馮曉燕，張文新，鄒 翀

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計研究院，廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)已成為隧道、地鐵、城市管線以及越江、跨海等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種主要施工方法。隨著盾構(gòu)直徑不斷增大，盾構(gòu)施工已經(jīng)不局限于單一的軟土地層或硬巖地層，而是需要穿越多種地層，隨之使得盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中遇到的問題也大幅增加，尤其是孤石和基巖凸起是盾構(gòu)區(qū)間施工的巨大障礙。因此，在復(fù)雜混合軟硬不均地層中大直徑盾構(gòu)施工成為盾構(gòu)隧道施工研究的熱點問題。

由文獻(xiàn)[1-6]可知，孤石處在軟弱土層中時，對刀具損壞大，造成頻繁換刀，并需人工清除孤石，增加了項目成本和施工風(fēng)險，并導(dǎo)致工期不可控。文獻(xiàn)[7]采用地表鉆孔地下爆破的方法對基巖進(jìn)行處理，并針對不同的巖層厚度選擇不同的炮孔間距及裝藥量。文獻(xiàn)[8]針對復(fù)合地層中的基巖侵入體，采用地面鉆孔裝藥施爆的控制鉆爆法，控制了巖石的破碎塊度。文獻(xiàn)[9]結(jié)合廈門過海地鐵盾構(gòu)隧道施工實例，對幾種艙內(nèi)孤石處理方法進(jìn)行了對比，總結(jié)了大塊孤石處理的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了在粗粒徑、高水壓的砂卵石地層采用泥水盾構(gòu)法施工的經(jīng)驗，為提高國內(nèi)生產(chǎn)盾構(gòu)在砂卵石地層的掘進(jìn)水平提供實踐經(jīng)驗。文獻(xiàn)[11]運用 SPSS 統(tǒng)計軟件，對比分析了盾構(gòu)掘進(jìn)效率對各個參數(shù)變化的敏感程度，確定了影響盾構(gòu)施工效率的關(guān)鍵因素，并對掘進(jìn)參數(shù)的控制提出了合理建議。文獻(xiàn)[12]研究了泥質(zhì)粉砂巖地層條件下掘進(jìn)參數(shù)沿區(qū)間縱向的變化規(guī)律以及合理控制范圍，推導(dǎo)出了相應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)速度及刀盤扭矩的回歸數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[13]分析了全回旋轉(zhuǎn)機、旋挖鉆機、沖擊鉆孔機以及爆破法處理孤石的適用條件，分析了處理段對應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[14]研究得出，泥水盾構(gòu)在爆破前后的基巖地層中的掘進(jìn)速度、刀盤扭矩與推力沒有明顯的相關(guān)性，地層處理后扭矩功能充分發(fā)揮和扭矩比能明顯減小，提高了切割效率。

臺山核電站取水隧洞穿越包含孤石群和基巖段的海域上軟下硬復(fù)雜地層。本文依托該取水隧洞，通過采用水域地震反射波物探與鉆探相結(jié)合的方法確定孤石和基巖的分布規(guī)律，預(yù)先對孤石群和基巖進(jìn)行爆破處理后再進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，分析了孤石和基巖爆破前后盾構(gòu)掘進(jìn)施工中的掘進(jìn)速度、掘進(jìn)時間和掘進(jìn)推力等參數(shù)的變化，并驗證了爆破處理效果，以期為后續(xù)大直徑盾構(gòu)施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

臺山核電站位于臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村的腰古咀，廠址距臺城44.5 km，東面為黃茅海，其余三面環(huán)山，東南約5 km處為大襟島。核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，為雙洞取水方式，隧洞全長4 330.6 m，洞身開挖直徑為9.03 m，埋深11～29 m，取水隧洞中線間距為29.2 m，隧洞兩端各有1座陸域側(cè)工作井及大襟島側(cè)工作井，主要采用大斷面泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工。臺山核電站取水隧洞位置如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)與盾構(gòu)情況

工程區(qū)出露的巖性為第四系松散堆積物、燕山期花崗巖侵入體及泥盆系老虎頭組粉砂巖、泥巖、變質(zhì)砂巖及角巖。隧洞盾構(gòu)段施工穿越地層為黏土、砂巖、強風(fēng)化花崗巖，隧洞盾構(gòu)段通過的黏土層較長，黏土與粉質(zhì)黏土所占比例超過 60%，低于75 μm的顆粒占總地層的 50%，花崗巖所占比例為5%，砂巖所占比例為35%。隧洞穿過地層主要為全巖石段、半巖半土段、全黏土段和半砂半土段地層。

