基于孤石随机性的盾构机掘进爆破方案分析

基于孤石随机性的盾构机掘进爆破方案分析

1隧道与地下工程施工随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，公共交通问题面临着严峻的挑战。作为解决拥堵问题最有效的手段之一，地铁建设将得到快速发展。著名的隧道与地下工程专家预言:21世纪必将是我国隧道与地下工程建设的高峰时期。盾构施工技术作为隧道、地铁、城市管线以及越江、跨海等基础设施建设的一种主要施工方法,已经得到了广泛应用。孤石乃花岗岩风化土中的球状风化核,是岩浆中的石英富集部分不容易风化所致,在广州、深圳等东南地区盾构施工过程中经常会遇到影响施工进程和安全的这种地质情况。基于孤石尺寸和分布位置的随机性及其较高的强度,如采用盾构机直接掘进通过的方法,则对刀盘及刀具会带来严重破坏;遇到自稳能力差、不具备带压进舱的条件时,将面临极大的施工风险,甚至导致整个工程的失败。因此,为保证盾构机的顺利掘进,需采取合理的方法对其进行预处理。2盾构区间隧道广东台山核电站位于台山市赤溪镇腰古村的腰古咀,东面为黄茅海,其余三面环山。核电站循环冷却水通过1#、2#机组取水隧洞穿越海底,在东南约5km处的大襟岛南侧引入核电厂区。1#、2#取水隧洞平面轴线为两条平行直线,北西—南东向平行展布。隧洞中心间距29.2m,建筑长度为4330.6m/条,主要采用大断面泥水盾构施工,两侧部分岩石段采用钻爆法施工,最大埋深约55.75m。盾构区间隧洞总长8119m(1#洞4061m,2#洞4058m)。隧洞采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构,其盾构管片厚度为0.4m,作为隧洞的主体结构,二次衬砌厚度为0.3m。该工程为我国第一条大断面长距离的海底盾构隧洞工程。2.1构造格架的组合工程区在大地构造上位于华南褶皱系(Ⅰ级)、粤东北—粤中坳陷带(Ⅱ级)、永梅—惠阳坳陷带(Ⅲ级)北部。地质构造总体上以北东向构造为主,次为北西向构造,此外还有零星出露的东西向及南北向构造,它们相互切割、复合,构成了本区构造的基本格架。根据前期详勘资料表明:工程区出露的岩性为第四系松散堆积物、燕山期花岗岩侵入体(?5)及泥盆系老虎头组(D2-3l)粉砂岩、泥岩、变质砂岩及角岩。其中,燕山期花岗岩侵入体物理力学参数如表1所示。2.2洞穴表面风化质根据前期地质补勘及水域地震反射波的成果,对发现的取水隧洞洞身范围内的分类异常进行钻探验证,2#取水隧洞在花岗岩段的洞身范围内存在花岗岩风化残留体;从就近搬运和滚落的孤石的物探异常得到验证,异常主要分布在核电岸边300m范围内,2#洞有两处孤石群(图1),其余地段中风化花岗岩未进入隧洞设计洞底。孤石与周围岩体强度相差较大,其单轴抗压强度大部分为80~120MPa,甚至更高;而盾构开挖范围内其它周边风化或残积土层的强度较低。4爆炸效果的评估4.1爆破前后岩体破碎程度验证为验证爆破参数的合理性及爆破后孤石的破碎效果,在对2#隧洞试验段孤石爆破处理后,采用地质钻进行取芯验证,由此来验证爆破后岩体的破碎程度。图6为爆破前某处孤石钻孔取出的芯样,结构较完整,节理裂隙少。图7为爆破后某处孤石取出的芯样,结构比较破碎,大部分粒径在10cm以下,较大粒径也在10~20cm,均小于30cm。结果表明,达到了对孤石进行预处理的效果,为盾构机的顺利通过奠定了基础。4.2爆破震动跟踪爆破震动测试内容主要包括:质点振动速度、质点振动位移、质点振动加速度。我国新颁布的爆破安全规程规定:对地面建筑物的爆破震动判据采用质点振动速度和主振频率两个指标;对于条件尚不成熟的水工隧洞、交通隧道,只采用质点振动速度单一指标。为控制爆破震动对临近1#隧道的影响,在爆破施工过程中,选取与爆源里程相对应的1#隧洞进行爆破震动跟踪测试。依据爆破安全规程,本次主要对1#隧洞的质点振动速度进行监测,采用四川拓普测控科技有限公司生产的UBOX-20016爆破震动记录仪、CD-1型磁电式速度传感器采集信号。探头均布置在与2#隧洞爆源相对应的1#隧洞拱腰处的管片上,同时量测水平(隧洞轴线)和垂直(垂直于隧道轴线)方向的震动速度。