上软下硬

上软下硬（精选4篇）

上软下硬 篇1

0 引言

由于受到城市地下交通规划和设计的限制,地铁盾构区间不可避免的会部分位于硬质岩石,部分位于风化层或软弱地层,而硬岩与软弱地层相比,两者之间的物理特性差别较大,这对盾构掘进施工带来了一定的困难,国内许多学者一直在研究这类问题。文献[1]对上软下硬地层的盾构施工,提出了关于刀具配置和更换、掘进控制等的对策,以及对掘进异常情况的辨别和处理方法。文献[2]介绍了在上软下硬地层的盾构施工掘进参数和渣土改良技术。文献[3]结合深圳地铁2号线东沿线土建2222标侨香站—香蜜站区间,对上软下硬地层盾构施工,给出具体盾构掘进参数以提高掘进效率,以及研究渣土改良技术和带压开仓换刀技术。

1 工程概况

深圳地铁11号线某区间采取盾构法施工,全长约5.5 km,采用4台A6980大盾构机由中部始发井向两端车站掘进。其中盾构始发井至较远侧车站起止里程左线总长1 869.165 m,右线总长1 861.604 m,该段线路最小曲线半径600 m,线间距13 m~37.6 m;隧道最大纵坡24‰,最小纵坡4‰,区间共设3个联络通道,联络通道兼做换刀加固区。

该隧道穿越的地质条件主要为砾质粘性土、全风化粗粒花岗岩,但左右线局部总计存在284 m硬岩凸起。取芯结果显示,岩体完整性较好,天然抗压强度平均值为81.7 MPa。现场取芯照片如图1所示。

全断面硬岩总计121 m,头尾两侧均为上软下硬地层,其中大里程段有条件进行预处理,已施作预裂爆破与注浆处理,后期掘进相对容易。小里程段由于上部为酒店建筑绿化带,未能进行预处理,后期掘进风险较大。

2 盾构施工的难点及风险分析

上软下硬地层指隧道下半断面或者大部分断面位于岩层中,上半断面或者拱部位于软弱地层中。正是这种特殊的地质条件造成了在上软下硬地层中盾构隧道掘进与一般地层的不同之处。主要体现在:1)上软下硬地层掘进易造成地表沉降;2)上软下硬地层掘进刀具磨损严重;3)上软下硬地层掘进需频繁开仓检查刀具,开仓风险大;4)上软下硬段地处下坡,对掘进不利;5)爆破预处理区掘进时,由于原有地表注浆孔可能存在封堵不密实,将会出现螺机喷涌、地表冒浆等问题。

3 上软下硬地层掘进前技术措施

3.1 加密补勘

针对上软下硬地段,在详勘的基础上,加密布孔,保证沿线每5 m有一个地质取芯资料,充分了解岩面变化情况,尽可能排查孤石分布情况。

3.2 孤石处理

发现孤石,需提前采取破碎处理。

3.3 大里程上软下硬段预裂爆破及注浆处理

上软下硬段大里程部位前期具备预处理条件,设计采用地表钻孔预裂爆破+深孔袖阀管预注浆工艺。岩石预裂爆破的孔距、深度以及装药量等都需进行试验和检验,同时根据规范[4]进行爆破安全校核,要求预裂爆破后岩石块径不大于30 cm,满足螺机出渣要求。

3.4 换刀点的设置及加固措施

区间联络通道范围均设计为换刀检查点,采用旋喷桩提前对隧道范围进行预加固处理。

4 小里程段上软下硬地层掘进技术

4.1 推进参数

左右线在上软下硬地层中实际刀盘转速1.5 rpm,掘进速度8 mm/min,贯入度4 mm~6 mm,上部土仓压力1.0 bar~1.3 bar,扭矩1 700 k N·m~2 000 k N·m。

4.2 刀具磨损情况

小里程段上软下硬地层中新更换的单刃滚刀可以使用约15环~20环,中心刀15环左右。其中内圈滚刀较多出现偏磨,外圈滚刀除偏磨外,还有断刀圈及缺口等现象。

4.3 防喷涌措施

由于掌子面地下水含量丰富,隧道位于下坡段,盾构外部水体汇集刀盘及土仓内,当动水压力较大时,为防止坍塌又需要保证较高土压力,易造成螺机喷涌。采取措施如下:1)加入高粘度泥浆,改变渣土的附着性,喷涌现象得到改善,渣土可以顺利通过皮带机输送。2)缩短同步注浆初凝时间,调整后的浆液初凝时间为2.5 h,基本吻合硬岩段每环纯掘进时间3 h。3)及时进行二次注浆,管片外部每5环一道双液浆止水环封堵。

