越海盾構(gòu)工程孤石探測技術(shù)探索

楊亞璋

(臺(tái)山核電合營有限公司，廣東臺(tái)山 529228)

0 引言

花崗巖不均勻風(fēng)化所殘留的球狀風(fēng)化核，俗稱“孤石”，是在珠三角地區(qū)如廣州、深圳地區(qū)普遍存在的一種地質(zhì)現(xiàn)象，花崗巖風(fēng)化土中的球狀風(fēng)化核，其成因是巖漿中的石英富集部分不容易風(fēng)化所致［1－2］。盾構(gòu)穿越孤石地層是盾構(gòu)隧道施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，多采用對孤石周邊風(fēng)化土層進(jìn)行地面或洞內(nèi)預(yù)加固，以提供盾構(gòu)破巖或人工破巖的條件，或進(jìn)行洞內(nèi)靜態(tài)爆破、火藥爆破孤石，也有的利用地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石等方式進(jìn)行預(yù)處理［3－8］。

由于孤石埋藏分布是隨機(jī)的，且形狀各異，大小不等，強(qiáng)度可以達(dá)到100 MPa以上，對地鐵盾構(gòu)工程施工極為不利，其預(yù)處理的探測方法尤為重要。在廣州地鐵、深圳地鐵等諸多盾構(gòu)工程施工中均遭遇孤石，其探測多采用電法、磁法、地質(zhì)雷達(dá)和鉆探等勘探方法［9－12］，但所得的判斷和解析往往較為粗略。對地質(zhì)的認(rèn)識是盾構(gòu)隧道工程的關(guān)鍵性決策步驟，臺(tái)山核電站取水隧洞初步設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘探過程中，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工范圍存在孤石，為避免發(fā)生因孤石探測不到位、處理不及時(shí)導(dǎo)致盾構(gòu)刀具破壞、刀盤結(jié)構(gòu)受損等現(xiàn)象，采用水域高頻、高密度地震反射波CDP多次覆蓋疊加技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，有效探明了隧道范圍內(nèi)孤石的詳細(xì)分布情況。本文在文獻(xiàn)［13］的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解析了孤石對盾構(gòu)施工的危害以及在盾構(gòu)施工過程中對孤石的認(rèn)識和不同處理策略，闡述了具體的孤石探測方法，介紹了“水域高頻、高密度地震反射波CDP多次覆蓋疊加技術(shù)”在本工程中的應(yīng)用效果。

1 項(xiàng)目概況

臺(tái)山核電站取水隧洞位于陸域至海島之間的海域中，隧洞全長約4 330 m，隧洞兩端有陸域側(cè)工作井及島側(cè)工作井各1座。該隧洞工程共有2條相同的水工隧洞，開挖洞徑為9.03 m，隧洞埋深11～29 m，兩洞中線間距為29.2 m。初步設(shè)計(jì)階段地勘資料揭示隧道地表特征基本分為3個(gè)區(qū)域。

1)陸域側(cè)。陸域側(cè)560 m范圍內(nèi)燕山期侵入巖(γ5)為花崗巖及其風(fēng)化帶，埋深由陸域側(cè)取水構(gòu)筑物處向海域隧洞段變深，其巖石強(qiáng)度在97 MPa以下。

2)海域區(qū)段。主要分布為第四系松散堆積物，地層基本可劃分為:②淤泥、③淤泥、④－1礫砂、④－2粉砂混粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤－1粗礫砂、⑤黏土、⑥－1黏土、⑥粗礫砂、⑦黏土、⑧－1礫砂混粉質(zhì)黏土、⑧黏土、⑨－1粉砂混粉質(zhì)黏土、⑨黏土、⑩－1黏土、⑩－2粉質(zhì)黏土、⑩－3粉質(zhì)黏土。

3)海島側(cè)。島側(cè)分布中—晚泥盆系老虎頭組(D2－3l)，為粉砂巖、角巖及其風(fēng)化帶，粉砂巖埋深由島側(cè)取水構(gòu)筑物處向海域隧洞段變深。角巖－粉砂巖之間局部存在變質(zhì)粉砂巖。

