盾构隧道孤石形成机理及探测方法研究

盾构隧道孤石形成机理及探测方法研究

随着挖掘机在隧道施工中的广泛应用，独立于岩石的桥梁开挖变得越来越常见。盾构遇到孤石尤其是大直径孤石,对盾构姿态的调整、盾构刀盘的磨损和盾构操作均带来较大影响。其主要原因和影响有:大直径孤石随着刀盘一起滚动,导致刀盘受力不均,扭矩、推力增大,刀盘、刀具磨损严重,掘进速度降低,严重影响工期;多个孤石的存在造成盾构姿态和掘进方向难以控制,导致成型隧道线形与设计线形偏差较大;同时由于孤石伴随刀盘一直旋转,掌子面无硬岩面提供反力破碎,导致刀盘开挖面扩大,扰动周边地层,极易发生地面塌陷;刀盘受力不均致使主轴承受损或密封破坏,刀具磨损严重,从业人员如果进仓换刀存在生命危险。因此,对盾构隧道穿越岩溶区孤石群的研究越来越必要。该文结合长沙某盾构隧道工程实例,对盾构穿越岩溶地段孤石群处理技术进行分析研究。1岩溶孤石形成机理长沙某盾构隧道长约650m,其中约380m施工段处于岩溶影响区,溶洞见洞率约为20%。场地岩溶发育较强烈,以埋藏型岩溶为主,并主要发育在灰岩中,泥灰岩次之,炭质灰岩基本不发育。施工过程中盾构掘进至岩溶区某位置后遭遇孤石,盾构螺旋输送机无法出渣,开仓后发现土仓内直径大于60cm的孤石很多,堵塞螺旋输送机口,开挖舱内2点位置有一块直径大于1.5m的孤石(见图1),其他区域有不同尺寸的孤石。孤石为微风化灰岩,抗压强度100MPa左右(取样孤石见图2)。2单带勘探方案2.1探测方案确定根据该区间孤石群特点,经风险评估盾构施工风险较大。为了减少风险发生的概率和损失,根据各地类似工程施工经验,结合该工程实际特点,确定提前处理并制定相应的风险应对措施。孤石群探测方案比选情况如下:方案1为钻孔加密探测。孤石探测采用加密探孔的方法进行,但工作量较大,所需条件苛刻,费用较高,探测麻烦,可操作性较差。方案2为地面物探。该方法简单,但因拟探测场地位于繁华街道,车流不断,地下管线密集,隧道埋深大,传统地面物探无法实施,且探测不很准确。方案3为盾构机自身探测。该区间隧道未设置超声波探测,同时从其他地区类似施工情况来看,盾构机自身超声波探测效果欠佳。方案4为钻孔+跨孔电阻探测。采用钻孔直观揭露,钻孔之间采用超高密度直流电法跨孔探测。该方法具有相对较好的抗干扰性、分辨率较高、受施工场地影响较少等优点,根据广州、深圳等地的经验,该探测方法具有准确性、经济性和适用性。结合该工程施工场地条件,经综合对比分析,最终选用方案4,即钻孔直接揭露和钻孔之间采用电阻探测,达到点面结合,解决孤石探测问题。2.2试验计划的实施2.2.1补勘钻孔测试孔以井-井超高密度直流电法探测为主要方法,以补勘钻孔为测试孔。因该工程隧道底在地下26m左右,测试孔间距为5m,测试孔的深度要求不小于31m,即测试孔深度需钻至隧道底5m以下。2.2.2pvc塑料管c管测试孔内要求下PVC塑料套管保护电极,每孔电极32根,电极距0.5~1m,每两测试孔之间形成一条跨孔测试剖面。安设PVC管的方法和要求:(1)PVC塑料管内径不小于70mm。塑料套管下至孔底,孔口平地面或高出地面5~10cm。(2)塑料管底端密封,上下管之间采用连接头连接,连接处涂抹专用胶水,并用透明胶带在接头处缠绕几圈(增加抗拉强度)。