地层含水丰富,同步注浆容易被稀释,为保证二次注浆质量,采用如下措施控制注浆效果:1)用高粘度膨润土泥浆填满土仓;2)用高粘度膨润土泥浆填充盾壳,从尾盾至前盾;3)打开管片吊装孔注浆,由下至上,由掌子面向后延伸至第五环;4)间歇性注浆,注浆压力小于1 MPa;5)相邻管片顶部吊装孔打开,保证压力不会瞬时过大造成管片受损。

4.4 小里程段上软下硬地层施工小结

1)保证同步注浆效果,二次注浆要及时跟进,做到常态化;2)不断尝试渣土改良工艺,达到最佳效果;3)保证二次注浆工艺质量的同时避免双液浆对盾构机的损害;4)不能盲目相信地质情况,遇到异常情况时及时停机处理;5)刀具磨损量大,应尽可能多的设置换刀加固区,进行常压换刀。

5 大里程段上软下硬地层掘进技术

5.1 推进参数

左右线在上软下硬地层中实际刀盘转速1.5 rpm,贯入度8 mm~10 mm,扭矩小于2 300 k N·m,推力小于2 200 t。

5.2 注意保持土仓压力

爆破处理以后,围岩裂隙发育,若注浆不到位或地表处理过程中封孔不到位,掘进时土仓内可能出现漏气等情况。因此实际掘进过程中应密切关注土仓压力情况,并做好注浆及地表封堵工作。

5.3 大里程段上软下硬地层施工小结

1)由于硬岩处理段土仓压力无法有效控制,无法进仓换刀和检查刀具,若爆破区过长,可能会影响盾构顺利通过,建议在爆破区中部设置一处换刀检查点,该部位无需进行预处理;2)由于炸药残留,掘进过程中,洞内有害气体浓度可能较大,应加强通风和有害气体的检查;3)螺机双闸门设计非常有效,爆破所用的PVC管容易卡住渣口,一旦卡住,疏通时单闸门无法保压。

6 结语

1)现场条件具备的情况下,应坚决对不良地层进行预处理措施,无条件时也应尽可能创造条件,保证盾构掘进顺利,同时降低风险及成本。2)爆破后的注浆施工可进一步优化,同时必须要仔细对残留孔进行封堵和排查,避免留下安全隐患。3)硬岩掘进,对设备的维护和刀具管理需格外加强,出现异常情况时切忌蛮干。

摘要：根据深圳地铁11号线某盾构区间工程的实际情况,分析了盾构施工的难点,阐述了小里程段与大里程段上软下硬地层的掘进技术,总结了掘进过程中的注意事项,以供同类工程参考。

关键词：地铁,盾构施工,上软下硬地层,掘进技术

参考文献

[1]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术[J].广州建筑,2010,38(6):17-19.

[2]付艳斌.上软下硬地层中盾构法隧道施工技术[J].交通科技与经济,2009(4):80-81,84.

[3]邓彬,顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究[J].现代隧道技术,2012,49(2):59-63.

[4]GB 6722—2014,爆破安全规程[S].

上软下硬 篇2

一、施工工法的选择

1. 地铁工程施工工法简介

地铁工程施工方法首先分为明挖与暗挖, 早期多采用明挖法施工, 近年来随着暗挖技术的发展及城市生活与环境要求的提高, 暗挖法已被广泛采用。

暗挖法主要有盾构法、浅埋暗挖法等。盾构是修建地铁区间隧道和其他地下工程时, 进行开挖支护和衬砌的一种专用机械设备。浅埋暗挖法是近年发展起来的一种新方法, 该方法已在城市地铁、市政地下工程及其他浅埋地下结构物的工程设计与施工中广泛应用, 开挖方法主要有台阶法、中隔壁法 (CD法) 、交叉中隔壁法 (CRD法) 、双侧壁导坑法、中洞法、洞桩法 (PBA) 等。该方法具有灵活多变、对地面建筑、道路和地下管网影响不大、拆迁占地少、不扰民、不污染环境等优点。

