一种盾构隧道沿线孤石勘查和爆破处理的施工方法与流程

本发明涉及一种孤石处理的方法，具体是一种用勘查孤石的地质钻孔进行孤石深孔爆破的施工方法。

背景技术：

随着我国基础建设的高速发展，越来越多的地铁隧道投入到施工建设中。但在我国广大华南地区，由于风化作用显著，大部分的隧道施工都遇到了球状风化孤石的影响。孤石不仅岩质坚硬，而且在土层中的自稳定性差，不易切削。在盾构施工推进中，常常引起隧道开挖面失稳，造成刀具磨损严重进而导致工期拖沓等问题。因而在盾构隧道推进中，需事先进行孤石预处理。孤石处理的传统方法主要有人工破岩、盾构机破岩、地面钻探破岩和冲孔桩破岩四种。然而这些传统的处理方法施工效率低、处理效果差，且工期长、造价高，不能满足目前工程建设高效低耗的要求。

经过对现有技术文献检索发现，针对隧道盾构施工遭遇孤石问题，工程中提出了一些探测和处理的方法。如申请号为CN201410164382.1的发明专利申请，公开了一种盾构施工中球状孤石的探测方法，该方法利用地质雷达采集沿钻孔深度方向的地质雷达回波信号，探测、确定球状孤石埋藏情况。但此种方法在工程实践中被证明花费巨大而探测正确率低。此外，申请号为CN201110417722.3的发明专利申请，公开了一种盾构掘进溶沟地段孤石群的处理方法，该方法提出了用高密度电阻率仪探测孤石埋藏信息，再用炸药爆破处理孤石。但此种方法探测准确性低，而孤石爆破的炸药单耗计算过程较为复杂繁琐，不能快速有效为工程所用，且多个参数取值方法模糊，难以保证精确有效的控制爆破。

技术实现要素：

本发明针对现有技术方法的不足，提出一种利用勘查钻孔进行深孔爆破处理孤石的施工方法，该方法克服了现有技术中存在的孤石勘测精确性差、费用高以及炸药单耗计算过程繁复等缺点和不足，实现了高效低耗的孤石控制爆破。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种盾构隧道沿线孤石勘查和爆破处理的施工方法，在揭露孤石的地质钻孔周围进行孤石详勘；探明孤石埋藏信息后，利用孤石详勘的地质钻孔作为孤石爆破时的炮孔和压力释放孔，用炮泥填塞炮孔，将液态炸药精确放置在炮孔内；在炮孔上布置爆破防护，并在爆破区周围设置安全警戒；待爆破完成后，解除安全警戒，对炮孔和压力释放孔进行灌浆封孔。

所述方法包括如下步骤：

S1、在地质勘查中揭露孤石的钻孔周围进行孤石详勘，探明孤石埋藏信息：

1)在揭露孤石的钻孔周围按正方形布设地质探测孔位；

2)利用地质钻机钻孔取芯，记录孤石埋藏信息，并对钻孔进行套管安装；

3)若初步地质勘查范围内均揭露孤石，则逐步扩大地质勘查范围，直至探明孤石边界；

孤石埋藏信息是指孤石的尺寸信息、孤石的岩性、硬度和埋深；

S2、确定炮孔位置和孤石爆破的碎石粒径控制值：

孤石爆破的碎石粒径控制值b是指：孤石爆破处理后产生的碎石的最大粒径限值，取所用盾构刀盘开口平均宽度的一半作为孤石爆破的碎石粒径控制值；

S3、根据炮孔间距确定单孔填药量：

单孔填药量是指单个炮孔的炸药填装量，单孔填药量Q满足公式：

Q＝(0.2a³/b)×h×q，

式中：a为炮孔间距，即钻孔间距；b为孤石爆破的碎石粒径控制值；h为所计算的炮孔内地质取芯所揭露孤石的厚度；q为单位爆破体积炸药消耗量；

S4、制作炮管，填装炸药：

1)爆破器材准备和安全检查；

2)炮管制作，即将计算好的乳化炸药装入封底的Φ60mm PVC管中做成炮管，再把连接有引线的雷管塞到乳化炸药中，然后密封炮管以防止炮管浸水哑雷；

3)炸药填装，即在炮孔中填塞炮泥至孤石爆破段，再将炮管和配重依次放入，再继续填充炮泥至地表；

S5、在炮孔上方布置爆破防护，并在爆破区域周围设置安全警戒：

1)炸药填装完成后，用砂包将每个炮孔的孔口压盖住，并在爆破区域的所有砂包上方整体铺设麻袋，麻袋上面覆盖尼龙网和两层建筑密目安全网；

2)在爆破区域周围设置安全警戒；警戒时，警戒人员从爆破区域由里向外清场，所有与爆破无关的人员、设备撤离到安全地点并警戒，并观察交通干道上是否有车辆行驶，确认人员、设备全部撤离危险区，爆破工作领导人发出起爆信号；

