近接穿越引水隧洞中硬巖層機械劈裂開挖施工技術

荊 哲,冀玉豪,張陽陽,張文博,李文杰

(1.中交二公局第四工程有限公司,河南 洛陽 471002;2.河南科技大學,河南 洛陽 450064)

0 引言

隨著我國地下建設項目大量進行,越來越多城市地下工程需要穿越堅硬巖石地層,在開挖過程中,需考慮錯綜復雜的地下管線和地上建筑物。常規鉆爆法開挖掘進時,爆炸振動會對地下結構和地上建筑物產生較大影響[1-2],并且還存在安全風險和環保問題。為了解決上述問題,可采用靜態機械劈裂法代替爆破。該方法是利用巖石抗拉強度低的特性,從巖石內部破碎巖石,具有良好的可控性和環保性,在堅硬巖石中作用效果尤為顯著[3-6],被認為是最有發展前景的非爆破方法之一。國內于20世紀80年代開始機械劈裂法研究,現已在各個工程領域取得廣泛應用。童崢嶸[7]以江門市南山路隧道為例,為了避免爆破施工對周邊臨近構筑物產生不良影響,采用了劈裂法進行開挖,取得了良好成效。李永彪[8]等根據滇池外海北部水體置換通道改造工程的實際施工情況,研究了針對復雜環境下的非爆破施工技術,選擇了靜態破碎法和劈裂法作為非爆破破巖方法進行施工。張振等[9]根據深圳市地鐵2號線東沿線土建工程安托山站-僑香站區間的具體情況,使用靜態破碎技術,完成了在中風化花崗巖層中的無振動施工。以上工程項目均取得了不錯的預期效果,但針對近接穿越靜態劈裂法的模擬以及施工技術研究較少。

本文依托中交二公局四公司承建的深圳市石巖北清水隧洞工程項目,運用有限元軟件進行三維建模,針對爆破和機械劈裂兩種工況進行力學分析,比較其應力、位移,將數值模擬的爆破振動速度與規范要求和理論公式進行對比,研究靜態機械劈裂技術并論證其應用于近接穿越地鐵隧道工程項目的可行性。

1 工程概況

深圳市石巖北清水隧洞位于石巖外環路北側,隧洞暗洞起點位于石巖外環路與坑尾大道交叉口,出口位于龍潭古隧洞西口北側。隧洞長為728.957 m,整體走向沿外環路。隧洞結構形式為圓拱直墻式,直墻高度為1.75 m,拱部半徑為1.25 m,輪廓面積為6.83 m2。隧洞洞身巖性以微風化花崗巖為主,為堅硬巖,隧洞圍巖等級為Ⅲ級,洞頂覆土5～56 m,洞身范圍無不良地質。該工程隧洞南側有龍潭古隧道并需上穿地鐵6號線,施工中需滿足爆破安全振動速度要求。鑒于上述情況,為了滿足自然因素及環境特點,同時考慮最不利情況,選取清水隧洞與地鐵6號線相交斷面(圖1所示)進行研究,運用有限元軟件計算,探究近接穿越工程合理施工方法,將數值模擬結果與監測數據進行比較,證明靜態機械劈裂在中硬巖近接穿越工程項目中的安全性。

圖1 清水隧洞監測點布置斷面圖(cm)

2 有限元計算模型

2.1 計算參數

(1)巖石土體參數。根據地質勘察報告現場試驗可知,圍巖計算參數如表1所示。

表1 圍巖計算參數表

(2)爆破動力參數。本工程爆破段采用2#巖石乳化炸藥,密度為1.25 g/cm,最大爆破速度為5 000 m/s,鉆孔直徑為42 mm,鉆孔深度為2 m,單段最大裝藥量為1.5 kg,裝藥長度為1.6 m。動力分析時應先進行特征值分析,由軟件計算出對應的特征值[10-11]為:T1=0.026 42;T2=0.011 47。爆破荷載峰值為10.12 GPa,過程時間為0.05 s。

(3)靜態機械劈裂參數。通過大量現場試驗和數值模擬結果給出Ⅲ級圍巖條件下[12-13]靜態機械劈裂法的主要施工技術參數取值范圍:鉆孔間距a為0.4～0.8 m,抵抗線w為0.6～0.8 m,劈裂力P為150 MPa。

2.2 模型的建立以及邊界條件

圖2 模型簡圖

模型選取清水隧洞與地鐵6號線相交斷面處,因兩種方法對于隧道開挖方向的影響很小,且主要分析對下方地鐵的影響,因此,設定主隧道方向為Y軸方向,豎直向上為Z方向,取2 m為鉆孔布置深度,下方為地鐵隧道,開挖隧洞與其頂部垂直距離為5.21 m。

