深孔松動爆破技術在盾構穿越長距離硬巖段工程中的應用

曾 亮，李 璐

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133; 2.深圳地鐵集團有限公司，深圳 518026)

0 引言

深圳地區地質條件復雜，地層起伏變化較大，盾構隧道在突起硬巖地段施工存在較大安全風險和施工難度。當盾構在硬巖段中直接掘進時，刀具磨損嚴重，換刀頻率增加，掘進速度緩慢，且硬巖段兩端常伴生有上軟下硬地層，若不進行處理，盾構掘進姿態控制困難，易使盾構向上偏移，并造成較大地表變形。

當盾構隧道穿越突起硬巖時，文獻［1］采用了對上部軟弱地層進行注漿加固的處理措施，通過減少土層和基巖的強度差異，來確保盾構機掘進時的姿態控制，但穿越較長硬巖段時，該處理措施的工程費用巨大且工期漫長。文獻［2］采用礦山法開挖+盾構空推的施工技術，避免了盾構在硬巖段掘進時的施工風險，但硬巖段采取鉆爆法開挖時，對隧道上方既有建(構)筑物所產生的施工干擾太大，且建(構)筑物的變形不易控制。文獻［3］采用了深孔松動爆破技術，通過對突起硬巖的預處理，為盾構掘進提前掃清了障礙，但在深圳地鐵二期工程實例中，硬巖處理長度未超過50 m。

本文結合突起硬巖的高度和強度，采用了不同間距的爆破布孔方式和先弱后強的起爆順序，將隧道掘進范圍內555 m的硬巖段處理成小于20 cm的碎塊，以確保盾構掘進時能快速、順利通過。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳地鐵11號線車公廟站—紅樹灣站區間全長約5.5 km。區間隧道在1號線竹子林車輛段西南角設中間風井，在白石路與海園二路交叉處設獨立盾構始發井。區間采用4臺內徑6 m的非標準盾構施工，由獨立盾構井始發，掘進至兩端車站后吊出。

1.2 工程地質和水文地質

1.2.1 工程地質

區間隧道地層分布從上到下主要為:素填土(①1)、淤泥層(②1)、礫質黏性土層(⑦1)、全風化粗粒花崗巖(W4)、砂土狀強風化粗?；◢弾r(W3)、中風化粗?；◢弾r(W2)和微風化粗?；◢弾r(W1)。隧道洞身主要位于微風化粗粒花崗巖中。

1.2.2 水文地質

區間地下水類型按賦存方式分為3種:第1種是賦存于第四系人工填土層中的上層滯水;第2種是孔隙承壓水，賦存于第四系含有機質砂層中，殘積礫(砂)質黏性土層中含少量孔隙承壓水;第3種為基巖裂隙水和構造裂隙水，主要賦存于強－中等風化巖帶和斷裂構造帶中，具弱承壓性。本場地砂層多呈夾層透鏡體狀，厚度變化較大，具中－強透水性。

地下水對混凝土結構具弱－中等腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性。

2 隧道穿越區硬巖分布情況

區間隧道在歡樂海岸地塊內側穿其一期既有物業后，下穿人工湖及二期在建別墅。根據地勘資料，在人工湖下方的區間隧道主要位于突起硬巖中。硬巖分布詳見圖1。

圖1 硬巖分布圖Fig.1 Distribution of hard rocks

對比深圳地鐵二期類似工程，該硬巖分布具有距離長和抗壓強度高的特點。

區間右線隧道結構頂板埋深約15 m，硬巖突起長約284 m，硬巖突起最高點高出隧道結構頂板約7 m，詳見圖2。

圖2 右線地質縱斷面圖Fig.2 Geological profile of right tunnel tube

區間左線隧道結構頂板埋深約15 m，硬巖突起長約271 m，硬巖突起最高點高出隧道結構頂板約6 m，詳見圖3。

圖3 左線地質縱斷面圖Fig.3 Geological profile of left tunnel tube

詳勘揭示該部位硬巖抗壓強度為60～150 MPa，其統計結果詳見表1。

表1 單軸極限抗壓試驗成果表Table 1 Uniaxial compressive strengthMPa

3 硬巖處理方案比選

歡樂海岸一期物業已于2011年11月開始營業，二期物業(西區別墅)樁基施工已經開始，計劃于2012年4月完成樁基施工，2012年10月開始營業。受其影響，不具備明挖處理條件。

