復合地層海底隧道盾構巖石控制爆破技術

沈順平，陳建洲，林育仁

(廈門爆破工程公司，福建 廈門 361012)

隨著國內地下空間逐步被開發利用，復合地層環境下采用盾構法掘進施工的項目日益增多，尤其是針對開挖斷面內局部存在“上軟下硬”的巖體[1-2]。我國東南沿海城市如廈門、廣州等，花崗巖地層分布較為廣泛，在地鐵盾構隧洞施工過程中，常遇到球狀風化狀孤石和基巖的復合地層侵入問題，若選擇直接盾構穿越或傳統的開倉處理方法，容易出現掘進效率低、刀盤磨損嚴重、盾構姿態偏移等問題。因此，此類復合地層環境下的盾構順利施工，成為地鐵建設推進的重大難題之一[3]。

筆者以廈門市地鐵3號線五緣灣站-劉五店站盾構區間跨海段爆破工程為背景，在分析水下盾構巖石破巖機理的基礎上，闡述了深孔控制爆破技術在水下應用的過程，并通過水下沖擊波壓力測試及鉆孔取芯驗證，說明該技術能較好地控制盾構巖石破碎效果和爆破有害效應。

1 工程背景

廈門市地鐵3號線五緣灣站-劉五店站盾構區間位于翔安區東海域(該海域為中華白海豚核心自然保護區)，采用泥水盾構法施工，盾構段右線長度1 419.93 m，左線長度1 415.22 m。其中，跨海段長度1 100 m，盾構隧道覆蓋層厚度為11.5～24.7 m，最深16 m，其地質分區屬Ⅴ區(濱海堆積區)，兩岸為潮間帶，海底地形總體上呈寬緩“U”型，為侵蝕堆積地貌，掘進過程中遇到“上軟下硬”不良地質段。為確保盾構施工安全，需對侵入盾構隧道斷面內的孤石及基巖提前進行爆破處理。

爆破施工前對海域段盾構區間地層通過淺層地震反射波(CDR)疊加覆蓋技術進行詳勘[4](見圖1)。同時查看地勘資料可知，盾構隧道穿越地下巖土層種類較多，地形高低起伏不一，主要為中粗砂、殘積土、圓礫、粉質粘土、強風化花崗閃長巖、中等風化花崗閃長巖、微風化花崗閃長巖等，伴隨分布大小各異、強度不一的微風化花崗巖孤石，為典型“上軟下硬”復合地層。其中隧道洞身范圍內孤石有7處，平均單軸抗壓強度80～140 MPa，最大達到202 MPa；左右線基巖均出現不同程度的突起，以半巖半風化巖段～全斷面中、微風化基巖段為主，左線長330.8 m、右線長325.8 m。

圖1 海底盾構巖石地質剖面
Fig.1 Geological section of subsea shield rock

2 巖石破碎原理及爆破技術

盾構隧道巖石破碎主要是利用炸藥爆炸所產生的炮轟氣體膨脹壓力與應力波共同作用的原理[5]，當炸藥爆炸后，被爆體沒有臨空面很難進行石渣拋擲，表現為“內部作用藥包”現象。由于爆轟波波陣面形成的傳播速度與壓力遠遠高于爆轟氣體產物的傳播速度與壓力，故爆轟波先對藥包周邊巖壁起作用，在巖石內部形成沖擊波并很快衰減為應力波。沖擊波在藥包周邊巖石內產生壓碎現象，而應力波在壓碎區域之外產生徑向裂隙。隨后，爆轟氣體產物繼續壓縮被沖擊波壓碎的巖石，使裂隙繼續向前延伸和進一步張開，在巖石破碎范圍表現出“爆腔、粉碎區、裂紋區”，從而實現水下盾構對巖石的破碎[6]。

水下鉆孔爆破，即對水下巖石進行鉆孔、裝藥、爆破的方法[7]。根據爆區的地質情況和盾構巖石“無臨空面、炮孔深、水壓大、覆蓋層厚”等特點，采用水下深孔爆破控制技術，在海上進行垂直鉆孔，將預制藥包送至盾構巖石指定位置，通過控制炸藥爆炸能量，使巖石破碎、解體至直徑小于30 cm的碎塊，同時最大限度地控制爆破有害效應，最終達到盾構安全掘進的要求[8]。