以上基礎(chǔ)資料為隧道設(shè)計(jì)和盾構(gòu)選型提供了依據(jù)，為適應(yīng)隧道絕大部分的海域條件下軟弱地層施工同時(shí)兼顧兩側(cè)較短長度硬巖的需要，選取復(fù)合型泥水盾構(gòu)用于隧道掘進(jìn)，兩側(cè)硬巖部分采用礦山法施工;但作為復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)來說，50 m間隔鉆孔所揭示的地質(zhì)資料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用于施工指導(dǎo)，需要做進(jìn)一步的詳細(xì)調(diào)查，尤其是陸域側(cè)及海島側(cè)分布的硬巖地層需要有更為精細(xì)的地質(zhì)分布資料，其詳細(xì)與否，很大程度上決定了本工程的成敗。

2 對孤石的認(rèn)識和決策

2.1 孤石對盾構(gòu)施工的危害

由于孤石的埋藏分布及大小是隨機(jī)的，形狀各異、強(qiáng)度不一，巖石單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到100 MPa以上，隧道內(nèi)巖土層軟硬不均，盾構(gòu)在這類地層中掘進(jìn)效率低、刀具磨損嚴(yán)重。即使是配置滾刀的刀盤也難以破碎，孤石會(huì)在刀盤前方隨著盾構(gòu)掘進(jìn)方向無規(guī)律移動(dòng)，對盾構(gòu)刀盤的主軸承、刀盤的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害，導(dǎo)致刀圈崩斷，刀座、刀盤變形，并且盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，線路偏移、掘進(jìn)震動(dòng)大，對地層擾動(dòng)控制和地面建筑物保護(hù)十分不利。

以上現(xiàn)象發(fā)生后，處理過程緩慢，嚴(yán)重影響工程工期，并且孤石通常存在于自穩(wěn)能力不好的殘積層，隧道內(nèi)基本上無條件直接進(jìn)行處理，更換刀具極為困難。個(gè)別工程甚至因施工無法進(jìn)行而不得不變更設(shè)計(jì)，花費(fèi)巨大成本。2004年，廣州地鐵3號線天—五區(qū)間右線348 m孤石區(qū)，盾構(gòu)歷時(shí)8個(gè)月才脫困，工程為此付出了巨大代價(jià)。

2.2 工程地質(zhì)補(bǔ)勘情況

為避免上述風(fēng)險(xiǎn)，在工程開工前，對全線地質(zhì)情況進(jìn)行了補(bǔ)勘，其中，在近海處的4個(gè)鉆孔中有3個(gè)孔發(fā)現(xiàn)球狀風(fēng)化物，補(bǔ)勘資料揭示隧洞洞身范圍分布有孤石及孤石群。周邊環(huán)境和補(bǔ)勘取芯情況見圖1和圖2。

2.3 孤石處理技術(shù)決策

對于隧洞內(nèi)孤石探測和處理的認(rèn)識，在決策期間存在2個(gè)方面的分歧。

1)認(rèn)為盾構(gòu)配置硬巖刀具，具備硬巖及孤石的破巖能力，探測和處理孤石的難度大，費(fèi)用高，沒有必要進(jìn)行探測和處理，應(yīng)直接采用盾構(gòu)掘進(jìn)，若遇難以處理的孤石采用人工進(jìn)艙處理。

2)認(rèn)為由于孤石大小、分布的隨機(jī)性及其較高的強(qiáng)度，如果采用盾構(gòu)直接掘進(jìn)通過的方法，則孤石對刀盤及刀具的破壞非常嚴(yán)重，需要頻繁帶壓進(jìn)倉換刀，不但施工工期和安全沒有保障，工程費(fèi)用也高。如遇到刀具、刀盤損壞且不具備進(jìn)倉作業(yè)條件時(shí)，將導(dǎo)致工程嚴(yán)重延誤甚至失敗。

