隧道范圍內(nèi)孤石處理技術(shù)

【摘要】文章結(jié)合廣州市軌道交通二十一號(hào)線工程【施工17標(biāo)】土建工程區(qū)間盾構(gòu)施工工程的實(shí)例，深入分析了孤石的地面爆破處理過程中的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，提出了孤石的探測(cè)方法，介紹了孤石的主要處理方法和施工中應(yīng)采取的措施。通過對(duì)比分析盾構(gòu)通過孤石處理區(qū)的參數(shù)，有針對(duì)性地將該孤石處理方法應(yīng)用于不同的工程中，為后期盾構(gòu)施工穿越孤石創(chuàng)造有利條件，節(jié)約成本和降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】隧道工程;地鐵;盾構(gòu);孤石;探測(cè);爆破技術(shù)

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

在地鐵隧道工程施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到球狀風(fēng)化體，也就是孤石，屬于巖體風(fēng)化過程中所特有的地質(zhì)現(xiàn)象。在采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工作業(yè)的項(xiàng)目中，由于孤石的形狀以及強(qiáng)度不一，盾構(gòu)機(jī)難以將孤石破碎，施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有： 刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形、更換困難;刀盤磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，刀盤變形;刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞、盾構(gòu)負(fù)載加大;被刀盤推向隧道側(cè)面的大漂石甚至導(dǎo)致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，偏離隧道軸線等;同時(shí)影響隧道工程施工安全性以及施工進(jìn)度。因此，必須針對(duì)隧道盾構(gòu)施工中的孤石進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)采取合理的措施對(duì)孤石進(jìn)行破碎處理，以確保盾構(gòu)施工作業(yè)的順利進(jìn)行降低施工風(fēng)險(xiǎn)節(jié)約成本。

2、工程簡(jiǎn)介

廣州市軌道交通二十一號(hào)線工程【施工17標(biāo)】土建工程盾構(gòu)區(qū)間隧道工程包括中新站-中新東站的中間風(fēng)井～中新東站區(qū)間和中新東站～朱村站區(qū)間，兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間工程，且兩個(gè)區(qū)間均遇到孤石。

根據(jù)詳勘報(bào)告，本標(biāo)段兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間共布置鉆孔184個(gè)，其中中風(fēng)井～中新東站區(qū)間156個(gè)，揭露孤石孔位共計(jì)5孔;中新東站～朱村站區(qū)間92個(gè)，揭露孤石孔位共計(jì)5孔。根據(jù)孤石補(bǔ)堪報(bào)告，本標(biāo)段兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間共揭露孤石43處，其中中風(fēng)井～中新東站區(qū)間揭露28處，中新東站～朱村站區(qū)間揭露15處;孤石分布在隧道的不同位置，孤石所處地面復(fù)雜，存在建構(gòu)筑物、各種管線、農(nóng)田、林地等。處理過程中困難極大，包括管線改遷、房屋保護(hù)等措施。相對(duì)盾構(gòu)遇到孤石產(chǎn)生的危害是極其小的。

3、盾構(gòu)遇孤石的危害

由于孤石的影響，盾構(gòu)施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有：

（1）刀具磨損與刀座變形，從而帶來施工難度與開倉(cāng)換刀的安全風(fēng)險(xiǎn);

（2）刀盤損壞與刀盤變形將嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)工作性能;

（3）刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞;

（4）盾構(gòu)負(fù)載加大，千斤頂油壓與刀盤油壓明顯升高，機(jī)器發(fā)生故障的頻率增大;

（5）螺旋機(jī)出土口發(fā)生噴涌或卡螺旋機(jī)可能造成地面沉降過大;

（6）盾構(gòu)遇到孤石時(shí)可能會(huì)造成地表或建（構(gòu)）筑物隆起;

（7）盾構(gòu)機(jī)在大型孤石中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)糾偏困難和管片拼裝質(zhì)量較差;

（8）盾構(gòu)機(jī)過大孤石或孤石群時(shí)，盾尾刷易被損壞，更換盾尾刷存在較大風(fēng)險(xiǎn);