测试结果表明:(1)垂直方向的震速明显大于水平方向,这主要与波的传播规律有关;(2)随着单段药量的增加,测点震速随之增大,符合爆破震动的一般规律;(3)同一方向不同测点的震动速度相差较大,可能与两隧洞轴线间不同的地层有关;(4)爆破震动速度均小于15cm/s,符合水工隧洞爆破震动安全允许标准。限于篇幅,仅给某里程同一测点两个方向的震动速度,如图8、图9所示。5加强爆破注浆和加固措施(1)鉴于本工程地处海域区,地下水比较丰富,爆破震动势必会在孤石周围地层中产生裂隙,为避免泥水盾构掘进过程中掌子面地层漏气漏浆,爆破后需对爆破区域进行注浆加固。(2)为有效降低爆破震动对1#隧洞的影响,应采用微差爆破技术,并严格控制单段最大药量及起爆的总药量;此外,可在2#隧洞外侧与1#洞之间布设一排减震孔。(3)盾构机掘进通过时宜采用低转速、小推力、低扭矩等参数通过,应精心设计刀盘,严格控制盾构姿态。(4)科学信息化施工,加强爆破震动测试并及时反馈,调整爆破参数;同时,可增加1#隧洞拱顶下沉和水平收敛监测。6海底产权孤石爆破预处理盾构穿越含有孤石的软硬不均地层是盾构施工的一大难题,施工风险极高。基于孤石大小、分布位置的随机性及其强度较高的特点,在前期物探及钻孔验证的基础之上,对炮孔布置形式、装药量、装药结构、起爆网络等精心设计,总结出了一套针对海底隧道孤石爆破预处理的施工方法。在爆破过程中采用对1#隧洞适时进行爆破震动跟踪监测,以及对爆破后的炮孔进行取芯验证的方法。结果表明:孤石破碎效果良好、大块率较低,满足了盾构顺利通过的要求;且爆破震动对1#隧洞的影响也在爆破震动安全允许标准范围之内,从而验证了上述爆破参数的设计是合理的、是切实可行的。3爆炸方案3.1爆破质量的确定根据2#隧洞物探及钻孔验证结果,对陆域侧孤石群区域进行回填,采用地质钻机和潜孔钻机相结合的垂直钻孔形式进行钻孔,钻孔直径为90mm。按分区域、分排顺序,利用前排爆破对周围土体挤#压产生的自由面,逐个对后排孔进行爆破。鉴于孤石的尺寸难以准确确定,根据规范规定,结合物探和钻探结果及现场实际情况进行设计。当孤石厚度小于2m时,炮孔排间距和行间距a取0.8~1.0m;当孤石厚度大于2m时,炮孔的行间距a和排间距b取1.0~1.2m,孤石上炮孔按梅花形错开布置,每次起爆的首排炮孔宜比其后各排炮孔深0.2m。炮孔布置如图2所示,不同厚度孤石爆破如图3、图4所示。3.2爆炸参数设计3.2.1爆破单耗分析长期的理论研究和实践表明,影响水下爆破炸药单耗的因素主要有:岩石物理力学性能参数、自由面条件、爆破的水深及上覆层厚度、炸药的性能指标等。当前,关于水下爆破装药量的计算公式有很多[8~11],但都是在长期实践中的经验总结。参照我国水利系统水下爆破的经验和相关规定,通过对各种影响因素的综合比较,采用瑞典公式进行炸药单耗计算,如下式:式中:q1——基本炸药单耗(kg/m3),是一般陆地梯段爆破的2~3倍对水下垂直钻孔爆破,再增加10%);q2——爆区上方水压增量,q2=0.01h2,h2为水深(m);q3——爆区上方覆盖层增量,q4=0.02h4,h3为覆盖层淤泥或土、砂等)厚度(m);q4——岩石膨胀增量,q4=0.02h4,h4为梯段高度(m)。本工程爆破对象基本位于地下15~25m之间,陆地普通坚硬岩石爆破平均单耗为0.6。根据公式1,当采用水下钻孔爆破时,基本装药量q1=1.1×(3×0.6)=1.98kg/m3。平均水深h2=20m,上覆层厚度h3=15m,阶梯高度h4=4m。代入公式得:3.2.2装药量的计算在设计本次孤石爆破时,要考虑爆破后岩石的破碎程度,以满足盾构机顺利通过的要求。同时,又要避免爆破震动对已贯通的1#隧洞带来破坏。依据相关规范,单孔装药量计算公式为:式中:Q——单孔装药量(kg);q——水下钻孔爆破单位炸药消耗量;(kg/m3)a——炮孔间距(m);b——炮孔排距(m);H0——设计爆层厚度(m)。炮孔行间距a取1.0m,排距b取1.0m,代入上式得:Q=2.58。在爆破作业过程中,根据钻孔取芯所得孤石的厚度,代入公式计算出该孔的装药量。此外,在爆破过程中对1#隧洞进行爆破震动同步监测,爆破后对炮孔再次取芯验证爆破效果,并结合爆破结果对爆破参数适时调整。3.3岩石乳化药炸药选用防水性能、安定性和起爆性能良好的的2#岩石乳化炸药,药卷直径60mm,长度为40cm,单卷药重1.2