馬騮洲隧道海底孤石探測(cè)與鉆爆處理

胡天寶，韓元東，蔣 輝，謝志輝

（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術(shù)有限公司，北京市 100000；3.廣東明源勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 珠海519000）

0 引言

珠海馬騮洲隧道為橫琴島的第三條交通通道，穿越馬騮洲水道，采用盾構(gòu)機(jī)施工。隧道長(zhǎng)約600 m，最大埋深34 m，直徑約15 m，雙向隧道。隧址地層從上至下為海陸交互相、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、中粗砂層、花崗巖殘積土和下伏的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖。工程地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)全、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)存在孤石，對(duì)盾構(gòu)施工安全構(gòu)成威脅。孤石形態(tài)復(fù)雜，大小不一，分布無(wú)規(guī)律，對(duì)于工程鉆探與工程物探勘查都是疑難問題。依靠鉆探排查工作量太大，國(guó)內(nèi)外的物探技術(shù)對(duì)于海底孤石的探測(cè)也是缺少成功經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)有的地質(zhì)雷達(dá)和電磁方法難于用于海洋工況，反射地震方法的分辨率達(dá)不到孤石探測(cè)的要求。近年發(fā)展起來(lái)的用于非均勻地質(zhì)對(duì)象勘察的地震散射新技術(shù)，在地鐵注漿效果評(píng)價(jià)[1]、采空區(qū)檢測(cè)[2]，道路與隧道病害診斷中已有成功的應(yīng)用[3、4]。比較了孤石探查的多種物探方法[5-9]，在馬騮隧道海底孤石的探測(cè)中選擇了地震散射技術(shù)。由于海流影響大，航道交通干擾嚴(yán)重，探測(cè)能否達(dá)到預(yù)期效果還有一定的存疑。幸好該項(xiàng)工程中施工了2 426鉆孔，對(duì)物探結(jié)果起到了有力的驗(yàn)證作用。

本文首先概要介紹地震散射法用于馬騮洲隧道孤石勘探的結(jié)果。通過對(duì)物探結(jié)果與施工各階段鉆探資料地分析對(duì)比，證明地震散射技術(shù)用于海底孤石的探測(cè)是可行的。同時(shí)表明，采用物探先行，結(jié)合鉆爆處理，是解決復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工安全的經(jīng)濟(jì)有效手段。

1 物探結(jié)果概述

地震散射是近年發(fā)展起來(lái)的一種工程勘探新技術(shù)。它以非均勻地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，比地震反射法具有更高的分辨率。可用于孤石、巖溶、空洞、采空區(qū)和注漿體的探測(cè)。在馬騮洲隧道孤石探測(cè)中采用了這種方法。

勘探區(qū)為長(zhǎng)300 m寬60 m的矩形區(qū)域，探測(cè)深度超過60 m?？碧絽^(qū)內(nèi)按縱向1 m，橫向2 m的網(wǎng)格，在節(jié)點(diǎn)上布置炮點(diǎn)10 400個(gè)。采用能量2萬(wàn)焦耳的電火花震源激發(fā)，24道地震系統(tǒng)接收，GPS系統(tǒng)定位?？碧降玫矫總€(gè)炮點(diǎn)上垂直剖面的巖土介質(zhì)波速分布，聯(lián)合所有炮點(diǎn)資料，組成測(cè)區(qū)的三維波速結(jié)構(gòu)。這里將波速作為巖體的物理屬性，表征巖土質(zhì)介質(zhì)的力學(xué)性狀。三維波速數(shù)據(jù)的縱向點(diǎn)距1 m，橫向點(diǎn)距2 m，深度點(diǎn)距1 m。三維波速數(shù)據(jù)支持縱向、橫向、水平方向的剖分及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。從三維波速數(shù)據(jù)中，可提取不同地層、巖性的空間分布。

結(jié)合巖芯實(shí)驗(yàn)測(cè)試資料，將速度高于2 400 m/s的巖體確定為中等風(fēng)化巖與孤石，其頂面高程分布繪于圖1。它表征了測(cè)區(qū)內(nèi)中等風(fēng)化巖和孤石的埋深。圖1中紅色表示埋深淺，藍(lán)色表示埋深大。從圖1可以看到，大多數(shù)地段的中等風(fēng)化巖高程在-40 m到-38 m范圍內(nèi)。隧道的最大埋深為-34 m，因此取高程-33 m做水平速度切片繪于圖2。圖2中將波速高于2 400 m/s巖體統(tǒng)稱為孤石，用紅色表示，其中大部分為基巖突起，少部分為殘留的孤石。按上述標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)孤石67處，其中在隧道范圍內(nèi)的有25處，直徑超過3 m的有9處。圖中黑色橢圓輪廓為隧道與平面的交線。這25處孤石的幾何參數(shù)列于表1中。表1中給出了孤石的編號(hào)、相對(duì)坐標(biāo)，以及與隧道的關(guān)系。