（9）掘進(jìn)較大孤石或孤石群時(shí)，盾構(gòu)機(jī)盾體可能被孤石“卡死”從而不能繼續(xù)掘進(jìn)。

4、孤石的探測(cè)

孤石勘察鉆孔沿隧道中心線上布置，布孔間距為10m，孔深均鉆至隧道底部外輪廓線以下1m。鉆探時(shí)如發(fā)現(xiàn)隧道洞身范圍內(nèi)存在“孤石”，則需進(jìn)一步探測(cè)清楚“孤石”的形狀和大小。由于“孤石”一般多為圓形，其寬度和厚度相差不大，所以探測(cè)“孤石”的形狀和大小時(shí)按以下步驟布孔，見圖4-1所示：

（1）垂直隧道線路方向：以探到孤石的點(diǎn)為中心點(diǎn)向外布置鉆孔，垂直隧道軸線方向鉆孔間距2m從中心點(diǎn)布置1號(hào)鉆孔，從1號(hào)鉆孔向左2m處布置1-2號(hào)鉆孔，如果1-2號(hào)鉆孔沒有探到孤石則在此孔向右1m處布置1-1號(hào)鉆孔;如果1-2號(hào)鉆孔探到孤石，則在此孔左側(cè)2m處布置1-4號(hào)鉆孔;如果1-4號(hào)鉆孔沒有探到孤石則在此孔右側(cè)1m處布置1-3號(hào)鉆孔;如果探到孤石鉆孔結(jié)束，因?yàn)?-4號(hào)鉆孔已超出隧道洞身范圍。具體見圖4-1所示：

（2）沿隧道軸線方向上以原1號(hào)探孔上方2m處布置3號(hào)鉆孔，如果3號(hào)鉆孔沒有探到孤石則向下1m處布置2號(hào)鉆孔;如果3號(hào)鉆孔探到孤石則向上2m處布置5號(hào)鉆孔，如果5號(hào)鉆孔沒有探到孤石，則向下1m處布置4號(hào)鉆孔;如果5號(hào)鉆孔探到孤石則向繼續(xù)向上2m處布置鉆孔，直到找到孤石邊界，另外反方向以此類推。

（3）其他三個(gè)坐標(biāo)內(nèi)布置鉆孔方法同第四象限。

根據(jù)施工補(bǔ)勘孤石揭露，中間風(fēng)井～中新東站區(qū)間孤石處理設(shè)計(jì)圖和中新東站～朱村站區(qū)間孤石處理設(shè)計(jì)圖，在兩個(gè)區(qū)間分別有28顆孤石和15顆孤石在盾構(gòu)影響范圍以內(nèi)。

5、地面預(yù)處理方案

5.1目標(biāo)

為降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)已探明的孤石，從地面采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆垂直孔，裝藥爆破隧道洞身范圍內(nèi)孤石，使破碎后孤石碎塊粒徑小于30cm，確保盾構(gòu)機(jī)能順利排渣并順利完成孤石段掘進(jìn)。

5.2爆破處理孤石流程

（1）在鉆探遇到孤石時(shí)，查明孤石的數(shù)量、產(chǎn)狀、大小、形狀;

（2）根據(jù)已探明得到的數(shù)據(jù)，合理計(jì)算并制定爆破參數(shù);

（3）采取深孔爆破時(shí)，利用查明孤石形狀和大小的鉆孔作為爆破引孔（孔位不足時(shí)增加鉆孔），在鉆孔內(nèi)安放適量炸藥;

（4）爆破完成后進(jìn)行抽芯檢測(cè)，判斷“孤石”分裂程度是否達(dá)到破碎要求;

（5）待“孤石”處理達(dá)到預(yù)定要求后，使用水泥砂漿封堵爆破孔。

5.3爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）鉆孔直徑

采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，PVC套管直徑75mm。

（2）鉆孔形式

為便于施工和精準(zhǔn)控制鉆孔方向，通常采用垂直鉆孔形式，如有管線影響則采用斜向鉆孔（需對(duì)角度、爆破深度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，以確保爆破位置準(zhǔn)確性）。鉆孔過程中采用泥漿護(hù)壁。成孔后立即下放75mmPVC套管護(hù)孔，套管底部及孔口均安裝堵頭，防止泥漿、雜物等堵塞套管影響裝藥。在孤石補(bǔ)勘鉆探過程中，備好PVC套管，遇孤石立即下放套管，使鉆孔得到有效利用。

