花崗巖地區(qū)盾構(gòu)隧道工程的孤石探測(cè)及綜合處理技術(shù)研究

葉越勝，林博文

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州510310；2.廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司，廣東 廣州510500）

花崗巖是一種深層侵入巖，在成巖過(guò)程中巖漿上升冷凝結(jié)晶形成巖體，在冷凝結(jié)晶過(guò)程中巖體體積收縮產(chǎn)生原生節(jié)理。由于節(jié)理相互交接的位置更易受到風(fēng)化作用，隨著時(shí)間的推移，棱角處逐漸被磨圓，巖體的圓度逐漸增加，形成球狀風(fēng)化，俗稱“孤石”[1]。由于孤石埋藏分布的隨機(jī)性強(qiáng)，大小從幾十公分到幾米，難以用常規(guī)的地質(zhì)鉆探形式探明場(chǎng)地內(nèi)分布位置，且部分孤石的強(qiáng)度可以達(dá)到100MPa以上[2]。

此類地質(zhì)現(xiàn)象在華南地區(qū)中非常常見(jiàn)，直接影響到盾構(gòu)隧道工程施工的安全、質(zhì)量、成本和工期。廣州市軌道交通六號(hào)線二期主要位于廣州東北部，全線穿越地層主要為花崗巖殘積土層和風(fēng)化層，孤石發(fā)育強(qiáng)烈。本文根據(jù)在廣州市軌道交通六號(hào)線二期的盾構(gòu)隧道的工程實(shí)踐，系統(tǒng)地研究了盾構(gòu)機(jī)穿越孤石的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并提出一套花崗巖地區(qū)孤石探測(cè)及預(yù)處理的綜合工程技術(shù)。

1 孤石探測(cè)

由于孤石的分布具有離散性大和空間賦存特征不規(guī)則的特性，其埋藏分布及大小是隨機(jī)的（原位和異位）[3]，在盾構(gòu)掘進(jìn)前必須進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)詳盡的孤石探測(cè)，查明隧道投影范圍內(nèi)孤石的分布、大小和強(qiáng)度。在盾構(gòu)隧道工程中，可行的孤石探測(cè)方法主要為新興的物探方法和傳統(tǒng)的勘探方法。

1.1 物探方法

可用于孤石探測(cè)的物探法有很多，且各有所長(zhǎng)，主要可分為重力探測(cè)、高密度電阻率法、瑞雷波法、地震波CT法等。城市軌道交通的盾構(gòu)隧道施工屬于城市施工，隧道線路上部多為居民區(qū)或城市道路，建筑物及車輛較多，環(huán)境嘈雜，且周圍大多存在高壓輸電線、各類通訊電纜光纖，電磁環(huán)境復(fù)雜。根據(jù)城市軌道交通的特點(diǎn)，廣州市軌道交通六號(hào)線二期某盾構(gòu)區(qū)間采用了多種電法探測(cè)進(jìn)行物探試驗(yàn)，但由于周圍電磁環(huán)境較復(fù)雜，臨近有輸電線和地下管道等，最終無(wú)法從探測(cè)圖像中識(shí)別出下方孤石。

1.2 勘探方法

在大范圍孤石探測(cè)中，運(yùn)用物探手段準(zhǔn)確率不高，反而需要較大的成本，對(duì)于工程建設(shè)本身是難以接受的。采用傳統(tǒng)的鉆探方法更為準(zhǔn)確、實(shí)際，但采集的主要是點(diǎn)位信息，無(wú)法利用鉆孔把工程區(qū)域內(nèi)的孤石全部探測(cè)出來(lái)。因此，綜合比較，以下根據(jù)鉆孔布置原則、方式和關(guān)鍵點(diǎn)，分析傳統(tǒng)勘探方法在孤石探測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)，以滿足盾構(gòu)隧道工程施工前期完全探出孤石群地段及大部分單體孤石的要求。

1.2.1 孤石鉆探孔布置原則

（1）全線布孔方式結(jié)合初勘和詳勘已有鉆孔，以及現(xiàn)場(chǎng)地狀地貌特征，選擇鉆探的重點(diǎn)區(qū)域，一般為臨近山丘的平面地段。

（2）鉆探孔采用逐級(jí)加密布孔，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)行位置和數(shù)量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，平衡鉆探的準(zhǔn)確性和成本。

