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

【關鍵詞】隧道工程;地鐵;盾構;孤石;探測;爆破技術

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，經常會遇到球狀風化體，也就是孤石，屬于巖體風化過程中所特有的地質現(xiàn)象。在采用盾構法進行隧道掘進施工作業(yè)的項目中，由于孤石的形狀以及強度不一，盾構機難以將孤石破碎，施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有： 刀具磨損嚴重、刀座變形、更換困難;刀盤磨耗導致刀盤強度和剛度降低，刀盤變形;刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞、盾構負載加大;被刀盤推向隧道側面的大漂石甚至導致盾構轉向，偏離隧道軸線等;同時影響隧道工程施工安全性以及施工進度。因此，必須針對隧道盾構施工中的孤石進行探測，同時采取合理的措施對孤石進行破碎處理，以確保盾構施工作業(yè)的順利進行降低施工風險節(jié)約成本。

2、工程簡介

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

根據詳勘報告，本標段兩個盾構區(qū)間共布置鉆孔184個，其中中風井～中新東站區(qū)間156個，揭露孤石孔位共計5孔;中新東站～朱村站區(qū)間92個，揭露孤石孔位共計5孔。根據孤石補堪報告，本標段兩個盾構區(qū)間共揭露孤石43處，其中中風井～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，孤石所處地面復雜，存在建構筑物、各種管線、農田、林地等。處理過程中困難極大，包括管線改遷、房屋保護等措施。相對盾構遇到孤石產生的危害是極其小的。

3、盾構遇孤石的危害

由于孤石的影響，盾構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換刀的安全風險;

（2）刀盤損壞與刀盤變形將嚴重影響盾構機工作性能;

（3）刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞;

（4）盾構負載加大，千斤頂油壓與刀盤油壓明顯升高，機器發(fā)生故障的頻率增大;

（5）螺旋機出土口發(fā)生噴涌或卡螺旋機可能造成地面沉降過大;

（6）盾構遇到孤石時可能會造成地表或建（構）筑物隆起;

（7）盾構機在大型孤石中掘進時盾構姿態(tài)糾偏困難和管片拼裝質量較差;

（8）盾構機過大孤石或孤石群時，盾尾刷易被損壞，更換盾尾刷存在較大風險;

（9）掘進較大孤石或孤石群時，盾構機盾體可能被孤石“卡死”從而不能繼續(xù)掘進。

4、孤石的探測

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。鉆探時如發(fā)現(xiàn)隧道洞身范圍內存在“孤石”，則需進一步探測清楚“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“孤石”的形狀和大小時按以下步驟布孔，見圖4-1所示：

（1）垂直隧道線路方向：以探到孤石的點為中心點向外布置鉆孔，垂直隧道軸線方向鉆孔間距2m從中心點布置1號鉆孔，從1號鉆孔向左2m處布置1-2號鉆孔，如果1-2號鉆孔沒有探到孤石則在此孔向右1m處布置1-1號鉆孔;如果1-2號鉆孔探到孤石，則在此孔左側2m處布置1-4號鉆孔;如果1-4號鉆孔沒有探到孤石則在此孔右側1m處布置1-3號鉆孔;如果探到孤石鉆孔結束，因為1-4號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號探孔上方2m處布置3號鉆孔，如果3號鉆孔沒有探到孤石則向下1m處布置2號鉆孔;如果3號鉆孔探到孤石則向上2m處布置5號鉆孔，如果5號鉆孔沒有探到孤石，則向下1m處布置4號鉆孔;如果5號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）其他三個坐標內布置鉆孔方法同第四象限。

根據施工補勘孤石揭露，中間風井～中新東站區(qū)間孤石處理設計圖和中新東站～朱村站區(qū)間孤石處理設計圖，在兩個區(qū)間分別有28顆孤石和15顆孤石在盾構影響范圍以內。

