地铁盾构基岩突起深孔爆破预处理技术
摘 要：盾构在硬岩突起的上软下硬地层中掘进时，面临换刀及带压进仓等风险，处理硬岩常规作法是采用冲击钻机成孔法冲碎，或采用挖孔桩处理，但此种方法受管线改迁、占道办理手续滞约影响，加之硬岩冲孔进度慢，致使常规的处理方法工期较长，费用较高。深圳地铁一号线续建工程土建某标盾构段隧道，采用了爆破法预处理硬岩，有效减弱振动对周边建筑物的影响，且基本没有噪声污染；爆破后块度满足盾构掘进要求；同时采用地质钻机钻孔，可避开地下管线，对管线实施有效保护。在硬岩段采用微差爆破法确保了盾构隧道施工的顺利推进。该种预处理方法工期短，社会及经济效益显著，可在以后类似工程实践中广泛运用。
关键词：盾构；硬岩；爆破
1、工程概况
深圳地铁一号线续建工程土建某标在盾构区间右线隧道里程CK31+843～863区段（20m）段揭露了一段硬岩，其中在CK31＋851.1里程处揭露为岩面最高处侵入隧道5m。详勘钻孔资料显示，需处理侵入隧道岩石范围为：竖向3.0m（平均），沿隧道线路方向20m。地层情况为：地面0m～4.5m为素填土(夹块石)、4.5m～8.8m为填石；8.8m～15.6m为砂质黏性土；再往下为全、强、中及微风化层。隧顶埋深13m～13.6m。本段硬岩取芯最大单轴抗压强度140MPa（见取芯图），盾构机在上部地层砂层及填石层、下部地层为极硬岩情况下掘进，其安全性是极难保证的。
本段硬岩处理时间也只有1.5个月时间（盾构掘进工期要求），如果采用冲孔碎岩再加上前期管线改迁，是必然保证不了工期要求的。为此，采用地面地质钻机成孔，深孔爆破处理整体硬岩，工期控制在1.5个月内。
本工程管线保护中高压（10KVA）电力管线也是一个重点。与隧道正交电力管线占用爆破钻孔范围1.5m宽，无法施钻，故先开挖探沟，准确探出管线位置；同时钻孔间距为0.8m～1.5m，部分孔位无法布设，为保证爆破效果，靠近管线位置需钻斜向孔。
2、施工工艺流程及操作要点
2.1 工艺流程
主要施工工艺：根据初步钻孔勘查硬岩范围，大致确定钻孔范围和顺序；调查清楚需钻孔范围内管线布置情况，钻孔时应避让管线；根据爆破设计布置钻孔，并装药实施爆破；通过监测控制爆破震速，适时调整爆破参数；爆破范围进行注浆加固；最后进行地面硬化、封闭、清理。主要原则：(1)、充分利用软岩作为临空面，硬岩面由低向高处钻孔并分组起爆；(2)、为有效控制爆破震速，岩面高于2m的应采用间隔装药。(3)、爆破顺序：采用纵向分段、横向分块，外围向中部合拢，采用多工作面同时微差分段起爆。局部如出现孤石，可先行钻孔装药破碎。
2.2 操作要点
2.2.1、测量放线及管线调查、保护：先进行地面放线，确定钻孔范围和钻孔位置。钻孔前与相关单位联系，要避开电力、电信、燃气等重要管线，确保管线安全。
2.2.2爆破设计
(1) 爆破参数设计
考虑深圳地铁所用海瑞克盾构机的出渣能力，经过螺旋输送机的石块尺寸不能超过40cm，通过调整爆破孔间距和用药量来进行控制，爆破孔直径为110mm，孔距和排拒约为800mm。孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，起爆雷管选用瞬发电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为Φ60mm。
单耗计算
依据瑞典的设计方法，单位耗药量计算：
q=q1+q2+q3+q4
式中q1—基本装药量，是一般陆地梯段爆破的两倍（本工程爆破对象位于地下15m～20m左右，且存在地下水，故视为水下爆破）。对水下垂直钻孔，再增加10%。例如普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗q1=0.5kg/m3，则水下钻孔q1=1.0kg/m3，水下垂直孔q1=1.1kg/m3；
