盾構(gòu)施工中隧道限界內(nèi)基巖突起的深孔爆破預處理技術(shù)研究*

穆永江

(中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司， 518083， 深圳//高級工程師)

在盾構(gòu)法隧道施工過程中，經(jīng)常會遇到復雜地層[1-4]，其中一類被稱為上軟下硬的地層。該地層通常在隧道限界內(nèi)隨機分布著大量的基巖突起。盾構(gòu)機在此類地層的施工中，刀具磨耗相當嚴重，并且很難有效地對高強度的基巖突起進行破除。由于巖體上部為軟弱土層，極易發(fā)生沉降變形。在此情況下，盾構(gòu)機掘進效率極低，盾構(gòu)姿態(tài)很難保持，處理時間較長，嚴重影響了施工進度。因此有效、快速地處理好上軟下硬地層中的盾構(gòu)施工是一項技術(shù)難題。

目前，許多學者對盾構(gòu)施工過程中隧道限界內(nèi)出現(xiàn)孤石及基巖突起的處理方法進行了研究。文獻[5]提出了盾構(gòu)機是否可以直接破碎孤石的條件。文獻[6]以廣珠城際軌道交通工程為例，總結(jié)分析了利用沖擊鉆機破碎孤石的方法。文獻[7]以東莞市軌道交通R2線盾構(gòu)區(qū)間為例，分析了盾構(gòu)在孤石及上軟下硬地層中掘進所存在的風險。文獻[8]簡單介紹了針對隧道限界內(nèi)出現(xiàn)的孤石，在地面進行鉆孔，然后下管布置炸藥進行破碎的方法。

本文針對盾構(gòu)穿越上軟下硬復合地層的施工技術(shù)進行研究，通過在試驗區(qū)段進行地面鉆孔預裂爆破處理孤石的試驗，提出合理、科學的爆破參數(shù)及掘進參數(shù)，結(jié)合路面注漿封孔技術(shù)及變形精細化控制技術(shù)，最終使得盾構(gòu)機快速、安全、高質(zhì)量地穿越該區(qū)域，可為類似工程的施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

橫琴隧道1號井—灣仔北區(qū)間位于珠海市市區(qū)南灣大道，線路左側(cè)臨海，周邊分布多種建筑物，其結(jié)構(gòu)和建筑年限均不相同，環(huán)境復雜。施工區(qū)間位于主干道下，來往車輛繁多。珠海屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛，年降雨量為1 770～2 300 mm。

盾構(gòu)隧道全長1.237 km，雙洞單線，且處于曲線段，縱斷面為下坡，最大坡度為15.7‰，隧道頂覆土厚度為6.1～16.5 m。其中左、右線均存在較長距離的上軟下硬不良地質(zhì)段。該地段隧道限界內(nèi)基巖多為花崗巖，且?guī)r性較為復雜，差異性風化十分明顯。

2 深孔爆破方案設計

對已探明巖石的不良地質(zhì)，采用地面鉆孔，并裝炸藥爆破隧洞范圍內(nèi)巖石，爆破完成后巖體破碎為單邊長度小于30 cm的碎塊，可順利通過盾構(gòu)刀盤開口進入土倉，并能通過螺旋機出渣，進而提高施工效率、縮短施工工期。部分深孔爆破試驗區(qū)段地質(zhì)斷面情況如圖1所示。

圖1 部分深孔爆破試驗區(qū)段地質(zhì)斷面圖

2.1 爆破參數(shù)設計

2.1.1 鉆孔直徑

在地面布置地質(zhì)鉆機進行鉆孔施工，鉆孔孔徑為φ90 mm，然后在所鉆孔內(nèi)放入PVC(聚氯乙烯)套管用于布置炸藥，其直徑小于鉆孔直徑15 mm?？紤]到場地的特殊性，施工中增加130 mm的輔助孔。