S6、起爆、钻孔检验、封孔：

1)爆破人员收到起爆信号后即刻进行顺序起爆；爆破完成后，等待一段时间，检察人员进入爆破区域进行检查，确认安全后发出解除警戒信号；

2)爆破结束后，采用距离孤石中心25～30cm位置对称的两个测点进行钻孔取芯，若从检测孔钻出的岩心碎石的最大粒径小于碎石粒径控制值，则爆破效果良好，直接进行后续封孔；若大于10％的岩块最大粒径超过碎石粒径控制值或岩块最大粒径超过40cm，则直接利用检测孔重新进行二次爆破；

3)在孤石处理完成后，立即对所有钻孔进行封孔；封孔应用0.3～0.5Mpa的压力将水泥浆从地质钻孔的底部往上回灌，灌满后观测一段时间，待水泥浆浆面稳定后停止灌浆，结束封孔。

优选地，S1的1)中，所述的揭露孤石的钻孔是指：在初步地质勘察阶段，岩芯取样中发现孤石的地质钻孔。

优选地，S1的1)中，所述的按正方形布设地质探测孔位是指：以揭露孤石的钻孔为正方形中心、以地质勘查阶段探明的孤石的厚度作为正方形边长，划定孤石详勘的初步勘查范围；在正方形的勘查范围内，按相等的钻孔间距布设探测孔位。

更优选地，所述的地质勘查阶段探明的孤石的厚度是指：初步地质勘查阶段探到孤石的钻孔取芯中孤石段岩芯的长度。

更优选地，所述的钻孔间距是指：钻孔的行距和排距；钻孔间距取0.8～1.2m，具体大小根据地质勘查阶段探明的孤石的厚度的大小来确定，孤石的厚度越厚钻孔间距越长。

优选地，S1的2)中，所述的地质钻机是指：用于岩芯取样、钻孔直径为100～120mm的地质勘探钻机。

优选地，S1的2)中，所述的套管安装是指：在钻孔结束后立即向孔内插入直径不小于90mm、长度长于钻孔孔深的PVC套管，并向套管底部注水泥浆固定套管，防止钻孔坍塌。

优选地，S1的3)中，所述的探明孤石边界是指：按正方形不断扩展勘查范围，直至在任何一个方向上相邻的两个钻孔：靠里的钻孔揭露孤石、靠外的钻孔不揭露孤石，即认为该方向探测到孤石边界；当任意方向均探测到孤石边界时，即认为探明整个孤石的平面边界，其中每个揭露孤石的钻孔探测到的孤石的最高和最低标高为该钻孔的孤石上、下边界。

优选地，S2中，所述的确定炮孔位置是指：选取距离孤石边界0.5～0.8m的范围以内的详勘地质钻孔作为炮孔，炮孔间距即为地质钻孔间距，炮孔之外的地质钻孔即作为爆破压力释放孔。

更优选地，所述的炮孔是指：在孤石爆破中用以填装炸药的填装孔；

所述的爆破压力释放孔是指：在孤石爆破时，用以排出爆破产生的空气压力的空孔。

优选地，S2中，所述的盾构刀盘开口平均宽度是指：盾构刀盘上单个开口的平均宽度，即取盾构刀盘开口的最大宽度、最小宽度的平均值。

优选地，S3中，所述的单位爆破体积炸药消耗量q根据下式计算：

q＝k×q₀，

式中：k为岩体修正系数，砂岩、大理岩取1.0～1.3，花岗岩取1.3～1.7，石英岩取1.7～2.0，孤石风化程度越低、埋深越深，周边岩土越密实，k的取值越大；q₀为单孔爆破炸药单耗，q₀满足以下公式：

q₀＝0.45+0.1H，

式中：H为所计算的炮孔揭露的孤石段中点的埋深。

优选地，S4的1)中，所述的爆破器材是指：用于孤石爆破的炸药和相关填装、引爆器材，包括普通岩石乳化炸药、高脉冲电雷管起爆器、Φ60mm PVC管、引线、配重及爆破阻塞物。

