福州地铁集团有限公司350009
摘要：盾构施工范围内遇到孤石处理方法主要要三种：地面钻孔取石、钻孔破碎、地下爆破，每种方法各有利弊，本文根据福州地铁1号线施工中遇到孤石处理过程进行总结分析，对孤石探测、孤石处理、爆破技术及经验教训进行详细阐述和技术研究，在孤石定位、处理总结出一套较为完整及可推广的经验，为相识工程施工提供很好的参考。
关键词：盾构；孤石；探查；处理；关键技术
0引言
近年来，随着地铁建设施工迅速发展，盾构施工遇到复杂问题也不断呈现，其中就存在盾构遇到孤处理的难题，由于孤处理成功与否将直接对盾构设备造成影响，制约施工进度、增加工程造价，本文结合福州地铁1号线几处孤石处理经验，对孤石的探查、处理进行研究，旨在提升盾构施工孤石处理技术水平，促进相关技术发展。
1工程背景
盾构在孤石地层掘进给施工带来很大的不确定性，主要因孤石分布不均、大小位置难以准确确定，处理工序极其复杂，难度大。福州地铁1号线存在孤石的代表性标段为土建04标和土建07标段。04标孤石主要在屏-东区间，鼓一小处孤石位于640环位置，卫生厅处孤石位于140环位置，孤石节理较发育，倾角多为40～50度，微张，矿物成分主要为石英颗粒、长石及白云母，中粗粒结构为主，岩体较完整，属中、微风化花岗岩，最大孤石尺寸约为1.5*4*11m，地质条件极为复杂，且两区间紧邻福建省政府，地面交通繁忙。07标上～达区间孤石处在⑫a黏土与⑬b残积砂质黏土中，在达江路下方，紧邻达道站，上下行线共存在五处孤石，从900环至盾构接收范围，07标三～上区间孤石处位于169环位置，孤石体积大占据整个掌子面。
2013年5月27日，土建07标三~上区间盾构掘进至169环时，刀盘时常被卡且震动较为厉害，开仓检查，发现前方有孤石，接着进行补勘，确定孤石位于盾构掘进正前方，孤石大小占据整个断面。施工单位先后采用过旋挖钻、全回转钻机处理，功效均较低且费用高，处理历时约半年时间。经历过上述事件，为防止盾构突遇孤石情况发生，工程建设单位先后对达~上、屏~东等区间进行微动探测、加密补勘，发现以上两区间存在孤石。
2孤石地层特点及盾构施工重难点
孤石按成因不同可分为两类：第一类为花岗岩风化程度不一致形成的孤石，在花岗岩残积土、全风化花岗岩及砂土状强风化花岗岩中，主要受孔隙、网状裂隙影响；在碎块状强风化花岗岩及中、微风化岩中主要受裂隙影响，在地下水作用下，裂隙发育区的原岩风化程度较高，裂隙相对不发育区，原岩的风化程度较低，裂隙发育不均性、不规则性就导致风化程度不均匀，最终形成了孤石；第二类为古河道搬运孤石，因大自然形成的孤石在受到雨水冲刷、河流搬运，最终沉积至河道底部，基本都存在淤泥质土和淤泥夹砂地层中，强度都很高。福州地铁1号线04标盾构区间发现孤石为第一种类型，07标在达道站接收端头发现的孤石为第二种类型。
根据孤石特点，对盾构施工主要影响为：
（1）孤石一般强度都比较高，对盾构刀盘及刀具都存在破坏作用；
（2）盾构在孤石区域施工容易导致受力不均匀，盾构姿态难以控制；
（3）邻近开挖线外围的孤石将对盾构产生挤压作用，导致盾构偏离轴线方向；
（4）孤石所处位置和大小存在不确定性，处理方法也是多种多样，需对成本、工期、效果进行综合考虑，提出合理方案。
3孤石发现与探测
3.1风险分析