（3）火工器材選型

盾構(gòu)孤石爆破選用φ60 mm的2#巖石乳化炸藥，孔內(nèi)雷管選用雙發(fā)非電毫秒雷管，間隔裝藥時(shí)則每段裝藥都采用雙發(fā)非電毫秒雷管，非電雷管段別選擇1～20段，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要加工。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)

由于炮孔深度較深，孤石埋深較深，因此起爆藥包采用軟繩懸吊于孔內(nèi)爆破點(diǎn)位置，繩頂端固定于孔口位置，藥包標(biāo)高控制誤差在100mm以內(nèi)。藥包裝載特制的PVC管體內(nèi)，具備良好的防水性能，為避免起爆體移位，起爆體需配重抗浮。炮孔內(nèi)采用正向裝藥起爆，起爆選用非電爆破網(wǎng)路，采用激發(fā)針起爆，每個(gè)炮孔裝兩發(fā)雷管，且分別屬于兩個(gè)爆破網(wǎng)路，兩套網(wǎng)路并聯(lián)后起爆。網(wǎng)路示意圖如圖5-2所示

（5）單位耗藥量計(jì)算

依據(jù)瑞典的設(shè)計(jì)方法，單位耗藥量計(jì)算：

Q=q1+q2+q3+q4

式中q1-基本裝藥量，為一般陸地梯段爆破的兩倍（本項(xiàng)目孤石處于地下12m～23m范圍，存在地下水，故視為水下爆破）。對(duì)水下垂直鉆孔，再增加10%。普通硬巖的深孔爆破平均單耗q1=0.5kg/m3，水下鉆孔按兩倍計(jì)則q1=1kg/m3，水下垂直孔q1=1.1kg/ m3。

q2-爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2;h2-水深，m;q3-爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02h3;h3-覆蓋層厚度，m;q4-巖石膨脹增量，q4=0.03h;h-梯段高度，m。

本項(xiàng)目中，h=4m（根據(jù)最大孤石粒徑），h2平均取18m（根據(jù)地下水位埋深），h3=18m

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

本工程取平均單耗q=1.76 Kg/m3。

在爆破作業(yè)過程中可參照上述數(shù)據(jù)進(jìn)行試爆，并針對(duì)具體情況調(diào)整爆破參數(shù)。

（6）布孔形式及裝藥結(jié)構(gòu)

孤石的位置及大小已經(jīng)探明，在探明孤石的范圍內(nèi)以孤石鉆孔為基點(diǎn)，在垂直隧道方向和沿隧道軸線方向布孔，孔排距a=b=0.8m，具體方式如下圖所示。鉆孔過程中詳細(xì)記錄孤石的上巖面與下巖面標(biāo)高，為爆破裝藥提供依據(jù)。

因孤石厚度不均，考慮補(bǔ)勘定位及藥包吊裝過程中產(chǎn)生的誤差（累計(jì)誤差不超過100mm）。因此孤石爆破時(shí)，當(dāng)單孔單體爆破時(shí)裝藥長(zhǎng)度與孤石厚度相同，多孔單體爆破時(shí)，相鄰兩炮孔，其中一孔鉆穿至孤石底面，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留100mm不裝藥;鄰孔孔底距離孤石底面100mm，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留100mm不裝藥。

當(dāng)孤石厚度小于孔排距（即0.8m）時(shí)采取連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)孤石厚度大于孔排距時(shí)，采取分段裝藥結(jié)構(gòu)，見圖5-5

（7）單塊孤石爆破藥量計(jì)算：

單塊孤石爆破總藥量計(jì)算：Q=qV

式中：Q — 單塊孤石爆破所需的總藥量，Kg; q — 炸藥單耗，Kg/m3; ? ? ?V — 單塊孤石體積，m3。

單孔裝藥量要由技術(shù)員根據(jù)每一塊孤石的鉆孔情況現(xiàn)場(chǎng)確定并指導(dǎo)藥包制作。

表5-1 不同體積孤石總裝藥量參數(shù)表

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)如遇到未探明的孤石，為了減少開倉(cāng)次數(shù)，同時(shí)考慮保護(hù)盾構(gòu)機(jī)刀盤，優(yōu)先考慮地面鉆孔爆破，但相關(guān)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整（調(diào)?。?/p>

