深孔松動爆破技術(shù)在盾構(gòu)穿越長距離硬巖段工程中的應(yīng)用

曾 亮，李 璐

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133; 2.深圳地鐵集團(tuán)有限公司，深圳 518026)

0 引言

深圳地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層起伏變化較大，盾構(gòu)隧道在突起硬巖地段施工存在較大安全風(fēng)險和施工難度。當(dāng)盾構(gòu)在硬巖段中直接掘進(jìn)時，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率增加，掘進(jìn)速度緩慢，且硬巖段兩端常伴生有上軟下硬地層，若不進(jìn)行處理，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易使盾構(gòu)向上偏移，并造成較大地表變形。

當(dāng)盾構(gòu)隧道穿越突起硬巖時，文獻(xiàn)［1］采用了對上部軟弱地層進(jìn)行注漿加固的處理措施，通過減少土層和基巖的強(qiáng)度差異，來確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時的姿態(tài)控制，但穿越較長硬巖段時，該處理措施的工程費(fèi)用巨大且工期漫長。文獻(xiàn)［2］采用礦山法開挖+盾構(gòu)空推的施工技術(shù)，避免了盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)時的施工風(fēng)險，但硬巖段采取鉆爆法開挖時，對隧道上方既有建(構(gòu))筑物所產(chǎn)生的施工干擾太大，且建(構(gòu))筑物的變形不易控制。文獻(xiàn)［3］采用了深孔松動爆破技術(shù)，通過對突起硬巖的預(yù)處理，為盾構(gòu)掘進(jìn)提前掃清了障礙，但在深圳地鐵二期工程實(shí)例中，硬巖處理長度未超過50 m。

本文結(jié)合突起硬巖的高度和強(qiáng)度，采用了不同間距的爆破布孔方式和先弱后強(qiáng)的起爆順序，將隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)555 m的硬巖段處理成小于20 cm的碎塊，以確保盾構(gòu)掘進(jìn)時能快速、順利通過。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳地鐵11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間全長約5.5 km。區(qū)間隧道在1號線竹子林車輛段西南角設(shè)中間風(fēng)井，在白石路與海園二路交叉處設(shè)獨(dú)立盾構(gòu)始發(fā)井。區(qū)間采用4臺內(nèi)徑6 m的非標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)施工，由獨(dú)立盾構(gòu)井始發(fā)，掘進(jìn)至兩端車站后吊出。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

區(qū)間隧道地層分布從上到下主要為:素填土(①1)、淤泥層(②1)、礫質(zhì)黏性土層(⑦1)、全風(fēng)化粗粒花崗巖(W4)、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r(W3)、中風(fēng)化粗?；◢弾r(W2)和微風(fēng)化粗?；◢弾r(W1)。隧道洞身主要位于微風(fēng)化粗粒花崗巖中。

1.2.2 水文地質(zhì)

區(qū)間地下水類型按賦存方式分為3種:第1種是賦存于第四系人工填土層中的上層滯水;第2種是孔隙承壓水，賦存于第四系含有機(jī)質(zhì)砂層中，殘積礫(砂)質(zhì)黏性土層中含少量孔隙承壓水;第3種為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，主要賦存于強(qiáng)－中等風(fēng)化巖帶和斷裂構(gòu)造帶中，具弱承壓性。本場地砂層多呈夾層透鏡體狀，厚度變化較大，具中－強(qiáng)透水性。

地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱－中等腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性。

2 隧道穿越區(qū)硬巖分布情況

區(qū)間隧道在歡樂海岸地塊內(nèi)側(cè)穿其一期既有物業(yè)后，下穿人工湖及二期在建別墅。根據(jù)地勘資料，在人工湖下方的區(qū)間隧道主要位于突起硬巖中。硬巖分布詳見圖1。

圖1 硬巖分布圖Fig.1 Distribution of hard rocks

對比深圳地鐵二期類似工程，該硬巖分布具有距離長和抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深約15 m，硬巖突起長約284 m，硬巖突起最高點(diǎn)高出隧道結(jié)構(gòu)頂板約7 m，詳見圖2。