通过上述孤石地层特点分析，盾构区间孤石存在很大的不确定性，因区间地质勘查时探孔距离为30~50m，不能够全覆盖探测，孤石不易被发现。又因施工单位对地层分析不足，对孤石形成机理不清，忽略区间孤石存在可能，只有在盾构施工出现异常时才会发现孤石存在，给盾构施工带来很大的潜在风险。
为了准确判断盾构区间孤石数量、位置和大小，首先需进行孤石探测，在确定孤石具体信息后进行孤石预处理，为盾构施工清除障碍。
3.2孤石探测技术
根据地质详堪资料，分析到盾构区间存在孤石发育现象，为详细了解区间的孤石发育情况，具体步骤如下：
（1）进场后组织地质补勘工作，对孤石疑似区补充勘察，再次调查是否存在孤石证据；
（2）为了更好、更大范围的排查孤石，采用微动扫描技术进行排查；
（3）对微动扫描发现的孤石疑似区进行CT扫描，确定孤石比较确切位置；
（4）对CT扫描发现的孤石，再采用钻孔探测方法进行详细的探测（按5m~3m~1m缩小范围方式进行钻孔），能够准确确定孤石大小、相对盾构具体位置，为孤石处理、盾构掘进提供详细资料。
4孤石处理
4.1孤石处理方案比较
目前国内孤石处理主要采取以下几种方案：
（1）地面钻孔取石，对发现的孤石采用旋挖钻机、全回转钻机等设备直接从地面将孤石钻取，此种方法工期慢，且费用高，仅适合少量、小块的孤石，对存在大量孤石地段方案不可取。
（2）钻孔破碎，此种方法处理孤石易导致钻杆断裂，处理孤石不均匀、不彻底，施工中很少选用。
（3）采取地下爆破处理，孤石爆破均匀、费用相对较低且工期短。主要工艺流程如下：通过前期勘探探明的地质情况，对存在孤石的地方再通过地质钻机对岩石进行钻孔，然后从地表将炸药安放在岩石指定位置，利用炸药爆炸产生的能量将岩石破碎、分割、解体。施工中应考虑孤石的位置、强度、深度、周边环境等因素影响，严格控制单段起爆最大药量、爆破震动及飞石，确保爆破施工安全。
在吸取了三~上区间孤石处理的经验教训后，综合比较采用爆破方案处理孤石较为技术可行、经济合理、工期可控，可予以推广。
4.2孤石爆破处理流程
（1）施工场地围蔽
福州地铁1号线上~达、屏~东区间均采用地下爆破处理孤石，且效果较好，为了便于阐述，现以屏~东区间孤石处理为例，本工程孤石所处位置为鼓屏路下，地面交通繁忙，车流量大，施工时需进行场地临时围蔽，施工中做好交通警示标识，保证施工安全。
（2）布孔形式、起爆顺序及装药结构
由于孤石埋深较深，约为16m，体积和厚度不等，为了便于施工及爆破破碎效果，采取首先对边缘孔进行爆破，然后利用边缘孔爆破挤压周围土层产生的自由面，再对中间孔进行逐个起爆。炮孔间孔距a、排距b均为0.7m。布孔形式采用矩形或梅花桩形，孤石爆破布孔平面如图1所示：
图1孤石爆破布孔平面示意图
（3）单耗计算
炸药单耗随着岩层厚度的增加和岩石夹制作用的增强应适当增大。在爆破作业过程可按公式（q=k•q0）计算，并按计算数据试爆后，针对爆破振动情况和爆破效果进行爆破参数的调整。
装药时，应根据岩体的厚度、强度变化及地表建筑物、管线保护的要求，分别采用连续装药或分段间隔装药结构。
（4）钻孔机械
由于需要爆破处理的岩石位于地表以下约16-30m的位置，结合工程的特殊性以及现有的机械设备和技术力量，决定采用地质钻机进行钻孔，地质钻机可取出岩芯，能较好的指导装药参数的调整和爆破效果情况。钻孔孔径为90mm，钻孔完成后下PVC套管，以保护钻好的孔。
（5）钻孔形式
为了便于施工和准确控制钻孔方向，采用垂直钻孔形式。
（6）火工器材选型
