盾構(gòu)隧道基巖起伏凸起段施工技術(shù)研究

張中明

(中鐵十九局集團有限公司 北京 101176)

1 前言

粵港澳大灣區(qū)作為中國經(jīng)濟發(fā)展的龍頭，為適應(yīng)經(jīng)濟的高速發(fā)展，大灣區(qū)城市群加速城市軌道交通建設(shè)，基巖起伏凸起、不同巖性接觸面及風(fēng)化深槽等不良地質(zhì)與特殊巖土層在大灣區(qū)城市群城市軌道交通建設(shè)中較常見。如何規(guī)避此類地層給施工所帶來的重大風(fēng)險已成為當前城市軌道交通施工急需解決的問題。

朱小藻[1]以廣州地鐵21號線中新站至中間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，對盾構(gòu)穿越片麻巖復(fù)合地層施工技術(shù)展開研究；丁銳等[2]采用高密度電法和鉆孔取芯相結(jié)合的方法驗證了基巖預(yù)處理效果；陽軍生等[3]以臺山核電站取水隧道為背景，引入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換量FPI、TPI指數(shù)及比能進行研究，研究表明，經(jīng)爆破處理后，基巖巖體受到不同程度破碎，盾構(gòu)機推力及扭矩能有效發(fā)揮其功能，掘進效能提高；王志龍等[4]通過深孔精細控制爆破技術(shù)，成功解決了福州地鐵6號線濱海新城站～壺井站盾構(gòu)區(qū)間圍巖凸起難題；宋曉峰[5]以東莞地鐵1號線濕地公園站為依托，確定了城市生態(tài)敏感區(qū)地鐵車站高強度基巖爆破施工總體施工順序，爆破施工要點，基坑基巖爆破施工參數(shù)，裝藥結(jié)構(gòu)與爆破網(wǎng)路設(shè)計；陳建福等[6]深入研究了廈門地鐵2號線海東區(qū)間孤石密集及基巖凸起段的盾構(gòu)機適用性及盾構(gòu)掘進參數(shù)。

本文以東莞地鐵1號線大朗站～濕地公園站區(qū)間為背景，針對盾構(gòu)隧道區(qū)間存在基巖起伏凸起段的施工技術(shù)進行研究，對不同施工方案進行質(zhì)量控制、進度控制、成本控制及安全管理(“三控一管理”)的比選，提出適合該地層的科學(xué)合理的施工方案，確保該地層施工安全高效進行，為類似地層施工提供技術(shù)借鑒。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

擬建大朗站～濕地公園站區(qū)間為東莞市城市軌道交通1號線一期工程第18個區(qū)間，本區(qū)間線路出大朗站后，下穿東莞廣達塑膠制品有限公司及智榮針織廠廠區(qū)，前后依次以800 m的曲線半徑采用“S”型線路進入富民中路，并一直沿富民中路以直線形式敷設(shè)，在濕地公園西南側(cè)接入濕地公園站。大朗站～濕地公園站區(qū)間隧道設(shè)計起訖里程為:YCK42＋630.645～YCK45＋347.873，右線長度為2 717.228 m；ZCK42 ＋630.645～ZK45 ＋347.873，左線短鏈0.231 m，左線長度為2 716.997 m。本區(qū)間隧道線間距為13.0～14.0 m，基底埋深約17.0～32.46 m，采用盾構(gòu)法施工。

2.2 區(qū)間工程地質(zhì)

本區(qū)間隧道主要穿越地層為<6-6>砂質(zhì)黏性土、<8-1>全風(fēng)化、<8-2>強風(fēng)化、<8-2-1>碎塊狀強風(fēng)化混合花崗巖層，部分區(qū)段穿越<8-3>中風(fēng)化及<8-4>微風(fēng)化混合花崗巖層，如圖1所示。

圖1 區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

地勘報告顯示區(qū)間隧道于里程ZDK43＋360、ZDK43＋485區(qū)段遇中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖層基巖面起伏較大，軟硬不均現(xiàn)象嚴重，且基巖凸起段中微風(fēng)化巖凸入隧道內(nèi)，巖石飽和抗壓強度值約在18～140 MPa范圍內(nèi)，最大值為140 MPa，區(qū)間長度約130 m。地下水穩(wěn)定水位標高為6.35～43.0 m。經(jīng)過綜合比選，該區(qū)間硬巖凸起段(上軟下硬段)約90 m，擬采用深孔控制爆破預(yù)處理后盾構(gòu)掘進。根據(jù)設(shè)計圖紙及地質(zhì)勘查資料統(tǒng)計，盾構(gòu)區(qū)間基巖凸起段需爆破石方約3 000 m3，擬處理區(qū)間部位及范圍如表1所示。