圖2 右線地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Geological profile of right tunnel tube

區(qū)間左線隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深約15 m，硬巖突起長約271 m，硬巖突起最高點(diǎn)高出隧道結(jié)構(gòu)頂板約6 m，詳見圖3。

圖3 左線地質(zhì)縱斷面圖Fig.3 Geological profile of left tunnel tube

詳勘揭示該部位硬巖抗壓強(qiáng)度為60～150 MPa，其統(tǒng)計結(jié)果詳見表1。

表1 單軸極限抗壓試驗(yàn)成果表Table 1 Uniaxial compressive strengthMPa

3 硬巖處理方案比選

歡樂海岸一期物業(yè)已于2011年11月開始營業(yè)，二期物業(yè)(西區(qū)別墅)樁基施工已經(jīng)開始，計劃于2012年4月完成樁基施工，2012年10月開始營業(yè)。受其影響，不具備明挖處理?xiàng)l件。

故結(jié)合場地條件、地面環(huán)境和地質(zhì)情況，主要選擇以下4種施工方案，就施工風(fēng)險、工程難度、工期、造價和對在建別墅的影響進(jìn)行了綜合比選。

方案1。采用深孔松動爆破技術(shù)對隧道開挖范圍內(nèi)基巖進(jìn)行預(yù)先爆破處理，然后盾構(gòu)掘進(jìn)。

方案2。在隧道正上方設(shè)施工豎井，正線隧道采用礦山法開挖，然后盾構(gòu)空推。

方案3。在歡樂海岸地塊外(白石路南側(cè))設(shè)施工豎井，打設(shè)施工橫通道，正線隧道礦山法開挖，然后盾構(gòu)空推。

方案4。加強(qiáng)盾構(gòu)硬巖破碎能力，盾構(gòu)直接掘進(jìn)。

經(jīng)比選，出于以下考慮，最終選用方案1，即深孔松動爆破+盾構(gòu)掘進(jìn)的方法。

1)由于西區(qū)別墅是高端旅游地產(chǎn)項(xiàng)目，計劃于半年內(nèi)完工。為盡量減少對其項(xiàng)目進(jìn)度的影響，華僑城集團(tuán)不同意在歡樂海岸地塊內(nèi)設(shè)置施工豎井，并要求選用對既有建筑物沉降影響較小的盾構(gòu)法進(jìn)行施工。

2)若采用礦山法施工，則需要在歡樂地塊以外設(shè)置施工豎井和橫通道，不能滿足全線土建工期要求，且硬巖段爆破開挖引起的振動也將影響別墅的正常營業(yè)。

3)人工湖下方全部為上軟下硬地層，礦山法施工風(fēng)險極大，且土建造價較高。

4)鑒于本區(qū)間采用內(nèi)徑6 m的非標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)，需重新采購盾構(gòu)的實(shí)際情況，承包商在設(shè)備采購時，可結(jié)合地質(zhì)條件，定制硬巖破碎能力不低于150 MPa的新盾構(gòu)。

5)結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，對突起硬巖提前實(shí)施深孔松動爆破可減少刀具磨損量及開倉換刀次數(shù)。

4 爆破設(shè)計方案

4.1 硬巖爆破范圍確定原則

1)長度范圍。侵入隧道洞身范圍以內(nèi)，抗壓強(qiáng)度超過70 MPa的硬巖。

2)寬度范圍。隧道輪廓線外放1 m。

3)深度范圍。軟硬分界面(中風(fēng)化巖面)至隧道底板以下1 m。

4.2 填湖筑島

由于硬巖段主要位于人工湖下方，且人工湖深度僅3 m左右，故采用素填土在爆破范圍內(nèi)鋪筑施工平臺，以方便施工操作，進(jìn)而確保爆破質(zhì)量和施工進(jìn)度。

4.3 爆破布孔間距

采用50 cm×50 cm、60 cm×60 cm和80 cm×80 cm 3種不同間距進(jìn)行布孔。當(dāng)巖面位于隧道中心以下時，采用80 cm×80 cm間距;當(dāng)巖面位于隧道中心以上而未超過隧道頂板時，采用60 cm×60 cm間距;當(dāng)巖面位于隧道頂板以上時，采用50 cm×50 cm間距。不同間距布孔示意圖詳見圖4。

