隧道盾構(gòu)區(qū)間含孤石的基巖凸起等不良地質(zhì)探測
——以濱?？炀€為例

朱志武

中國交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司

隧道盾構(gòu)區(qū)間含孤石的基巖凸起等不良地質(zhì)是目前城際鐵路工程隧道施工的難點之一。因孤石的分布具有離散型、區(qū)域性，后期處理難度大。一般大于0.5米的孤石需要采用人員破碎處理方法。在隧道掘進過程中如果遇到較大的孤石不僅會影響隧道掘進作業(yè)的開展，而且也對盾構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生一定損害，包括磨損刀盤刀具、降低刀盤強度、增加盾構(gòu)機負荷、破壞主軸承和主軸承密封等一系列影響。針對此現(xiàn)象，在城際鐵路工程隧道施工時遭遇含孤石的基巖凸起地層，會對范圍內(nèi)的孤石進行預(yù)處理，包括孤石勘探和孤石清除兩部分，常見的有爆破清除、密集鉆孔清除兩種方式，其中爆破清除效果較為徹底，但對環(huán)境影響較大；密集鉆孔對環(huán)境破壞較小，但施工成本較高。本研究根據(jù)濱?？炀€實際情況，將兩種方法有機結(jié)合，對隧道盾構(gòu)區(qū)間含孤石的基巖凸起等不良地質(zhì)進行探測[1]。

1 工程隧道盾構(gòu)區(qū)間孤石群分布情況

濱?？炀€（福州-長樂機場城際鐵路工程）線路總長約62.4 km。該工程孤石類型主要為中風(fēng)化花崗巖孤石，飽和抗壓強度介于 41.02～90.01 MPa，孤石堅硬，盾構(gòu)不易推進，且不排除孔與孔之間可能存在孤石的可能性。利用微動探測技術(shù)和等值反磁通瞬變電磁技術(shù)進行探測后發(fā)現(xiàn)，1號孤石段左線有10處基巖凸起區(qū)域，存在10處孤石，1處破碎帶；右線有3處基巖隆起區(qū)域，存在15處孤石。2號線孤石段左線共有3處基巖隆起區(qū)域，存在11處孤石，1處富水區(qū)；右線有1處基巖隆起區(qū)域，存在5處孤石。3號大禮堂孤石段左線有3處基巖凸起區(qū)域，存在8處孤石；右線有2處基巖凸起區(qū)域，存在2處孤石。3號胡蘆山北坡孤石段左線為基巖凸起區(qū)域，存在3處孤石；右線存在6處孤石。4號孤石段盾構(gòu)區(qū)間位于4中風(fēng)化花崗基巖面以上。5號孤石段左線有1處基巖隆起區(qū)域，存在9處孤石；右線有1處基巖隆起區(qū)域，有8處孤石。6號孤石段左線有1處基巖隆起區(qū)域，存在2處孤石；右線存在1處孤石。7號孤石段左線有1處基巖隆起區(qū)域，存在3處孤石；右線存有2處基巖隆起區(qū)域，存在2處孤石[2]。

2 探測方法的選擇

2.1 微動探測方法

2.1.1 微動探測原理

微動探測方法是一種通過提取天然場源微動信號波頻散信息，然后對該信息進行反演后獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)，通過分析地質(zhì)體和周圍介質(zhì)之間的波速，進而獲取工程地質(zhì)存在的問題。地面存在的微動主要由面波和體波組成，其中面積產(chǎn)生的微動能量高達70%以上，與體波不同的是，面波在不均勻介質(zhì)中進行傳播時會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，而體波不會發(fā)生該現(xiàn)象，因此微動探測以面波為主要對象。

2.1.2 微動探測步驟

首先利用微動探測儀器采集地面微動信號，然后利用空間自相關(guān)法提取地層頻散曲線，該曲線可以直觀的反映地層速度界面；其次采用反演方法對頻散曲線進行處理，獲取地層擬面波速度剖面圖；最后根據(jù)坡面圖分析施工現(xiàn)場現(xiàn)場存在的孤石。

2.2 等值反磁通瞬變電磁勘探法

2.2.1 瞬變電磁探測法原理

瞬變電磁法是一種利用不接地回線向地下發(fā)射一次場，然后通過感應(yīng)線圈探測地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次場變化情況，根據(jù)該變化尋找地質(zhì)體。該探測方法以相同的兩組線圈通以反向電流時產(chǎn)生等值反向磁通的電磁場時空分布規(guī)律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場，裝置如圖1所示。

圖1 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖

2.2.2 瞬變電磁勘探步驟

（1）天線與操作PC保持5 m以上距離，避免PC對數(shù)據(jù)的干擾；

（2）操作PC與儀器主機在水平通視狀態(tài)下，距離不能超過30 m；

（3）現(xiàn)場人和動物遠離天線，傳輸線纜不纏繞或繞圈[3]；

（4）發(fā)送頻率選擇：依據(jù)具體的探測深度和2020年南京地調(diào)中心的采集參數(shù)，本次工作發(fā)送頻率選擇25 Hz。

3 區(qū)間孤石預(yù)處理爆破設(shè)計

3.1 爆破方案

針對該工程地質(zhì)孤石情況，為保證隧道盾構(gòu)掘進作業(yè)有序開展，擬采用“深孔爆破法”對孤石進行預(yù)處理。首先在開展爆破作業(yè)前對爆破現(xiàn)場進行實地勘察，對爆破現(xiàn)場孤石進行分割、鉆孔，其次在地面上將炸藥安裝于指定位置，利用炸藥產(chǎn)生的能量將碎石進行解體、分割?？紤]到施工現(xiàn)場孤石的位置、深度和強度等，開展爆破作業(yè)時需要控制炸藥量、爆破振動和飛石等，確保爆破作業(yè)的安全性。