2. 暗挖车站施工工法选择与对比

设置于城市核心区的地铁车站, 考虑到交通疏解、环境保护等因素, 只能选择暗挖法施工, 传统的车站暗挖工法有双侧壁导坑法、洞桩法 (PBA) 、中洞法等。上述各种工法在国内其他城市都有成功案例, 但这些工法都是基于一个理念——“分部开挖”, 由多个导洞组合形成车站开挖断面, 存在受力转换多、临时支撑多等缺点, 而且大连地层多为岩石, 开挖时需要爆破作业, 爆破震动对临时中隔壁带来安全隐患, 多导洞也不利于施工机械展开作业, 会严重滞后施工工期。结合大连地层“上软下硬”的特征, 将支座设置于承载力较好的岩层中、首先施工完成拱形支护结构, 然后在顶拱之下展开大开挖作业的拱盖法的优势就凸显出来。

二、拱盖法的应用

1. 拱盖法的基本理念

拱盖法是在浅埋暗挖基础上创建的适用于硬岩或上软下硬地层的一种新工法, 该工法的基本理念为首先施工拱形结构 (拱形结构包括初期支护结构和二衬顶板, 视具体情况而定) , 充分利用下部围岩的承载能力与稳定性, 将拱盖结构的支座以大拱脚的形式置于稳固围岩中。为防止下部爆破施工中存在超挖影响拱脚的稳定性, 大拱脚纵向做成梁结构。扣拱施工过程中可采取分部施工控制沉降, 必要时可设置双层初支结构。待拱盖结构形成后, 下部开挖即可大规模作业。下部开挖时侧壁支护参数可根据围岩实际情况采取素喷、格栅支护或者增加砂浆锚杆、预应力锚索等措施。

2. 拱盖法施工步序

(1) 第一步:主体拱部导洞、冠梁及拱形初支结构施工, 如图1所示。

开挖主体导洞1、2并施做初支结构, 两导洞纵向错开距离不小于5 m, 在主体导洞外侧打设砂浆锚杆和锁脚锚管以加固拱脚处围岩。两导洞贯通后施工冠梁。分部开挖主体导洞3、4, 初期支护及时封闭, 并将主体导洞1、2内主体初支背后回填密实。

(2) 第二步:扣拱施工, 如图2所示。

分段拆除主体导洞中隔壁, 根据沉降变形监测数据每段拆除6 m左右, 根据二衬顶板模板台车长度, 纵向拆除3倍模板台车长度后, 即可依次开展基面处理、防水层铺设、钢筋绑扎, 然后利用模板台车分段浇筑顶板二衬。

(3) 第三步:车站主体下部开挖, 如图3所示。

在已经形成的拱盖结构保护下分段分层向下开挖, 纵向分段长度20 m, 竖向分层高度2~3 m, 宜采用拉中槽形式开挖, 增加爆破临空面, 提高功效。在侧墙部位要严格控制超挖, 宜采用松动爆破。侧墙部位每层开挖完成后应及时施做钢格栅, 喷射混凝土, 打设锁脚锚管、砂浆锚杆和预应力锚索, 确保侧壁围岩稳定性与基坑安全。

(4) 第四步:施工车站剩余主体结构, 如图4所示。

主体开挖完成后, 顺做车站主体底板、侧墙、中板等结构, 施工至中板以上时分段与顶板二衬闭合, 做好防水板与钢筋的连接, 车站主体完成。

3. 拱盖法施工注意事项

(1) 拱盖法是基于浅埋暗挖法基础上延伸的新工法, 完全遵循浅埋暗挖法理论, 即以改良地质条件为前提、以控制地表沉降为重点、以格栅和喷锚作为初期支护手段, 并严格遵循浅埋暗挖法十八字方针“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。

(2) 施工过程中应重视地下水处理, 根据地质情况采取“降、堵、排”等措施, 保证无水作业。做好超前预注浆加固, 开挖应与支护紧密配合。及时做好初支背后注浆, 保证支护结构与围岩密贴。

(3) 需严格控制侧墙部位超挖。通过弱爆破或非爆破方法减小爆破震动对侧壁围岩和已完成拱脚结构的影响, 最大限度保证围岩完整性。为防止局部岩层节理角度不利于基坑安全, 可对侧墙打设预应力锚索保证基坑侧壁安全。如拱脚下围岩局部承载力不满足原设计要求, 可增加钢管桩保证拱脚稳定性。