5、地面預處理方案

5.1目標

為降低盾構施工風險，對已探明的孤石，從地面采用地質鉆機鉆垂直孔，裝藥爆破隧道洞身范圍內孤石，使破碎后孤石碎塊粒徑小于30cm，確保盾構機能順利排渣并順利完成孤石段掘進。

5.2爆破處理孤石流程

（1）在鉆探遇到孤石時，查明孤石的數量、產狀、大小、形狀;

（2）根據已探明得到的數據，合理計算并制定爆破參數;

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

（4）爆破完成后進行抽芯檢測，判斷“孤石”分裂程度是否達到破碎要求;

（5）待“孤石”處理達到預定要求后，使用水泥砂漿封堵爆破孔。

5.3爆破參數設計

（1）鉆孔直徑

采用地質鉆機鉆孔，孔徑90mm，PVC套管直徑75mm。

（2）鉆孔形式

為便于施工和精準控制鉆孔方向，通常采用垂直鉆孔形式，如有管線影響則采用斜向鉆孔（需對角度、爆破深度進行精準計算，以確保爆破位置準確性）。鉆孔過程中采用泥漿護壁。成孔后立即下放75mmPVC套管護孔，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

盾構孤石爆破選用φ60 mm的2#巖石乳化炸藥，孔內雷管選用雙發(fā)非電毫秒雷管，間隔裝藥時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，具體根據現(xiàn)場的需要加工。

（4）裝藥結構及起爆網絡

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爆破點位置，繩頂端固定于孔口位置，藥包標高控制誤差在100mm以內。藥包裝載特制的PVC管體內，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。炮孔內采用正向裝藥起爆，起爆選用非電爆破網路，采用激發(fā)針起爆，每個炮孔裝兩發(fā)雷管，且分別屬于兩個爆破網路，兩套網路并聯(lián)后起爆。網路示意圖如圖5-2所示

（5）單位耗藥量計算

依據瑞典的設計方法，單位耗藥量計算：

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（本項目孤石處于地下12m～23m范圍，存在地下水，故視為水下爆破）。對水下垂直鉆孔，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。

本項目中，h=4m（根據最大孤石粒徑），h2平均取18m（根據地下水位埋深），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據進行試爆，并針對具體情況調整爆破參數。

（6）布孔形式及裝藥結構

孤石的位置及大小已經探明，在探明孤石的范圍內以孤石鉆孔為基點，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。鉆孔過程中詳細記錄孤石的上巖面與下巖面標高，為爆破裝藥提供依據。

因孤石厚度不均，考慮補勘定位及藥包吊裝過程中產生的誤差（累計誤差不超過100mm）。因此孤石爆破時，當單孔單體爆破時裝藥長度與孤石厚度相同，多孔單體爆破時，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。

當孤石厚度小于孔排距（即0.8m）時采取連續(xù)裝藥結構，當孤石厚度大于孔排距時，采取分段裝藥結構，見圖5-5

（7）單塊孤石爆破藥量計算：

單塊孤石爆破總藥量計算：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員根據每一塊孤石的鉆孔情況現(xiàn)場確定并指導藥包制作。

表5-1 不同體積孤石總裝藥量參數表

盾構掘進時如遇到未探明的孤石，為了減少開倉次數，同時考慮保護盾構機刀盤，優(yōu)先考慮地面鉆孔爆破，但相關參數應進行相應調整（調小）。

（8）藥包加工

炮孔驗收合格后，對裝藥爆區(qū)范圍內設置警戒，開始加工藥包。首先要準備好下方炸藥的PVC管，根據鉆孔隊提供的鉆孔參數和驗孔情況，計算好單孔裝藥量和藥包長度，將炸藥和雷管裝入PVC管內指定的位置，PVC管兩端應進行密封處理（抗壓）。由于孔內有水及少量泥漿，為了順利裝藥，需對藥包適當配重。PVC管的長度需根據藥包長度和配重長度來截取。