故結合場地條件、地面環境和地質情況，主要選擇以下4種施工方案，就施工風險、工程難度、工期、造價和對在建別墅的影響進行了綜合比選。

方案1。采用深孔松動爆破技術對隧道開挖范圍內基巖進行預先爆破處理，然后盾構掘進。

方案2。在隧道正上方設施工豎井，正線隧道采用礦山法開挖，然后盾構空推。

方案3。在歡樂海岸地塊外(白石路南側)設施工豎井，打設施工橫通道，正線隧道礦山法開挖，然后盾構空推。

方案4。加強盾構硬巖破碎能力，盾構直接掘進。

經比選，出于以下考慮，最終選用方案1，即深孔松動爆破+盾構掘進的方法。

1)由于西區別墅是高端旅游地產項目，計劃于半年內完工。為盡量減少對其項目進度的影響，華僑城集團不同意在歡樂海岸地塊內設置施工豎井，并要求選用對既有建筑物沉降影響較小的盾構法進行施工。

2)若采用礦山法施工，則需要在歡樂地塊以外設置施工豎井和橫通道，不能滿足全線土建工期要求，且硬巖段爆破開挖引起的振動也將影響別墅的正常營業。

3)人工湖下方全部為上軟下硬地層，礦山法施工風險極大，且土建造價較高。

4)鑒于本區間采用內徑6 m的非標準盾構，需重新采購盾構的實際情況，承包商在設備采購時，可結合地質條件，定制硬巖破碎能力不低于150 MPa的新盾構。

5)結合類似工程經驗，對突起硬巖提前實施深孔松動爆破可減少刀具磨損量及開倉換刀次數。

4 爆破設計方案

4.1 硬巖爆破范圍確定原則

1)長度范圍。侵入隧道洞身范圍以內，抗壓強度超過70 MPa的硬巖。

2)寬度范圍。隧道輪廓線外放1 m。

3)深度范圍。軟硬分界面(中風化巖面)至隧道底板以下1 m。

4.2 填湖筑島

由于硬巖段主要位于人工湖下方，且人工湖深度僅3 m左右，故采用素填土在爆破范圍內鋪筑施工平臺，以方便施工操作，進而確保爆破質量和施工進度。

4.3 爆破布孔間距

采用50 cm×50 cm、60 cm×60 cm和80 cm×80 cm 3種不同間距進行布孔。當巖面位于隧道中心以下時，采用80 cm×80 cm間距;當巖面位于隧道中心以上而未超過隧道頂板時，采用60 cm×60 cm間距;當巖面位于隧道頂板以上時，采用50 cm×50 cm間距。不同間距布孔示意圖詳見圖4。

圖4 不同間距布孔示意圖Fig.4 Layout of blasting holes with different spacing

4.4 起爆順序

遵循“先弱后強”的原則，對突起硬巖實施分段處理。選擇巖面突起較低的部位作為起始點開始爆破，然后向巖面突起較高的部位推進。起爆順序詳見圖5。

圖5 起爆順序示意圖Fig.5 Blasting sequence

5 爆破施工方案

5.1 鉆孔

本工程突起硬巖主要位于地表以下16～23 m的位置，擬采取跟管鉆機及地質鉆機從地面進行垂直鉆孔。由于存在淤泥層及局部拋填塊石層，需采用跟管鉆機鉆孔穿越不良地層，地質鉆機在跟管鉆機的套管內繼續往下鉆孔。

鉆孔直徑為110 mm，根據硬巖的分布情況設置50 cm×50 cm、60 cm×60 cm和80 cm×80 cm 3種不同間距，成孔后將直徑為90 mm PVC管放入孔內做護壁，然后進行下一孔位的施工。

根據本工程硬巖分布情況，將整個計劃爆破區段切分為多個工作面同時進行鉆孔作業及爆破。為保證各組鉆機作業空間以及避免爆破時對相鄰工作面的鉆孔造成破裂、塌孔等不良破壞，將相鄰2個工作面之間的距離設置為≥15 m;各工作面起點選擇在基巖侵入隧道面較低的位置，為每次爆破創造有利的臨弱面。

