基于孤石隨機性的盾構(gòu)機掘進爆破方案分析

基于孤石隨機性的盾構(gòu)機掘進爆破方案分析

1隧道與地下工程施工隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，公共交通問題面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。作為解決擁堵問題最有效的手段之一，地鐵建設(shè)將得到快速發(fā)展。著名的隧道與地下工程專家預言:21世紀必將是我國隧道與地下工程建設(shè)的高峰時期。盾構(gòu)施工技術(shù)作為隧道、地鐵、城市管線以及越江、跨海等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種主要施工方法,已經(jīng)得到了廣泛應用。孤石乃花崗巖風化土中的球狀風化核,是巖漿中的石英富集部分不容易風化所致,在廣州、深圳等東南地區(qū)盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常會遇到影響施工進程和安全的這種地質(zhì)情況?；诠率叽绾头植嘉恢玫碾S機性及其較高的強度,如采用盾構(gòu)機直接掘進通過的方法,則對刀盤及刀具會帶來嚴重破壞;遇到自穩(wěn)能力差、不具備帶壓進艙的條件時,將面臨極大的施工風險,甚至導致整個工程的失敗。因此,為保證盾構(gòu)機的順利掘進,需采取合理的方法對其進行預處理。2盾構(gòu)區(qū)間隧道廣東臺山核電站位于臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村的腰古咀,東面為黃茅海,其余三面環(huán)山。核電站循環(huán)冷卻水通過1#、2#機組取水隧洞穿越海底,在東南約5km處的大襟島南側(cè)引入核電廠區(qū)。1#、2#取水隧洞平面軸線為兩條平行直線,北西—南東向平行展布。隧洞中心間距29.2m,建筑長度為4330.6m/條,主要采用大斷面泥水盾構(gòu)施工,兩側(cè)部分巖石段采用鉆爆法施工,最大埋深約55.75m。盾構(gòu)區(qū)間隧洞總長8119m(1#洞4061m,2#洞4058m)。隧洞采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復合支護結(jié)構(gòu),其盾構(gòu)管片厚度為0.4m,作為隧洞的主體結(jié)構(gòu),二次襯砌厚度為0.3m。該工程為我國第一條大斷面長距離的海底盾構(gòu)隧洞工程。2.1構(gòu)造格架的組合工程區(qū)在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系(Ⅰ級)、粵東北—粵中坳陷帶(Ⅱ級)、永梅—惠陽坳陷帶(Ⅲ級)北部。地質(zhì)構(gòu)造總體上以北東向構(gòu)造為主,次為北西向構(gòu)造,此外還有零星出露的東西向及南北向構(gòu)造,它們相互切割、復合,構(gòu)成了本區(qū)構(gòu)造的基本格架。根據(jù)前期詳勘資料表明:工程區(qū)出露的巖性為第四系松散堆積物、燕山期花崗巖侵入體(?5)及泥盆系老虎頭組(D2-3l)粉砂巖、泥巖、變質(zhì)砂巖及角巖。其中,燕山期花崗巖侵入體物理力學參數(shù)如表1所示。2.2洞穴表面風化質(zhì)根據(jù)前期地質(zhì)補勘及水域地震反射波的成果,對發(fā)現(xiàn)的取水隧洞洞身范圍內(nèi)的分類異常進行鉆探驗證,2#取水隧洞在花崗巖段的洞身范圍內(nèi)存在花崗巖風化殘留體;從就近搬運和滾落的孤石的物探異常得到驗證,異常主要分布在核電岸邊300m范圍內(nèi),2#洞有兩處孤石群(圖1),其余地段中風化花崗巖未進入隧洞設(shè)計洞底。孤石與周圍巖體強度相差較大,其單軸抗壓強度大部分為80~120MPa,甚至更高;而盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)其它周邊風化或殘積土層的強度較低。4爆炸效果的評估4.1爆破前后巖體破碎程度驗證為驗證爆破參數(shù)的合理性及爆破后孤石的破碎效果,在對2#隧洞試驗段孤石爆破處理后,采用地質(zhì)鉆進行取芯驗證,由此來驗證爆破后巖體的破碎程度。圖6為爆破前某處孤石鉆孔取出的芯樣,結(jié)構(gòu)較完整,節(jié)理裂隙少。圖7為爆破后某處孤石取出的芯樣,結(jié)構(gòu)比較破碎,大部分粒徑在10cm以下,較大粒徑也在10~20cm,均小于30cm。結(jié)果表明,達到了對孤石進行預處理的效果,為盾構(gòu)機的順利通過奠定了基礎(chǔ)。4.2爆破震動跟蹤爆破震動測試內(nèi)容主要包括:質(zhì)點振動速度、質(zhì)點振動位移、質(zhì)點振動加速度。我國新頒布的爆破安全規(guī)程規(guī)定:對地面建筑物的爆破震動判據(jù)采用質(zhì)點振動速度和主振頻率兩個指標;對于條件尚不成熟的水工隧洞、交通隧道,只采用質(zhì)點振動速度單一指標。為控制爆破震動對臨近1#隧道的影響,在爆破施工過程中,選取與爆源里程相對應的1#隧洞進行爆破震動跟蹤測試。依據(jù)爆破安全規(guī)程,本次主要對1#隧洞的質(zhì)點振動速度進行監(jiān)測,采用四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的UBOX-20016爆破震動記錄儀、CD-1型磁電式速度傳感器采集信號。探頭均布置在與2#隧洞爆源相對應的1#隧洞拱腰處的管片上,同時量測水平(隧洞軸線)和垂直(垂直于隧道軸線)方向的震動速度。