2.1.2 鉆孔形式

采用垂直鉆孔形式，鉆孔過程中用泥漿護孔，必要時下鋼套筒。成孔后下φ75 mm的PVC套管護孔，套管底需安有堵頭，爆破前孔口需遮蓋，以防止異物掉入堵塞炮孔。

2.1.3 火工材料

炸藥統(tǒng)一采用乳化炸藥，且防水性較好，雷管孔內(nèi)采用毫秒式導爆管，起爆雷管采用普通導爆管。

2.1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡

由于施工隧道埋深較深(約20 m)，故起爆炸藥通過細軟鋼絲懸掛在需處理的基巖突起位置。炸藥布置在PVC管內(nèi)基巖位置，且偏差在5 cm以內(nèi)。PVC套管內(nèi)有水壓，需對起爆體實施抗浮措施。

爆破采用激發(fā)針起爆方式，每孔安裝2個雷管，且分別屬于不同的爆破網(wǎng)絡,將這2個爆破網(wǎng)絡并聯(lián)然后引爆。爆破網(wǎng)絡示意圖如圖2所示。

圖2 爆破網(wǎng)絡示意圖

2.1.5 單耗藥量計算

需要爆破處理的巖石位置較深，且地下水位較高，屬水下爆破范疇。借鑒瑞典爆破計算規(guī)范，單耗藥量計算如下：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

式中：

q——單耗藥量；

q1——基本裝藥量，為一般陸地梯段爆破的2倍，當采用水下垂直鉆孔時，該值再增加10%；

q2——爆破點上方的水壓力增量，q2=0.01h2，h2為水位深度；

q3——爆破點上覆土層的增量，q3=0.02h3，h3為上覆土層厚度；

q4——巖石的膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度。

本文h平均取4m，h2平均取20 m，h3平均取18 m，q1取1.1 kg/m3。經(jīng)計算，q=1.84 kg/m3。

2.1.6 爆破與布孔分區(qū)

由于該隧道埋深在20 m以下，對基巖突起的爆破難度很大，為此要進行間隔爆破：首先對較薄的巖層前排孔位進行爆破，使得爆破區(qū)域因爆破氣壓出現(xiàn)空隙；然后進行后排孔起爆，這樣前排孔的爆破會為后排孔的爆破提供充分的自由面，使得爆破效果最佳。炮孔間距及每排孔之間的距離均為70 cm，鉆孔超深控制在1.0～2.0 m之間，裝藥深度比基巖厚度深約1.0 m。

由于爆破試驗區(qū)位于主干道，如進行全封閉施工，勢必會影響到正常車輛的通行，因此正式施工時采取分區(qū)分段施工。將施工區(qū)域沿隧道中心線分為東西兩個區(qū)域。爆破試驗段爆破及布孔分區(qū)如圖3所示，西區(qū)布孔同東區(qū)布孔方式。

a) 爆破分區(qū)

b) 布孔分區(qū)

將圖3 a)中的單區(qū)設置為4塊，爆破方式為少量多爆，即各個區(qū)域分別完成4～5孔后進行一次集中爆破。爆破順序(見圖3 b))為先進行1、3、5、7爆破，完成后再進行2、4、6、8區(qū)域鉆孔爆破。

2.1.7 藥包加工及就位

炮孔布置完成后進行驗收，驗收合格且爆破之前應設置警戒區(qū)進行藥包加工。用切割機準備好1/4的φ75 mm的PVC套管，用于固定炸藥，長度根據(jù)藥包的長度及配重的長度之和來確定。每個孔位根據(jù)驗孔情況計算藥包長度，然后下放到指定的位置。藥包加工示意圖如圖4所示。鉆孔完畢后孔內(nèi)會留有泥漿，為了使炸藥順利下放，要對炸藥進行適當?shù)呐渲?。鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)及爆破平面布孔情況如圖5～6所示。

a) 單段藥包

b) 分段藥包

2.1.8 炮孔堵塞

藥包布置好后，使用粒徑10 mm的碎石對炮孔進行堵塞，以防止泥漿冒出及套管的隆起，為了增加爆破施工的安全性，地面設置防護覆蓋裝置，如圖7所示。每次爆破后要對已爆破孔進行封堵，防止泥漿及飛石噴出。

注：a表示孔距，a=0.8～1.5 m

a) 限界內(nèi)基巖厚度為0～4.0 m

b) 隧道限界內(nèi)基巖厚度為4.0 m以上

注：b表示排距，b=0.8～1.5 m

圖6 基巖突起爆破布孔平面示意圖

圖7 爆破防護示意圖

2.2 爆破安全校核

為保證爆破作業(yè)的安全，避免對周圍的交通、住宅等環(huán)境造成不必要的損壞，施工前必須要進行安全校核工作，須對計算得到的安全用藥量及安全距離進行嚴格控制。爆破地震安全距離計算如下：

