朱小藻

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 100018)

1 工程概況及方案論證

(1)項(xiàng)目簡介

廣州地鐵21號(hào)線中新站至中間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間，位于廣州市增城區(qū)中新鎮(zhèn)中部，區(qū)間左線長1 730 m，區(qū)間右線長1 723 m。采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。

(2)工程地質(zhì)情況

區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)存在不良地質(zhì)，如孤石、基巖凸起等。在施工前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，發(fā)現(xiàn)孤石17處；在距離隧道出口約150 m位置，存在基巖凸起，巖芯呈灰黑色，花崗變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，成分主要為石英、長石、黑云母，礦物呈定向排列，裂隙少量發(fā)育，巖質(zhì)新鮮堅(jiān)硬，巖體較完整。地質(zhì)資料顯示為微風(fēng)化花崗片麻巖，基巖以上為全風(fēng)化花崗片麻巖。其中全斷面約35 m、半斷面上軟下硬地層約65 m，基巖強(qiáng)度為93～128 MPa。

(3)周邊環(huán)境

基巖凸起位置位于廣汕路以下，距離周圍居民樓約20 m，隧道頂部除了一橫穿公路的路燈電纜(埋深較大，因周邊存在國防光纜，改遷較為困難)，沒有其它管線，施工時(shí)交通疏解即可。

(4)方案論證

針對(duì)工程實(shí)際情況，專家組經(jīng)過研究提出兩種方案，第一方案為利用基巖的完整性，開倉換新刀。此方案存在開倉風(fēng)險(xiǎn)。第二方案為在掘進(jìn)前采用地面鉆孔深孔控制爆破施工技術(shù)，掘進(jìn)時(shí)控制好盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。此方案需要有地面作業(yè)條件，存在爆破安全風(fēng)險(xiǎn)；爆破后，地層受到擾動(dòng)，還存在盾構(gòu)保壓風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)討論比選后決定采取第二方案。

2 基巖爆破施工方案

在盾構(gòu)法隧道施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到上軟下硬、基巖凸起的情況[1-4]。同一斷面存在軟硬差異較大的地層是廣州地區(qū)盾構(gòu)施工最為棘手的問題。由于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)有避硬趨軟的傾向，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難[5]。在這類地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率低、刀盤刀具磨損嚴(yán)重；由于推進(jìn)時(shí)油缸推力不均衡，導(dǎo)致管片開裂、錯(cuò)臺(tái)；盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，刀盤切削土體，上部軟土容易進(jìn)入土倉，而下部硬巖不易破碎，或因噴涌使得水土流失，易引發(fā)較大的地面沉降，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

施工前，在已知的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)勘，確定基巖的巖面高度、分布范圍及強(qiáng)度。對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、管線等情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。對(duì)已探明孤石及基巖突起等不良地質(zhì)，采用地面地質(zhì)鉆垂直打孔，孔徑為110 mm。采用地表深孔爆破及水下爆破兩種爆破形式裝炸藥爆破隧道限界范圍內(nèi)的基巖凸起，使基巖成為單邊長度小于30 cm的碎塊。在完成爆破施工后，針對(duì)爆破后基巖裂隙采用袖閥管注漿進(jìn)行固結(jié)。

(1)藥包加工

準(zhǔn)備直徑90 mm的PVC管，鉆孔取芯完成后，在地質(zhì)鉆孔內(nèi)插入PVC管并固定。PVC管底安裝堵頭，爆破前孔口覆蓋，防止異物進(jìn)入。根據(jù)提供的鉆孔參數(shù)和驗(yàn)孔情況，提前計(jì)算好藥包長度，準(zhǔn)確測(cè)量基巖面標(biāo)高，將乳化炸藥和雷管裝入PVC管內(nèi)指定位置(基巖位置)。由于鉆孔內(nèi)含有泥漿，而泥漿與炸藥的比重相近，為順利裝藥，需對(duì)藥包適當(dāng)配重，使得藥包會(huì)順利下沉。

(2)藥包就位

藥包加工好后，在管壁上端鉆兩個(gè)孔，用軟鋼絲繩系住藥包，藥包裝在特制的PVC管內(nèi)。根據(jù)鉆孔參數(shù)，確定裝藥底部深度H1，然后準(zhǔn)確測(cè)量PVC管與繩索的長度之和H2，使H1＝H2，將整個(gè)藥包懸吊準(zhǔn)確，誤差控制在±10 cm之內(nèi)。藥包就位后，固定在套管壁上，使其不再移動(dòng)。

藥包就位固定后，采用碎石堵塞密實(shí)，周圍的爆破孔用砂袋覆蓋。炮孔采用正向裝藥起爆，起爆選用非電爆破網(wǎng)路，采用激發(fā)針起爆，每個(gè)炮孔裝兩發(fā)雷管，且分別屬于兩個(gè)爆破網(wǎng)路，兩套網(wǎng)路并聯(lián)后起爆。爆破網(wǎng)路如圖1所示。

