沈順平,陳建洲,林育仁
(廈門爆破工程公司,福建 廈門 361012)
隨著國內(nèi)地下空間逐步被開發(fā)利用,復(fù)合地層環(huán)境下采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工的項(xiàng)目日益增多,尤其是針對(duì)開挖斷面內(nèi)局部存在“上軟下硬”的巖體[1-2]。我國東南沿海城市如廈門、廣州等,花崗巖地層分布較為廣泛,在地鐵盾構(gòu)隧洞施工過程中,常遇到球狀風(fēng)化狀孤石和基巖的復(fù)合地層侵入問題,若選擇直接盾構(gòu)穿越或傳統(tǒng)的開倉處理方法,容易出現(xiàn)掘進(jìn)效率低、刀盤磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)姿態(tài)偏移等問題。因此,此類復(fù)合地層環(huán)境下的盾構(gòu)順利施工,成為地鐵建設(shè)推進(jìn)的重大難題之一[3]。
筆者以廈門市地鐵3號(hào)線五緣灣站-劉五店站盾構(gòu)區(qū)間跨海段爆破工程為背景,在分析水下盾構(gòu)巖石破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上,闡述了深孔控制爆破技術(shù)在水下應(yīng)用的過程,并通過水下沖擊波壓力測(cè)試及鉆孔取芯驗(yàn)證,說明該技術(shù)能較好地控制盾構(gòu)巖石破碎效果和爆破有害效應(yīng)。
廈門市地鐵3號(hào)線五緣灣站-劉五店站盾構(gòu)區(qū)間位于翔安區(qū)東海域(該海域?yàn)橹腥A白海豚核心自然保護(hù)區(qū)),采用泥水盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)段右線長度1 419.93 m,左線長度1 415.22 m。其中,跨海段長度1 100 m,盾構(gòu)隧道覆蓋層厚度為11.5~24.7 m,最深16 m,其地質(zhì)分區(qū)屬Ⅴ區(qū)(濱海堆積區(qū)),兩岸為潮間帶,海底地形總體上呈寬緩“U”型,為侵蝕堆積地貌,掘進(jìn)過程中遇到“上軟下硬”不良地質(zhì)段。為確保盾構(gòu)施工安全,需對(duì)侵入盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)的孤石及基巖提前進(jìn)行爆破處理。
爆破施工前對(duì)海域段盾構(gòu)區(qū)間地層通過淺層地震反射波(CDR)疊加覆蓋技術(shù)進(jìn)行詳勘[4](見圖1)。同時(shí)查看地勘資料可知,盾構(gòu)隧道穿越地下巖土層種類較多,地形高低起伏不一,主要為中粗砂、殘積土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、中等風(fēng)化花崗閃長巖、微風(fēng)化花崗閃長巖等,伴隨分布大小各異、強(qiáng)度不一的微風(fēng)化花崗巖孤石,為典型“上軟下硬”復(fù)合地層。其中隧道洞身范圍內(nèi)孤石有7處,平均單軸抗壓強(qiáng)度80~140 MPa,最大達(dá)到202 MPa;左右線基巖均出現(xiàn)不同程度的突起,以半巖半風(fēng)化巖段~全斷面中、微風(fēng)化基巖段為主,左線長330.8 m、右線長325.8 m。
圖1 海底盾構(gòu)巖石地質(zhì)剖面
Fig.1 Geological section of subsea shield rock
盾構(gòu)隧道巖石破碎主要是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的炮轟氣體膨脹壓力與應(yīng)力波共同作用的原理[5],當(dāng)炸藥爆炸后,被爆體沒有臨空面很難進(jìn)行石渣拋擲,表現(xiàn)為“內(nèi)部作用藥包”現(xiàn)象。由于爆轟波波陣面形成的傳播速度與壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆轟氣體產(chǎn)物的傳播速度與壓力,故爆轟波先對(duì)藥包周邊巖壁起作用,在巖石內(nèi)部形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。沖擊波在藥包周邊巖石內(nèi)產(chǎn)生壓碎現(xiàn)象,而應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙。隨后,爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石,使裂隙繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開,在巖石破碎范圍表現(xiàn)出“爆腔、粉碎區(qū)、裂紋區(qū)”,從而實(shí)現(xiàn)水下盾構(gòu)對(duì)巖石的破碎[6]。
水下鉆孔爆破,即對(duì)水下巖石進(jìn)行鉆孔、裝藥、爆破的方法[7]。根據(jù)爆區(qū)的地質(zhì)情況和盾構(gòu)巖石“無臨空面、炮孔深、水壓大、覆蓋層厚”等特點(diǎn),采用水下深孔爆破控制技術(shù),在海上進(jìn)行垂直鉆孔,將預(yù)制藥包送至盾構(gòu)巖石指定位置,通過控制炸藥爆炸能量,使巖石破碎、解體至直徑小于30 cm的碎塊,同時(shí)最大限度地控制爆破有害效應(yīng),最終達(dá)到盾構(gòu)安全掘進(jìn)的要求[8]。