q2—爆区上方水压增量，q2=0.01h2；
h2—水深，m；
q3—爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3；
h3—覆盖层（淤泥或土、砂）厚度，m；
q4—岩石膨胀增量，q4=0.03h；
h—梯段高度，m。
本工程h=3m，h2平均取16m，h3=15m
q1=1.1kg/m3
q=1.1+0.01×16+0.02×15+0.03×3=1.65kg/m3。
在爆破作业过程可参照上述数据试爆后，针对具体情况调整爆破参数。
(2) 布孔形式与装药结构
1）孤石爆破
因孤石厚度不均,但是考虑到测量以及药包吊装过程中产生的误差(误差累计不得超过10cm)。因此爆破时，当单孔单体爆破时装药长度与岩石厚度相同,多孔单体爆破时，相邻两个炮孔，其中一个炮孔钻至孤石底面（即钻穿），装药至炮孔底部，孤石顶面留10cm不装药；其邻孔孔底距离孤石底面10cm，装药至炮孔底部，孤石顶面留10cm不装药。钻孔时，先找出孤石边界（即以设计参数中的孔间距向外扩展钻孔，直至钻出的孔内没有岩石为止，则可确定硬岩对盾构掘进影响范围的边界），从边界开始进行爆破，逐步向内推进。
布孔形式采用矩形或梅花桩形，球状花岗岩爆破具体钻孔装药结构布孔平面如图示：
2） 基岩爆破
由于基岩埋深较深，为15m～20m，最厚厚度约为3.3m，爆破破碎难度较大，为了便于施工及爆破破碎效果，采取首先对前排孔进行爆破，然后利用前排孔爆破挤压周围土层产生的自由面，再对后排孔进行逐个起爆。施工时，首先选择两端和中间岩石较薄的地方开始钻孔，然后逐步向后推进。炮孔间排距均为0.8m～1.2m，钻孔超深0.5m～0.8m，装药深度比基岩厚度深约0.4m～0.6m。
具体钻孔装药结构如下图9所示：
(3) 钻孔机械
设备选型：由于地铁盾构隧道埋深较深，无法采取手风钻进行钻孔爆破施工，普通软岩地层可选用HXY-100地质钻机即可；如遇到岩层埋深超过20m、有填石或卵石层，宜选用功率较大设备HXY-200以上地质钻机或履带式高风压潜孔钻机并辅以套管方式成孔。
(4) 钻孔直径
采用地质钻机钻孔，土层钻孔孔径、岩石钻孔孔径均为110mm，下直径90mm的PVC套管。
(5) 钻孔形式
为了便于施工和准确控制钻孔方向，多采用垂直钻孔形式。在管线位置，调整钻孔角度，以确保硬岩处理完全。
(6) 火工器材选型
雷管选用15m非电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为Φ60mm，制作成单条长度L=500mm/条药包。采用φ70的PVC管装药包。
(7) 装药、填塞
装药后用中米石作堵塞物。具体的装药示意详见单孔装药结构示意图。
(8) 起爆网路设计
由于炮孔深度达到约20m，炮孔中有水，因此，起爆药包采用软钢丝或绳悬吊于爆破点的位置，上端固定于孔口位置，标高误差不得大于10cm。药包装在特制的PVC管体内，该起爆体须具有较好的防水性能（即下部端口封闭）。炮孔采用正向装药起爆，每个药包装两发非电雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。
(9) 爆破安全控制与监测
根据深圳市公安局规定，安全震速按1cm/s控制，反算一次爆破允许的最大装药Qmax。
根据公式V=k(Qm/R)α
V-----爆破地震安全速度，cm/s
Q-----最大一段装药量，kg
R-----爆破区至被保护物距离，m
m-----药量指数，取m=1/3
k ----与爆破场地条件有关系数，取k=160