圖4 不同間距布孔示意圖Fig.4 Layout of blasting holes with different spacing

4.4 起爆順序

遵循“先弱后強(qiáng)”的原則，對突起硬巖實(shí)施分段處理。選擇巖面突起較低的部位作為起始點(diǎn)開始爆破，然后向巖面突起較高的部位推進(jìn)。起爆順序詳見圖5。

圖5 起爆順序示意圖Fig.5 Blasting sequence

5 爆破施工方案

5.1 鉆孔

本工程突起硬巖主要位于地表以下16～23 m的位置，擬采取跟管鉆機(jī)及地質(zhì)鉆機(jī)從地面進(jìn)行垂直鉆孔。由于存在淤泥層及局部拋填塊石層，需采用跟管鉆機(jī)鉆孔穿越不良地層，地質(zhì)鉆機(jī)在跟管鉆機(jī)的套管內(nèi)繼續(xù)往下鉆孔。

鉆孔直徑為110 mm，根據(jù)硬巖的分布情況設(shè)置50 cm×50 cm、60 cm×60 cm和80 cm×80 cm 3種不同間距，成孔后將直徑為90 mm PVC管放入孔內(nèi)做護(hù)壁，然后進(jìn)行下一孔位的施工。

根據(jù)本工程硬巖分布情況，將整個計劃爆破區(qū)段切分為多個工作面同時進(jìn)行鉆孔作業(yè)及爆破。為保證各組鉆機(jī)作業(yè)空間以及避免爆破時對相鄰工作面的鉆孔造成破裂、塌孔等不良破壞，將相鄰2個工作面之間的距離設(shè)置為≥15 m;各工作面起點(diǎn)選擇在基巖侵入隧道面較低的位置，為每次爆破創(chuàng)造有利的臨弱面。

5.2 火工器材選型及藥包設(shè)計

根據(jù)本工程特點(diǎn)，選用瞬發(fā)電雷管和導(dǎo)爆管雷管。炸藥選用防水乳化炸藥，為市面上常見的φ60 mm和φ32 mm 2種。

炮孔作業(yè)完成后，根據(jù)取出的巖芯情況加工藥包。首先準(zhǔn)備好直徑為75 mm的PVC管，根據(jù)鉆孔隊(duì)提供的鉆孔參數(shù)和驗(yàn)孔情況，提前計算好藥包長度，將炸藥和雷管裝入上述PVC管內(nèi)的指定位置。采用耦合和不耦合2種形式的藥包筒，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及裝藥量確定采用φ60 mm或φ32 mm的藥包筒。由于孔內(nèi)有水及少量泥漿，為了順利裝藥，需對藥包適當(dāng)配重。藥包筒PVC管的長度需根據(jù)藥包長度和配重長度來截取。藥包加工示意圖詳見圖6。

圖6 藥包加工示意圖Fig.6 Explosive charging

5.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)路

藥包裝在特制的PVC管體內(nèi)，該起爆體須具有較好的防水性能。炮孔采用正向裝藥起爆，起爆雷管選用2發(fā)瞬發(fā)電雷管，且分別屬于2個非電起爆網(wǎng)路，2套網(wǎng)路并聯(lián)后起爆。爆破網(wǎng)路詳見圖7。

5.4 硬巖爆破

由于硬巖突起埋深16～23 m，硬巖厚度0～9 m，硬巖分布總長555 m，對其爆破效果掌控難度較大。為了確保爆破破碎效果，首先對前排孔進(jìn)行爆破，利用前排孔爆破時擠壓周圍土層所產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進(jìn)行逐個起爆。炮孔間距為 0.5，0.6，0.8 m，點(diǎn)陣式布置，鉆孔超深1.0 m，裝藥深度比基巖厚度深0.5～0.8 m。硬巖爆破詳見圖8。