盾構(gòu)隧洞采用1臺直徑9 030 mm的泥水平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤采用面板加輻條(復(fù)合)式刀盤結(jié)構(gòu)，開口率為34%。為了抵抗和減少刀具磨損，在刀具高差上配置了先行刀和二次刀，以保護(hù)主切削刀。施工中采用了泥漿添加劑，用以改善土渣的流塑性。在上軟下硬地層條件下，刀具磨損系數(shù)k與巖石強度σ間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：k=2×10-5σ2+0.005 5σ-0.056 3。隧洞內(nèi)徑為7.3 m，外徑為8.7 m，采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.3 基巖、孤石的發(fā)育特點

工程區(qū)域存在花崗巖區(qū)坡殘積層段、花崗巖區(qū)海積層段、角巖及砂巖坡殘積層段、角巖及砂巖海積層段4個類型區(qū)段?；鶐r和孤石存在以下特點：花崗巖區(qū)比角巖、砂巖區(qū)發(fā)育；坡殘積和全—強風(fēng)化層較海積層發(fā)育；靠近陸端和島端較隧洞中段發(fā)育。

1.4 基巖、孤石的分布

結(jié)合水域地震反射波物探和物探異常驗證鉆孔分析可知：1#、2#取水隧洞在花崗巖段的洞身范圍內(nèi)存在花崗巖風(fēng)化殘留體和就近搬運及滾落的孤石，主要分布在核電站岸邊300 m范圍內(nèi)；1#隧洞有3處風(fēng)化殘留體(其中1處為基巖突起，2處為孤石群)，基巖突起段總長為119 m，孤石群段77 m；2#隧洞有4處風(fēng)化殘留體(2處為基巖突起，2處為孤石群)，基巖突起段總長為126 m，孤石群段為30 m。對洞身內(nèi)基巖進(jìn)行單軸抗壓強度試驗，巖石的單軸抗壓強度均在120 MPa以上，最高達(dá)222 MPa。其余地段中風(fēng)化花崗巖在隧洞設(shè)計洞底以下，粉砂巖段可排除孤石(群)存在的可能性。

水域地震反射波物探法存在反演解釋的多解性和不確定性，特別是針對要求較高、難度較大的地質(zhì)問題，在本工程中確定的異常地段經(jīng)地質(zhì)鉆孔驗證可知準(zhǔn)確率不超過40%，測試結(jié)果作為參考；而地質(zhì)鉆孔方法更準(zhǔn)確，能真實反映地質(zhì)情況，但在水域段施工難度較大。

2 孤石與基巖處理施工

由于孤石與基巖處在隧洞開挖范圍內(nèi)，孤石和基巖的強度大，增加了盾構(gòu)掘進(jìn)的難度，刀盤和刀具損壞的概率較大，因此，預(yù)先采取爆破處理。被爆巖石在覆蓋層表面15 m以下，即被爆巖石上面有厚15 m以上的覆蓋層，由于爆破無自由面，因此采用沖孔和爆破相結(jié)合的施工方法。由于1#、2#海底取水隧洞始發(fā)段處于海域段，為了加快施工進(jìn)度，需要在海面進(jìn)行石塊回填，將淺海域填為平地，回填寬度為21 m，長度為119 m。

2.1 鉆孔

根據(jù)鉆孔工藝可以分為陸地爆破鉆孔、海上爆破鉆孔和陸地鑿巖鉆機沖孔。

2.1.1 陸地爆破鉆孔

先采用潛孔跟管鉆機引孔，潛孔鉆機在回填層中預(yù)先引孔和下套管，然后地質(zhì)鉆機在跟管鉆機套管內(nèi)下套管至基巖頂面，再鉆至設(shè)計標(biāo)高，施工工序如圖2所示。

2.1.2 海上爆破鉆孔

鉆孔船到達(dá)施工區(qū)域后，船舶定位至對正孔位。鉆孔時，采用套管作業(yè)，導(dǎo)向管直徑為139 mm，導(dǎo)向管長度要考慮潮差高度，使井口鋼套管在最高潮位時不至于離開導(dǎo)向管下端，視水面情況而定。施工船舶水上作業(yè)與鉆孔雙套管示意如圖3所示。

(a) 工序1：回填層內(nèi)下套管 (b) 工序2：地質(zhì)鉆機下套管 (c) 工序3：地質(zhì)鉆機鉆進(jìn)

(d) 工序4：下PVC管 (e) 工序5：取出雙重套管

圖2陸地爆破鉆孔施工工序
Fig.2 Construction process of land blasting drilling

(a) 施工船舶水上作業(yè)