這2個(gè)方面的認(rèn)識都得到了來自不同渠道的支持。由于在我國核電領(lǐng)域第一次采用盾構(gòu)法建設(shè)海底隧洞，相應(yīng)的施工技術(shù)和管理水平都需要進(jìn)一步提高。采取以承包商作為施工主體，同時(shí)聘請盾構(gòu)專業(yè)咨詢公司輔助決策的方式，通過多次專家會(huì)議，形成最終意見:對隧道全線采用物探進(jìn)行普查，判斷孤石在隧道范圍內(nèi)的分布情況，依據(jù)普查結(jié)果采用鉆探驗(yàn)證，準(zhǔn)確判定孤石的具體位置和形狀，為孤石處理提供詳細(xì)的資料，同時(shí)對孤石在海域條件下的處理方法和工藝進(jìn)行可行性研究。

3 孤石探測技術(shù)

受技術(shù)水平的限制，物探精度還很難完全滿足實(shí)際施工的需要，為解決這個(gè)問題，必須根據(jù)物探得出的孤石賦存分布成果，有針對性地增加一些鉆孔以精確判定孤石的具體位置、形狀以及大小，從而制定相應(yīng)的處理工藝。

3.1 探測方法選擇

物探方法多種多樣，歸納起來有重力法、磁法、電法、地震法、核磁共振法、地質(zhì)雷達(dá)法和地球物理測井法等。

用物探方法解決一項(xiàng)地質(zhì)問題，應(yīng)該采用2種以上的物探方法相結(jié)合，采用不同的地球物理信息互相印證，減少反演解釋的多解性和不確定性，特別是解決要求較高、難度較大的地質(zhì)問題。

在本項(xiàng)目中由于海水具有良好的導(dǎo)電性(電阻率≤0.2 Ω·m)，電、磁信號在傳播過程中被良導(dǎo)體——海水吸收而極快衰減，重力法適合于探測深部構(gòu)造;相比之下地震波法要優(yōu)于其他方法，并且便于實(shí)施，是一種有效的方法。

本工程擬探測的孤石目標(biāo)體相對較小(直徑＞1 m的球狀風(fēng)化物)，同時(shí)本海域噪聲源相對較為單純，對人工地震波源干擾小，所以水上高頻、高密度地震反射波CDP多次覆蓋疊加勘探法是本工程海域孤石探測方法的最優(yōu)選擇。

3.2 物探探測設(shè)備

為了達(dá)到探測要求，充分提高探測的分辨率和準(zhǔn)確度，須在儀器設(shè)備、野外工作技術(shù)方法和室內(nèi)資料處理等方面進(jìn)行優(yōu)選。本項(xiàng)目所采用的儀器和設(shè)備有地震震源、水聽器、地震儀、RTK－GPS導(dǎo)航儀和測深儀工作船等。

3.3 探測范圍

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、施工圖階段地質(zhì)勘察資料和工程經(jīng)驗(yàn)，對取水隧洞沿線風(fēng)化殘留體發(fā)育程度定性推測如下:1)花崗巖區(qū)比角巖、砂巖區(qū)發(fā)育;2)坡殘積和全－強(qiáng)風(fēng)化層較海積層發(fā)育;3)靠近陸端和島端較隧洞中段發(fā)育。

取水隧洞風(fēng)化殘留體和孤石(群)及異常體的探測從客觀需要、工程成本等方面考慮，將海域物探劃分為若干區(qū)段，每一個(gè)區(qū)段的工作程度和橫向(水平向)探測點(diǎn)密度均有所區(qū)別。重點(diǎn)探測范圍為花崗巖及其風(fēng)化層相應(yīng)位置，靠近岸邊區(qū)域。

3.4 探測關(guān)鍵技術(shù)

地震反射波CDP多次覆蓋疊加技術(shù)稱之為水平多次疊加或共反射點(diǎn)(CDP)疊加。在地震反射波勘探技術(shù)中，多次覆蓋技術(shù)的地位和作用是其他技術(shù)所不能比擬的。多次覆蓋即是將不同激震點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收的來自相同反射點(diǎn)的地震反射信號經(jīng)過校正后疊加起來，得到同一個(gè)反射點(diǎn)的疊加值。