圖1 波速2 400 m/s巖層表面高程分布圖

圖2 高程-33 m波速水平切片與孤石分布圖

圖2 中黃褐色區(qū)域的波速在2 000～2 400 m/s范圍內(nèi)，為強(qiáng)風(fēng)化巖；淡黃色區(qū)域的波速在1 800～2 000 m/s范圍內(nèi)為全風(fēng)化巖。

在物探工作結(jié)束之后，先后開展了鉆探驗(yàn)證、孤石排查與鉆爆處理工作，共施工了2 426個(gè)鉆孔，這些資料對(duì)于物探技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用都是十分寶貴的，值得認(rèn)真總結(jié)?，F(xiàn)分別對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析。

2 鉆探驗(yàn)證

物探工作完成后，于2016年1月29日至3月11日，選擇了3處隧道區(qū)以外的孤石作為驗(yàn)證對(duì)象，開展了鉆探驗(yàn)證。其中34#和35#號(hào)孤石位于東西兩隧道中間部位，49#號(hào)孤石處位于測(cè)區(qū)西北側(cè)邊緣。這次驗(yàn)證共施工了87個(gè)鉆孔。驗(yàn)證結(jié)果為兩實(shí)一虛。詳情如下：

（1）鉆探證實(shí)34#和35#號(hào)孤石位置正確。物探與鉆探位置的平面偏差僅1 m，最大偏差3 m；深度誤差為1.4 m，相對(duì)誤差為4%。

（2）49#號(hào)孤石因?yàn)榭拷吘?，定位精度不夠，在指定位置沒有發(fā)現(xiàn)孤石。

3 鉆探排查

在完成了三處孤石的鉆探驗(yàn)證之后，于2016年5月20日至7月31日，根據(jù)物探結(jié)果對(duì)隧址區(qū)的孤石進(jìn)行全面的鉆探排查。排查中共施工了540個(gè)鉆孔，其中416個(gè)鉆孔在測(cè)區(qū)內(nèi)。這些鉆孔有302個(gè)是圍繞物探確定的孤石布置的，有114個(gè)鉆孔是布置在物探認(rèn)為沒有孤石的區(qū)域。目的是對(duì)物探結(jié)果的可靠性進(jìn)行全面、系統(tǒng)的考核。

表1 孤石位置參數(shù)表

鉆探排查結(jié)果表明，在測(cè)區(qū)內(nèi)的416個(gè)鉆孔中，有381個(gè)鉆探的結(jié)果與物探結(jié)果相符合，即物探認(rèn)為有孤石的位置遇到了孤石，物探認(rèn)為沒有孤石的地方就沒遇到孤石；另外的35個(gè)鉆探與物探的結(jié)果不相符。鉆探排查總的符合率達(dá)到了92%，這在工程物探領(lǐng)域是一個(gè)罕見的例證。

鉆探排查的結(jié)果繪于圖3中。其中紅色表示鉆孔遇到了孤石，藍(lán)色為沒遇到孤石。

圖3 物探與排查鉆探結(jié)果對(duì)比圖

4 鉆孔爆破處理

在隧道掘進(jìn)施工中，對(duì)隱伏的孤石進(jìn)行了鉆孔爆破處理。從2016年8月1日開始到2017年1月17日結(jié)束，共施工1 802個(gè)爆破鉆孔。其中，西線隧道施工鉆孔1 042個(gè)，東線760個(gè)。對(duì)于鉆爆與物探的結(jié)果對(duì)比，數(shù)據(jù)太多無(wú)法列表對(duì)比，現(xiàn)從平面分布和斷面分布兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析對(duì)比。

4.1 平面分布對(duì)比

1 802個(gè)鉆爆孔位平面分布繪于圖4。其中紅色鉆孔終孔于孤石，藍(lán)色鉆孔未遇見孤石。

圖4 鉆孔爆破位置平面分布圖

鉆爆孔的終孔深度多為-34 m。以此對(duì)比，圖5給出了-34 m高程巖體波速的水平切片，其中紅色區(qū)為波速超過2 400 m/s的孤石。與-33 m高程切片相比，雖然深度僅增加1 m，但孤石的數(shù)量和尺度都較明顯地增加。

分析對(duì)比鉆爆資料圖（見圖4）與物探速度切片圖（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)，隱伏孤石主要集中分布在如下的7個(gè)區(qū)域。即西線隧道的W1、W2和W3區(qū)，東線隧道的E1、E2、和E3區(qū)，以及兩隧道中間的M1區(qū)。

圖5 高程-34 m波速水平切片及孤石分布圖

對(duì)7處孤石分布區(qū)的水平位置進(jìn)行認(rèn)真的分析與對(duì)比表明，爆破鉆孔與物探的結(jié)果是基本一致的。僅在東線南部E1區(qū)的南端，爆破揭露的孤石范圍比物探確定的范圍略大些。各區(qū)的孤石編號(hào)及對(duì)比結(jié)果見表2所列。