(3)为保证电法采集数据时要求的导电性,PVC塑料管上打密集小孔。为防止小孔进泥浆,在PVC塑料管外部缠上纱布,并用塑料扎丝扎紧。2.2.3探测方向平行布置横向以3.5m线间距,沿隧道盾构方向平行布置3条探测线,探测宽度为盾构隧道断面即7m。每横断面间距5m,每个断面为一个测试剖面。3单石处理方案3.1处理方案的选择3.1.1盾构机的切削力孤石能成功被盾构机进行破碎必须具备两个条件:一是盾构机能提供足够的切削力;二是在孤石被刀具破碎的过程中,周边土体不会产生破坏,即孤石不能移动。3.1.2洞内破碎方法盾构机遇到孤石时,对孤石周边土体进行地面加固或洞内加固,以提供人工破岩条件。洞内处理孤石主要有以下几种方法:(1)洞内炸药爆破。该方法首先对孤石进行钻孔,然后装入炸药,爆破效果较好,但存在较大风险,控制不好,不仅破坏刀盘,而且扰动地层,造成地面塌陷,不适合该工程。(2)洞内人工破除。需要工人带压进入开挖面,采用风镐直接破除,风险较大,破除时间也长。由于该工程地层较差,一是不能提供作业空间,二是开挖面容易漏气,三是开挖水较大,因而无法采用人工洞内直接破除。(3)洞内岩石分裂机破除。该方法需先对孤石进行钻孔,然后采用岩石分裂机破除,施工速度较慢,而且岩石分裂机占用空间大,盾构机无空间,也不适合该工程。(4)洞内进行微膨胀静态破除。首先对孤石进行钻孔,然后灌入静态破碎剂。该方法对地层扰动较少,适合于脆性岩层,满足该项目需要。3.1.3孤石爆破处理方案(1)地面挖孔桩处理方案。探测定位后,采用人工挖孔,然后进行破除处理。该方案工期较长,费用较高,对交通影响较大,不适合于该工程。(2)地面冲孔破除处理方案。探测定位后,采用冲孔进行破除。该方案适合于孤石较小的情况,而该工程孤石较大,采用该方案不能完全破除,不适合采用。(3)地面爆破处理方案。采用地质钻机从地面上对孤石进行钻孔,钻穿孤石后安设PVC管,采用PVC管进行炸药安设,孤石上部的PVC管采用黏土封闭。该方案适合该工程。采用先孤石边缘后孤石中心爆破的微差爆破,确保爆破安全。爆破施工后,在距离孤石中心约30cm处进行钻孔取芯,若该孤石段取芯破碎块大于30cm,必须进行补爆。3.2地面爆破为避免孤石造成的各种风险,根据钻孔结合跨孔电阻探测摸清孤石分布情况,圈定其数量、位置及分布范围。对具备地面施工条件的大直径孤石,精确定位后,在地面钻孔,采用特制药包引管实施爆破;对处于繁华道路区域的区间,因交通疏解困难,不具备地面爆破条件,采取洞内静态爆破的方式处理,即在盾构机遇到孤石后采取人工开仓,先对仓内掌子面进行引管排水,确保掌子面稳定和仓内人员操作安全,然后在仓内对孤石进行微膨胀静态爆破,使孤石尺寸满足盾构掘进要求,并及时对损坏刀具进行更换和优化(仓内人工破除见图4);对尺寸较小孤石,采取盾构直接通过的方式。同时,盾构掘进过程中随时监测刀盘和刀具的受力状态,确保其不超载,并随时观测刀具受力是否均匀,以防刀盘产生变形;孤石破碎后恢复盾构掘进,掘进过程中注意调整盾构机的姿态,控制推力、扭矩、注浆量等掘进参数。4孤石区域聚合物爆破防护技术该文以长沙某盾构隧道为工程背景,就岩溶区隧道盾构掘进中遇到的孤石难题,通过不同探测方案和处理方案的比选和实际工程案例总结,提出了钻孔结合电阻探测的综合