α----与地质条件有关系数，α=1.9
在施工中严格控制单段最大药量，爆破作业时，做好爆破震动和地表位移监测，以便及时反馈数据，进一步指导施工。
2.2.3 钻孔检查入岩
钻孔检查入岩布孔间距由纵向10m加密到5m,横向距离2m，再次详勘硬岩起伏情况。主要目的:①确定需爆破范围及岩面高度，以明确爆破范围；②下一步钻孔分区、段和爆破顺序选择；③计划火工品数量；④确定钻机数量，以高效组织钻爆进度。
初步钻孔检查入岩情况时应做好地质钻孔素描，给下一步钻孔装药提供准确参数。
2.2.4 布孔及钻孔施工
第一批布孔是在钻孔检查入岩后实施的。需做好钻孔地质柱状图素描，根据入岩深度作为确定装药参数的依据。
2.2.5 套管下放及安装
套管采用Φ90硬质PVC管作为钻孔护壁及保护药包作用，分节长度4m，最下面一节采用堵头（带螺纹）封闭，防止泥浆流入管内致装药管无法下放药包。上端敞口，露出地面约20cm。主要防止地面钻孔泥浆流入。
钻机成孔完毕，检查深度、垂直度，符合要求后，分节垂直下放，边放边向管内灌注清水，将钻孔内部分泥浆排出。各节接头采用套管连接牢固。
2.2.6 回填米石
套管下放完毕，套管与孔壁之间采用米石（喷射砼用）回填，回填时应沿管外周均匀下放石料，以保证套管垂直度，填料高度至地面。回填米石置换后泥浆及时清理。
2.2.7 警戒及起爆
爆破作业前在主要位置张贴爆破“安民告示”。在爆破作业时以爆破中心周围50m为警戒线进行安全警戒，统一爆破警戒信号和起爆信号；爆破前派专业安全人员进行清场工作，确保现场所有人员撤离至安全地带，由各警戒点警戒人员发信号通知爆破班组长警戒完毕。班组长下达准爆命令。
2.2.8 效果检查
爆破效果主要是岩石块度检查。对每批次爆破后要满足硬岩经破碎后块度要求，即不超过20cm。
在相邻两个爆破孔中间进行岩块取样，如发现多为超过20cm岩柱，应在相邻两孔间利用检查钻孔重新装药，对该孔周边硬岩再次爆破，直至硬岩处理范围块石满足设计要求。
2.3 地层加固注浆施工
鉴于隧道范围硬岩采用爆破方式处理后，爆破震动造成地层松散，尤其是隧道顶部存在砂层、填石层特殊地层，在盾构掘进过程中，因要掺加泡沫剂等润滑剂和保压需要（如果出现掘进困难时带压开仓），经爆破扰动过地层极易出现泡沫剂等沿松散孔隙流失甚至到地面上，造成污染和浪费；同时，松散地层无法保压。为确保安全，在爆破处理后对隧道周边松动围岩采用注浆方式充填加固，以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。
注浆浆液选择：考虑到本地层与海水存在紧密水力联系，及注浆浆液扩散范围可控等因素，选用水泥-水玻璃双液浆加固地层。
注浆加固范围：隧道顶部以上3m及隧道洞身范围。隧道中线左右开挖轮廓线外各1m。
2.4 地面硬化
经硬岩爆破处理后的地层较为松散，孔隙较大，在盾构掘进至此范围时，需进行地表(隧道开挖轮廓线外10m范围)重新硬化（砼覆盖）处理，厚度不少于20cm。
3、结语
在地层软硬不均或球状风化岩层段采用硬岩爆破处理方式能够较好解决工期进度问题，提高盾构掘进速度；另一方面，较冲孔处理硬岩共节约投资210万元，同时减少了占道的面积和时间，社会及经济效益显著。该方法可在后续同类工程施工中广泛应用。
参考文献
[1]深圳地铁一号线续建工程西乡～固戍区间施工图设计.中铁隧道勘测设计院,2007年11月
[2] 刘殿中，杨仕春．工程爆破实用手册(第2版)[M]．北京：冶金工业出版社，2003
[3] 汪旭光，于亚伦，刘殿中等．爆破安全规程实施手册[M]．北京：人民交通出版社，2004
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