盾構隧道基巖起伏凸起段施工技術研究

張中明

(中鐵十九局集團有限公司 北京 101176)

1 前言

粵港澳大灣區作為中國經濟發展的龍頭，為適應經濟的高速發展，大灣區城市群加速城市軌道交通建設，基巖起伏凸起、不同巖性接觸面及風化深槽等不良地質與特殊巖土層在大灣區城市群城市軌道交通建設中較常見。如何規避此類地層給施工所帶來的重大風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井盾構區間為工程背景，對盾構穿越片麻巖復合地層施工技術展開研究；丁銳等[2]采用高密度電法和鉆孔取芯相結合的方法驗證了基巖預處理效果；陽軍生等[3]以臺山核電站取水隧道為背景，引入參數轉換量FPI、TPI指數及比能進行研究，研究表明，經爆破處理后，基巖巖體受到不同程度破碎，盾構機推力及扭矩能有效發揮其功能，掘進效能提高；王志龍等[4]通過深孔精細控制爆破技術，成功解決了福州地鐵6號線濱海新城站～壺井站盾構區間圍巖凸起難題；宋曉峰[5]以東莞地鐵1號線濕地公園站為依托，確定了城市生態敏感區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，裝藥結構與爆破網路設計；陳建福等[6]深入研究了廈門地鐵2號線海東區間孤石密集及基巖凸起段的盾構機適用性及盾構掘進參數。

本文以東莞地鐵1號線大朗站～濕地公園站區間為背景，針對盾構隧道區間存在基巖起伏凸起段的施工技術進行研究，對不同施工方案進行質量控制、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借鑒。

2 工程概況

2.1 區間概況

擬建大朗站～濕地公園站區間為東莞市城市軌道交通1號線一期工程第18個區間，本區間線路出大朗站后，下穿東莞廣達塑膠制品有限公司及智榮針織廠廠區，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，在濕地公園西南側接入濕地公園站。大朗站～濕地公園站區間隧道設計起訖里程為: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，采用盾構法施工。

2.2 區間工程地質

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

圖1 區間地質縱斷面圖

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

表1 大～濕區間擬處理基巖凸起段及范圍

3 盾構區間基巖起伏段方案比選

實際工程中處理盾構隧道基巖起伏凸起段有注漿加固＋盾構直接掘進、沖(挖)孔樁＋素混凝土回填預處理＋盾構直接掘進、開倉靜態預處理、掌子面加固＋人工破碎、更換刀具＋盾構直接掘進、深孔控制爆破等施工措施[7－9]。根據大朗站～濕地公園站區間詳勘資料顯示，該區間基巖起伏凸起段巖質脆而堅硬，巖芯較完整，多呈長柱狀，柱狀節長一般10～40 cm，巖石RQD約為93.5。巖石硬度系數f＝8～12，飽和抗壓強度最大值為140 MPa，為降低盾構隧道基巖起伏凸起段施工風險，確保盾構施工順利進行，對不同施工方案進行質量控制、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，本區間決定采用深孔控制爆破＋袖閥管注漿預處理方案。

圖2 大～濕區間盾構隧道基巖起伏凸起段施工方案比選

4 盾構區間基巖起伏段施工技術要點

4.1 控制爆破方案流程

本區間基巖起伏凸起段擬先采用深孔控制爆破進行預處理，地質鉆機地面垂直鉆孔，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處理施工流程

4.2 設備選型及爆破器材選擇

根據區間基巖起伏凸起段工程地質情況、工程進度與質量標準及爆破區域周邊環境對爆破震動要求，并結合工程所在區域設備租賃市場需求，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

根據基巖巖性及盾構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。套管內起爆雷管采用7 m與30 m非電和數碼電子雷管。具體爆破器材如表3所示。

4.3 布孔及鉆孔技術參數

基巖鉆孔孔徑D＝110 mm，孔內放D＝90 mm的聚氯乙烯(PVC)套管，根據施工現場周邊環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，超深部分預留空腔，不裝藥。大規模爆破施工前，需選取試驗進行試爆，抽芯后驗證爆破效果，并根據爆破效果及時調整爆破參數。孔內安裝內徑為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

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

表4 基巖凸起部位裝藥參數

4.5 裝藥結構

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構，基巖厚度小于3 m的采取集中裝藥結構[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構示意

圖5 厚度<3.0 m基巖爆破間隔裝藥結構示意

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，依規范要求驗收，并按爆破安全警戒要求設置警戒區域，爆破所需藥包需在警戒區域加工，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

根據爆破震動效應及施工現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，基于現場實際，當出現以下兩種情況時，我們可認為產生了盲炮:(1)實際爆破效果與裝藥量不符；(2)爆破區域出現未爆破炮孔。當現場出現盲炮狀況時，要根據現場情況排查盲炮產生的原因，并以此為依據確定盲炮處理的方法，在盲炮處理完成前，不應解除現場警戒。

4.9 袖閥管注漿施工工藝

本區間基巖起伏凸起段經過深孔控制爆破預處理后，巖石碎塊不大于30 cm，爆破區地層受到較大擾動，基巖內部出現部分裂縫，為確保盾構直接掘進通過爆破區時巖層的完整度，防止地下水或地下徑流沿爆破裂縫滲入隧道掌子面，擬對爆破區采取全區域袖閥管注漿施工工藝，通過高壓將漿液注(壓)入基巖內部，以達到降低基巖內部流體密度，密實基巖，確保爆破后基巖整體性。在基巖爆破區周圍設置兩排袖閥管注漿孔，其中第一排注漿孔距離爆破區外邊緣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，注漿孔深度為盾構隧道底部1.5 m處；在基巖爆破區范圍內整體設置袖閥管注漿孔，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 經濟效益

深孔控制爆破預處理施工工藝綜合成本低，盾構直接掘進過程中刀具損耗、更換及維護費用較低，經濟效益顯著。大朗站～濕地公園站區間基巖起伏凸起段需處理線路共計90 m，整個盾構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，可節省費用約465萬元，深孔控制爆破費用約為200萬元，總經濟效益約為265萬元，可節省56.98%的費用。本標段工程共包含三區間，將該施工工藝應用區間相同地層，經濟效益更為顯著。

5.2 社會效益

(1)基巖起伏凸起段控制爆破預處理技術，不僅降低了頻繁更換刀具帶來的經濟損失，同時有利于盾構掘進快速、高效、安全通過該區域，縮短施工工期，提升工程質量，該技術的應用得到建設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處理技術的研究，培養了一批優秀的現場工程技術人員，提高了現場技術人員的科研思維能力，該技術的應用推廣，同時也提升了企業在該區域的軟實力。

5.3 環保效益

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

(2)深孔控制爆破技術實施，有效控制了爆破飛石，施工噪聲較小。

6 結束語

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

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