（8）藥包加工

炮孔驗(yàn)收合格后，對(duì)裝藥爆區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置警戒，開始加工藥包。首先要準(zhǔn)備好下方炸藥的PVC管，根據(jù)鉆孔隊(duì)提供的鉆孔參數(shù)和驗(yàn)孔情況，計(jì)算好單孔裝藥量和藥包長(zhǎng)度，將炸藥和雷管裝入PVC管內(nèi)指定的位置，PVC管兩端應(yīng)進(jìn)行密封處理（抗壓）。由于孔內(nèi)有水及少量泥漿，為了順利裝藥，需對(duì)藥包適當(dāng)配重。PVC管的長(zhǎng)度需根據(jù)藥包長(zhǎng)度和配重長(zhǎng)度來截取。

L = L1 + L2

式中：L-所取PVC管長(zhǎng)度;L1-藥包長(zhǎng)度;L2-配重長(zhǎng)度。

（9）抗浮配重

由于炸藥與孔內(nèi)的泥漿水比重相近，導(dǎo)致藥包無(wú)法下沉或下沉后在浮力作用下而無(wú)法固定，所以需對(duì)藥包進(jìn)行配重抗浮。配重采用粒徑0.5㎝的碎石，密度約為1.50g/cm3;炸藥密度約為0.95～1.25g/cm3，此處取1.00g/cm3;孔內(nèi)泥漿水密度約為1.15g/cm3。如果三者滿足下式關(guān)系，則藥包會(huì)順利下沉。

G炸藥+ G碎石> F泥漿水

所以只要滿足上述條件就可達(dá)到抗浮的效果。

（10）藥包就位

藥包加工好后，在管壁上端鉆兩孔，用鐵絲綁定，上系繩索，然后開始下藥包。根據(jù)鉆孔隊(duì)提供的鉆孔參數(shù)和驗(yàn)孔情況，確定裝藥底部深度N1，然后準(zhǔn)確測(cè)量PVC管與繩索的長(zhǎng)度之和N2，使N1= N2，將整個(gè)藥包懸吊到準(zhǔn)確的位置上，誤差控制在 +10㎝之內(nèi)。藥包就位后，用鐵絲把繩索固定在套管壁上，使其不再移動(dòng)。

（11）炮孔防護(hù)

藥包就位且固定后，開始進(jìn)行堵塞。嚴(yán)禁使用鐵器沖擊炮孔內(nèi)藥包，雷管。套管內(nèi)外均用碎石堵塞密實(shí)，防止泥漿噴出和套管的突起。由于孤石爆破在地下10m以下進(jìn)行，不會(huì)有飛石產(chǎn)生，只有在爆破后產(chǎn)生的高壓氣體會(huì)將炮孔內(nèi)的泥漿壓出孔外，為了防止涌出的泥漿飛濺，地面采取如下聯(lián)合防護(hù)體系（如圖5-9）。如果本次爆區(qū)周圍已經(jīng)實(shí)施過爆破作業(yè)，則需對(duì)其周圍的爆破殘孔用砂袋覆蓋，防止泥漿噴射。

（12）爆破安全距離計(jì)算

根據(jù)國(guó)家《爆破安全規(guī)程》及廣州市公安局的規(guī)定，一般民房所能承受的最大允許安全震動(dòng)速度為1cm/s，為了保證爆破震動(dòng)不影響鄰近居民生活，按1cm/s以下進(jìn)行裝藥設(shè)計(jì)施工，反算一次爆破允許的最大裝藥Qmax。本工程需要保護(hù)的建筑物距離最近的爆破點(diǎn)距離為約20米。