鉆爆法模型邊界條件首先建立彈性邊界條件來進行特征值計算,后設置黏性邊界條件,并添加阻尼和特征值周期來進行爆破動力分析;靜態劈裂模型邊界條件為底部為固定約束,四周設置相應的法向約束,上部為自由邊界。根據地應力測試資料,該段不位于斷裂帶附近,無須考慮構造應力,故模型只考慮自重應力。模型尺寸為15.8 m×2 m×24 m,共11 835個節點,26 377個單元(如圖2所示)。

3 分析結果

3.1 應力分析

鉆爆法與靜態機械劈裂法下的主應力變化情況見圖3 。由圖3可知:爆破荷載作用下鉆孔周邊處將會瞬間產生巨大的沖擊力,最大主應力達到8.1 GPa,此時爆破荷載到達地鐵隧道拱頂所產生應力值為4.45 MPa。靜態機械劈裂施工中,孔壁位置最大應力為0.15 GPa,下方地鐵隧道拱頂應力值為0.18 MPa。從圖3 (c)孔壁局部應力云圖來看:鉆爆法爆破荷載作用范圍較劈裂法荷載要小一些,而爆破時孔壁所受的最大主應力為機械劈裂法的54倍,地鐵隧道拱頂所受應力為機械劈裂法的24倍。由于其產生的瞬時應力更大,更易劈裂破壞巖石,同時也伴隨著一定的安全風險,因此選用靜態機械劈裂法進行施工,更加安全可控。

(a)爆破荷載

(b)劈裂荷載

(c)孔壁局部

3.2 位移變形分析

鉆爆法與靜態機械劈裂法下位移云圖見下頁圖4 。由圖4可知:爆破荷載作用下圍巖產生巨大的位移變形,在爆破孔孔壁位置,最大位移達到134 mm,且爆破位移變形向一側明顯偏移,具有明顯不對稱性;爆破荷載作用下,地鐵6號線的拱頂沉降為1.56 mm,凈空收斂為0.57 mm;靜態機械劈裂作用下最大位移變形同樣出現在劈裂孔壁位置,為52 mm,對于地鐵6號線的影響也較小,拱頂沉降為1.34 mm,凈空收斂為0.6 mm。經過對比發現:鉆爆法與靜態機械劈裂法兩者對于下方地鐵6號線的影響無明顯區別,但爆破荷載對于開挖主洞的影響要比靜態機械劈裂法大得多。從安全角度考慮,靜態機械劈裂法更為合適。

(a)爆破荷載

(b)劈裂荷載

3.3 爆破振動速度

振動速度是評價各種爆破對不同類型建(構)筑物和其他保護對象的指標。該工程應滿足《爆破安全規范》(GB6722-2011)中關于交通隧道的爆破振動速度為10～20 cm/s的要求。同時,依據薩氏公式對下方地鐵6號線爆破振動速度進行計算:

(1)

其中:V——保護對象質點允許安全振動速度(cm/s);

R——爆心距(m);

Q——同時起爆單段最大炸藥量(kg);

K、α——地形條件有關的系數和衰減指數。

爆破荷載下地鐵隧道拱頂振動速度曲線如圖5所示。由圖5可知:地鐵隧道拱頂振動速度峰值達到37.58 cm/s,而公式計算所得振動速度為32.95 cm/s。根據上述計算結果,地鐵隧道拱頂的振動速度模擬值與理論值均大于規范標準的20 cm/s,不符合規范標準。為此,需采用靜態機械劈裂法代替鉆爆法進行近接穿越地鐵6號線的施工。

圖5 爆破振動速度曲線圖

4 靜態機械劈裂破巖施工技術

4.1 施工前準備工作

本著“安全第一、預防為主、綜合治理”的理念,應對施工段隧洞進行超前地質測報和水文地質調查以便了解斷面巖石情況,試驗性地進行靜態機械劈裂,并根據地質資料以及試驗結果確定掘進深度、開挖面大小、孔距、排距以及支護參數,統一協調現場人員、機械配置進行施工,確保施工順利進行。