表1 大～濕區(qū)間擬處理基巖凸起段及范圍

3 盾構(gòu)區(qū)間基巖起伏段方案比選

實際工程中處理盾構(gòu)隧道基巖起伏凸起段有注漿加固＋盾構(gòu)直接掘進、沖(挖)孔樁＋素混凝土回填預(yù)處理＋盾構(gòu)直接掘進、開倉靜態(tài)預(yù)處理、掌子面加固＋人工破碎、更換刀具＋盾構(gòu)直接掘進、深孔控制爆破等施工措施[7－9]。根據(jù)大朗站～濕地公園站區(qū)間詳勘資料顯示，該區(qū)間基巖起伏凸起段巖質(zhì)脆而堅硬，巖芯較完整，多呈長柱狀，柱狀節(jié)長一般10～40 cm，巖石RQD約為93.5。巖石硬度系數(shù)f＝8～12，飽和抗壓強度最大值為140 MPa，為降低盾構(gòu)隧道基巖起伏凸起段施工風(fēng)險，確保盾構(gòu)施工順利進行，對不同施工方案進行質(zhì)量控制、進度控制、成本控制及安全管理(“三控一管理”)的比選，具體施工方案比選如圖2所示，本區(qū)間決定采用深孔控制爆破＋袖閥管注漿預(yù)處理方案。

圖2 大～濕區(qū)間盾構(gòu)隧道基巖起伏凸起段施工方案比選

4 盾構(gòu)區(qū)間基巖起伏段施工技術(shù)要點

4.1 控制爆破方案流程

本區(qū)間基巖起伏凸起段擬先采用深孔控制爆破進行預(yù)處理，地質(zhì)鉆機地面垂直鉆孔，準確探明基巖凸起段厚度，對已探明基巖厚度區(qū)域采取潛孔鉆機跟鋼套管成孔，加快施工進度。對基巖起伏凸起段實施爆破，基巖破碎程度要滿足盾構(gòu)直接掘進要求，即小于30 cm[10]。具體施工流程如圖3所示。

圖3 基巖起伏凸起段控制爆破預(yù)處理施工流程

4.2 設(shè)備選型及爆破器材選擇

根據(jù)區(qū)間基巖起伏凸起段工程地質(zhì)情況、工程進度與質(zhì)量標準及爆破區(qū)域周邊環(huán)境對爆破震動要求，并結(jié)合工程所在區(qū)域設(shè)備租賃市場需求，本次爆破施工采用的施工機具、儀表配置如表2所示。

表2 施工機具、儀表配置

根據(jù)基巖巖性及盾構(gòu)直接掘進對爆破破碎程度要求，采用直徑32 mm與60 mm的乳化炸藥。套管內(nèi)起爆雷管采用7 m與30 m非電和數(shù)碼電子雷管。具體爆破器材如表3所示。

4.3 布孔及鉆孔技術(shù)參數(shù)

基巖鉆孔孔徑D＝110 mm，孔內(nèi)放D＝90 mm的聚氯乙烯(PVC)套管，根據(jù)施工現(xiàn)場周邊環(huán)境及實際工況布置鉆孔。鉆孔孔距在0.6～0.8 m之間，排距為0.5～0.7 m，鉆孔超深0.5～1.0 m，超深部分預(yù)留空腔，不裝藥。大規(guī)模爆破施工前，需選取試驗進行試爆，抽芯后驗證爆破效果，并根據(jù)爆破效果及時調(diào)整爆破參數(shù)?？變?nèi)安裝內(nèi)徑為90 mm的PVC管護孔，防止塌孔造成堵孔。空孔為破碎巖石起到提供臨空面及貫穿左右，不進行裝藥。

4.4 炸藥單耗

本區(qū)間基巖爆破炸藥單耗取3.0～3.5 kg/m3，爆破作業(yè)過程中根據(jù)試驗段爆破參數(shù)及檢驗破碎效果后優(yōu)化的爆破參數(shù)進行爆破預(yù)處理。鉆孔裝藥時，根據(jù)基巖巖體的厚度、巖性參數(shù)、基巖強度、地下管線、周邊建(構(gòu))筑物要求，采取分段間隔裝藥或連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。各炮孔裝藥參數(shù)如表4所示。

表4 基巖凸起部位裝藥參數(shù)

4.5 裝藥結(jié)構(gòu)

鉆孔裝藥形式取決于基巖起伏凸起段厚度，對于基巖厚度大于3 m的采取分段間隔裝藥結(jié)構(gòu)，基巖厚度小于3 m的采取集中裝藥結(jié)構(gòu)[11]。如圖4、圖5所示，基巖爆破鉆孔平面布置如圖6所示。

圖4 厚度>3.0 m基巖爆破間隔裝藥結(jié)構(gòu)示意

圖5 厚度<3.0 m基巖爆破間隔裝藥結(jié)構(gòu)示意

圖6 基巖爆破鉆孔平面布置

4.6 裝藥及堵塞

基巖爆孔布置完成后，依規(guī)范要求驗收，并按爆破安全警戒要求設(shè)置警戒區(qū)域，爆破所需藥包需在警戒區(qū)域加工，爆孔堵塞材料選用級配良好碎石混合中粗砂。藥包加工示意如圖7所示。