測試結(jié)果表明:(1)垂直方向的震速明顯大于水平方向,這主要與波的傳播規(guī)律有關(guān);(2)隨著單段藥量的增加,測點震速隨之增大,符合爆破震動的一般規(guī)律;(3)同一方向不同測點的震動速度相差較大,可能與兩隧洞軸線間不同的地層有關(guān);(4)爆破震動速度均小于15cm/s,符合水工隧洞爆破震動安全允許標準。限于篇幅,僅給某里程同一測點兩個方向的震動速度,如圖8、圖9所示。5加強爆破注漿和加固措施(1)鑒于本工程地處海域區(qū),地下水比較豐富,爆破震動勢必會在孤石周圍地層中產(chǎn)生裂隙,為避免泥水盾構(gòu)掘進過程中掌子面地層漏氣漏漿,爆破后需對爆破區(qū)域進行注漿加固。(2)為有效降低爆破震動對1#隧洞的影響,應采用微差爆破技術(shù),并嚴格控制單段最大藥量及起爆的總藥量;此外,可在2#隧洞外側(cè)與1#洞之間布設(shè)一排減震孔。(3)盾構(gòu)機掘進通過時宜采用低轉(zhuǎn)速、小推力、低扭矩等參數(shù)通過,應精心設(shè)計刀盤,嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)。(4)科學信息化施工,加強爆破震動測試并及時反饋,調(diào)整爆破參數(shù);同時,可增加1#隧洞拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測。6海底產(chǎn)權(quán)孤石爆破預處理盾構(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,施工風險極高?；诠率笮?、分布位置的隨機性及其強度較高的特點,在前期物探及鉆孔驗證的基礎(chǔ)之上,對炮孔布置形式、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)絡(luò)等精心設(shè)計,總結(jié)出了一套針對海底隧道孤石爆破預處理的施工方法。在爆破過程中采用對1#隧洞適時進行爆破震動跟蹤監(jiān)測,以及對爆破后的炮孔進行取芯驗證的方法。結(jié)果表明:孤石破碎效果良好、大塊率較低,滿足了盾構(gòu)順利通過的要求;且爆破震動對1#隧洞的影響也在爆破震動安全允許標準范圍之內(nèi),從而驗證了上述爆破參數(shù)的設(shè)計是合理的、是切實可行的。3爆炸方案3.1爆破質(zhì)量的確定根據(jù)2#隧洞物探及鉆孔驗證結(jié)果,對陸域側(cè)孤石群區(qū)域進行回填,采用地質(zhì)鉆機和潛孔鉆機相結(jié)合的垂直鉆孔形式進行鉆孔,鉆孔直徑為90mm。按分區(qū)域、分排順序,利用前排爆破對周圍土體擠#壓產(chǎn)生的自由面,逐個對后排孔進行爆破。鑒于孤石的尺寸難以準確確定,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,結(jié)合物探和鉆探結(jié)果及現(xiàn)場實際情況進行設(shè)計。當孤石厚度小于2m時,炮孔排間距和行間距a取0.8~1.0m;當孤石厚度大于2m時,炮孔的行間距a和排間距b取1.0~1.2m,孤石上炮孔按梅花形錯開布置,每次起爆的首排炮孔宜比其后各排炮孔深0.2m。炮孔布置如圖2所示,不同厚度孤石爆破如圖3、圖4所示。3.2爆炸參數(shù)設(shè)計3.2.1爆破單耗分析長期的理論研究和實踐表明,影響水下爆破炸藥單耗的因素主要有:巖石物理力學性能參數(shù)、自由面條件、爆破的水深及上覆層厚度、炸藥的性能指標等。當前,關(guān)于水下爆破裝藥量的計算公式有很多[8~11],但都是在長期實踐中的經(jīng)驗總結(jié)。參照我國水利系統(tǒng)水下爆破的經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)定,通過對各種影響因素的綜合比較,采用瑞典公式進行炸藥單耗計算,如下式:式中:q1——基本炸藥單耗(kg/m3),是一般陸地梯段爆破的2~3倍對水下垂直鉆孔爆破,再增加10%);q2——爆區(qū)上方水壓增量,q2=0.01h2,h2為水深(m);q3——爆區(qū)上方覆蓋層增量,q4=0.02h4,h3為覆蓋層淤泥或土、砂等)厚度(m);q4——巖石膨脹增量,q4=0.02h4,h4為梯段高度(m)。本工程爆破對象基本位于地下15~25m之間,陸地普通堅硬巖石爆破平均單耗為0.6。根據(jù)公式1,當采用水下鉆孔爆破時,基本裝藥量q1=1.1×(3×0.6)=1.98kg/m3。平均水深h2=20m,上覆層厚度h3=15m,階梯高度h4=4m。代入公式得:3.2.2裝藥量的計算在設(shè)計本次孤石爆破時,要考慮爆破后巖石的破碎程度,以滿足盾構(gòu)機順利通過的要求。同時,又要避免爆破震動對已貫通的1#隧洞帶來破壞。依據(jù)相關(guān)規(guī)范,單孔裝藥量計算公式為:式中:Q——單孔裝藥量(kg);q——水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量;(kg/m3)a——炮孔間距(m);b——炮孔排距(m);H0——設(shè)計爆層厚度(m)。炮孔行間距a取1.0m,排距b取1.0m,代入上式得:Q=2.58。在爆破作業(yè)過程中,根據(jù)鉆孔取芯所得孤石的厚度,代入公式計算出該孔的裝藥量。此外,在爆破過程中對1#隧洞進行爆破震動同步監(jiān)測,爆破后對炮孔再次取芯驗證爆破效果,并結(jié)合爆破結(jié)果對爆破參數(shù)適時調(diào)整。3.3巖石乳化藥炸藥選用防水性能、安定性和起爆性能良好的的2#巖石乳化炸藥,藥卷直徑60mm,長度為40cm,單卷藥重1.2