根據(jù)海域環(huán)境和工程特點(diǎn),選用漂浮式鉆爆船施工作業(yè),由輔助船將其拖至爆區(qū),配合鉆爆船拋設(shè)6具錨,其中船頭和船尾各拋設(shè)1具中錨,錨纜長度為150~300 m;鉆爆船體兩邊拋設(shè)2具邊錨,錨纜長度為150~200 m。
鉆爆船采用RTK-DGPS系統(tǒng)進(jìn)行水下鉆孔定位。船體一側(cè)安裝潛孔沖擊式鉆,用φ138 mm鉆頭,必須一次鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高(含超鉆深度),炮孔按梅花形布置,海底盾構(gòu)孤石孔、排距a=b=0.7~0.8 m;基巖突起孔、排距a=b=0.7~0.8 m;盾構(gòu)開挖上斷面巖石超炸范圍為1 m,下斷面巖石超炸范圍為2 m(即炮孔超深2 m),從而保證炮孔間“裂紋區(qū)”盡量相互多重疊(見圖2)。
圖2 海底盾構(gòu)巖石炮孔布置
Fig.2 Blasthole layout of subsea shield rock
本工程炸藥單耗取5~9 kg/m3,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試爆情況做出調(diào)整[9];藥柱選用高性能防水、抗壓水膠炸藥,直徑90 mm,長500 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)藥量和巖層厚度,將藥柱裝入預(yù)制的圓柱形塑料筒中,并在距離藥柱下部1/3位置處安放起爆體(若有2個(gè)起爆體,則分別安置在距藥柱1/3和1/4位置處),每個(gè)起爆體裝填2發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管,套上炮繩,沿套管緩慢送入炮孔。
采用導(dǎo)爆管雷管起爆法,實(shí)行逐孔或逐排起爆網(wǎng)路的連接方式。炮孔內(nèi)雷管段別設(shè)置為MS1~MS10段,段間間隔時(shí)間控制為25~100 ms(見圖3)。
注:數(shù)字為雷管段別,也是起爆順序。
圖3 逐孔或逐排起爆網(wǎng)路
Fig.3 Initiating circuit of hole-by-hole or row-by-row
采用TC-4850型測(cè)振儀配合CYG1401F水壓傳感器,對(duì)爆源附近水體進(jìn)行沖擊波壓力監(jiān)測(cè),這是判斷盾構(gòu)巖石爆破對(duì)中華白海豚影響的直接手段[10]?,F(xiàn)場(chǎng)爆破施工產(chǎn)生的沖擊波共安排10次海上監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)將水壓傳感器置于水深(H)5、10 m處,與爆源最近水平距離(L)50~200 m范圍內(nèi)(見圖4)。
圖4 水下爆破監(jiān)測(cè)設(shè)置
Fig.4 Monitoring layout for underwater blasting
根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),在此類海域爆破施工時(shí),安全超壓控制值取200 kPa。通過水中沖擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析(見圖5)得出,水中沖擊波峰值壓力與爆源中心水平距離200 m范圍內(nèi),隨著距爆源距離增大,呈現(xiàn)衰減的規(guī)律。水深越大,其沖擊波峰值總體越大,最大值達(dá)到91.2 kPa(見圖6),均小于控制值,說明爆破有害效應(yīng)安全、可控。
圖5 水中沖擊波壓力(L=50 m,H=10 m)
Fig.5 Shock wave pressure in water
圖6 水中沖擊波壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果
Fig.6 Monitoring results of shock wave pressure in water
對(duì)爆后區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯檢測(cè),巖石的粒徑比較破碎,基本控制在30 cm以內(nèi)(見圖7),較好滿足盾構(gòu)通過的要求。
圖7 爆后取芯檢測(cè)
Fig.7 Coring test after blasting
1)初步掌握了爆后水下沖擊波在該水域的影響范圍及衰減規(guī)律,即在200 m范圍內(nèi),沖擊波壓力峰值隨著距爆源水平距離的增大而呈現(xiàn)逐步衰減的規(guī)律,水深是影響壓力強(qiáng)度的重要因素,爆后水下沖擊波危害總體安全可控,可將200 m作為深孔控制爆破下保護(hù)中華白海豚的安全警戒距離。
2)鉆孔取芯檢測(cè),隧道上方覆蓋層擾動(dòng)破壞較小,盾構(gòu)巖石比較破碎,巖石粒徑能夠控制在30 cm以內(nèi),符合盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)的要求,大大降低了盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。
3)經(jīng)水下深孔爆破控制預(yù)處理后,盾構(gòu)每天掘進(jìn)4~5環(huán),較盾構(gòu)機(jī)直接破除或排除相比,提高了4環(huán),并且盾構(gòu)掘進(jìn)中降低了開倉檢查刀具的頻次,節(jié)約成本約220萬元人民幣,具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。