(b) 鉆孔雙套管示意圖

圖3施工船舶水上作業(yè)與鉆孔雙套管示意圖
Fig.3 Ship working on water and sketch of drilling double casing

2.1.3 陸地鑿巖鉆機沖孔

對于高度超過隧洞頂板且延伸距離較長的基巖突起，爆破沒有臨空面，難以達(dá)到理想的破碎效果。因此，必須另外再創(chuàng)造臨空面，使炸藥能量得到完全釋放。采用鑿巖鉆機沖孔創(chuàng)造臨空面，沖孔直徑為30 cm，間距×排距為180 cm×120 cm，梅花形布置，孔底超出隧洞底部50 cm。爆破鉆孔布置在沖孔之間，具體布置與現(xiàn)場施工如圖4所示。

(a) 沖孔布置示意圖

(b) 沖孔現(xiàn)場施工圖

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用

為了達(dá)到最佳的爆破效果、保證盾構(gòu)順利推進(jìn)，爆破后碎塊單邊長度應(yīng)小于30 cm，并應(yīng)根據(jù)試驗段的爆破效果逐步調(diào)整鉆孔間距、深度以及裝藥量等參數(shù)。

2.2.1 鉆孔參數(shù)

1)鉆孔直徑：89 mm。

2)鉆孔形式：為了便于施工和準(zhǔn)確控制鉆孔方向，采用垂直鉆孔形式。

3)火工器材選型：孔內(nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，起爆雷管選用順發(fā)電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)直徑為60 mm，現(xiàn)場加工。

4)裝藥及起爆：炮孔深度較大，起爆藥包采用軟鋼絲懸吊于爆破點的位置，且一端固定于孔口位置，標(biāo)高誤差控制在10 cm內(nèi)；藥包裝在防水性能較好的特制的PVC管體內(nèi)，起爆體下方需要懸掛一個抗浮金屬吊裝體，炮孔采用正向裝藥起爆。

5)單耗計算：依據(jù)瑞典的設(shè)計方法[15]，單位體積耗藥量為2.4 kg/m3。

2.2.2 布孔形式與裝藥結(jié)構(gòu)

2.2.2.1 孤石爆破

當(dāng)單孔單體爆破時裝藥長度與巖石厚度相同。當(dāng)多孔單體爆破時，相鄰2個炮孔，其中1個炮孔鉆至孤石底面(即鉆穿)，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10 cm不裝藥；其鄰孔孔底距離孤石底面10 cm，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10 cm不裝藥。為了提高破碎效果，先爆破前排孔，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進(jìn)行逐個起爆。炮孔間排距均為0.8～1.2 m。每塊孤石均鉆穿并確定出孤石的邊界，孤石厚度小于2 m的連續(xù)裝藥，大于2 m的間隔裝藥。孤石爆破布孔示意圖如圖5所示。

(a) 孤石爆破布孔平面布置圖

(b) 孤石厚度小于2 m的爆破布孔示意圖

a、b分別為孔距和排距，a=b=0.8～1.2 m。

圖5孤石爆破布孔示意圖
Fig.5 Layout of blasting holes of boulder

2.2.2.2 基巖爆破

由于基巖埋深深度為10～22 m，基巖厚度達(dá)到9 m，導(dǎo)致爆破破碎難度較大。為了便于施工、保證爆破破碎效果，首先對前排孔進(jìn)行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進(jìn)行逐個起爆。炮孔間排距均為0.8～1.5 m，鉆孔超深1.0～2.0 m，裝藥深度比基巖厚度深0.8～1.5 m?；鶐r厚度小于3.0 m的連續(xù)裝藥，大于3.0 m的間隔裝藥?；鶐r爆破布孔示意圖如圖6所示。

2.2.3 單孔藥量計算

孤石爆破時，根據(jù)孤石體積的裝藥設(shè)計確定的爆破裝藥量如表1所示。

基巖爆破時，根據(jù)基巖臺階高度和鉆孔深度的裝藥設(shè)計確定的爆破裝藥量如表2所示。

(a) 基巖爆破布孔平面布置圖

(b) 基巖厚度大于3.0 m的爆破布孔示意圖

表1 不同孤石體積下的裝藥量參數(shù)Table 1 Charging quantities under different boulder volumes

表2 基巖爆破裝藥量參數(shù)Table 2 Charging parameters of bedrock blasting

2.2.4 炮孔堵塞

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，防止泥漿噴出和套管突起。地下爆破不會有飛石產(chǎn)生，只有在爆破后產(chǎn)生的高壓氣體會將炮孔內(nèi)的泥漿壓出孔外，為了防止涌出的泥漿飛濺，陸地側(cè)采取聯(lián)合防護(hù)體系，如圖7所示。