（3）加密勘察中，以揭露孤石的初勘鉆孔為中心向前、向后各2倍初勘孔間距范圍，通過(guò)孤石加密勘察將相鄰鉆孔間距加密一倍。當(dāng)新增的加密鉆孔或物探驗(yàn)證孔揭露到孤石時(shí)，繼續(xù)以新揭露孤石的加密鉆孔或物探驗(yàn)證孔為中心，向未加密側(cè)外擴(kuò)2倍初勘鉆孔間距范圍，并依此類推。

1.2.2 孤石鉆探孔布置方式

在孤石重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域，鉆探孔沿隧道線型按三排錯(cuò)孔布置，一排布置在隧道中心線上，另兩排分別距隧道邊線1.5m布設(shè)，如圖1所示。

圖1 重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域布置方式

1.2.3 孤石鉆探應(yīng)用實(shí)例及效果

廣州市軌道交通六號(hào)線二期的某隧道區(qū)間，在初勘和詳勘階段的部分鉆孔揭露了孤石。建設(shè)各方結(jié)合傳統(tǒng)勘探方法，總結(jié)出以上孤石鉆探孔的布置方案，并在補(bǔ)勘中完全探出孤石群地段及大部分單體孤石，為后續(xù)的孤石預(yù)處理提供了依據(jù)和方向。

2 孤石地面預(yù)處理方法

孤石的處理方法應(yīng)根據(jù)鉆孔探測(cè)揭露隧道沿線孤石、基巖的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境因素確定。孤石的處理第一選擇為地面預(yù)處理，實(shí)際的盾構(gòu)隧道工程施工中，孤石的地面預(yù)處理主要可分為深孔爆破處理和旋挖鉆處理，現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，分析孤石地面預(yù)處理方法的使用范圍和具體實(shí)施效果。

2.1 深孔爆破處理

2.1.1 爆破實(shí)施步驟

地下深孔爆破采用地下隱蔽巖體爆破技術(shù)進(jìn)行，其主要是利用封閉巖體與周邊圍巖介質(zhì)的差異，分期爆破，第一期爆破形成空腔，為第二期爆破提供自由面，經(jīng)多孔多段微差擠壓爆破，最終破碎巖體[4]。對(duì)地質(zhì)勘探中已探明的孤石，采用地面深孔爆破可使其成為單邊長(zhǎng)度小于30cm的碎塊，破碎后的巖石能順利進(jìn)入土倉(cāng)。具體實(shí)施可分為以下幾個(gè)步驟：布孔、裝藥、孤石爆破、爆破后注漿回填壓密。孤石群進(jìn)行預(yù)爆破處理后，爆破孔周邊土體會(huì)遭受擾動(dòng)，局部會(huì)出現(xiàn)空洞。因此，爆破施工完成后應(yīng)及時(shí)利用爆破孔對(duì)所有孤石周邊土體進(jìn)行回填壓密注漿。

2.1.2 實(shí)施效果

廣州地鐵六號(hào)線二期某車站端頭段隧道存在孤石群，為保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)，采用深孔爆破進(jìn)行預(yù)處理，處理效果如圖2所示。孤石地面的預(yù)處理，降低了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)孤石的推力、扭矩等各項(xiàng)參數(shù)，使盾構(gòu)機(jī)設(shè)備在推進(jìn)中更加安全，降低了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的刀具損耗量，減少了掘進(jìn)巖石過(guò)程中進(jìn)倉(cāng)作業(yè)次數(shù)，提高了施工的安全性。

圖2 爆破處理前后鉆探情況

2.2 旋挖鉆處理

2.2.1 旋挖鉆實(shí)施步驟

當(dāng)孤石群較多，場(chǎng)地及周圍環(huán)境允許大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)，采用旋挖鉆處理技術(shù)處理孤石的效果較好，具有環(huán)境影響小、進(jìn)尺速度快的優(yōu)點(diǎn)，宜用于對(duì)震動(dòng)敏感的場(chǎng)地。具體實(shí)施可分為4個(gè)步驟：

（1）鉆機(jī)定位，首先把逐級(jí)安裝在樁芯位置。把套管插入本體內(nèi)，在起重機(jī)吊著套管的狀態(tài)下，使套管垂直并用加緊機(jī)構(gòu)抱住。

（2）清理上層土體，反復(fù)旋轉(zhuǎn)套管，用沖抓斗對(duì)套管內(nèi)進(jìn)行挖掘。

（3）孤石砸碎及清理，遇到孤石時(shí)，用安裝在套管前端的鉆頭一邊回旋切削，一邊用落錘砸碎，然后用沖抓斗抓出。

（4）回填C15砼，在清理完畢該孔內(nèi)孤石后，立即對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行灌注C15混凝土，并分步拔起套管，直至灌注完成。