5.2 火工器材選型及藥包設計

根據本工程特點，選用瞬發電雷管和導爆管雷管。炸藥選用防水乳化炸藥，為市面上常見的φ60 mm和φ32 mm 2種。

炮孔作業完成后，根據取出的巖芯情況加工藥包。首先準備好直徑為75 mm的PVC管，根據鉆孔隊提供的鉆孔參數和驗孔情況，提前計算好藥包長度，將炸藥和雷管裝入上述PVC管內的指定位置。采用耦合和不耦合2種形式的藥包筒，根據現場實際情況及裝藥量確定采用φ60 mm或φ32 mm的藥包筒。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。藥包筒PVC管的長度需根據藥包長度和配重長度來截取。藥包加工示意圖詳見圖6。

圖6 藥包加工示意圖Fig.6 Explosive charging

5.3 裝藥結構及起爆網路

藥包裝在特制的PVC管體內，該起爆體須具有較好的防水性能。炮孔采用正向裝藥起爆，起爆雷管選用2發瞬發電雷管，且分別屬于2個非電起爆網路，2套網路并聯后起爆。爆破網路詳見圖7。

5.4 硬巖爆破

由于硬巖突起埋深16～23 m，硬巖厚度0～9 m，硬巖分布總長555 m，對其爆破效果掌控難度較大。為了確保爆破破碎效果，首先對前排孔進行爆破，利用前排孔爆破時擠壓周圍土層所產生的自由面，再對后排孔進行逐個起爆。炮孔間距為 0.5，0.6，0.8 m，點陣式布置，鉆孔超深1.0 m，裝藥深度比基巖厚度深0.5～0.8 m。硬巖爆破詳見圖8。

5.5 裝藥量計算

5.5.1 單位裝藥量計算

依據瑞典的經驗設計方法，單位裝藥量

式中:q1為單位耗藥量，堅硬巖石的水下爆破單位炸藥消耗量經驗值，約為2.47 kg/m3;q2為爆區上方水壓所增單耗，q2=0.01H2，kg/m3(H2為水深);q3為爆區上方覆蓋層所增單耗，q3=0.02H3，kg/m3(H3為覆蓋層(淤泥或土、砂)厚度);q4為巖石膨脹所增單耗，q4=0.03H，kg/m3(其中H為梯段高度)。

本工程中 q1=2.47 kg/m3，H2=23 m，H3=21 m，H=9 m。代入式(1)，得:

q0=2.47+0.01 × 23+0.02 ×21+0.03 × 9=3.39 kg/m3。

爆破作業過程中參照上述數據試爆后，單位炸藥消耗量調整為4.0 kg/m3左右。

5.5.2 單孔裝藥量計算

單孔裝藥量

式中:Q為炮孔裝藥量，kg;q0為單位炸藥消耗量，與巖石物理性質有關;a，b分別為炮孔的間距、排距，m;H0為開挖巖層厚度，包括超深，m。將各取值代入式(2)，得:Q=4.0 ×0.6 ×0.6 ×4=5.8 kg。

5.6 爆破作業要點及爆破施工安全控制

5.6.1 爆破作業要點

布孔爆破時，必須從硬巖邊緣布孔起爆，以創造“臨弱面”，提高爆破效果。根據所需爆破巖石厚度，每次布孔1～2排，逐排鉆孔、爆破。

5.6.2 爆破施工安全控制

1)爆破安全距離計算。本工程爆區北面距離白石路約100 m，東北角距離白石路橋約125 m，東面距已建成的都市文化娛樂區北區約195 m，南面、西面200 m范圍內無建筑物，爆區環境較為理想。其重點保護對象是白石路跨人工湖的市政橋。為了保證周圍建筑物的安全及居民生活，根據國家《爆破安全規程》及深圳市的規定，最大允許安全震動速度按≤1 cm/s進行控制。

式中:v為保護對象所安全允許質點振速，cm/s;k為硬巖系數，堅硬巖石取50～150，可通過現場試驗確定;α為衰減系數，堅硬巖石爆破時取1.5～2.5，可通過現場試驗確定;m為藥量系數，一般取1/3或1/2;Q為最大單段裝藥量，kg;R為距建筑物的距離，m。

2)爆破震動與沉降監測。在施工過程中對爆破區域周邊重要建(構)筑物進行跟蹤監測，以便及時調整爆破參數，避免對周圍環境造成影響。爆破實施期間，對白石路跨人工湖的簡支梁公路橋、人工湖東面的建筑物進行振動頻率監測。實測橋梁振動頻率為0.47 cm/s，人工湖東面建筑物振動頻率為0.08 cm/s，滿足小于1 cm/s的要求。