2.2.5 爆破網(wǎng)絡(luò)鏈接

炮孔采用正向裝藥起爆，起爆選用電與非電2種方式聯(lián)合起爆，采用2發(fā)瞬發(fā)電雷管，且分別屬于2個電爆網(wǎng)路，2套網(wǎng)路并聯(lián)后起爆。爆破網(wǎng)路示意圖如圖8所示。

圖7 爆破防護(hù)示意圖Fig.7 Sketch of blasting protection

圖8 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.8 Sketch of blasting network

2.2.6 安全防護(hù)

爆破警戒信號包括視覺信號(標(biāo)志旗等)和聽覺信號(警報聲與哨聲)。設(shè)置以爆點為中心，水下爆破半徑150 m、陸上爆破半徑300 m的警戒圈，在爆破警戒圈邊界設(shè)置標(biāo)志，并分別設(shè)立陸上和水上警戒哨崗，確保所有人員和船舶的安全。

2.3 爆破段地層壓密注漿加固

爆破振動和密集的鉆孔造成了原始地層的頻繁擾動，地層漏氣、漏漿對掌子面的穩(wěn)定非常不利，尤其是需要帶壓進(jìn)艙更換刀具時，漏氣將是最大的安全隱患。因此，需對爆破后的地層進(jìn)行注漿填充加固。注漿加固采用袖閥管注漿工藝，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿。施工中采取鉆一孔注一孔的注漿原則，防止串漿的發(fā)生。注漿方式采用后退式分段注漿，采取三序孔間隔跳孔鉆孔和注漿，將注漿段分成若干區(qū)域進(jìn)行，注漿段間距控制在6 m左右，實現(xiàn)平行作業(yè)，加快施工進(jìn)度。

3 孤石與基巖爆破處理對掘進(jìn)參數(shù)的影響分析

爆破處理的效果直接影響著盾構(gòu)掘進(jìn)是否能順利進(jìn)行，盾構(gòu)的掘進(jìn)時間、掘進(jìn)速度和掘進(jìn)推力是最能準(zhǔn)確反映掘進(jìn)效果的參數(shù)。通過基巖突起段和孤石段2種不同性質(zhì)地層的3項掘進(jìn)參數(shù)反映爆破處理效果。由于基巖突起段和孤石段爆破后的石塊部分掉入泥水艙內(nèi)，會造成泥漿環(huán)流循環(huán)不暢問題，需人工帶壓進(jìn)艙打撈石塊，耗時較長。因此，需結(jié)合基巖突起段和孤石段爆破后的地層差異以有效掘進(jìn)時間為基礎(chǔ)分別對比分析。

3.1 孤石段掘進(jìn)參數(shù)分析

由于K0+360～+406段(139～170環(huán))不含孤石，施工中不存在孤石爆破問題，且地質(zhì)情況與孤石段類似，將其作為對比基準(zhǔn)段，即正常掘進(jìn)段。以爆破后的孤石段K0+310～+360(106～138環(huán))與正常施工段的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對比，掘進(jìn)參數(shù)相近或沒有明顯差異，證明孤石爆破取得了良好的效果。

3.1.1 掘進(jìn)速度

正常掘進(jìn)段掘進(jìn)速度為13.8 mm/min，爆破后孤石段平均掘進(jìn)速度為12.4 mm/min，兩段掘進(jìn)速度相差0.6 mm/min，差別較小。孤石爆破段與正常掘進(jìn)段掘進(jìn)速度對比如圖9所示。

圖9 孤石爆破段與正常掘進(jìn)段掘進(jìn)速度對比Fig.9 Comparison of driving speed of boulder blasting section and that of normal driving section

3.1.2 掘進(jìn)時間

正常掘進(jìn)段平均每環(huán)掘進(jìn)時間為108 min，爆破后基巖突起段平均每環(huán)掘進(jìn)時間為121 min，兩段平均每環(huán)掘進(jìn)時間相差13 min，差別較小。孤石爆破段與正常掘進(jìn)段每環(huán)掘進(jìn)時間對比如圖10所示。

圖10 孤石爆破段與正常掘進(jìn)段每環(huán)掘進(jìn)時間對比Fig.10 Comparison of driving time of boulder blasting section and that of normal driving section