5.5 裝藥量計算

5.5.1 單位裝藥量計算

依據(jù)瑞典的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計方法，單位裝藥量

式中:q1為單位耗藥量，堅(jiān)硬巖石的水下爆破單位炸藥消耗量經(jīng)驗(yàn)值，約為2.47 kg/m3;q2為爆區(qū)上方水壓所增單耗，q2=0.01H2，kg/m3(H2為水深);q3為爆區(qū)上方覆蓋層所增單耗，q3=0.02H3，kg/m3(H3為覆蓋層(淤泥或土、砂)厚度);q4為巖石膨脹所增單耗，q4=0.03H，kg/m3(其中H為梯段高度)。

本工程中 q1=2.47 kg/m3，H2=23 m，H3=21 m，H=9 m。代入式(1)，得:

q0=2.47+0.01 × 23+0.02 ×21+0.03 × 9=3.39 kg/m3。

爆破作業(yè)過程中參照上述數(shù)據(jù)試爆后，單位炸藥消耗量調(diào)整為4.0 kg/m3左右。

5.5.2 單孔裝藥量計算

單孔裝藥量

式中:Q為炮孔裝藥量，kg;q0為單位炸藥消耗量，與巖石物理性質(zhì)有關(guān);a，b分別為炮孔的間距、排距，m;H0為開挖巖層厚度，包括超深，m。將各取值代入式(2)，得:Q=4.0 ×0.6 ×0.6 ×4=5.8 kg。

5.6 爆破作業(yè)要點(diǎn)及爆破施工安全控制

5.6.1 爆破作業(yè)要點(diǎn)

布孔爆破時，必須從硬巖邊緣布孔起爆，以創(chuàng)造“臨弱面”，提高爆破效果。根據(jù)所需爆破巖石厚度，每次布孔1～2排，逐排鉆孔、爆破。

5.6.2 爆破施工安全控制

1)爆破安全距離計算。本工程爆區(qū)北面距離白石路約100 m，東北角距離白石路橋約125 m，東面距已建成的都市文化娛樂區(qū)北區(qū)約195 m，南面、西面200 m范圍內(nèi)無建筑物，爆區(qū)環(huán)境較為理想。其重點(diǎn)保護(hù)對象是白石路跨人工湖的市政橋。為了保證周圍建筑物的安全及居民生活，根據(jù)國家《爆破安全規(guī)程》及深圳市的規(guī)定，最大允許安全震動速度按≤1 cm/s進(jìn)行控制。

式中:v為保護(hù)對象所安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s;k為硬巖系數(shù)，堅(jiān)硬巖石取50～150，可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定;α為衰減系數(shù)，堅(jiān)硬巖石爆破時取1.5～2.5，可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定;m為藥量系數(shù)，一般取1/3或1/2;Q為最大單段裝藥量，kg;R為距建筑物的距離，m。

2)爆破震動與沉降監(jiān)測。在施工過程中對爆破區(qū)域周邊重要建(構(gòu))筑物進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以便及時調(diào)整爆破參數(shù)，避免對周圍環(huán)境造成影響。爆破實(shí)施期間，對白石路跨人工湖的簡支梁公路橋、人工湖東面的建筑物進(jìn)行振動頻率監(jiān)測。實(shí)測橋梁振動頻率為0.47 cm/s，人工湖東面建筑物振動頻率為0.08 cm/s，滿足小于1 cm/s的要求。

3)孔口安全防護(hù)措施。地下深孔松動爆破不會有飛石產(chǎn)生，只有在爆破后產(chǎn)生的高壓氣體會將炮孔內(nèi)的泥漿壓出孔外。為確保安全，用粗砂將炮孔堵滿，為防止沖炮，孔口則采取沙包+鋼板的聯(lián)合防護(hù)體系。爆炮防護(hù)示意圖如圖9所示。