圖1 爆破網(wǎng)路示意

(3)單耗計(jì)算

根據(jù)炮孔間距確定單孔填藥量Q。

Q＝(0.2a3/L)×h×k×(0.45＋0.1H)

式中，Q為單孔裝藥量；a為炮孔間距，a＝0.8 m；L為爆破后的碎石單邊長度控制值，L＝0.3 m；k為巖體修正系數(shù)，本工程為花崗片麻巖，取值1.4；H為炮孔內(nèi)揭示基巖中心埋深。

先進(jìn)行試爆，再針對(duì)具體情況調(diào)整爆破參數(shù)。

(4)布孔形式與裝藥結(jié)構(gòu)

由于基巖埋深較深，從而導(dǎo)致其爆破破碎難度較大。為便于施工及爆破破碎效果，采取分層裝藥、分層填塞，目的就是在不改變爆破參數(shù)的條件下，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)來提高炸藥的能量使用率，使得相同的藥量發(fā)揮更大的威力，獲得理想的破碎塊度。首先對(duì)前排孔進(jìn)行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對(duì)后排孔進(jìn)行逐個(gè)起爆。炮孔間排距均為0.8 m，鉆孔超深1.0 m，裝藥深度比基巖厚度深約0.8 m。基巖爆破平面見圖2，具體鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 基巖爆破平面

圖3 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)

(5)爆破安全距離

為確保爆破施工的安全，避免爆破對(duì)周邊建筑物的損壞，施工前必須進(jìn)行爆破安全距離計(jì)算。施工過程嚴(yán)格按照計(jì)算的安全用藥量裝藥，并按計(jì)算的安全距離設(shè)置警戒范圍。距離本工程最近的建(構(gòu))筑物為一鋼筋混凝土房屋，距離約為20 m。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定，隧道爆破安全允許振速為7～15 cm/s，本工程取7 cm/s。

R＝(K/V)1/a-Q1/3

式中，R為爆破振動(dòng)的安全距離(m)；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度(cm/s)；Q為炸藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，齊發(fā)爆破為總裝藥量(kg)；K為與爆破點(diǎn)至爆破對(duì)象間地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；a為爆破衰減系數(shù)[6-7]。

K、a屬于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，暫按中硬巖取值，即K＝180，a＝1.8。在爆破作業(yè)中，K、a也需要通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)用回歸方法進(jìn)一步確定。爆破前后抽芯照片見圖4。

圖4 爆破前及爆破后抽芯現(xiàn)場(chǎng)

3 基巖凸起爆破段隧道掘進(jìn)技術(shù)

3.1 分段掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)中新站-中間風(fēng)井左線基巖凸起處地質(zhì)剖面(見圖5)，該區(qū)域存在半斷面基巖和全斷面基巖兩個(gè)區(qū)域，同樣進(jìn)行了爆破。半斷面區(qū)域存在一處路燈管線，該處無法進(jìn)行地面鉆孔施工，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 中新站-中間風(fēng)井區(qū)間左線基巖凸起處縱剖面

(1)半斷面基巖位置，即ZDK40＋315.2～ZDK40＋336.4(1 046～1 059環(huán))處，爆破抽芯效果良好，巖石全部破碎(直徑10 cm左右)。掘進(jìn)時(shí)采用以下參數(shù):總推力1 000 ～1 200 t；土倉壓力1.0 ～1.1 bar；刀盤扭矩≯1 500 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.1 r/min，側(cè)滾-50～＋50 mm；推進(jìn)速度15 mm/min；同步注漿量6.5～7 m3，同步注漿壓力0.1～0.15 MPa。由于該地層為上軟下硬地層，底部爆破后碎石堆積易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)“抬頭”[8]，掘進(jìn)過程中出土量控制和盾構(gòu)姿態(tài)控制為施工重點(diǎn)。需根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)變化及時(shí)調(diào)整各組推進(jìn)油缸的壓力，同時(shí)要確保在土壓平衡的前提下嚴(yán)格控制每環(huán)出土量，可通過降低刀盤轉(zhuǎn)速以減少對(duì)土體的擾動(dòng)。