2.2.2 實(shí)施效果

廣州地鐵六號(hào)線二期某出入口段隧道風(fēng)亭原定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，但詳勘階段發(fā)現(xiàn)該位置有大量孤石。由于周邊有民房較多，且離軍用管線較近，對(duì)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)較為敏感，最終選擇用旋挖鉆進(jìn)行孤石處理，并將圍護(hù)結(jié)構(gòu)改為鉆孔灌注樁。

在鉆孔灌注樁的施工過(guò)程中，旋挖鉆處理可達(dá)到一舉兩得的功效，鉆機(jī)取出的孤石如圖3所示。但對(duì)于施工連續(xù)墻，還需采用方錘將圓孔修成方孔，會(huì)增加不必要的處理時(shí)間。此外，旋挖鉆處理孤石時(shí)的垂直度全靠鉆桿自身的剛度維持，而鉆桿本身的剛度隨著伸出的長(zhǎng)度和節(jié)數(shù)而逐漸降低，因此孤石處理的深度存在限制，對(duì)于深度超過(guò)20m的孤石，不建議使用旋挖鉆處理。

圖3 旋挖鉆機(jī)取出的孤石

3 孤石洞內(nèi)靜態(tài)爆破處理方法

孤石地面預(yù)處理方法需要地面有一定的施工場(chǎng)地，當(dāng)?shù)孛嬗薪ǎ?gòu)）筑物或地下管線影響的，無(wú)法在地面采取措施處理的，勘探中未揭露而盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在于刀盤(pán)前面的孤石，則須考慮洞內(nèi)處理措施。采取人工爆破處理困難太大時(shí)，一般選取靜態(tài)爆破處理措施對(duì)“孤石”進(jìn)行分裂。靜態(tài)爆破施工主要分為兩種形式：

（1）靜態(tài)爆破劑實(shí)施靜態(tài)爆破。以特定比例混合的靜態(tài)破碎劑，加水調(diào)成溶液并灌入鉆孔中，水化反應(yīng)后會(huì)出現(xiàn)膨脹，加大巖石的局部應(yīng)力，使孤石脹裂、破碎。

（2）硬巖劈裂機(jī)實(shí)施靜態(tài)爆破。利用普通風(fēng)槍鉆孔，成孔內(nèi)插入劈裂機(jī)的楔形塊組件——劈裂槍，啟動(dòng)液壓泵站，液壓泵站工作產(chǎn)生高壓，驅(qū)動(dòng)劈裂機(jī)楔形塊組的中間楔塊向前運(yùn)動(dòng)，將反向楔塊兩邊撐開(kāi)，產(chǎn)生巨大分裂力，此分裂力由巖石內(nèi)部向外，破壞巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，巖石在此分裂力作用下，將巖體分裂開(kāi)來(lái)。

廣州地鐵六號(hào)線二期某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)存在兩塊較完整孤石，根據(jù)孤石探測(cè)顯示孤石輪廓與開(kāi)挖輪廓基本重合，孤石周邊土體加固漿脈清晰，無(wú)水流，地層自穩(wěn)性較好。開(kāi)挖時(shí)采用以左線土體前突以增加臨空面，采用劈裂機(jī)先兩邊后中間，周邊開(kāi)挖完成立拱后再劈裂中部的原則開(kāi)挖，通過(guò)加密鉆孔劈裂的方式有效確保了開(kāi)挖安全及效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

花崗巖地區(qū)的孤石探測(cè)及預(yù)處理是盾構(gòu)在孤石地層的掘進(jìn)施工的重大難題，關(guān)系到施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全和成本等關(guān)鍵問(wèn)題。在本項(xiàng)技術(shù)研究中，結(jié)合了廣州軌道交通六號(hào)線二期工程的建設(shè)全過(guò)程，綜合分析了可用于盾構(gòu)隧道工程的孤石探測(cè)方法，對(duì)物探方法和勘探方法進(jìn)行原理和應(yīng)用效果比對(duì)，并認(rèn)為實(shí)際工程中，孤石探測(cè)形式應(yīng)主要考慮結(jié)合沿線地狀地貌和地質(zhì)分層制定的勘探方案并采用逐級(jí)加密的鉆孔方法。對(duì)孤石處理的方法，應(yīng)首要考慮地面預(yù)處理，且在場(chǎng)地滿足要求時(shí)采用更為經(jīng)濟(jì)的深孔爆破處理，或是更直接的旋挖鉆處理。只有在外界條件較嚴(yán)苛，或情況比較特殊時(shí)，才選擇洞內(nèi)靜態(tài)爆破和火工爆破的方式進(jìn)行孤石處理。