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

穆永江

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

在盾構(gòu)法隧道施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)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(jī)分布著大量的基巖突起。盾構(gòu)機(jī)在此類地層的施工中，刀具磨耗相當(dāng)嚴(yán)重，并且很難有效地對(duì)高強(qiáng)度的基巖突起進(jìn)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(jī)掘進(jìn)效率極低，盾構(gòu)姿態(tài)很難保持，處理時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)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(xiàng)技術(shù)難題。

目前，許多學(xué)者對(duì)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(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]提出了盾構(gòu)機(jī)是否可以直接破碎孤石的條件。文獻(xiàn)[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(jī)破碎孤石的方法。文獻(xiàn)[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(jìn)所存在的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]簡(jiǎn)單介紹了針對(duì)隧道限界內(nèi)出現(xiàn)的孤石，在地面進(jìn)行鉆孔，然后下管布置炸藥進(jìn)行破碎的方法。

本文針對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層的施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過在試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行地面鉆孔預(yù)裂爆破處理孤石的試驗(yàn)，提出合理、科學(xué)的爆破參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，結(jié)合路面注漿封孔技術(shù)及變形精細(xì)化控制技術(shù)，最終使得盾構(gòu)機(jī)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(hào)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(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)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(fù)雜，差異性風(fēng)化十分明顯。

2 深孔爆破方案設(shè)計(jì)

對(duì)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(zhǎng)度小于30 cm的碎塊，可順利通過盾構(gòu)刀盤開口進(jìn)入土倉(cāng)，并能通過螺旋機(jī)出渣，進(jìn)而提高施工效率、縮短施工工期。部分深孔爆破試驗(yàn)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(yàn)區(qū)段地質(zhì)斷面圖

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 鉆孔直徑

在地面布置地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)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。考慮到場(chǎng)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(hù)孔，必要時(shí)下鋼套筒。成孔后下φ75 mm的PVC套管護(hù)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(dǎo)爆管，起爆雷管采用普通導(dǎo)爆管。

2.1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)

由于施工隧道埋深較深(約20 m)，故起爆炸藥通過細(xì)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(duì)起爆體實(shí)施抗浮措施。

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

圖2 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.1.5 單耗藥量計(jì)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(jì)算規(guī)范，單耗藥量計(jì)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(dāng)采用水下垂直鉆孔時(shí)，該值再增加10%；

q2——爆破點(diǎn)上方的水壓力增量，q2=0.01h2，h2為水位深度；

q3——爆破點(diǎn)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(jì)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(duì)基巖突起的爆破難度很大，為此要進(jìn)行間隔爆破：首先對(duì)較薄的巖層前排孔位進(jìn)行爆破，使得爆破區(qū)域因爆破氣壓出現(xiàn)空隙；然后進(jìn)行后排孔起爆，這樣前排孔的爆破會(huì)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(yàn)區(qū)位于主干道，如進(jìn)行全封閉施工，勢(shì)必會(huì)影響到正常車輛的通行，因此正式施工時(shí)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(gè)區(qū)域。爆破試驗(yàn)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(shè)置為4塊，爆破方式為少量多爆，即各個(gè)區(qū)域分別完成4～5孔后進(jìn)行一次集中爆破。爆破順序(見圖3 b))為先進(jìn)行1、3、5、7爆破，完成后再進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格且爆破之前應(yīng)設(shè)置警戒區(qū)進(jìn)行藥包加工。用切割機(jī)準(zhǔn)備好1/4的φ75 mm的PVC套管，用于固定炸藥，長(zhǎng)度根據(jù)藥包的長(zhǎng)度及配重的長(zhǎng)度之和來確定。每個(gè)孔位根據(jù)驗(yàn)孔情況計(jì)算藥包長(zhǎng)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(huì)留有泥漿，為了使炸藥順利下放，要對(duì)炸藥進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲亍ｃ@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(duì)炮孔進(jìn)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(shè)置防護(hù)覆蓋裝置，如圖7所示。每次爆破后要對(duì)已爆破孔進(jìn)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(hù)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(duì)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(jìn)行安全校核工作，須對(duì)計(jì)算得到的安全用藥量及安全距離進(jìn)行嚴(yán)格控制。爆破地震安全距離計(jì)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(guān)的系數(shù)；

α——爆破衰減系數(shù)。

2.3 主要施工控制要點(diǎn)

(1) 鉆孔定位：根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(biāo)高控制及驗(yàn)收：鉆孔人員利用測(cè)深繩在鉆孔完畢及爆破之前對(duì)炮孔進(jìn)行嚴(yán)格控制，并定期校核。同時(shí)需提交記錄詳細(xì)的鉆孔參數(shù)，包括鉆孔直徑、孔距、排距、觸巖標(biāo)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(jìn)行裝藥操作，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行炸藥的布置及起爆體的加工安裝，嚴(yán)格控制好炸藥放置標(biāo)高。炸藥安裝好以后用碎石對(duì)炮孔的上部進(jìn)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(chǎng)地會(huì)留有殘孔，為保持盾構(gòu)機(jī)通過爆破處理孤石區(qū)域時(shí)土壓的穩(wěn)定，需要對(duì)余孔進(jìn)行密封堵塞，以避免盾構(gòu)通過爆破區(qū)域時(shí)發(fā)生冒漿等事故。采用袖閥管樁及雙液注漿進(jìn)行施工，封孔措施為：①使用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)已爆孔進(jìn)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(zhǎng)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(huì)膨脹固結(jié)，從而達(dá)到密封孔的效果。

3 效果檢測(cè)

對(duì)隧道巖石進(jìn)行爆破試驗(yàn)的目的主要是檢驗(yàn)采用預(yù)爆破方法能否有效地減少盾構(gòu)單環(huán)掘進(jìn)時(shí)間,從而提高施工效率，最終滿足施工計(jì)劃工期。

當(dāng)已爆區(qū)域達(dá)到一定范圍，應(yīng)在此范圍內(nèi)再次鉆孔取芯，以檢驗(yàn)爆破效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)效果，然后根據(jù)取芯情況科學(xué)地調(diào)整爆破參數(shù)及取芯參數(shù)。試驗(yàn)段爆破施工后，爆破效果如圖8～9所示。

圖8 試驗(yàn)段爆破處理前后盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度比較圖

圖9 試驗(yàn)段爆破處理前后盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速比較圖

對(duì)隧道限界內(nèi)的基巖進(jìn)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(dǎo)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(yù)處理后，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的刀盤轉(zhuǎn)速顯著降低，且推進(jìn)速度最大提高了7倍，未經(jīng)爆破處理區(qū)段每天推進(jìn)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(jìn)6環(huán)左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層的施工技術(shù)展開研究。對(duì)隧道限界內(nèi)突起的基巖應(yīng)用深孔爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，并動(dòng)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(jī)推進(jìn)速度最大提高了7倍，保證了盾構(gòu)機(jī)順利、快速地通過該復(fù)雜區(qū)域。