淺埋盾構(gòu)隧址區(qū)孤石處理技術(shù)

肖建輝 黨如姣

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610032)

淺埋盾構(gòu)隧址區(qū)孤石處理技術(shù)

肖建輝 黨如姣

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610032)

介紹了目前孤石的主要處理技術(shù)，并以某海底淺埋盾構(gòu)工程為例，從爆破預(yù)處理方案與鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)兩方面，闡述了隧址區(qū)含有硬質(zhì)花崗巖孤石的預(yù)處理方法，保證了盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)。

盾構(gòu)隧址區(qū)，孤石，爆破參數(shù)，裝藥量

1 概述

隨著機(jī)械設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，特別是盾構(gòu)機(jī)制造業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的地下工程采用盾構(gòu)機(jī)施工[1，2]，這些地下工程以隧道居多，且大多都埋深較淺。地球淺層地表土層復(fù)雜多變，含有自然形成的硬度較大的巖石風(fēng)化核或人工建設(shè)形成的地下構(gòu)筑物等，給盾構(gòu)施工帶來(lái)了困難[3，4]。其中花崗巖風(fēng)化層中的球狀風(fēng)化核在盾構(gòu)施工中較常見，特別是深圳、廈門、廣州等東南地區(qū)盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到，對(duì)施工進(jìn)程和安全影響大。孤石是巖漿中的石英富集部分不容易風(fēng)化所形成的[5]，它的尺寸，分布位置隨機(jī)性大，強(qiáng)度較高，如采用盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)通過非常困難且風(fēng)險(xiǎn)大，可能會(huì)發(fā)生以下情況：1)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，刀具磨損嚴(yán)重，刀座和刀盤變形大；2)盾構(gòu)機(jī)在花崗巖風(fēng)化殘留體地層中掘進(jìn)時(shí)震動(dòng)很大，刀盤壓力難以控制，對(duì)地面環(huán)境保護(hù)極為不利；3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，還時(shí)常會(huì)出現(xiàn)噴涌、塌方、刀盤被牢牢卡住或刀盤嚴(yán)重磨損而地質(zhì)條件差又無(wú)法換刀等多種意外情況，此時(shí)，耽誤的工期一般在2個(gè)～6個(gè)月，極大地增加了施工成本和拖延了地鐵施工進(jìn)度。因此，為保證盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)，需在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前對(duì)異物進(jìn)行預(yù)處理。

2 孤石主要的處理技術(shù)

孤石主要處理方式有兩種，一種是地面處理，另一種是洞內(nèi)處理。孤石處理方法要根據(jù)其大小、位置、形狀及周邊環(huán)境等因素來(lái)確定。當(dāng)隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時(shí)，應(yīng)首先采用地面處理方式；當(dāng)?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時(shí)，采用洞內(nèi)處理方式。地面處理方法主要有地層注漿加固后盾構(gòu)推進(jìn)、鉆孔爆破孤石、人工挖孔破碎孤石、沖孔樁破碎法；洞內(nèi)處理方法有盾構(gòu)超前注漿孔注漿、盾構(gòu)掘進(jìn)、靜態(tài)爆破、巖石分裂機(jī)破碎孤石、盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某核電站循環(huán)冷卻水先期兩條平行引水隧洞位于江門臺(tái)山腰古村，電站廠房位于陸域側(cè)，取水口設(shè)置在離岸不遠(yuǎn)處的某島嶼上，隧洞采用盾構(gòu)法從海底穿過，長(zhǎng)約4 000 m，隧洞外徑為8.7 m，內(nèi)徑7.3 m，采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，兩條隧洞凈距20.5 m。該引水隧洞為我國(guó)首次采用大斷面盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離施工的海底盾構(gòu)工程。