优选地，S4的1)中，所述的安全检查是指：检查所用普通岩石乳化炸药是否具有防水性；检查雷管的型号、数量是否正确，质量是否完好，雷管是否同厂、同批次、同牌号；检查引线的通导性是否良好。

优选地，S4的3)中：

当孤石厚度在1.0m以下时，在孤石爆破段通长装药；

当孤石厚度为1.0～2.0m时，在孤石爆破段内装两段炮管，两段炮管中间设1/3长度的炮泥段作间隔；

当孤石厚度在2.0m以上时，在孤石爆破段装三段炮管，两两炮管之间各设一段1/5长度的炮泥段作间隔。

优选地，S4的3)中，所述的炮泥是指：化学性质稳定、用于保证炮管精确处于爆破段并防止爆炸物飞出的爆破阻塞物。

更优选的，所述的炮泥采用黄粘土。

优选地，S4的3)中，所述的孤石爆破段是指：炮孔所处的地质钻孔内孤石的上、下边界向里0.1m的范围；爆破时，用炮泥将炮管精确置于设计的孤石爆破区内；为保证爆破精确和安全，炮泥需塞满并捣实；在捣实过程中注意不能损坏引线连接。

优选地，S5的1)中：

所述的爆破区域是指：最外圈压力释放孔包围内的区域；

所述的尼龙网是指：开口大小为5cm×5cm的尼龙编织网。

优选地，S5的2)中：所述的危险区是指：爆破点周围200米以内的范围。

优选地，S6的1)中，所述的顺序起爆是指：首先对最外圈的爆破孔进行逐个起爆挤压周围土体产生自由面，再引爆内部爆破孔对孤石进行控制爆破。

与原有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出用孤石详勘的地质钻孔为深孔爆破提供炮孔和压力释放孔的孤石处理方法，不仅减少施工步骤、缩短工期，也大大降低了孤石处理的费用。另外，本发明还提出一种精确快速计算炸药单耗的方法，减小了计算复杂度，但有效提高了控制爆破的精确性。同时采用砂包上覆尼龙网进行爆破防护，防止碎石飞溅，高效安全。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的孤石详勘钻孔布设示意图；

图2为本发明一优选实施例的盾构刀盘开口示意图；

图3为本发明一优选实施例的爆破孔布置图，其中：(a)为平面布置图；(b)为断面布置图；

图4为本发明一优选实施例的炮孔内炸药填装结构断面示意图；

图5为本发明一优选实施例的爆破防护措施示意图；

图6为本发明一优选实施例的孤石爆破施工步骤示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

广州某场地拟建一地铁隧道区间，该区间全长1733.2m，拟采用土压平衡盾构进行掘进施工。地质初探阶段，隧道区间内共揭露孤石17处，其中某处大型孤石厚度为3.87m，埋藏深度-19.32m，岩质为中风化花岗片麻岩。采用地质钻孔详勘结合深孔控制爆破的方法处理该孤石。其施工步骤如图6中(a)-(f)所示。

一种盾构隧道沿线孤石勘查和爆破处理的施工方法，所述施工方法的具体施工步骤如下：

S1、在地质勘查中揭露孤石的钻孔周围进行孤石详勘，探明孤石埋藏信息

1)在揭露该孤石的地质钻孔周围设置详勘钻孔，由于地质初探中揭露该处孤石厚度为3.87m，则以之为中心，在其周围按0.9m的钻孔间距设置5×5的正方形布置的钻孔共25个(如图1所示)；

2)采用钻头直径为100mm的地质勘探钻机进行钻孔取芯，钻孔深度25m；经过岩芯取样，发现该孤石最大厚度3.92m、中心孔处揭露孤石底部的埋深为20.31m、孤石平面直径约为3.7m；有3行3列详勘地质钻孔处于孤石包围内，边界已探明，无需扩大勘测；

3)钻孔取芯完成后，在地质钻孔的钢套管内插入直径为90mm、长度25.1m的PVC套管，并向套管底部注水泥浆固定套管，防止钻孔坍塌；水泥浆水灰质量二批比为0.8：1，采用32.5普通硅酸盐水泥，注浆压力0.3MPa，速度为5L/min；待水泥凝固成型后，抽出套管内的积水，令其自然风干。

