復(fù)合地層海底隧道盾構(gòu)巖石控制爆破技術(shù)

沈順平，陳建洲，林育仁

(廈門爆破工程公司，福建 廈門 361012)

隨著國內(nèi)地下空間逐步被開發(fā)利用，復(fù)合地層環(huán)境下采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工的項(xiàng)目日益增多，尤其是針對(duì)開挖斷面內(nèi)局部存在“上軟下硬”的巖體[1-2]。我國東南沿海城市如廈門、廣州等，花崗巖地層分布較為廣泛，在地鐵盾構(gòu)隧洞施工過程中，常遇到球狀風(fēng)化狀孤石和基巖的復(fù)合地層侵入問題，若選擇直接盾構(gòu)穿越或傳統(tǒng)的開倉處理方法，容易出現(xiàn)掘進(jìn)效率低、刀盤磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)姿態(tài)偏移等問題。因此，此類復(fù)合地層環(huán)境下的盾構(gòu)順利施工，成為地鐵建設(shè)推進(jìn)的重大難題之一[3]。

筆者以廈門市地鐵3號(hào)線五緣灣站-劉五店站盾構(gòu)區(qū)間跨海段爆破工程為背景，在分析水下盾構(gòu)巖石破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，闡述了深孔控制爆破技術(shù)在水下應(yīng)用的過程，并通過水下沖擊波壓力測(cè)試及鉆孔取芯驗(yàn)證，說明該技術(shù)能較好地控制盾構(gòu)巖石破碎效果和爆破有害效應(yīng)。

1 工程背景

廈門市地鐵3號(hào)線五緣灣站-劉五店站盾構(gòu)區(qū)間位于翔安區(qū)東海域(該海域?yàn)橹腥A白海豚核心自然保護(hù)區(qū))，采用泥水盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段右線長度1 419.93 m，左線長度1 415.22 m。其中，跨海段長度1 100 m，盾構(gòu)隧道覆蓋層厚度為11.5～24.7 m，最深16 m，其地質(zhì)分區(qū)屬Ⅴ區(qū)(濱海堆積區(qū))，兩岸為潮間帶，海底地形總體上呈寬緩“U”型，為侵蝕堆積地貌，掘進(jìn)過程中遇到“上軟下硬”不良地質(zhì)段。為確保盾構(gòu)施工安全，需對(duì)侵入盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)的孤石及基巖提前進(jìn)行爆破處理。

爆破施工前對(duì)海域段盾構(gòu)區(qū)間地層通過淺層地震反射波(CDR)疊加覆蓋技術(shù)進(jìn)行詳勘[4](見圖1)。同時(shí)查看地勘資料可知，盾構(gòu)隧道穿越地下巖土層種類較多，地形高低起伏不一，主要為中粗砂、殘積土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、中等風(fēng)化花崗閃長巖、微風(fēng)化花崗閃長巖等，伴隨分布大小各異、強(qiáng)度不一的微風(fēng)化花崗巖孤石，為典型“上軟下硬”復(fù)合地層。其中隧道洞身范圍內(nèi)孤石有7處，平均單軸抗壓強(qiáng)度80～140 MPa，最大達(dá)到202 MPa；左右線基巖均出現(xiàn)不同程度的突起，以半巖半風(fēng)化巖段～全斷面中、微風(fēng)化基巖段為主，左線長330.8 m、右線長325.8 m。

圖1 海底盾構(gòu)巖石地質(zhì)剖面
Fig.1 Geological section of subsea shield rock

2 巖石破碎原理及爆破技術(shù)

盾構(gòu)隧道巖石破碎主要是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的炮轟氣體膨脹壓力與應(yīng)力波共同作用的原理[5]，當(dāng)炸藥爆炸后，被爆體沒有臨空面很難進(jìn)行石渣拋擲，表現(xiàn)為“內(nèi)部作用藥包”現(xiàn)象。由于爆轟波波陣面形成的傳播速度與壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆轟氣體產(chǎn)物的傳播速度與壓力，故爆轟波先對(duì)藥包周邊巖壁起作用，在巖石內(nèi)部形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。沖擊波在藥包周邊巖石內(nèi)產(chǎn)生壓碎現(xiàn)象，而應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙。隨后，爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，使裂隙繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開，在巖石破碎范圍表現(xiàn)出“爆腔、粉碎區(qū)、裂紋區(qū)”，從而實(shí)現(xiàn)水下盾構(gòu)對(duì)巖石的破碎[6]。

水下鉆孔爆破，即對(duì)水下巖石進(jìn)行鉆孔、裝藥、爆破的方法[7]。根據(jù)爆區(qū)的地質(zhì)情況和盾構(gòu)巖石“無臨空面、炮孔深、水壓大、覆蓋層厚”等特點(diǎn)，采用水下深孔爆破控制技術(shù)，在海上進(jìn)行垂直鉆孔，將預(yù)制藥包送至盾構(gòu)巖石指定位置，通過控制炸藥爆炸能量，使巖石破碎、解體至直徑小于30 cm的碎塊，同時(shí)最大限度地控制爆破有害效應(yīng)，最終達(dá)到盾構(gòu)安全掘進(jìn)的要求[8]。