圖9 爆破防護(hù)示意圖Fig.9 Blasting protection

4)安全警戒與撤離區(qū)域及信號標(biāo)志。為了保證爆破施工的安全，在爆破作業(yè)前在主要位置張貼爆破告示。在爆破施工作業(yè)時以爆破中心周圍110 m為警戒線進(jìn)行安全警戒，統(tǒng)一爆破警戒信號和起爆信號，爆破前派專業(yè)安全人員進(jìn)行清場工作，確?，F(xiàn)場所有人員撤離至安全地帶，由各警戒點(diǎn)警戒人員發(fā)信號通知爆破班組長，警戒完畢。班組長下達(dá)準(zhǔn)爆命令。爆破員要鳴哨示警2次，每次吹3次長音哨子，確認(rèn)安全后方可起爆。

5)盲炮處理。每次爆破完成后，爆破工程師和爆破員必須進(jìn)行盲炮檢查，如果發(fā)現(xiàn)存在盲炮，馬上分析造成盲炮的原因，并制定相應(yīng)的盲炮處理方案。

6 爆破效果

為防止爆破效果不佳，引發(fā)盾構(gòu)施工風(fēng)險，在爆破完成以后對爆破區(qū)域進(jìn)行抽芯檢測。檢測時，巖芯不能完整抽出或抽出的巖芯中碎石裂縫間距小于30 cm即認(rèn)為滿足要求。抽芯結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，爆破后的巖塊單邊長度最大直徑為19 cm，滿足小于30 cm的要求。

7 松動爆破區(qū)域的處理

由于該爆破工程有實(shí)施范圍廣、鉆孔數(shù)量多(約13 200孔)、且硬巖分布主要位于人工湖下方、別墅建成后將不再具備采用地面處理措施的特點(diǎn)，故爆破孔能否封堵密實(shí)，將直接影響盾構(gòu)能否保壓施工，進(jìn)而影響隧道上方的別墅安全。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，選用水泥黏土漿對爆破孔進(jìn)行逐個封堵，并根據(jù)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出爆破區(qū)域各地層的滲透系數(shù)，以檢驗(yàn)封堵效果。若封堵效果不滿足要求，則需要采用袖閥管注漿方案對爆破后的松散地層進(jìn)行注漿加固，以確保盾構(gòu)保壓施工。

8 結(jié)論與建議

深孔松動爆破技術(shù)在深圳地鐵二期工程中開始摸索和應(yīng)用，硬巖經(jīng)過松動爆破處理以后，盾構(gòu)均能安全通過，但處理的硬巖段長度均未超過50 m。本工程結(jié)合突起硬巖的高度和強(qiáng)度，對555 m的硬巖段采用了不同間距的布孔方式和先弱后強(qiáng)的起爆順序，目前已經(jīng)完成140 m的硬巖段處理，爆破處理后的硬巖碎塊直徑均小于20 cm。為盾構(gòu)順利穿越長距離硬巖段掃清了障礙，為加快盾構(gòu)掘進(jìn)速度創(chuàng)造了有利條件，同時降低了盾構(gòu)在上軟下硬地段掘進(jìn)的安全風(fēng)險。該工程的順利實(shí)施，證明了深孔松動爆破技術(shù)是確保盾構(gòu)在長距離硬巖段中順利掘進(jìn)的重要輔助措施，為深孔松動爆破技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需根據(jù)盾構(gòu)出渣和刀具磨損情況，綜合判定刀具磨損程度較為經(jīng)濟(jì)合理時的巖石碎塊直徑，進(jìn)而驗(yàn)證和優(yōu)化深孔爆破布孔間距、單位耗藥量和單孔裝藥量等設(shè)計參數(shù)。

［1］ 劉建國.深圳地鐵軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工對策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(5):79 －83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in hard and soft mixed strata of Shenzhen subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47(5):79 －83.(in Chinese))

［2］ 劉建國.深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)［J］.隧道建設(shè)，2012，32(1):72 －87.(LIU Jianguo.Overview of shield tunneling in construction of Shenzhen Metro［J］.Tunnel Construction，2012，32(1):72 －87.(in Chinese))

［3］ 潘興良，任秋紅.無臨空面深孔爆破技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用［J］.建筑，2011(8):70－71.

［4］ 劉建國.深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究與實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］ 汪旭光，于亞倫，劉殿中，等.爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］ 劉殿中，楊仕春.工程爆破實(shí)用手冊［M］.2版.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.