(4) 加强地表沉降、洞内拱顶沉降、拱脚变形、车站主体净空收敛等监测, 其目的在于通过监测数据与预测值做比较, 判断上一步施工参数是否达到预期要求, 从而指导下一步施工, 切实做到信息化设计、信息化施工。如监测数据异常, 应立即采取措施处理。尤其需重视拱脚变形监测, 拱盖法能否成功就取决于大拱脚的稳定性。

三、结语

由于地质条件多变, 地下工程设计施工需要因地制宜, 充分利用围岩自身承载能力。拱盖法就是针对“上软下硬”地层采取的一种新工法, 它节省了工程造价、缩短了工期、降低了施工风险, 当然它相对于传统双连拱结构沉降变形略大一些, 但也可以控制在工程安全允许范围之内。拱盖法车站的成功经验具有良好的经济效益与社会效益。

参考文献

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖通论[J].合肥:安徽教育出版社, 2004 (3) .

上软下硬 篇3

关键词：上软下硬,岩溶地层,新型冲岩装置,溶洞封闭技术,连续墙成槽

马鞍山公园站呈一字型设置于迎宾大道下方, 马鞍山公园北侧。车站起点里程为YDK11+165.530, 终点里程为YDK11+425.30, 车站外包总长为259.70m, 标准段宽18.70m, 车站中心里程处顶板埋深为2.550m。

车站自地表以下依次是填土层、粉细、中粗、砾砂层、微风化灰岩 (局部为中风化炭质灰岩) , 砂层厚度大、透水性强, 直接与微风化灰岩接触, 灰岩强度较高, 中间无不透水层。本站初见水位埋深约2米, 稳定水位埋深1.90~4.3m。

一、工法特点

针对岩溶地区上软下硬地层地下连续墙成槽施工改良为新的更有效的成槽施工工法。

新型冲岩装置:装置主体结构为十字雪花矽钢合金齿冲岩重锤, 锤体为十字圆台体结构, 材质为铸铁, 按十字雪花状分布, 用于减小重锤冲击岩体时的接触面积, 可以由始至终保持重锤冲岩成槽较高的垂直度, 相邻矽钢合金齿用钢筋连接, 用于固定冲齿并防止冲岩过程中冲齿斜向弯曲或偏移, 从而获得最佳冲击岩体和成槽的效果。

槽壁附近溶洞封闭技术:在基坑溶洞处理施工中, 采用溶洞封闭技术, 克服现有技术中注浆配比理论依据不足, 采用两次填料和两次注水泥和水玻璃双液浆, 避免了护壁泥浆和混凝土的大量浪费, 减少水泥浆用料、缩短水泥水玻璃浆液凝结时间、提高施工效率, 保护周边环境, 保证注浆浆体凝结后的强度, 确保工程安全进行。

二、工艺原理

软下硬岩溶地层中地下连续墙成槽施工工法的核心原理主要有:溶洞封闭原理、重锤冲岩原理。

溶洞封闭原理:根据溶洞情况调查抽排岩溶水, 进行初次填料和双液注浆加固, 然后进行二次填料和二次双液注浆加固, 在完成水泥水玻璃双液注浆封闭整个边界后, 再采用水泥浆进行压密注浆, 当注浆结束拔出注浆管后, 立即用水泥砂浆封孔。

重锤冲岩原理:在相应位置钻孔到指定入岩深度, 安装引导杆, 通过起重设备将十字雪花重锤起吊至指定高度, 调整水平位置, 使轴心孔正对引导杆, 缓缓下放直至引导杆顶部高出重锤顶部一定距离, 重锤反复起吊并下冲, 每完成一冲岩进尺后, 清理槽底碎岩, 检测引导杆垂直度并及时纠偏。

三、施工要点

槽壁附近溶洞封闭技术主要有以下几个施工步骤:

1、溶洞封闭

(1) 溶洞情况调查:利用钻孔法打设勘察钻孔, 确定溶洞的分布位置与大小、各自的岩溶侵蚀程度, 分析初始注浆孔的地层及岩溶和裂隙情况, 判断溶洞所处的地下水环境及富水性。

(2) 抽排岩溶水:根据 (1) 确定的溶洞的富水性排岩溶水。

(3) 溶洞内初次填料:根据 (2) 中岩溶水抽排程度, 对于岩溶水抽排干净的溶洞, 采取压力吹灌的方式通过初始注浆孔向溶洞内进行初次填料, 所填料为细砂或者粒径为10-30 mm的砂石;对于岩溶水未抽排干净的溶洞, 采取压力吹灌的方式通过初始注浆孔及追加注浆孔向溶洞内进行初次填料, 所填料为粒径为50-100 mm的石料;初次填料高度为溶洞高度的一半。