(2)

式中：

R——爆破地震安全距離；

V——地震安全速度；

Q——最大段裝藥量；

K——與地質(zhì)條件有關的系數(shù)；

α——爆破衰減系數(shù)。

2.3 主要施工控制要點

(1) 鉆孔定位：根據(jù)設計方案進行定位鉆孔，采用RTK-DGPS定位系統(tǒng)(精度：水平為±2 cm+2×10-6cm，高程為±4 cm+4×10-6cm)及全站儀定位，孔位偏差要小于20 cm。

(2) 鉆孔標高控制及驗收：鉆孔人員利用測深繩在鉆孔完畢及爆破之前對炮孔進行嚴格控制，并定期校核。同時需提交記錄詳細的鉆孔參數(shù)，包括鉆孔直徑、孔距、排距、觸巖標高以及鉆孔深度等，誤差要小于10 cm。

(3) 炮孔裝藥：藥包加工完成后進行裝藥操作，嚴格按照設計要求進行炸藥的布置及起爆體的加工安裝，嚴格控制好炸藥放置標高。炸藥安裝好以后用碎石對炮孔的上部進行填塞，一次起爆的炮孔全部裝好炸藥后，聯(lián)接起爆網(wǎng)路。

(4) 封孔：爆破施工完畢后，施工場地會留有殘孔，為保持盾構(gòu)機通過爆破處理孤石區(qū)域時土壓的穩(wěn)定，需要對余孔進行密封堵塞，以避免盾構(gòu)通過爆破區(qū)域時發(fā)生冒漿等事故。采用袖閥管樁及雙液注漿進行施工，封孔措施為：①使用地質(zhì)鉆機對已爆孔進行清掃，保證孔內(nèi)無PVC殘留；②將堵塞用石子和水泥在地面干拌均勻；③將人工將拌好的水泥石子裝填入清掃好的孔內(nèi)，并保證填塞長度不小于孔深的2/3；④因孔內(nèi)有水，裝入的水泥石子遇水會膨脹固結(jié)，從而達到密封孔的效果。

3 效果檢測

對隧道巖石進行爆破試驗的目的主要是檢驗采用預爆破方法能否有效地減少盾構(gòu)單環(huán)掘進時間,從而提高施工效率，最終滿足施工計劃工期。

當已爆區(qū)域達到一定范圍，應在此范圍內(nèi)再次鉆孔取芯，以檢驗爆破效果。根據(jù)經(jīng)驗，地下巖體爆破影響范圍為2～3 m，因此選取每6～9 m2爆破區(qū)域布置1組取芯孔來檢驗效果，然后根據(jù)取芯情況科學地調(diào)整爆破參數(shù)及取芯參數(shù)。試驗段爆破施工后，爆破效果如圖8～9所示。

圖8 試驗段爆破處理前后盾構(gòu)機掘進速度比較圖

圖9 試驗段爆破處理前后盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速比較圖

對隧道限界內(nèi)的基巖進行深孔爆破處理以后，巖石破碎成20 mm以下的碎塊，由于爆破效果很好，導致根本就無法鉆芯取樣。由圖8～9可以看出，經(jīng)過深孔爆破預處理后，盾構(gòu)機推進過程中的刀盤轉(zhuǎn)速顯著降低，且推進速度最大提高了7倍，未經(jīng)爆破處理區(qū)段每天推進1環(huán)左右，經(jīng)過深孔爆破處理基巖突起后，平均每天推進6環(huán)左右。

4 結(jié)語

本文針對盾構(gòu)穿越上軟下硬復合地層的施工技術(shù)展開研究。對隧道限界內(nèi)突起的基巖應用深孔爆破技術(shù)進行預處理，并動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)。爆破后基巖均被破碎成20 mm以下的碎塊，最終使得盾構(gòu)機推進速度最大提高了7倍，保證了盾構(gòu)機順利、快速地通過該復雜區(qū)域。