3.2 爆破

當(dāng)前應(yīng)用較多的爆破方案是從地面布孔對孤石進行深孔爆破，爆破平面范圍為隧道兩側(cè)各1 m，然后對爆破區(qū)進行注漿回填。孤石裝藥每塊孤石均鉆至無巖石為止，從而可確定出孤石的邊界，孤石爆破鉆孔間距為0.8×0.8 m，按梅花型或矩形布置，個別孔洞位置可微調(diào)。根據(jù)揭示孤石的鉆孔參數(shù)計算藥包的長度，對于隧道外且距離0.8 m以上、粒徑0.3 m以下的孤石不予爆破，厚度2.0 m以下的孤石采用連續(xù)裝藥，孤石爆破布孔示意圖如圖2所示；厚度在2.0 m以上的孤石采用間隔裝藥，孤石爆破布孔示意圖如圖3所示。

圖2 厚度2.0 m以下孤石爆破布孔示意圖

圖3 厚度2.0 m以上孤石爆破布孔示意圖

3.3 爆破參數(shù)

（1）炮孔間距：孔距80 cm，排距80 cm。

（2）孔深L：對于孤石，穿透孤石，根據(jù)每個孔鉆取巖心的長度確定裝藥長度，爆破巖石的全厚度進行裝藥。

（3）炸藥單耗計算

依據(jù)瑞典的設(shè)計方法，單位耗藥量計算如式①至式④：

①K=k1+k2+k3+k4

②k2=0.01 h2；

③k3=0.02 h3；

④k4=0.03 h。

公式①至公式④中，k1代表基本裝藥量，當(dāng)陸地爆破時，使用常規(guī)裝藥量即可，當(dāng)水下爆破時，需要使用雙倍裝藥量（本工程項目爆破位置含有地下水，所以是水下爆破）；k2代表爆區(qū)上方水壓增量，kg/m3；k3代表爆區(qū)上方覆蓋層增量，kg/m3；k4代表巖石膨脹增量，kg/m3；h2代表水深，m；h3代表覆蓋層（淤泥或土、砂）厚度，m；h梯段高度，m。

本工程h=3m、h2平均取15 m、h3=18 m、k1=1.7 kg/m3，代入式（1）后求解K=2.3 kg/m3。

4 含孤石的基巖凸起等不良地質(zhì)探測結(jié)果

本工程1號段孤石探測區(qū)域位于機場過夜停車場旁空港大到，左線位于硬化路面中間位置，右線位于北車道綠化帶中，本文主要利用微動探測技術(shù)和瞬變電磁探測技術(shù)對1號段孤石區(qū)域不良地質(zhì)進行探測。微動探測結(jié)果如圖5所示。

圖5 1號孤石段探測結(jié)果

從探測結(jié)果來看，微動視橫波速度剖面垂向上呈現(xiàn)由淺至深速度不斷增加的特征；瞬變電磁反演視電阻率剖面整體為三層結(jié)構(gòu)，即低阻、中阻和高阻。根據(jù)地質(zhì)巖性資料可以將地層劃分為填砂層、細砂層、全-強風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖[4]。

填砂層：1號孤石段左線填砂層地面海拔高度為0～7 m，平均厚度為2～3 m，其中最深位置在13 090點，該點可能為空港大道修建施工時的回填工程；右線地面海拔高度為6～9 m，平均厚度為2～3 m，該位置填砂層主要為空港大道修建過程中的回填物。從整體來看，1號孤石段左線和右線剖面厚度相對均勻。

粉細砂層：1號孤石段左線底面海拔高度為-12～6 m，平均厚度為9～18 m，該地層主要以粉砂和細砂為主，地層最薄位置厚度為2 m，位于70點，該位置屬于基巖凸起區(qū)域；后線底面海拔高度為-25～5 m，平均厚度為4～18 m，最薄位置厚度為3 m，位于80～120點左后，該位置屬于基巖凸起區(qū)域。

全-強風(fēng)化花崗巖層：左線底面海拔高度為-30～0 m，平均厚度為8～18 m，該地層含有大量的云母、石英顆粒和長石，大部分長石已經(jīng)被風(fēng)化為粘土礦物，巖石風(fēng)化劇烈；右線底面海拔高度為-30～2 m，平均厚度為5～7 m，從剖面厚度來看，左線和右線剖面厚度變化顯著。

中風(fēng)化花崗巖層：1號孤石段左線頂界面海拔高度為-27～5 m；右線頂界面海拔高度為-30～7 m，最高位置位于55 m處。左線和右線地層均為粗粒花結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，從地層厚度分布情況開看，左線和右線地層厚度均呈不均勻分布。

斷裂：1號孤石段左線坡面152～162m位置存在斷裂發(fā)育情況，兩盤落差為4m；右線剖面278～283m位置存在斷裂發(fā)育情況，兩盤落差為2m。左線和右線速度剖面均呈現(xiàn)斷崖式下降趨勢，瞬變電磁剖面存在低阻帶[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，濱?？炀€1號段孤石探測區(qū)域工程實例驗證，微動探測方法和等值反磁通瞬變電磁勘探法可以有效地探明隧道盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)孤石與基巖突起的分布位置、形狀、體積大小、風(fēng)化程度等參數(shù)，為后期孤石的清除方案提供充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，能夠確保盾構(gòu)掘進作業(yè)的有序性和安全性，提高城際鐵路工程施工的效率。