，其次在地面上将炸药安装于指定位置，利用炸药产生的能量将碎石进行解体、分割。考虑到施工现场孤石的位置、深度和强度等，开展爆破作业时需要控制炸药量、爆破振动和飞石等，确保爆破作业的安全性。

3.2 爆破

当前应用较多的爆破方案是从地面布孔对孤石进行深孔爆破，爆破平面范围为隧道两侧各1 m，然后对爆破区进行注浆回填。孤石装药每块孤石均钻至无岩石为止，从而可确定出孤石的边界，孤石爆破钻孔间距为0.8×0.8 m，按梅花型或矩形布置，个别孔洞位置可微调。根据揭示孤石的钻孔参数计算药包的长度，对于隧道外且距离0.8 m以上、粒径0.3 m以下的孤石不予爆破，厚度2.0 m以下的孤石采用连续装药，孤石爆破布孔示意图如图2所示；厚度在2.0 m以上的孤石采用间隔装药，孤石爆破布孔示意图如图3所示。

图2 厚度2.0 m以下孤石爆破布孔示意图

图3 厚度2.0 m以上孤石爆破布孔示意图

3.3 爆破参数

（1）炮孔间距：孔距80 cm，排距80 cm。

（2）孔深L：对于孤石，穿透孤石，根据每个孔钻取岩心的长度确定装药长度，爆破岩石的全厚度进行装药。

（3）炸药单耗计算

依据瑞典的设计方法，单位耗药量计算如式①至式④：

①K=k1+k2+k3+k4

②k2=0.01 h2；

③k3=0.02 h3；

④k4=0.03 h。

公式①至公式④中，k1代表基本装药量，当陆地爆破时，使用常规装药量即可，当水下爆破时，需要使用双倍装药量（本工程项目爆破位置含有地下水，所以是水下爆破）；k2代表爆区上方水压增量，kg/m3；k3代表爆区上方覆盖层增量，kg/m3；k4代表岩石膨胀增量，kg/m3；h2代表水深，m；h3代表覆盖层（淤泥或土、砂）厚度，m；h梯段高度，m。

本工程h=3m、h2平均取15 m、h3=18 m、k1=1.7 kg/m3，代入式（1）后求解K=2.3 kg/m3。

4 含孤石的基岩凸起等不良地质探测结果

本工程1号段孤石探测区域位于机场过夜停车场旁空港大到，左线位于硬化路面中间位置，右线位于北车道绿化带中，本文主要利用微动探测技术和瞬变电磁探测技术对1号段孤石区域不良地质进行探测。微动探测结果如图5所示。

图5 1号孤石段探测结果

从探测结果来看，微动视横波速度剖面垂向上呈现由浅至深速度不断增加的特征；瞬变电磁反演视电阻率剖面整体为三层结构，即低阻、中阻和高阻。根据地质岩性资料可以将地层划分为填砂层、细砂层、全-强风化花岗岩和中风化花岗岩[4]。

填砂层：1号孤石段左线填砂层地面海拔高度为0～7 m，平均厚度为2～3 m，其中最深位置在13 090点，该点可能为空港大道修建施工时的回填工程；右线地面海拔高度为6～9 m，平均厚度为2～3 m，该位置填砂层主要为空港大道修建过程中的回填物。从整体来看，1号孤石段左线和右线剖面厚度相对均匀。

粉细砂层：1号孤石段左线底面海拔高度为-12～6 m，平均厚度为9～18 m，该地层主要以粉砂和细砂为主，地层最薄位置厚度为2 m，位于70点，该位置属于基岩凸起区域；后线底面海拔高度为-25～5 m，平均厚度为4～18 m，最薄位置厚度为3 m，位于80～120点左后，该位置属于基岩凸起区域。

全-强风化花岗岩层：左线底面海拔高度为-30～0 m，平均厚度为8～18 m，该地层含有大量的云母、石英颗粒和长石，大部分长石已经被风化为粘土矿物，岩石风化剧烈；右线底面海拔高度为-30～2 m，平均厚度为5～7 m，从剖面厚度来看，左线和右线剖面厚度变化显著。

中风化花岗岩层：1号孤石段左线顶界面海拔高度为-27～5 m；右线顶界面海拔高度为-30～7 m，最高位置位于55 m处。左线和右线地层均为粗粒花结构，块状构造，从地层厚度分布情况开看，左线和右线地层厚度均呈不均匀分布。

断裂：1号孤石段左线坡面152～162m位置存在断裂发育情况，两盘落差为4m；右线剖面278～283m位置存在断裂发育情况，两盘落差为2m。左线和右线速度剖面均呈现断崖式下降趋势，瞬变电磁剖面存在低阻带[5]。

5 结语

综上所述，滨海快线1号段孤石探测区域工程实例验证，微动探测方法和等值反磁通瞬变电磁勘探法可以有效地探明隧道盾构区间内孤石与基岩突起的分布位置、形状、体积大小、风化程度等参数，为后期孤石的清除方案提供充足的数据基础，能够确保盾构掘进作业的有序性和安全性，提高城际铁路工程施工的效率。