花崗巖地區盾構隧道工程的孤石探測及綜合處理技術研究

葉越勝，林博文

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州510310；2.廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司，廣東 廣州510500）

花崗巖是一種深層侵入巖，在成巖過程中巖漿上升冷凝結晶形成巖體，在冷凝結晶過程中巖體體積收縮產生原生節理。由于節理相互交接的位置更易受到風化作用，隨著時間的推移，棱角處逐漸被磨圓，巖體的圓度逐漸增加，形成球狀風化，俗稱“孤石”[1]。由于孤石埋藏分布的隨機性強，大小從幾十公分到幾米，難以用常規的地質鉆探形式探明場地內分布位置，且部分孤石的強度可以達到100MPa以上[2]。

此類地質現象在華南地區中非常常見，直接影響到盾構隧道工程施工的安全、質量、成本和工期。廣州市軌道交通六號線二期主要位于廣州東北部，全線穿越地層主要為花崗巖殘積土層和風化層，孤石發育強烈。本文根據在廣州市軌道交通六號線二期的盾構隧道的工程實踐，系統地研究了盾構機穿越孤石的關鍵節點，并提出一套花崗巖地區孤石探測及預處理的綜合工程技術。

1 孤石探測

由于孤石的分布具有離散性大和空間賦存特征不規則的特性，其埋藏分布及大小是隨機的（原位和異位）[3]，在盾構掘進前必須進行場地內詳盡的孤石探測，查明隧道投影范圍內孤石的分布、大小和強度。在盾構隧道工程中，可行的孤石探測方法主要為新興的物探方法和傳統的勘探方法。

1.1 物探方法

可用于孤石探測的物探法有很多，且各有所長，主要可分為重力探測、高密度電阻率法、瑞雷波法、地震波CT法等。城市軌道交通的盾構隧道施工屬于城市施工，隧道線路上部多為居民區或城市道路，建筑物及車輛較多，環境嘈雜，且周圍大多存在高壓輸電線、各類通訊電纜光纖，電磁環境復雜。根據城市軌道交通的特點，廣州市軌道交通六號線二期某盾構區間采用了多種電法探測進行物探試驗，但由于周圍電磁環境較復雜，臨近有輸電線和地下管道等，最終無法從探測圖像中識別出下方孤石。

1.2 勘探方法

在大范圍孤石探測中，運用物探手段準確率不高，反而需要較大的成本，對于工程建設本身是難以接受的。采用傳統的鉆探方法更為準確、實際，但采集的主要是點位信息，無法利用鉆孔把工程區域內的孤石全部探測出來。因此，綜合比較，以下根據鉆孔布置原則、方式和關鍵點，分析傳統勘探方法在孤石探測中的實際應用要點，以滿足盾構隧道工程施工前期完全探出孤石群地段及大部分單體孤石的要求。

1.2.1 孤石鉆探孔布置原則

（1）全線布孔方式結合初勘和詳勘已有鉆孔，以及現場地狀地貌特征，選擇鉆探的重點區域，一般為臨近山丘的平面地段。

（2）鉆探孔采用逐級加密布孔，并根據現場情況實行位置和數量的動態調整，平衡鉆探的準確性和成本。

（3）加密勘察中，以揭露孤石的初勘鉆孔為中心向前、向后各2倍初勘孔間距范圍，通過孤石加密勘察將相鄰鉆孔間距加密一倍。當新增的加密鉆孔或物探驗證孔揭露到孤石時，繼續以新揭露孤石的加密鉆孔或物探驗證孔為中心，向未加密側外擴2倍初勘鉆孔間距范圍，并依此類推。

1.2.2 孤石鉆探孔布置方式

在孤石重點探測區域，鉆探孔沿隧道線型按三排錯孔布置，一排布置在隧道中心線上，另兩排分別距隧道邊線1.5m布設，如圖1所示。

圖1 重點探測區域布置方式

1.2.3 孤石鉆探應用實例及效果

廣州市軌道交通六號線二期的某隧道區間，在初勘和詳勘階段的部分鉆孔揭露了孤石。建設各方結合傳統勘探方法，總結出以上孤石鉆探孔的布置方案，并在補勘中完全探出孤石群地段及大部分單體孤石，為后續的孤石預處理提供了依據和方向。

2 孤石地面預處理方法

孤石的處理方法應根據鉆孔探測揭露隧道沿線孤石、基巖的大小、位置、形狀、周邊環境因素確定。孤石的處理第一選擇為地面預處理，實際的盾構隧道工程施工中，孤石的地面預處理主要可分為深孔爆破處理和旋挖鉆處理，現結合工程實例，分析孤石地面預處理方法的使用范圍和具體實施效果。

2.1 深孔爆破處理

2.1.1 爆破實施步驟

地下深孔爆破采用地下隱蔽巖體爆破技術進行，其主要是利用封閉巖體與周邊圍巖介質的差異，分期爆破，第一期爆破形成空腔，為第二期爆破提供自由面，經多孔多段微差擠壓爆破，最終破碎巖體[4]。對地質勘探中已探明的孤石，采用地面深孔爆破可使其成為單邊長度小于30cm的碎塊，破碎后的巖石能順利進入土倉。具體實施可分為以下幾個步驟：布孔、裝藥、孤石爆破、爆破后注漿回填壓密。孤石群進行預爆破處理后，爆破孔周邊土體會遭受擾動，局部會出現空洞。因此，爆破施工完成后應及時利用爆破孔對所有孤石周邊土體進行回填壓密注漿。