(4) 初次双液注浆加固:填料后在每个注浆孔处进行水泥水玻璃双液浆注浆加固。

(5) 二次填料和二次双液注浆加固:待浆液与填料凝结形成固体后, 重复 (3) 直至填充物充满溶洞高度, 重复 (4) 进行双液浆注浆封闭整个边界。

(6) 在完成水泥水玻璃双液注浆封闭整个边界后, 再采用水泥浆进行压密注浆, 达到停止注浆的技术标准则停止注浆, 否则清孔后进行再次注浆。

(7) 当注浆结束拔出注浆管后, 立即用水泥砂浆封孔;封孔完毕后, 位于该注浆孔周边的溶洞即完成了封闭。

(8) 溶洞治理效果检查:工作结束后2-3周内, 用钻孔法在初始注浆孔周围1m距离内随机钻取1个追加勘察钻孔, 检查岩溶封闭情况。

2、连续墙成槽施工

(1) 溶 (土) 洞处理的施工顺序应遵循:探边界--注浆充填--注浆效果监测。

(2) 注浆施工时, 应先施做外排止水、止浆帷幕, 将处理范围内溶 (土) 洞与外界洞体隔离, 再处理中间区域。若在周边孔注第一次浆时, 注浆量已较多, 压力达不到设计要求时, 周边孔与中央孔可交替注浆。

(3) 发现浆液流失严重时添加水玻璃速凝剂, 以确保注浆效果。

(4) 中央区域注浆孔应跳跃施工, 以防止跑浆, 窜浆现象。

(5) 对于需处理的纵向多层分布的溶洞, 由深至浅依次充填处理。

(6) 重锤冲岩, 采用旋挖钻机钻孔, 施工主引导杆与副引导杆, 由实际岩面深度确定, 导杆底端埋入待冲击岩面以下, 并随着冲岩进度逐步下移, 依据所确定的冲孔孔位, 将重锤中心对准导杆穿入, 随后沿导杆方向用重锤锤击岩面。

(7) 重锤距离待冲岩面的提升高度为3 m, 锤击进尺为400 mm, 每一进尺施工完成后, 立即用成槽机挖出碎岩, 先主冲孔后副冲孔。

施工质量保证措施:

(1) 勘察钻孔距离地下连续墙外侧1 m处沿地下连续墙分布, 勘察钻孔间距为10 m, 深度为地下连续墙最深深度再加2 m。

(2) 填料通过漏斗和套管, 借助水压至少为0.2MPa的水流进入溶洞进行溶洞注浆。

(3) 水泥水玻璃双液浆的配比是水泥浆与水玻璃的体积比为4:1, 且水玻璃比重为1.125 g/ml, 水泥浆水灰质量配比为0.8:1, 水泥浆拌制采用32.5级普通硅酸盐水泥, 注浆压力控制在0.1-0.4 MPa, 注浆速度为30-70 L/min;所述水泥水玻璃双液浆注浆体积为初次填料体积的三分之二, 以保证其封闭初次填料的整个边界。

(4) 压密注浆压力不大于0.5 MPa, 开始时浆液先充填大的空隙, 然后在压力下渗入周围土体孔隙。

(5) 引导杆为分节式钢导杆, 直径由稳定性验算确定, 引导杆的底端埋入待冲击岩面以下, 并随着冲岩进度逐步下移, 保持引导杆入岩深度在安全范围以内。其入岩深度依据得岩石强度并结合引导杆及重锤质量确定, 确保可固定引导杆不致歪斜或滑脱。

四、结语

上软下硬 篇4

盾构在硬岩突起的上软下硬地层中掘进时, 面临换刀及带压进仓等风险, 处理硬岩常规做法是采用矿山法、冲击钻成孔法冲碎、旋挖钻钻取等方式处理, 但矿山法风险大、成本高、且软弱覆土地层不适用, 冲击钻、旋挖钻方法受管线改迁、占道办理手续滞约影响, 加之硬岩冲孔进度慢, 致使常规的处理方法工期较长, 费用较高。深圳地铁11号线宝碧区间盾构段隧道, 采用了深孔爆破法预处理硬岩, 有效减弱振动对周边建筑物的影响, 且基本没有噪声污染;爆破后岩石块度满足盾构掘进要求;同时采用地质钻机钻孔, 可避开地下管线, 对管线实施有效保护。硬岩段经过预处理措施后, 处理方式均起到了破碎岩体、减小推进难度的作用, 均可满足了方案要求。该种预处理后盾构机推进的方法工期短, 社会及经济效益显著, 可在以后类似工程实践中广泛运用。