S2、确定炮孔位置和孤石爆破的碎石粒径控制值

1)经测定，前述有3行3列详勘地质钻孔处于孤石包围内，其中除四个角的钻孔距离孤石边界小于0.5m，其它5个钻孔都在距离孤石边界0.5～0.8m的范围内，因此选取符合要求的距离孤石边界0.5～0.8m的5个详勘地质钻孔作为炮孔，剩余4个详勘地质钻孔作为爆破压力释放孔；

2)对隧道掘进所用的土压平衡盾构的刀盘开口进行测量(盾构刀盘开口的示意图如图2所示)，经测量刀盘上单个开口的最小宽度为0.35m、最大宽度为0.85m，即刀盘开口的平均宽度为0.6m，因而孤石爆破的碎石粒径控制值的取值为盾构刀盘开口平均宽度的一半，即0.3m。

S3、根据炮孔间距确定单孔填药量

以5个炮孔的中心炮孔为例，计算单孔填药量Q，Q满足公式：

Q＝(0.2a³/b)×h×q

经过前述步骤，确定计算单孔填药量的各参数取值为：

炮孔间距：a＝0.9m；

孤石爆破的碎石粒径控制值：b＝0.3m；

炮孔内地质取芯所揭露孤石的厚度：h＝3.7m；

炮孔内揭露孤石底部的埋深为：H₀＝20.31m；

由于孤石岩质为中风化花岗片麻岩，周围为全风化花岗片麻岩，埋深较深，所需爆破强度适中，因而岩体修正系数k取1.4。

a.炮孔中揭露孤石段中点的埋深：H＝20.31-3.92/2＝18.35m

b.水下爆破单耗q₀＝0.45+0.1H＝0.45+0.1×18.35＝2.29kg/m³

c.单位爆破体积炸药消耗量q＝k×q₀＝1.4×2.29＝3.21kg/m³

d.单孔填药量Q＝(0.2a³/b)×h×q＝(0.2×0.9³/0.3)×3.7×3.21＝5.77kg

因此该炮孔需填药5.77kg，其他炮孔可按此法依次计算。

S4、制作炮管，填装炸药

1)采用2#岩石乳化炸药、高脉冲电雷管起爆器、直径为60mm的PVC炮管，炮泥采用黄粘土；置备好爆破器材，并做好安全检查；

2)炮管制作(以中心炮孔为例)：由于该炮孔内揭露孤石厚度3.7m，大于2m，所以该孔内炸药分3段填装，每段长度为(3.7-0.1×2)/5＝0.7m；两段炸药中间设两段炮泥做间隔，因此将计算好的5.77kg kg岩石乳化炸药分3份分别装入三段0.7m封了底的Φ60mm PVC管中做成炮管，再把连接了引线的瞬发电雷管塞到岩石乳化炸药中，然后密封好炮管，防止炮管浸水哑雷；

3)向深25m的炮孔中塞入炮泥至孤石爆破区埋深20.21m，再将炮管和配重放入，依次填塞炮泥、下放炮管，直至三段炮管全部放完，再继续填充炮泥至地表(如图4所示)。

S5、在炮孔上方布置爆破防护，并在爆破区域周围设置安全警戒

如图5所示，具体的：

1)炸药填装完成后，用砂包将每个炮孔的孔口压盖住，并在爆破区域的所有砂包上方整体铺设麻袋，上面覆盖开口大小为5cm×5cm的尼龙编织网和两层建筑密目安全网；

2)在爆破区域周围设置安全警戒：警戒时，警戒人员从爆破区域由里向外清场，所有与爆破无关的人员、设备撤离到安全地点并警戒，安全人员确认交通干道上已无车辆行驶，人员、设备都已全部撤离爆炸点200m范围的危险区，爆破工作领导人发出起爆信号。

S6、起爆、钻孔检验、封孔

1)爆破人员收到起爆信号后即刻进行顺序起爆；爆破完成后，等待15分钟，检察人员进入爆破区域进行检查，确认安全，发出解除警戒信号让施工人员进场检验；

2)采用距离孤石中心30cm位置对称的两个测点进行钻孔取芯，发现钻出的岩心碎石平均粒径4.85cm，最大粒径23.4cm小于S2中确定的碎石粒径控制值0.3m，控制爆破效果良好；

3)对炮孔、压力释放孔和检测孔进行封孔，即用0.3～0.5Mpa的压力将水灰比为1：1的水泥浆从地质钻孔的底部往上回灌，灌满后观测10分钟，待水泥浆浆面稳定后停止灌浆，结束封孔。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。