3 水下深孔爆破

根據海域環境和工程特點，選用漂浮式鉆爆船施工作業，由輔助船將其拖至爆區，配合鉆爆船拋設6具錨，其中船頭和船尾各拋設1具中錨，錨纜長度為150～300 m；鉆爆船體兩邊拋設2具邊錨，錨纜長度為150～200 m。

鉆爆船采用RTK-DGPS系統進行水下鉆孔定位。船體一側安裝潛孔沖擊式鉆，用φ138 mm鉆頭，必須一次鉆至設計孔底標高(含超鉆深度)，炮孔按梅花形布置，海底盾構孤石孔、排距a=b=0.7～0.8 m；基巖突起孔、排距a=b=0.7～0.8 m；盾構開挖上斷面巖石超炸范圍為1 m，下斷面巖石超炸范圍為2 m(即炮孔超深2 m)，從而保證炮孔間“裂紋區”盡量相互多重疊(見圖2)。

圖2 海底盾構巖石炮孔布置
Fig.2 Blasthole layout of subsea shield rock

本工程炸藥單耗取5～9 kg/m3，可根據現場試爆情況做出調整[9]；藥柱選用高性能防水、抗壓水膠炸藥，直徑90 mm，長500 mm。根據設計藥量和巖層厚度，將藥柱裝入預制的圓柱形塑料筒中，并在距離藥柱下部1/3位置處安放起爆體(若有2個起爆體，則分別安置在距藥柱1/3和1/4位置處)，每個起爆體裝填2發非電導爆管雷管，套上炮繩，沿套管緩慢送入炮孔。

采用導爆管雷管起爆法，實行逐孔或逐排起爆網路的連接方式。炮孔內雷管段別設置為MS1～MS10段，段間間隔時間控制為25～100 ms(見圖3)。

注：數字為雷管段別，也是起爆順序。
圖3 逐孔或逐排起爆網路
Fig.3 Initiating circuit of hole-by-hole or row-by-row

4 爆破監測

采用TC-4850型測振儀配合CYG1401F水壓傳感器，對爆源附近水體進行沖擊波壓力監測，這是判斷盾構巖石爆破對中華白海豚影響的直接手段[10]。現場爆破施工產生的沖擊波共安排10次海上監測，監測點將水壓傳感器置于水深(H)5、10 m處，與爆源最近水平距離(L)50～200 m范圍內(見圖4)。

圖4 水下爆破監測設置
Fig.4 Monitoring layout for underwater blasting

根據以往施工經驗，在此類海域爆破施工時，安全超壓控制值取200 kPa。通過水中沖擊波壓力監測結果分析(見圖5)得出，水中沖擊波峰值壓力與爆源中心水平距離200 m范圍內，隨著距爆源距離增大，呈現衰減的規律。水深越大，其沖擊波峰值總體越大，最大值達到91.2 kPa(見圖6)，均小于控制值，說明爆破有害效應安全、可控。

圖5 水中沖擊波壓力(L=50 m,H=10 m)
Fig.5 Shock wave pressure in water

圖6 水中沖擊波壓力監測結果
Fig.6 Monitoring results of shock wave pressure in water

對爆后區域進行鉆孔取芯檢測，巖石的粒徑比較破碎，基本控制在30 cm以內(見圖7)，較好滿足盾構通過的要求。

圖7 爆后取芯檢測
Fig.7 Coring test after blasting

5 結語

1)初步掌握了爆后水下沖擊波在該水域的影響范圍及衰減規律，即在200 m范圍內，沖擊波壓力峰值隨著距爆源水平距離的增大而呈現逐步衰減的規律，水深是影響壓力強度的重要因素，爆后水下沖擊波危害總體安全可控，可將200 m作為深孔控制爆破下保護中華白海豚的安全警戒距離。

2)鉆孔取芯檢測，隧道上方覆蓋層擾動破壞較小，盾構巖石比較破碎，巖石粒徑能夠控制在30 cm以內，符合盾構機順利掘進的要求，大大降低了盾構掘進風險。

3)經水下深孔爆破控制預處理后，盾構每天掘進4～5環，較盾構機直接破除或排除相比，提高了4環，并且盾構掘進中降低了開倉檢查刀具的頻次，節約成本約220萬元人民幣，具有顯著的技術和經濟效益。