3)孔口安全防護措施。地下深孔松動爆破不會有飛石產生，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。為確保安全，用粗砂將炮孔堵滿，為防止沖炮，孔口則采取沙包+鋼板的聯合防護體系。爆炮防護示意圖如圖9所示。

圖9 爆破防護示意圖Fig.9 Blasting protection

4)安全警戒與撤離區域及信號標志。為了保證爆破施工的安全，在爆破作業前在主要位置張貼爆破告示。在爆破施工作業時以爆破中心周圍110 m為警戒線進行安全警戒，統一爆破警戒信號和起爆信號，爆破前派專業安全人員進行清場工作，確保現場所有人員撤離至安全地帶，由各警戒點警戒人員發信號通知爆破班組長，警戒完畢。班組長下達準爆命令。爆破員要鳴哨示警2次，每次吹3次長音哨子，確認安全后方可起爆。

5)盲炮處理。每次爆破完成后，爆破工程師和爆破員必須進行盲炮檢查，如果發現存在盲炮，馬上分析造成盲炮的原因，并制定相應的盲炮處理方案。

6 爆破效果

為防止爆破效果不佳，引發盾構施工風險，在爆破完成以后對爆破區域進行抽芯檢測。檢測時，巖芯不能完整抽出或抽出的巖芯中碎石裂縫間距小于30 cm即認為滿足要求。抽芯結果如圖10所示。

從圖10可以看出，爆破后的巖塊單邊長度最大直徑為19 cm，滿足小于30 cm的要求。

7 松動爆破區域的處理

由于該爆破工程有實施范圍廣、鉆孔數量多(約13 200孔)、且硬巖分布主要位于人工湖下方、別墅建成后將不再具備采用地面處理措施的特點，故爆破孔能否封堵密實，將直接影響盾構能否保壓施工，進而影響隧道上方的別墅安全。參照類似工程經驗，選用水泥黏土漿對爆破孔進行逐個封堵，并根據壓水試驗數據求出爆破區域各地層的滲透系數，以檢驗封堵效果。若封堵效果不滿足要求，則需要采用袖閥管注漿方案對爆破后的松散地層進行注漿加固，以確保盾構保壓施工。

8 結論與建議

深孔松動爆破技術在深圳地鐵二期工程中開始摸索和應用，硬巖經過松動爆破處理以后，盾構均能安全通過，但處理的硬巖段長度均未超過50 m。本工程結合突起硬巖的高度和強度，對555 m的硬巖段采用了不同間距的布孔方式和先弱后強的起爆順序，目前已經完成140 m的硬巖段處理，爆破處理后的硬巖碎塊直徑均小于20 cm。為盾構順利穿越長距離硬巖段掃清了障礙，為加快盾構掘進速度創造了有利條件，同時降低了盾構在上軟下硬地段掘進的安全風險。該工程的順利實施，證明了深孔松動爆破技術是確保盾構在長距離硬巖段中順利掘進的重要輔助措施，為深孔松動爆破技術在地鐵工程中的應用積累了寶貴經驗。

盾構掘進過程中，需根據盾構出渣和刀具磨損情況，綜合判定刀具磨損程度較為經濟合理時的巖石碎塊直徑，進而驗證和優化深孔爆破布孔間距、單位耗藥量和單孔裝藥量等設計參數。

［1］ 劉建國.深圳地鐵軟硬不均復雜地層盾構施工對策［J］.現代隧道技術，2010，47(5):79 －83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in hard and soft mixed strata of Shenzhen subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47(5):79 －83.(in Chinese))

［2］ 劉建國.深圳地鐵盾構隧道施工技術與經驗［J］.隧道建設，2012，32(1):72 －87.(LIU Jianguo.Overview of shield tunneling in construction of Shenzhen Metro［J］.Tunnel Construction，2012，32(1):72 －87.(in Chinese))

［3］ 潘興良，任秋紅.無臨空面深孔爆破技術在地鐵施工中的應用［J］.建筑，2011(8):70－71.

［4］ 劉建國.深圳地鐵盾構隧道施工技術研究與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］ 汪旭光，于亞倫，劉殿中，等.爆破安全規程實施手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］ 劉殿中，楊仕春.工程爆破實用手冊［M］.2版.北京:冶金工業出版社，2003.