由于該地區(qū)淺覆土地層中，未完全風(fēng)化的花崗巖殘留體分布較為密集，兩條隧洞通過的址區(qū)中，先期工程地質(zhì)勘探中發(fā)現(xiàn)也存有大量的花崗巖風(fēng)化殘留體，下稱孤石。根據(jù)前期探測(cè)的成果，對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的引水隧洞隧址區(qū)范圍內(nèi)的異常情況進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，取水隧洞在花崗巖段的洞身范圍內(nèi)存在花崗巖風(fēng)化殘留體和就近搬運(yùn)和滾落的孤石的物探異常得到驗(yàn)證，異常主要分布在核電站岸邊300 m范圍內(nèi)，有兩處孤石群，其余地段中風(fēng)化花崗巖未進(jìn)入隧洞設(shè)計(jì)洞底。

3.2 爆破預(yù)處理方案

經(jīng)過專家認(rèn)證，建議采用爆破進(jìn)行預(yù)處理隧址區(qū)內(nèi)所包含的硬質(zhì)孤石，對(duì)硬質(zhì)孤石體進(jìn)行爆破破碎，要求破碎后的石塊小于30 cm，以便能順利通過盾構(gòu)的刀盤開口。

3.2.1 鉆孔設(shè)計(jì)

因探測(cè)結(jié)果表明，孤石區(qū)距離陸域側(cè)較近，且該區(qū)域水深僅3 m左右，決定采用對(duì)該區(qū)域進(jìn)行回填的方式，以便后續(xù)的爆破工藝實(shí)施。為便于裝藥及鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為90 mm，先下直徑75 mm的PVC管，然后將藥卷裝入PVC管內(nèi)。因鉆孔穿過的地層復(fù)雜，成孔不易，現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)鉆機(jī)和潛孔鉆機(jī)相結(jié)合的垂直鉆孔形式鉆孔。

鉆孔間距：根據(jù)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)要求碎塊直徑要小于30 cm，結(jié)合物探和鉆探結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用梅花形布置，炮孔排間距取0.8 m～1.0 m。每次起爆的首排炮孔宜比其后各排炮孔深0.2 m。

3.2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)炸藥單耗計(jì)算。炸藥單耗主要與巖石強(qiáng)度、自由面數(shù)量、水深及上覆土層厚度、炸藥的爆速等相關(guān)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素的綜合比較，結(jié)合水下爆破的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)定[6]，可選用瑞典炸藥單耗計(jì)算公式進(jìn)行炸藥單耗計(jì)算，如式(1)所示：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

其中，q1為基本炸藥單耗，kg/m3，是一般陸地梯段爆破的2倍～3倍，對(duì)水下垂直鉆孔爆破，再增加10%；q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2，h2為水深，m；q3為爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02h3，h3為覆蓋層(淤泥或土、砂等)厚度，m；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度，m。

根據(jù)本工程爆破條件，對(duì)象基本位于地下15 m～25 m之間，計(jì)算炸藥單耗q在2 kg/m3～4 kg/m3之間，裝藥時(shí)根據(jù)鉆孔及取芯情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。

2)單孔裝藥量計(jì)算。根據(jù)選取的炸藥單耗計(jì)算公式，計(jì)算出炸藥單耗，單孔裝藥量計(jì)算公式采用：

Q=qabH

(2)

其中，Q為單孔裝藥量，kg；q為炸藥消耗量，kg/m3；a為炮孔間距，m；b為炮孔排距，m；H為孤石厚度，m。

鉆孔作業(yè)過程中，精確記錄好孤石取芯所得的孤石厚度，根據(jù)記錄的厚度代入公式計(jì)算出該炮孔的裝藥量。爆破完成后，對(duì)爆破位置再次取芯驗(yàn)證爆破效果，結(jié)合爆破結(jié)果對(duì)爆破所選取的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3)爆破器材的選擇。炸藥選用防水性能、安定性和起爆性能良好的單卷藥重1.2 kg、藥卷直徑為60 mm的 2號(hào)巖石乳化炸藥。雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，根據(jù)孔深導(dǎo)爆管要求長(zhǎng)度30 m。因海邊雷雨多發(fā)，不使用電雷管，起爆結(jié)合起爆針及高壓起爆器進(jìn)行起爆。