2.1.2 實施效果

廣州地鐵六號線二期某車站端頭段隧道存在孤石群，為保證盾構順利掘進，采用深孔爆破進行預處理，處理效果如圖2所示。孤石地面的預處理，降低了盾構機掘進孤石的推力、扭矩等各項參數，使盾構機設備在推進中更加安全，降低了盾構機掘進的刀具損耗量，減少了掘進巖石過程中進倉作業次數，提高了施工的安全性。

圖2 爆破處理前后鉆探情況

2.2 旋挖鉆處理

2.2.1 旋挖鉆實施步驟

當孤石群較多，場地及周圍環境允許大型設備進場施工時，采用旋挖鉆處理技術處理孤石的效果較好，具有環境影響小、進尺速度快的優點，宜用于對震動敏感的場地。具體實施可分為4個步驟：

（1）鉆機定位，首先把逐級安裝在樁芯位置。把套管插入本體內，在起重機吊著套管的狀態下，使套管垂直并用加緊機構抱住。

（2）清理上層土體，反復旋轉套管，用沖抓斗對套管內進行挖掘。

（3）孤石砸碎及清理，遇到孤石時，用安裝在套管前端的鉆頭一邊回旋切削，一邊用落錘砸碎，然后用沖抓斗抓出。

（4）回填C15砼，在清理完畢該孔內孤石后，立即對孔內進行灌注C15混凝土，并分步拔起套管，直至灌注完成。

2.2.2 實施效果

廣州地鐵六號線二期某出入口段隧道風亭原定的圍護結構為地下連續墻，但詳勘階段發現該位置有大量孤石。由于周邊有民房較多，且離軍用管線較近，對爆破產生的震動較為敏感，最終選擇用旋挖鉆進行孤石處理，并將圍護結構改為鉆孔灌注樁。

在鉆孔灌注樁的施工過程中，旋挖鉆處理可達到一舉兩得的功效，鉆機取出的孤石如圖3所示。但對于施工連續墻，還需采用方錘將圓孔修成方孔，會增加不必要的處理時間。此外，旋挖鉆處理孤石時的垂直度全靠鉆桿自身的剛度維持，而鉆桿本身的剛度隨著伸出的長度和節數而逐漸降低，因此孤石處理的深度存在限制，對于深度超過20m的孤石，不建議使用旋挖鉆處理。

圖3 旋挖鉆機取出的孤石

3 孤石洞內靜態爆破處理方法

孤石地面預處理方法需要地面有一定的施工場地，當地面有建（構）筑物或地下管線影響的，無法在地面采取措施處理的，勘探中未揭露而盾構機掘進過程中發現存在于刀盤前面的孤石，則須考慮洞內處理措施。采取人工爆破處理困難太大時，一般選取靜態爆破處理措施對“孤石”進行分裂。靜態爆破施工主要分為兩種形式：

（1）靜態爆破劑實施靜態爆破。以特定比例混合的靜態破碎劑，加水調成溶液并灌入鉆孔中，水化反應后會出現膨脹，加大巖石的局部應力，使孤石脹裂、破碎。

（2）硬巖劈裂機實施靜態爆破。利用普通風槍鉆孔，成孔內插入劈裂機的楔形塊組件——劈裂槍，啟動液壓泵站，液壓泵站工作產生高壓，驅動劈裂機楔形塊組的中間楔塊向前運動，將反向楔塊兩邊撐開，產生巨大分裂力，此分裂力由巖石內部向外，破壞巖石內部結構，巖石在此分裂力作用下，將巖體分裂開來。

廣州地鐵六號線二期某區間聯絡通道內存在兩塊較完整孤石，根據孤石探測顯示孤石輪廓與開挖輪廓基本重合，孤石周邊土體加固漿脈清晰，無水流，地層自穩性較好。開挖時采用以左線土體前突以增加臨空面，采用劈裂機先兩邊后中間，周邊開挖完成立拱后再劈裂中部的原則開挖，通過加密鉆孔劈裂的方式有效確保了開挖安全及效率。

4 結束語

花崗巖地區的孤石探測及預處理是盾構在孤石地層的掘進施工的重大難題，關系到施工質量、進度、安全和成本等關鍵問題。在本項技術研究中，結合了廣州軌道交通六號線二期工程的建設全過程，綜合分析了可用于盾構隧道工程的孤石探測方法，對物探方法和勘探方法進行原理和應用效果比對，并認為實際工程中，孤石探測形式應主要考慮結合沿線地狀地貌和地質分層制定的勘探方案并采用逐級加密的鉆孔方法。對孤石處理的方法，應首要考慮地面預處理，且在場地滿足要求時采用更為經濟的深孔爆破處理，或是更直接的旋挖鉆處理。只有在外界條件較嚴苛，或情況比較特殊時，才選擇洞內靜態爆破和火工爆破的方式進行孤石處理。