1 工程环境及水文地质情况

深圳地铁11号线宝碧盾构区间在里程DK21+960段揭露了一段硬岩, 岩面最高处侵入隧道2.7 m, 硬岩取芯最大单轴抗压强度61MPa。施工前对硬岩段进行了补勘, 钻孔间距加密至2 m, 勘察需处理侵入隧道岩石范围为:竖向2.0 m (平均) , 沿隧道线路方向左线135 m、右线85 m。

该段地层情况地面0~3 m为素填土 (夹块石) 、3~10 m为淤泥层、10~15 m为砾砂层, 再往下为中及微风化层。该段隧顶埋深12 m, 盾构机中部及以上为砂层、淤泥层, 中部以下地层为硬岩层, 该类地层情况下掘进, 刀具易磨损、地面沉降难控制, 其安全性是极难保证的。

硬岩段范围有一条10 k V高压电缆与隧道方向正交, 管线埋深1 m, 管排宽度1.5 m。为保证爆破效果, 靠近管线位置需钻斜向孔[1]。

基岩突起段隧道埋深12.5 m, 隧道上部为淤泥层、砾砂层, 底部为中风化、微风化片麻状花岗岩及闪长玢岩。近地表层为填土层和淤泥层, 该段路基曾进行过搅拌桩路基处理, 搅拌桩长4~10 m, 桩间距约为1.5 m (原地面开挖时有揭露) 。该段水位位于地下3 m, 隧道范围内砾砂层透水性较强。

2 深孔爆破施工方法

2.1 基岩突起对盾构掘进的影响

在地铁工程盾构法隧道施工过程中, 经常会遇到坚硬的基岩突起情况, 存在着“上软下硬”的情况。在这类地层中盾构机掘进效率低, 刀盘、刀具磨损严重, 易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等, 处理起来速度比较慢, 严重影响施工进度, 有的甚至因施工无法进展而不得不变更设计, 花费成本较高, 经济效益差;怎样处理好盾构掘进过程中所遇到的坚硬基岩突起, 是当前盾构法施工中一个较大的技术难题[2]。

在上软下硬地层中, 掘进速度慢, 渣土改良及出土量控制难度大, 进而易产生超挖和地面沉降超限现象。同时, 该类地层由于上部地层松软、气密性差, 不具备常压换刀条件, 带压施工难度大。因此, 最好的处理方式是从地面进行处理[3]。

2.2 地面处理基岩突起及孤石

考虑因素:硬岩处理方法将根据基岩突起的位置、强度、深度及周边环境等因素确定。

处理原则:首先选择在地面处理的方式进行处理, 地面处理条件不具备时再考虑洞内处理。

处理方法:本工程具备地面处理条件, 对已探明基岩突起位置采用地面跟管钻机 (如存在填石层情况, 需采用跟管钻机引孔, 穿越填石层) 及地质钻垂直打孔, 并采用地表深孔爆破及水下爆破两种爆破形式装炸药爆破隧道断面范围内的突起基岩, 将基岩爆破破碎为块径小于20 cm的块体。

地质钻及打孔跟管钻孔径为Φ110 mm, 采用地表深孔及水下钻孔两种爆破形式的相关规定, 结合本工程的特点, 进行爆破[4]。

2.3 布孔形式、起爆顺序及装药结构

2.3.1 基岩爆破

由于突起基岩埋深较深, 最深约为20 m, 需爆破最厚厚度约为5 m, 为了保证爆破破碎效果, 应合理的选择起爆点以及对不同厚度的基岩采用不同的起爆顺序以及不同的孔排距参数。

1) 钻孔及孔径。采用地质钻机或跟管钻机钻孔, 钻孔110, 采用矩形布孔, 钻孔达到设计孔深后, 下直径90 mm的PVC管护孔。隧道左右线钻孔长度范围各约50 m, 钻孔宽度范围超出隧道轮廓线1.0 m。钻孔平面如图2所示。