L = L1 + L2

式中：L-所取PVC管長度;L1-藥包長度;L2-配重長度。

（9）抗浮配重

由于炸藥與孔內的泥漿水比重相近，導致藥包無法下沉或下沉后在浮力作用下而無法固定，所以需對藥包進行配重抗浮。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;孔內泥漿水密度約為1.15g/cm3。如果三者滿足下式關系，則藥包會順利下沉。

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。根據鉆孔隊提供的鉆孔參數和驗孔情況，確定裝藥底部深度N1，然后準確測量PVC管與繩索的長度之和N2，使N1= N2，將整個藥包懸吊到準確的位置上，誤差控制在 +10㎝之內。藥包就位后，用鐵絲把繩索固定在套管壁上，使其不再移動。

（11）炮孔防護

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

（12）爆破安全距離計算

根據國家《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速度為1cm/s，為了保證爆破震動不影響鄰近居民生活，按1cm/s以下進行裝藥設計施工，反算一次爆破允許的最大裝藥Qmax。本工程需要保護的建筑物距離最近的爆破點距離為約20米。

根據公式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)至被保護物距離，m;m-藥量指數，取m=1/3;k -與爆破場地條件有關系數，取k=160;α-與地質條件有關系數，α=1.9。

最大一段裝藥量列表如下：

結合上表計算結果，在施工中嚴格控制單段最大藥量，使其小于2.65Kg，同時，爆破作業(yè)時，做好爆破振動和地表位移監(jiān)測，以便及時反饋數據，進一步指導施工。

（13）起爆網絡

由于盾構區(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，因此起爆網絡采用孔內非電毫秒雷管分段，孔外分組簇聯(lián)，每個起爆體內的兩發(fā)非電雷管分別聯(lián)接到兩個并聯(lián)回路，確保網絡可靠性。見圖5-10和圖5-11

5.4 卸壓孔的布置

地面預爆破孤石處理深度大，難度系數高，為了達到理想的爆破效果以及防止爆破時因震動對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布置卸壓孔，以便釋放爆破時產生的壓力和沖擊。在每兩個炮眼之間布置一個卸壓孔，卸壓孔直徑為110mm，間距為800mm。盡量利用地質補勘的鉆孔（主要是發(fā)現(xiàn)孤石后查明孤石大小的鉆孔）作為泄壓孔，同時在孤石外側設置一圈空孔作為泄壓孔，減小對周邊的影響，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每批次爆破后對孤石破碎處理后的結果檢查，即要滿足孤石經破碎后塊度要求，不超過300mm。

在相鄰兩個爆破孔中間進行巖塊取樣，如發(fā)現(xiàn)多為超過300mm巖柱，應在相鄰兩孔間利用檢查鉆孔重新裝藥，對周邊孤石再次爆破處理，直至處理范圍塊石滿足設計要求，如圖5-13爆破前后孤石對比。

結語：

在地鐵隧道施工作業(yè)過程中，極易遇到孤石等不良地質條件，導致盾構施工作業(yè)無法順利的推進。因此，在地鐵隧道施工作業(yè)過程中，應該做好故事的探測分析，針對孤石的體積、風化程度等詳細參數，合理的確定破碎方案，孤石處理應本著當地面具有處理條件時，首先考慮地面處理，若不具備條件則采用洞內處理的原則。各種孤石處理方法具有各自的優(yōu)勢和劣勢，應根據孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境和施工風險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化體的方法，采取了很多針對性措施，在參建各方的共同努力下，最終客服了困難，保證了盾構區(qū)間施工順利進行。

參考文獻：

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

[2]謝狀.花崗巖球狀風化體地段地鐵盾構施工風險分析與控制[D].中南大學，2010.

作者簡介：

熊忠飛（1984—）男， 山西人，宏潤建設集團股份有限公司，二級建造師，工程師，從事市政工程施工;

張吉會（1984—）男， 江蘇人，宏潤建設集團股份有限公司，二級建造師，工程師，從事市政工程施工;

郝明亮（1980-）男，遼寧人，宏潤建設集團股份有限公司，一級建造師，高工，從事市政工程施工;

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