雷管选用瞬发电雷管和导爆管雷管，炸药选用防水乳化炸药，标准直径为Φ60mm及Φ32mm两种，具体根据现场的需要加工。
（7）药包设计及加工
炮孔验收合格后，对装药爆区范围内设置警戒，根据取出的岩芯情况开始加工药包。首先要根据钻孔参数和验孔情况，提前计算好药包长度，将炸药和雷管装入PVC管内指定的位置，根据现场实际情况及装药量来确定采用何种药包筒。如果孔内的水及少量泥浆影响药包下沉，则需对药包适当配重。
（8）起爆网路设计
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。炮孔采用正向装药起爆，起爆雷管选用两发瞬发电雷管，且分别属于两个非电起爆网路，两套网路并联后起爆。
（9）爆破安全距离计算
根据国家《爆破安全规程》规定，钢筋混凝土结构房屋及钢筋混凝土结构桥所能承受的最大允许安全震动速度为3.5～4.5cm/s，本工程重点保护的是周边的建筑物，距离爆破点最近的建筑约15米，为了保证爆破震动不影响周围建筑物的安全及居民生活，按照规范的要求，按2.0cm/s以下进行装药设计施工，反算一次爆破允许的最大装药Qmax（公式V=k（Qm/R）α）。计算各种建筑物至爆区中心在不同的距离条件的微差爆破最大一段装药量Qmax见下表：
（10）爆破震动与沉降监测
为确保地表构建筑物的安全以及工程的顺利进行，尽量排除非爆破原因引起的投诉而影响正常施工。在施工过程中由总承包单位对爆破震动及爆破区域周边沉降量的跟踪监测，以便及时调整爆破参数，确保对周围环境不造成影响，同时要在爆破周边做好安全宣传教育工作，确保施工顺利进行。
5结论
根据福州地铁1号线07标三~上区间孤石处理经验总结，对其它区间如04标屏~东及07标上~达区间孤石发现及处理提供充分参考依据，为了能够使盾构区间孤石被尽早发现、准确定位、快速处理，对地铁1号线3处孤石处理过程进行必要总结和研究，发现施工亮点、汲取经验教训、提高技术水平，为后续地铁建设提供参考经验，通过上述分析总结如下：
（1）对存在疑似孤石区的区间，从地质初勘就应该考虑加密勘查或采取必要手段进行孤石摸查（如微动扫描方法），较为准确地反映地层情况，给盾构施工招投标、施工方案比选提供比较可靠的依据，避免造成不必要的成本风险和施工工期风险。
（2）施工单位进场后，对疑似孤石区进行详细排查，准确确定区间孤石位置、大小等信息。
（3）在孤石处理阶段，应根据孤石大小、位置、工期、成本综合考虑采取何种处理方案。根据地铁1号线孤石处理经验比较，采取孤石预爆破方案经济性较合理、进度快、影响小且处理彻底，建议在孤石处理时有条件情况下尽可能采取爆破手段。
（4）对孤石区爆破孔必须采取严格的封堵措施。盾构穿越孤石区前或穿越过程中可能需进行换刀作业，若孤石区爆破孔没有封堵到位，导致气压换刀时爆破孔漏气，会给换刀施工带来风险，给施工进度、成本均带来损失。
参考文献：
[1]卢红毅.浅析盾构掘进遇到孤石、硬岩处理技术[J].技术探讨.2015（02）.
[2]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社.2006.
[3]古力.盾构机破碎孤石条件及预处理方法[J].隧道建设，2006，26（S2）：12-13，22.
[4]刘殿中，杨仕春.工程爆破实用手册[M].2版.北京：冶金工业出版社，2003.