4.2 主要施工工藝流程

靜態機械劈裂現場試驗按照以下工藝流程進行(見圖6)。

圖6 劈裂施工流程圖

4.2.1 確定靜態機械劈裂開挖斷面

開挖斷面輪廓線根據隧洞內控制導線精確測設,沿開挖輪廓線進行鉆孔布置。因水磨鉆進程有限,故可多次鉆孔后再進行劈裂作業。

在進行鉆孔作業時,需存在一定的外插角,并采取咬合圓的鉆孔形式。咬合圓形式較相切圓形式,雖鉆孔數量有所增大,但是能夠消除孔末端的楔形巖石,有利于形成連續的臨空面,并能夠防止裂紋擴展至非開挖區域,達到控制輪廓面,保障不超挖。

4.2.2 劈裂鉆孔布置

劈裂孔的鉆取采用YT-28型風鉆進行,為方便人員設備工作,分上下臺階進行鉆孔。相鄰鉆孔間距為60 cm,孔徑為4.2 cm,鉆孔數為42～50個。為保證劈裂效果,需先在中心位置做斜孔預裂掏槽,其余劈裂孔則沿隧洞中線呈梅花形左右對稱布置。為提高施工速度可一次鉆進2～4 m,滿足4～8個劈裂循環作業(一個開挖循環約為1.5 m,每劈裂循環約為0.5 m)。

4.2.3 劈裂機分離核心巖體

劈裂作業開始前,首先進行設備檢查,準備就緒后,開始進行劈裂作業。劈裂機械選用小型機械劈裂機,最大劈裂力能達到180 MPa,可以滿足本項目中微風化花崗巖的拉伸劈裂破壞條件。劈裂后的裂縫寬度為25～50 mm,劈裂時間為4～12 s,劈裂孔深度為500 mm。調試設備后,將液壓劈裂器槍頭放入鉆孔深度為50 cm的指定孔中,利用巨大徑向推力,產生25～50 mm的裂縫,整個過程為4～12 s。

4.2.4 二次破碎及碎渣清理

巖石開裂后,將已經脫落的碎石進行處理,再利用小型機械設備配合人工,將還未脫出的巖石塊從基巖中撬出,將石塊運至距離掌子面10 m以外的地方臨時堆放,利用液壓破碎錘將較大塊巖體破碎為小塊體,通過挖掘機和裝載機配合清理碎石渣土。

4.3 初期支護

該工程初期支護包括鋼拱架、鋼筋網片、拱部錨桿、連接筋、鎖腳錨桿、C20混凝土。根據隧洞圍巖特點進行初期支護選擇,在應力集中位置如拱腳添加鎖腳錨桿,周邊洞身進行鋼筋掛網噴混施工。初期支護應在施工進行完畢且符合要求之后進行,并在二次襯砌前進行周邊注漿加固。

4.4 二次襯砌

初期支護作用效果穩定后進行二次襯砌。將二次襯砌分成兩個工作面進行,采用混凝土輸送泵進行全斷面施工。泵送混凝土時控制入模傾落高度≤2 m,并加強振搗、增設沉降縫,解決地質條件變化引起的問題。

4.5 實施效果

施工完成后,將檢測數據與數值模擬結果進行對比分析,對靜態機械劈裂法近接穿越段的實施效果進行評價。對比結果如表2所示。

表2 數值模擬值與檢測值對比分析表

由表2可知:拱頂沉降、凈空收斂分別相差0.3 mm、0.21 mm,數值模擬值與檢測值基本一致,說明了數值模擬結果具有較高的可靠性。同時兩組數據均符合規范要求,由此證明了靜態機械劈裂法適用于近接穿越地鐵施工區段的可行性。

5 結語

(1)鉆爆法最大主應力值遠大于靜態機械劈裂法。下方既有隧道在鉆爆法影響下的最大主應力為8.1 GPa,而靜態機械劈裂法的主應力為0.15 GPa。靜態機械劈裂法的主應力更小、更安全。

(2)鉆爆法孔壁位移變形值要大于靜態機械劈裂法,但對于下方地鐵6號線的位移變形,兩者基本一致。鉆爆法引起下方地鐵隧道拱頂沉降為1.56 mm,凈空收斂為0.57 mm;而靜態劈裂法引起下方地鐵隧道拱頂沉降為1.34 mm,凈空收斂為0.6 mm,其變形影響十分微小。

(3)靜態機械劈裂屬于非爆破開挖方法,并不會產生振動影響。而鉆爆法在下方地鐵隧道拱頂產生的振動速度模擬值與公式計算值分別為37.58 cm/s和32.95 cm/s,均大于爆破規范關于交通隧道的安全振動速度。

(4)靜態機械劈裂利用了巖石抗拉強度低的特性,在本工程地區應用中表現良好。該方法既能保障圍巖穩定,又不會對鄰近既有地鐵隧道產生擾動。