本次水域物探采用水域走航式地震反射波方法，接收采用24道漂浮電纜，每道間距0.5 m，采用具有專利技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械聲波連續(xù)沖擊震源，炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間間隔1 s，CDP疊加次數(shù)在16～20。

確定測量方法及探測范圍以后，需通過現(xiàn)場野外試驗(yàn)，結(jié)合本場地地質(zhì)情況建立地質(zhì)模型，利用全波場建模程序?qū)Υ笮? m的球狀風(fēng)化物進(jìn)行地震波正演，分析孤石的異常特征，從而指導(dǎo)野外資料采集和資料處理，確定相應(yīng)地層地球物理特征，為下一步識別和判斷提供基礎(chǔ)資料。

本次物探分為普查和詳查2個(gè)階段。

1)普查階段。①了解各區(qū)段風(fēng)化殘留體、斷層、基巖的分布及在地震剖面上的反映以及對已知地質(zhì)體揭露的有效程度。②了解不同的海積、坡殘積地層組合條件下，聲波的記錄特點(diǎn)和改善措施，了解有效波的特點(diǎn)、干擾波的種類及特點(diǎn)等。③了解在不同自然環(huán)境和工作條件下，改善記錄質(zhì)量的方法措施。④確定工作船與數(shù)據(jù)采集間的配合方式(包括航向的控制與限定、船速與采集的配合)，各工作班組之間的協(xié)同作業(yè)，儀器間和儀器與采集陣列間的配合。⑤選擇合適的激震功率、激震頻段、脈沖寬度。⑥獲得并確定不同條件下的施工參數(shù)及組合形式。⑦獲取鉆孔巖土層實(shí)測縱波速度。

2)詳查階段。本階段探測目的是在隧洞洞身范圍內(nèi)分析判斷地震反射波異常，判斷可能引起異常的原因，為鉆孔驗(yàn)證提供平面位置。詳查階段對觀測系統(tǒng)適當(dāng)改進(jìn)，如道間距從1 m減少到0.5 m，以增加CDP疊加次數(shù)，進(jìn)一步提高信噪比。詳查階段完成水域探測線180 km，測線基本上覆蓋了隧洞洞身范圍，處理后的時(shí)間剖面圖經(jīng)過解譯，做出取水隧洞花崗巖段洞身范圍風(fēng)化殘留體分布位置3D效果圖和3D成果縱切片孤石解釋圖。

3.5 探測成果

從物探成果看，異常主要分布在花崗巖段岸邊約300 m范圍內(nèi)，1號隧洞里程樁號K0+252～+297 m為巖土分界處，洞身范圍存在風(fēng)化不均勻的巖、土體;K0+312～+352 m為風(fēng)化殘留體，反射能量不均，存在孤石的可能;K0+417～+440 m為風(fēng)化殘留體，反射能量不均，有存在孤石的可能。2號洞 K0+512～+539 m發(fā)現(xiàn)有花崗巖突起，洞底可能遇中風(fēng)化基巖，影響隧洞盾構(gòu)施工的異常大體集中在該區(qū)段。1號洞中段里程樁號K1+050～+090 m發(fā)現(xiàn)花崗巖基巖突起，接近洞底。2號洞K1+710～+750 m與K1+890～+K2+025 m位置花崗巖突起，有可能接近或進(jìn)入洞底，應(yīng)了解突起部分花崗巖風(fēng)化程度。

粉砂巖段也發(fā)現(xiàn)多處發(fā)射波繞射現(xiàn)象異常，但異常類型與花崗巖段有所差別，其異常繞射弧可能主要由地層不連續(xù)斷點(diǎn)、透鏡體等引起，由孤石產(chǎn)生的可能性較小，經(jīng)少量鉆孔驗(yàn)證予以排除。