平面的分析結(jié)果表明，7個(gè)孤石區(qū)中6.5個(gè)基本吻合，吻合程度達(dá)90%以上。

表2 爆孔爆破與物探孤石結(jié)果的對(duì)比表

4.2 橫斷面對(duì)比分析

在清除孤石的鉆爆施工中，利用鉆孔資料繪制了11個(gè)斷面圖，其中西線隧道6個(gè)斷面，東線隧道5個(gè)斷面。這些斷面圖覆蓋了東、西隧道的6個(gè)孤石分布區(qū)。斷面圖除了清楚地展現(xiàn)了隱伏孤石的形態(tài)，也是對(duì)物探結(jié)果最有力的驗(yàn)證。限于篇幅，這里僅選擇其中的6個(gè)斷面，每個(gè)孤石區(qū)選擇1個(gè)斷面作為代表。

這些斷面圖為西線隧道W1孤石區(qū)的WK2+550，W2孤石區(qū)的WK2+615，W3孤石區(qū)的WK2+695；東線隧道E1孤石區(qū)的EK2+564，E2孤石區(qū)的EK2+662，E3孤石區(qū)的EK2+720。現(xiàn)將鉆孔斷面圖與相應(yīng)歷程的波速橫截面對(duì)照如下。

4.2.1 西線W1區(qū)里程WK2+550斷面

WK2+550斷面位于西側(cè)隧道的W1孤石區(qū)（見圖6）。其左圖是根據(jù)鉆爆鉆孔繪制的橫斷面圖，右圖是三維波速的橫截面。圖中左側(cè)隧道為西線隧道，右側(cè)為東線隧道。圖中紅色為速度超過2 400 m/s的中等風(fēng)化巖與孤石。從中可以看到這里的孤石實(shí)際上是基巖突起。圖中反應(yīng)物探結(jié)果與爆破結(jié)果基本吻合。

圖6 西線隧道WK2+550斷面圖

4.2.2 西線W2區(qū)里程WK2+615斷面

WK2+615斷面位于西側(cè)隧道的W2孤石區(qū)（見圖7）。其物探與爆破鉆探兩種方法確定的孤石的位置與深度結(jié)果基本一致。物探給出的孤石的形態(tài)橫向變化比鉆探剖面孤石的橫向變化大。這些細(xì)節(jié)上差異主要是由于鉆探密度不夠，鉆孔間由推斷連接所致。

圖7 西線隧道WK2+615斷面對(duì)比圖

4.2.3 西線W3區(qū)里程WK2+695斷面

WK2+695斷面位于W3孤石區(qū)（見圖8）。圖中表明物探確定的孤石的位置與深度與鉆探結(jié)果相一致。物探給出的孤石是無(wú)根的，而鉆探證實(shí)該孤石是有根的，屬于基巖突起，差別不大。

圖8 西線隧道WK2+695斷面爆破與物探對(duì)比圖

4.2.4 東線E1區(qū)里程EK2+564斷面

EK2+564斷面位于東線隧道E1孤石區(qū)（見圖9）。波速斷面圖中右側(cè)隧道為東線隧道，與鉆孔斷面圖相對(duì)應(yīng)。圖中反應(yīng)物探與鉆探確定的孤石位置與深度基本一致。物探反映孤石的橫向變化比鉆孔剖面略大。這合乎情理。

圖9 東線隧道EK2+564斷面圖

4.2.5 東線E2區(qū)EK2+662斷面

EK2+662斷面位于東線隧道E2孤石區(qū)（見圖10）。物探與鉆探確定的孤石的位置基本一致，只是物探給出的深度比鉆孔確定的深度偏深2 m左右。

圖10 東線隧道EK2+662斷面爆破與物探對(duì)比圖

4.2.6 東線E3區(qū)EK2+720斷面

EK2+720斷面位于東側(cè)隧道E3孤石區(qū)（見圖11）。物探與鉆探結(jié)果都說(shuō)明該位置的孤石是一個(gè)規(guī)模較小的基巖突起，形狀猶如石牙。鉆探確定的埋深比物探結(jié)果的深度偏淺1.0 m。

圖11 東線隧道EK2+720斷面爆破與物探對(duì)比圖

通過斷面圖的分析對(duì)比，結(jié)果表明鉆爆與物探確定的孤石的位置基本吻合，深度上偏差在1 m以內(nèi)，個(gè)別在2 m以內(nèi)。結(jié)果總體吻合在90%以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

馬騮洲隧道孤石探測(cè)采用地震散射新技術(shù)，勘探重建的三維波速結(jié)構(gòu)經(jīng)由2 426個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）物探確定的孤石平面位置的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上；位置與深度的平均偏差在1 m左右，最大不超過2 m。為隧道盾構(gòu)施工安全起到了指導(dǎo)作用。

（2）以地震散射勘探為先導(dǎo)，與鉆爆技術(shù)相結(jié)合，可作為確保盾構(gòu)施工安全的經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)手段，具有實(shí)用價(jià)值。

（3）地震勘探中炮點(diǎn)的密度是決定物探結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)與施工中，必須特別關(guān)注。