4)裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)孤石大小，當(dāng)孤石厚度小于2 m時(shí)，采用徑向集中裝藥結(jié)構(gòu)，尺寸大于2 m的孤石采用間隔裝藥，均采用正向裝藥起爆。為確保臨近建筑物安全，在針對(duì)臨近建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，盡量減小一次起爆藥量，采用孔內(nèi)外相結(jié)合的方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)起爆。為確保網(wǎng)絡(luò)起爆的成功率，采用兩套并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并分別由兩發(fā)瞬發(fā)雷管連接起爆。

5)爆破效果取芯驗(yàn)證。不同于有自由面的巖石爆破，孤石深埋于地層中，爆破效果很難看到。為驗(yàn)證爆破后孤石破碎效果及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，爆破完成后需對(duì)處理位置地質(zhì)鉆取芯，根據(jù)取芯實(shí)際情況來(lái)驗(yàn)證爆破后巖體的破碎程度。圖1為爆破前某處孤石鉆孔取出的芯樣，巖體結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙少。圖2為爆破后圖1處孤石取出的芯樣，從現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果可以看出：巖體比較破碎，大部分粒徑在10 cm以下，較大粒徑也在10 cm～20 cm，均小于30 cm。達(dá)到了對(duì)孤石進(jìn)行預(yù)處理的效果，為盾構(gòu)機(jī)的順利通過奠定了基礎(chǔ)。

4 討論

針對(duì)地層中所出現(xiàn)的異物，可采取多種不同的物探方法，根據(jù)環(huán)境條件不同，選取一種進(jìn)行探測(cè)或多種合適的物探方法互相驗(yàn)證以提高準(zhǔn)確度的方法，來(lái)處理盾構(gòu)隧道工程中隧道隧址區(qū)的異物，根據(jù)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)處理，方法是行之有效的。如工程實(shí)例中，盾構(gòu)穿越含有孤石的軟硬不均地層是盾構(gòu)施工的一大難題，施工風(fēng)險(xiǎn)極高?；诠率笮?，分布位置的隨機(jī)性及其強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，選擇合適的一種或多種物探相結(jié)合的方法進(jìn)行孤石探測(cè)，首先確定了孤石的相對(duì)位置才能進(jìn)行下一步的爆破預(yù)處理工作。而在前期物探及鉆孔驗(yàn)證的基礎(chǔ)之上，對(duì)炮孔布置形式、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)絡(luò)等精心設(shè)計(jì)，總結(jié)出一套針對(duì)海底隧道孤石爆破預(yù)處理的施工方法。對(duì)爆破后的炮孔進(jìn)行取芯驗(yàn)證的方法，結(jié)果表明：選用此爆破參數(shù)處理孤石破碎效果良好、孤石大塊率較低，滿足盾構(gòu)順利通過的要求。

[1] 王夢(mèng)恕.21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的時(shí)代[J].巖土工程界,2000,3(6):3-15.

[2] 王夢(mèng)恕.我國(guó)地下鐵道施工方法綜述與展望[J].地下空間,1998,18(2):98-103.

[3] 張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構(gòu)隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4] [日]地盤工學(xué)會(huì).盾構(gòu)法的調(diào)查·設(shè)計(jì)·施工[M].牛清山，陳鳳英,徐 華，譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 竺維彬,鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[6] JTS 204—2008，水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范[S].

On treatment of boulder at shallow shielding tunnel address

Xiao Jianhui Dang Rujiao

(ChinaRailwayCityDevelopmentandInvestmentGroupCo.,Ltd,Chengdu610032,China)

The paper introduces the main treatment technique of boulders, and illustrates the advanced treatment of the hard granite boulder at the tunnel area from the blasting advanced treatment scheme and the drilling parameter design by taking some shallow shielding project at some sea bottom, so as to ensure the jacking of the shielding machine.

shielding tunnel area, boulder, blasting parameter, explosive payload

1009-6825(2017)05-0198-02

2016-12-07

肖建輝(1983- )，男，工程師

U455.43

A