圖3為花崗巖段典型地震反射波時(shí)間剖面圖，從圖中可清晰看出基巖起伏和孤石發(fā)育位置。洞身中軸線風(fēng)化殘留體(孤石)分布位置見圖4。

3.6 鉆孔驗(yàn)證與隧洞掘進(jìn)介紹

根據(jù)水域地震反射波的成果，對發(fā)現(xiàn)的取水隧洞洞身范圍內(nèi)的分類異常進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，1，2號隧洞驗(yàn)證孔中有9個(gè)布置在K0+250～+500位置，其中有7個(gè)孔的異常得到了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了大小不等的孤石(中等風(fēng)化核)。其中1號隧洞有3個(gè)驗(yàn)證孔發(fā)現(xiàn)了孤石。K0+264.2鉆孔在7.9～8.08 m處發(fā)現(xiàn)孤石，在洞身范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)中等風(fēng)化巖;K0+321.1鉆孔在17.0～17.7 m處和19.4～22.3 m處發(fā)現(xiàn)孤石;K0+426.821鉆孔在14.9～15.15 m處發(fā)現(xiàn)孤石。2號隧洞花崗巖段布置的4個(gè)驗(yàn)證孔同樣在物探確定的4個(gè)異常區(qū)域分別發(fā)現(xiàn)了基巖突起和孤石，樁號K0+330.09處鉆孔分別在6.5～7.1 m、11.3～12.2 m和14.3～15.9 m處發(fā)現(xiàn)孤石(中等風(fēng)化核)。圖5為1號、2號隧洞物探異常驗(yàn)證鉆孔柱狀圖與芯樣，異常位置均驗(yàn)證有孤石。

圖5 隧洞花崗巖段異常驗(yàn)證鉆孔柱狀圖與芯樣Fig.5 Drilling log and drilling cores of verification borehole in granite section along the tunnel

根據(jù)以上物探結(jié)果重點(diǎn)對異常地段進(jìn)行鉆孔確認(rèn)，驗(yàn)證的結(jié)果同物探結(jié)果相符，證明物探對土石分界面及孤石的判斷是準(zhǔn)確的，物探的結(jié)果是可以信賴的。通過物探資料和鉆孔驗(yàn)證表明孤石分布在陸域側(cè)約560 m范圍內(nèi)，隧道其他區(qū)域不存在孤石分布。這就使得孤石預(yù)處理的工作位置非常明確，大大提高了孤石處理的目標(biāo)性。

3.7 盾構(gòu)施工驗(yàn)證情況

海底隧洞盾構(gòu)通過1號隧洞K0+310～+360段、K0+406～+447段物探確定的異常范圍段后，分別進(jìn)行了數(shù)次停機(jī)作業(yè)，組織專業(yè)作業(yè)人員在0.22～0.3 MPa的壓力條件下，進(jìn)行了多達(dá)數(shù)百人次的帶壓進(jìn)倉作業(yè)，共打撈出大小不等的弧石71塊，最長的一塊弧石達(dá)130 cm。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及珠三角地區(qū)類似地層條件下孤石探測的成敗實(shí)例，提出以下建議:

1)對于具有長距離花崗巖風(fēng)化巖層分布的盾構(gòu)隧道施工，采用物探方法進(jìn)行孤石探測是可行的，對于1 m以上的孤石探測較為準(zhǔn)確。

2)物探方法的選擇要根據(jù)現(xiàn)場的具體條件來確定，最好采用2種以上的方法相互印證，以提高分辨的準(zhǔn)確性。

3)物探的結(jié)果分析解釋至關(guān)重要，分析解釋必須建立在對項(xiàng)目現(xiàn)場地質(zhì)特性充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上。

4)精確探測孤石位置和分布情況，需在物探普查的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的鉆孔確定。

從本項(xiàng)目對孤石探測的技術(shù)方案的實(shí)施情況看，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的孤石探測是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜且實(shí)施效果差異較大的技術(shù)難題。本項(xiàng)目實(shí)施的探測技術(shù)基本達(dá)到了準(zhǔn)確探測的目的，在孤石探測領(lǐng)域是個(gè)有益探索，在今后類似工程施工中值得推廣。

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