3.1.3 掘進(jìn)推力

正常掘進(jìn)段平均掘進(jìn)推力為18 035 kN，爆破后孤石段平均掘進(jìn)推力為18 739 kN，兩段平均每環(huán)掘進(jìn)推力相差704 kN，差別較小。孤石爆破段與正常掘進(jìn)段掘進(jìn)推力對比如圖11所示。

圖11 孤石爆破段與正常掘進(jìn)段掘進(jìn)推力對比Fig.11 Comparison of driving force of boulder blasting section and that of normal driving section

通過掘進(jìn)速度、掘進(jìn)時間和掘進(jìn)推力的對比，孤石段爆破后與正常段掘進(jìn)參數(shù)相差較小，基本達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2 基巖突起段掘進(jìn)參數(shù)分析

在K0+159～+183段(4～20環(huán))盾構(gòu)始發(fā)，為了對盾構(gòu)各系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗和進(jìn)行試掘進(jìn)，此基巖突起段未進(jìn)行爆破處理，直接掘進(jìn)。在K0+183～+227段(21～50環(huán))對基巖突起進(jìn)行了爆破處理。因此，對爆破段和未爆破段的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對比，以體現(xiàn)爆破處理的效果。

3.2.1 掘進(jìn)速度

基巖未爆破段掘進(jìn)速度為8.5 mm/min，爆破后基巖突起段平均掘進(jìn)速度為14.3 mm/min，爆破后掘進(jìn)速度提高了約68.2%?；鶐r突起爆破段與未爆破段掘進(jìn)速度對比如圖12所示。

圖12 基巖突起爆破段與未爆破段掘進(jìn)速度對比Fig.12 Comparison of driving speed of bedrock blasting section and that of no blasting section

3.2.2 掘進(jìn)時間

基巖未爆破段平均每環(huán)掘進(jìn)時間為359 min，爆破后基巖突起段平均每環(huán)掘進(jìn)時間為197 min，爆破后平均每環(huán)掘進(jìn)時間節(jié)省了約45.1%?；鶐r突起爆破段與未爆破段每環(huán)掘進(jìn)時間對比如圖13所示。

3.2.3 掘進(jìn)推力

基巖未爆破段平均掘進(jìn)推力為23 935 kN，爆破后基巖突起段平均掘進(jìn)推力為21 176 kN，爆破后平均掘進(jìn)推力降低了約11.5%。基巖突起爆破段與未爆破段掘進(jìn)推力對比如圖14所示。

圖13 基巖突起爆破段與未爆破段每環(huán)掘進(jìn)時間對比Fig.13 Comparison of driving time of bedrock blasting section and that of no blasting section

圖14 基巖突起爆破段與未爆破段掘進(jìn)推力對比Fig.14 Comparison of driving thrust of bedrock blasting section and that of no blasting section

基巖段爆破前后盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)有明顯的改善，說明爆破取得了明顯的效果。

4 結(jié)論與討論

1)針對探明的基巖突起和孤石群，采用鉆孔爆破的方法，將潛孔跟管鉆機與地質(zhì)鉆機配合成孔，雙重套管作業(yè)，可以有效解決塌孔和卡鉆的難題。

2)海域段地層采用水域地震反射波物探和地質(zhì)鉆孔相結(jié)合的方法，既可以提高物探反演解釋的準(zhǔn)確性，又可以減少海域段地質(zhì)鉆孔的數(shù)量和難度。

3)孤石群采用爆破處理后，在掘進(jìn)速度、每環(huán)掘進(jìn)時間、掘進(jìn)推力三方面，與正常掘進(jìn)段地層基本相同，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4)通過基巖段爆破前后的對比，盾構(gòu)掘進(jìn)速度提高了約68.2%，平均每環(huán)掘進(jìn)時間節(jié)省了約45.1%，爆破后平均掘進(jìn)推力降低了約11.5%，基巖段爆破效果明顯，對基巖段掘進(jìn)的參數(shù)影響較大，極大地縮短了施工工期。

5)因工程地質(zhì)、水文等影響因素的復(fù)雜性，泥水盾構(gòu)施工過程中各項參數(shù)的設(shè)定應(yīng)根據(jù)實際情況及時調(diào)整和優(yōu)化。

6)在海域復(fù)合地層隧洞施工中，孤石、基巖難以避免，在上軟下硬地層中一般采用爆破預(yù)處理+注漿加固后掘進(jìn)通過；而當(dāng)基巖突起高度超過隧洞頂板時，在掘進(jìn)方向軟硬結(jié)合處施工難度增加，此時采用基巖周邊軟土地層加固+直接掘進(jìn)通過的方式可能更為有利。