4.7 防護及覆蓋

根據(jù)爆破震動效應(yīng)及施工現(xiàn)場周邊對爆破震動要求，本次爆破擬采用“孔口沙包＋5 mm厚鋼板＋沙包或噸桶壓頂”的復(fù)合防護措施。在爆破體表面范圍以外1 m采用雙層沙包圍成高度不低于0.5 m的沙包墻，孔口壓沙包，上部放置5 mm厚的鋼板并壓沙包及噸桶，防止泥漿沖出[12]。如圖8所示。

4.8 盲炮處理

引起盲炮的因素有很多，基于現(xiàn)場實際，當出現(xiàn)以下兩種情況時，我們可認為產(chǎn)生了盲炮:(1)實際爆破效果與裝藥量不符；(2)爆破區(qū)域出現(xiàn)未爆破炮孔。當現(xiàn)場出現(xiàn)盲炮狀況時，要根據(jù)現(xiàn)場情況排查盲炮產(chǎn)生的原因，并以此為依據(jù)確定盲炮處理的方法，在盲炮處理完成前，不應(yīng)解除現(xiàn)場警戒。

4.9 袖閥管注漿施工工藝

本區(qū)間基巖起伏凸起段經(jīng)過深孔控制爆破預(yù)處理后，巖石碎塊不大于30 cm，爆破區(qū)地層受到較大擾動，基巖內(nèi)部出現(xiàn)部分裂縫，為確保盾構(gòu)直接掘進通過爆破區(qū)時巖層的完整度，防止地下水或地下徑流沿爆破裂縫滲入隧道掌子面，擬對爆破區(qū)采取全區(qū)域袖閥管注漿施工工藝，通過高壓將漿液注(壓)入基巖內(nèi)部，以達到降低基巖內(nèi)部流體密度，密實基巖，確保爆破后基巖整體性。在基巖爆破區(qū)周圍設(shè)置兩排袖閥管注漿孔，其中第一排注漿孔距離爆破區(qū)外邊緣1.0 m，兩排注漿孔間距1.5 m，孔排距1.0 m，矩形交錯布置，注漿孔深度為盾構(gòu)隧道底部1.5 m處；在基巖爆破區(qū)范圍內(nèi)整體設(shè)置袖閥管注漿孔，注漿孔間距1.5 m，排距1.0 m，矩形交錯布置，注漿孔超深1.5 m。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

深孔控制爆破預(yù)處理施工工藝綜合成本低，盾構(gòu)直接掘進過程中刀具損耗、更換及維護費用較低，經(jīng)濟效益顯著。大朗站～濕地公園站區(qū)間基巖起伏凸起段需處理線路共計90 m，整個盾構(gòu)掘進施工過程中可減少刀具更換1次，更換成本約為150萬元/次，整個過程需要時間6 d/次，減少各類刀具損耗約45把。施工總工期可壓縮45 d，項目部開支(包含各類費用)約為4萬元/d，綜合分析，可節(jié)省費用約465萬元，深孔控制爆破費用約為200萬元，總經(jīng)濟效益約為265萬元，可節(jié)省56.98%的費用。本標段工程共包含三區(qū)間，將該施工工藝應(yīng)用區(qū)間相同地層，經(jīng)濟效益更為顯著。

5.2 社會效益

(1)基巖起伏凸起段控制爆破預(yù)處理技術(shù)，不僅降低了頻繁更換刀具帶來的經(jīng)濟損失，同時有利于盾構(gòu)掘進快速、高效、安全通過該區(qū)域，縮短施工工期，提升工程質(zhì)量，該技術(shù)的應(yīng)用得到建設(shè)單位及其他參建主體的肯定，為單位取得了良好的社會信譽及社會效益。

(2)通過對基巖起伏凸起段控制爆破預(yù)處理技術(shù)的研究，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的現(xiàn)場工程技術(shù)人員，提高了現(xiàn)場技術(shù)人員的科研思維能力，該技術(shù)的應(yīng)用推廣，同時也提升了企業(yè)在該區(qū)域的軟實力。

5.3 環(huán)保效益

(1)基巖控制爆破后袖閥管注漿技術(shù)的實施，有效控制了地下水在該區(qū)域的滲透，避免了地下水滲透的風(fēng)險。

(2)深孔控制爆破技術(shù)實施，有效控制了爆破飛石，施工噪聲較小。

6 結(jié)束語

(1)以大朗站～濕地公園站區(qū)間為依托，對區(qū)間基巖起伏凸起段采用深孔控制爆破＋袖閥管注漿預(yù)處理施工工藝，通過方案優(yōu)化與調(diào)整，形成一套適合該地層的施工措施，確保盾構(gòu)掘進順利通過。

(2)在確保施工安全的前提下，該爆破施工方案節(jié)省成本約265萬元，減少工期45 d，提高工程質(zhì)量，在滿足施工工籌情況下，取得良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益。