3 水下深孔爆破

根據(jù)海域環(huán)境和工程特點(diǎn)，選用漂浮式鉆爆船施工作業(yè)，由輔助船將其拖至爆區(qū)，配合鉆爆船拋設(shè)6具錨，其中船頭和船尾各拋設(shè)1具中錨，錨纜長度為150～300 m；鉆爆船體兩邊拋設(shè)2具邊錨，錨纜長度為150～200 m。

鉆爆船采用RTK-DGPS系統(tǒng)進(jìn)行水下鉆孔定位。船體一側(cè)安裝潛孔沖擊式鉆，用φ138 mm鉆頭，必須一次鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高(含超鉆深度)，炮孔按梅花形布置，海底盾構(gòu)孤石孔、排距a=b=0.7～0.8 m；基巖突起孔、排距a=b=0.7～0.8 m；盾構(gòu)開挖上斷面巖石超炸范圍為1 m，下斷面巖石超炸范圍為2 m(即炮孔超深2 m)，從而保證炮孔間“裂紋區(qū)”盡量相互多重疊(見圖2)。

圖2 海底盾構(gòu)巖石炮孔布置
Fig.2 Blasthole layout of subsea shield rock

本工程炸藥單耗取5～9 kg/m3，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試爆情況做出調(diào)整[9]；藥柱選用高性能防水、抗壓水膠炸藥，直徑90 mm，長500 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)藥量和巖層厚度，將藥柱裝入預(yù)制的圓柱形塑料筒中，并在距離藥柱下部1/3位置處安放起爆體(若有2個(gè)起爆體，則分別安置在距藥柱1/3和1/4位置處)，每個(gè)起爆體裝填2發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管，套上炮繩，沿套管緩慢送入炮孔。

采用導(dǎo)爆管雷管起爆法，實(shí)行逐孔或逐排起爆網(wǎng)路的連接方式。炮孔內(nèi)雷管段別設(shè)置為MS1～MS10段，段間間隔時(shí)間控制為25～100 ms(見圖3)。

注：數(shù)字為雷管段別，也是起爆順序。
圖3 逐孔或逐排起爆網(wǎng)路
Fig.3 Initiating circuit of hole-by-hole or row-by-row

4 爆破監(jiān)測(cè)

采用TC-4850型測(cè)振儀配合CYG1401F水壓傳感器，對(duì)爆源附近水體進(jìn)行沖擊波壓力監(jiān)測(cè)，這是判斷盾構(gòu)巖石爆破對(duì)中華白海豚影響的直接手段[10]?，F(xiàn)場(chǎng)爆破施工產(chǎn)生的沖擊波共安排10次海上監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)將水壓傳感器置于水深(H)5、10 m處，與爆源最近水平距離(L)50～200 m范圍內(nèi)(見圖4)。

圖4 水下爆破監(jiān)測(cè)設(shè)置
Fig.4 Monitoring layout for underwater blasting

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在此類海域爆破施工時(shí)，安全超壓控制值取200 kPa。通過水中沖擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析(見圖5)得出，水中沖擊波峰值壓力與爆源中心水平距離200 m范圍內(nèi)，隨著距爆源距離增大，呈現(xiàn)衰減的規(guī)律。水深越大，其沖擊波峰值總體越大，最大值達(dá)到91.2 kPa(見圖6)，均小于控制值，說明爆破有害效應(yīng)安全、可控。

圖5 水中沖擊波壓力(L=50 m,H=10 m)
Fig.5 Shock wave pressure in water

圖6 水中沖擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果
Fig.6 Monitoring results of shock wave pressure in water

對(duì)爆后區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯檢測(cè)，巖石的粒徑比較破碎，基本控制在30 cm以內(nèi)(見圖7)，較好滿足盾構(gòu)通過的要求。

圖7 爆后取芯檢測(cè)
Fig.7 Coring test after blasting

5 結(jié)語

1)初步掌握了爆后水下沖擊波在該水域的影響范圍及衰減規(guī)律，即在200 m范圍內(nèi)，沖擊波壓力峰值隨著距爆源水平距離的增大而呈現(xiàn)逐步衰減的規(guī)律，水深是影響壓力強(qiáng)度的重要因素，爆后水下沖擊波危害總體安全可控，可將200 m作為深孔控制爆破下保護(hù)中華白海豚的安全警戒距離。

2)鉆孔取芯檢測(cè)，隧道上方覆蓋層擾動(dòng)破壞較小，盾構(gòu)巖石比較破碎，巖石粒徑能夠控制在30 cm以內(nèi)，符合盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)的要求，大大降低了盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。

3)經(jīng)水下深孔爆破控制預(yù)處理后，盾構(gòu)每天掘進(jìn)4～5環(huán)，較盾構(gòu)機(jī)直接破除或排除相比，提高了4環(huán)，并且盾構(gòu)掘進(jìn)中降低了開倉檢查刀具的頻次，節(jié)約成本約220萬元人民幣，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。