根據(jù)公式V=k（Qm/R）α

V-爆破地震安全速度，cm/s ; Q-最大一段裝藥量，kg; ?R-爆破區(qū)至被保護(hù)物距離，m;m-藥量指數(shù)，取m=1/3;k -與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)系數(shù)，取k=160;α-與地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)，α=1.9。

最大一段裝藥量列表如下：

結(jié)合上表計(jì)算結(jié)果，在施工中嚴(yán)格控制單段最大藥量，使其小于2.65Kg，同時(shí)，爆破作業(yè)時(shí)，做好爆破振動(dòng)和地表位移監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)一步指導(dǎo)施工。

（13）起爆網(wǎng)絡(luò)

由于盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破單炮藥量較小，且每段裝藥都用雙發(fā)非電毫秒雷管，因此起爆網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)非電毫秒雷管分段，孔外分組簇聯(lián)，每個(gè)起爆體內(nèi)的兩發(fā)非電雷管分別聯(lián)接到兩個(gè)并聯(lián)回路，確保網(wǎng)絡(luò)可靠性。見圖5-10和圖5-11

5.4 卸壓孔的布置

地面預(yù)爆破孤石處理深度大，難度系數(shù)高，為了達(dá)到理想的爆破效果以及防止爆破時(shí)因震動(dòng)對(duì)孤石周圍的建筑物或地下管線的損壞。爆破前在孤石處理范圍內(nèi)布置卸壓孔，以便釋放爆破時(shí)產(chǎn)生的壓力和沖擊。在每?jī)蓚€(gè)炮眼之間布置一個(gè)卸壓孔，卸壓孔直徑為110mm，間距為800mm。盡量利用地質(zhì)補(bǔ)勘的鉆孔（主要是發(fā)現(xiàn)孤石后查明孤石大小的鉆孔）作為泄壓孔，同時(shí)在孤石外側(cè)設(shè)置一圈空孔作為泄壓孔，減小對(duì)周邊的影響，具體布置如下圖5-12所示：

（1）效果檢查

爆破效果檢查主要針對(duì)每批次爆破后對(duì)孤石破碎處理后的結(jié)果檢查，即要滿足孤石經(jīng)破碎后塊度要求，不超過300mm。

在相鄰兩個(gè)爆破孔中間進(jìn)行巖塊取樣，如發(fā)現(xiàn)多為超過300mm巖柱，應(yīng)在相鄰兩孔間利用檢查鉆孔重新裝藥，對(duì)周邊孤石再次爆破處理，直至處理范圍塊石滿足設(shè)計(jì)要求，如圖5-13爆破前后孤石對(duì)比。

結(jié)語(yǔ)：

在地鐵隧道施工作業(yè)過程中，極易遇到孤石等不良地質(zhì)條件，導(dǎo)致盾構(gòu)施工作業(yè)無(wú)法順利的推進(jìn)。因此，在地鐵隧道施工作業(yè)過程中，應(yīng)該做好故事的探測(cè)分析，針對(duì)孤石的體積、風(fēng)化程度等詳細(xì)參數(shù)，合理的確定破碎方案，孤石處理應(yīng)本著當(dāng)?shù)孛婢哂刑幚項(xiàng)l件時(shí)，首先考慮地面處理，若不具備條件則采用洞內(nèi)處理的原則。各種孤石處理方法具有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，應(yīng)根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境和施工風(fēng)險(xiǎn)等因素確定具體處理方法。施工過程中，嘗試了各種破除花崗巖球狀風(fēng)化體的方法，采取了很多針對(duì)性措施，在參建各方的共同努力下，最終客服了困難，保證了盾構(gòu)區(qū)間施工順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]張新金，劉維寧，路美麗，等.盾構(gòu)法與淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站技術(shù)的結(jié)構(gòu)方案初步研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，

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作者簡(jiǎn)介：

熊忠飛（1984—）男， 山西人，宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，二級(jí)建造師，工程師，從事市政工程施工;

張吉會(huì)（1984—）男， 江蘇人，宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，二級(jí)建造師，工程師，從事市政工程施工;

郝明亮（1980-）男，遼寧人，宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，一級(jí)建造師，高工，從事市政工程施工;

厲超（1986—）男， 安徽人，宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，工程師，從事市政工程施工。