(2)ZDK40＋341.2～ZDK40＋344.4(1 063～1 064環(huán))處，因地面存在路燈線，無法打孔，抽芯結(jié)構(gòu)未見整體巖石，為50 cm左右碎石。掘進(jìn)時(shí)采用以下掘進(jìn)參數(shù):總推力1 300～1 500 t；土倉壓力1.0～1.1 bar；刀盤扭矩≯1 800 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.4 r/min，側(cè)滾 -50～＋50 mm；推進(jìn)速度5 mm/min；同步注漿量6.5～7 m3，同步注漿壓力0.1～0.15 MPa。由于該處碎石粒徑較大，可能會(huì)導(dǎo)致刀具損壞及刀盤和螺旋機(jī)卡頓，掘進(jìn)過程中降低掘進(jìn)速度并使用發(fā)泡率高、穩(wěn)泡時(shí)間長、潤滑性能好的泡沫劑，通過調(diào)整泡沫劑注入?yún)?shù)改良渣土保護(hù)刀具。膨潤土箱加入膨潤土泥漿，在掘進(jìn)過程中根據(jù)出渣情況和溫度變化及時(shí)加入膨潤土泥漿調(diào)整土倉內(nèi)渣土的和易性和對(duì)刀盤進(jìn)行降溫。

(3)全斷面基巖爆破區(qū)域，即ZDK40＋336.4～ZDK40＋341.2(1 060～1 062環(huán))、ZDK40＋344.4～ZDK40＋370.0(1 065～1 082環(huán))處，大部分為全斷面基巖，爆破抽芯效果良好。但掘進(jìn)時(shí)全斷面基巖爆破后形成的碎石無法通過擠壓或者刀盤攪動(dòng)向周邊擴(kuò)散，掘進(jìn)時(shí)采用以下掘進(jìn)參數(shù):總推力1 200～1 400 t；土倉壓力 0.9 ～1.0 bar；刀盤扭矩≯1 600 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速 1.1 ～1.2 r/min，側(cè)滾-50～ ＋50 mm；推進(jìn)速度5～10 mm/min；同步注漿量6.5～7 m3，同步注漿壓力0.1～0.15 MPa。同時(shí)在掘進(jìn)過程中要勤取渣樣，螺旋機(jī)保持持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并注入泡沫劑增加渣土潤滑性防止螺旋機(jī)筒體內(nèi)大量碎石堆積導(dǎo)致螺旋機(jī)卡頓；掘進(jìn)過程中大量碎石堆積在土倉底部，會(huì)增大刀盤和刀具的磨損量，需注入泡沫劑和膨潤土泥漿改良渣土的和易性及給刀盤降溫。

3.2 刀盤及刀具保護(hù)措施

考慮到不同廠商生產(chǎn)的刀具存在一定的差異，致使?jié)L刀在硬巖中掘進(jìn)會(huì)被分批破壞，本工程整盤刀具選用一個(gè)刀具廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中詳細(xì)記錄刀盤扭矩變化，在盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)基巖前，先降低推進(jìn)油缸分區(qū)的推力，掘進(jìn)速度控制在10～20 mm/min，待開始掘進(jìn)孤石后再逐步加大各分區(qū)推力，掘進(jìn)速度控制在8 mm/min以內(nèi)。

(2)由于掘進(jìn)過程中土倉內(nèi)有＜9Z＞巖塊，巖塊堆積在土倉底部，大量堆積易導(dǎo)致螺旋機(jī)卡頓或刀盤及刀具磨損增加，需啟動(dòng)螺旋機(jī)進(jìn)行出渣，觀察螺旋機(jī)扭矩變化，必要時(shí)在螺旋機(jī)內(nèi)注入泡沫劑。

(3)勤取渣樣，分析渣樣內(nèi)含砂率及含石率。含砂及含石率較大時(shí)適當(dāng)注入膨潤土改良土倉內(nèi)土體，確保出渣順利。

(4)降低刀盤內(nèi)外周溫度，盾構(gòu)刀盤密封正常的工作溫度為30℃ ～40℃。當(dāng)溫度高于60℃時(shí)[9]，需要注水給刀盤降溫，或停機(jī)降溫后繼續(xù)掘進(jìn)。

3.3 應(yīng)急措施

(1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)基巖前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查，尤其是影響刀盤旋轉(zhuǎn)的幾個(gè)系統(tǒng)，包括黃油潤滑系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、盾體偏轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)和臺(tái)車急停系統(tǒng)。掘進(jìn)時(shí)實(shí)時(shí)關(guān)注各系統(tǒng)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)停機(jī)處理。

(2)掘進(jìn)過程中調(diào)整泡沫注入?yún)?shù)，原則上增加原液比例，可增加刀具潤滑度、降低刀盤扭矩，但注入量大易導(dǎo)致土倉壓力高。

(3)掘進(jìn)過程中，降低刀盤轉(zhuǎn)速至1.0 r/min，若刀盤啟動(dòng)扭矩過大或盾體側(cè)滾較大，則需嘗試反方向啟動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越高強(qiáng)度硬巖及孤石地層的難點(diǎn)，施工過程中采用“深孔爆破法”進(jìn)行預(yù)處理，并針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使盾構(gòu)機(jī)在基巖凸起位置順利推進(jìn)，避免了開倉換刀的安全風(fēng)險(xiǎn)[10-12]，為以后類似工程施工提供參考。