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(shè)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(guī)鉆爆法開挖掘進時,爆炸振動會對地下結(jié)構(gòu)和地上建筑物產(chǎn)生較大影響[1-2],并且還存在安全風險和環(huán)保問題。為了解決上述問題,可采用靜態(tài)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(nèi)部破碎巖石,具有良好的可控性和環(huán)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(fā)展前景的非爆破方法之一。國內(nèi)于20世紀80年代開始機械劈裂法研究,現(xiàn)已在各個工程領(lǐng)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(gòu)筑物產(chǎn)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(jù)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(huán)境下的非爆破施工技術(shù),選擇了靜態(tài)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(jù)深圳市地鐵2號線東沿線土建工程安托山站-僑香站區(qū)間的具體情況,使用靜態(tài)破碎技術(shù),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(tài)劈裂法的模擬以及施工技術(shù)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(shù)值模擬的爆破振動速度與規(guī)范要求和理論公式進行對比,研究靜態(tài)機械劈裂技術(shù)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(huán)路北側(cè),隧洞暗洞起點位于石巖外環(huán)路與坑尾大道交叉口,出口位于龍?zhí)豆潘矶次骺诒眰?cè)。隧洞長為728.957 m,整體走向沿外環(huán)路。隧洞結(jié)構(gòu)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(zhì)。該工程隧洞南側(cè)有龍?zhí)豆潘淼啦⑿枭洗┑罔F6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(huán)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(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較,證明靜態(tài)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(jiān)測點布置斷面圖(cm)

2 有限元計算模型

2.1 計算參數(shù)

(1)巖石土體參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)勘察報告現(xiàn)場試驗可知,圍巖計算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖計算參數(shù)表

(2)爆破動力參數(shù)。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(tài)機械劈裂參數(shù)。通過大量現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果給出Ⅲ級圍巖條件下[12-13]靜態(tài)機械劈裂法的主要施工技術(shù)參數(shù)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(shè)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(shè)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(tài)劈裂模型邊界條件為底部為固定約束,四周設(shè)置相應的法向約束,上部為自由邊界。根據(jù)地應力測試資料,該段不位于斷裂帶附近,無須考慮構(gòu)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(jié)點,26 377個單元(如圖2所示)。

3 分析結(jié)果

3.1 應力分析

鉆爆法與靜態(tài)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(chǎn)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(chǎn)生應力值為4.45 MPa。靜態(tài)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(chǎn)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(tài)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(tài)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(chǎn)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(cè)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(tài)機械劈裂作用下最大位移變形同樣出現(xiàn)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(jīng)過對比發(fā)現(xiàn):鉆爆法與靜態(tài)機械劈裂法兩者對于下方地鐵6號線的影響無明顯區(qū)別,但爆破荷載對于開挖主洞的影響要比靜態(tài)機械劈裂法大得多。從安全角度考慮,靜態(tài)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(gòu))筑物和其他保護對象的指標。該工程應滿足《爆破安全規(guī)范》(GB6722-2011)中關(guān)于交通隧道的爆破振動速度為10～20 cm/s的要求。同時,依據(jù)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(zhì)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(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

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(jù)上述計算結(jié)果,地鐵隧道拱頂?shù)恼駝铀俣饶M值與理論值均大于規(guī)范標準的20 cm/s,不符合規(guī)范標準。為此,需采用靜態(tài)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(tài)機械劈裂破巖施工技術(shù)

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(zhì)測報和水文地質(zhì)調(diào)查以便了解斷面巖石情況,試驗性地進行靜態(tài)機械劈裂,并根據(jù)地質(zhì)資料以及試驗結(jié)果確定掘進深度、開挖面大小、孔距、排距以及支護參數(shù),統(tǒng)一協(xié)調(diào)現(xiàn)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(tài)機械劈裂現(xiàn)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(tài)機械劈裂開挖斷面

開挖斷面輪廓線根據(jù)隧洞內(nèi)控制導線精確測設(shè),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(yè)。

在進行鉆孔作業(yè)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(shù)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(xù)的臨空面,并能夠防止裂紋擴展至非開挖區(qū)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(shè)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(shù)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(huán)作業(yè)(一個開挖循環(huán)約為1.5 m,每劈裂循環(huán)約為0.5 m)。

4.2.3 劈裂機分離核心巖體

劈裂作業(yè)開始前,首先進行設(shè)備檢查,準備就緒后,開始進行劈裂作業(yè)。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(diào)試設(shè)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(chǎn)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(jīng)脫落的碎石進行處理,再利用小型機械設(shè)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(wǎng)片、拱部錨桿、連接筋、鎖腳錨桿、C20混凝土。根據(jù)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(wǎng)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(wěn)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(shè)沉降縫,解決地質(zhì)條件變化引起的問題。

4.5 實施效果

施工完成后,將檢測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析,對靜態(tài)機械劈裂法近接穿越段的實施效果進行評價。對比結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)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(shù)值模擬值與檢測值基本一致,說明了數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性。同時兩組數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求,由此證明了靜態(tài)機械劈裂法適用于近接穿越地鐵施工區(qū)段的可行性。

5 結(jié)語

(1)鉆爆法最大主應力值遠大于靜態(tài)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(tài)機械劈裂法的主應力為0.15 GPa。靜態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)機械劈裂屬于非爆破開挖方法,并不會產(chǎn)生振動影響。而鉆爆法在下方地鐵隧道拱頂產(chǎn)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(guī)范關(guān)于交通隧道的安全振動速度。

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