2) 最初起爆点的选择。根据地质详勘资料及现场钻机钻孔取芯情况, 选择基岩厚度相对较小的位置开始爆破, 然后逐渐向基岩厚度大的里程推进, 根据现场地质实际情况可以选择一个点, 如工期较紧, 也可以选择多个点作为最初起爆点, 可以创造多个工作面。

3) 对基岩厚度较大、岩石强度较高的区段, 采取首先对前排孔进行爆破, 然后利用前排孔爆破挤压前方及上方的软弱土层以及自身炮孔的空间, 为后排孔创造了爆破自由面, 再对后排孔进行起爆, 依次逐排起爆, 可保证爆破破碎效果。因为前方和上方可以挤压软弱土层, 每次起爆炮孔排数最多可以达到3~4排。

2.3.2 钻孔机械

由于本工程需要爆破处理的岩石位于地表以下约20 m的位置, 结合本工程的特殊性以及现有的机械设备和技术力量, 决定采用跟管钻机及地质钻机进行钻孔 (如存在填石层情况, 需采用跟管钻机引孔, 穿越填石层, 地质钻机在跟管钻机的套管内继续往下钻孔) , 跟管钻机也可直接成孔, 跟管钻机不能取出岩芯, 地质钻机可取出岩芯[5]。

2.3.3 钻孔直径

采用地质钻机及跟管钻机钻孔, 土层钻孔孔径、岩石钻孔均为110 mm, 如跟管钻机引孔穿越填石层, 则孔径应大于110 mm, 确保地质钻机在跟管钻机套管内能继续往下钻, 成孔后下90 mm的PVC套管。

2.3.4 钻孔形式

为了便于施工和准确控制钻孔方向, 采用垂直钻孔形式。

2.3.5 火工器材选型

雷管选用瞬发电雷管和导爆管雷管, 炸药选用防水乳化炸药, 标准直径为Φ60 mm及Φ32 mm两种, 具体根据现场的需要加工。

2.4 药包设计及加工

2.4.1 药包设计及加工

炮孔验收合格后, 对装药爆区范围内设置警戒, 根据取出的岩芯情况开始加工药包。首先要准备好直径75 mm的PVC管, 根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况, 提前计算好药包长度, 将炸药和雷管装入PVC管内指定的位置, 采用耦合和不耦合两种形式的药包筒, 根据现场实际情况及装药量来确定采用何种药包筒。由于孔内有水及少量泥浆, 为了顺利装药, 需对药包适当配重。PVC管的长度需根据药包长度和配重长度来截取。

式中:L———所取PVC管长度;

L1i———药包长度;

L2i———配重长度。

药包设计、加工示意图如图3、图4所示。

2.4.2 抗浮配重

由于炸药与孔内的泥浆水比重相近, 导致药包无法下沉或下沉后在浮力作用下而无法固定, 所以需对药包进行配重抗浮。配重根据药包筒的长度根据现场情况采用配重小铁件 (圆柱铁饼形状) 或采用粒径0.5 cm的碎石, 炸药密度约为0.95~1.20 g/cm3, 此处取1.00 g/cm3;孔内泥浆水密度约为1.15~1.20 g/cm3。如果三者满足下式关系, 则药包会顺利下沉。

举例说明, 只要求出L1i/L2i=a中的a值即可确定配重长度及所需PVC管长度。式 (1) 中, PVC管的直径对其没有影响, 所以上式可以转化为:

则可计算出配重长度a。所以只要满足上述比例就可达到抗浮的效果。

3 爆破处理效果检验

基岩处理后的爆破质量通过地质钻机钻孔取芯进行验证, 以抽取出的完整岩芯单向长度≤20 cm为合格。隧道纵向每5延长米抽检一个孔, 如果抽检区域不合格, 则补孔进行二次爆破。

4 后期地层注浆固结

鉴于隧道范围硬岩采用爆破方式处理后, 爆破震动造成地层松散, 尤其是隧道顶部存在淤泥层、填石层特殊地层, 在盾构掘进过程中, 因要掺加泡沫剂等润滑剂和保压需要 (如果出现掘进困难时带压开仓) , 经爆破扰动过地层极易出现泡沫剂等沿松散孔隙流失甚至到地面上, 造成污染和浪费;同时, 松散地层无法保压。为确保安全, 在爆破处理后对隧道周边松动围岩采用注浆方式充填加固, 以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。

注浆方式:后退式注浆。

注浆浆液选择:考虑到本地层与地下水 (海水) 存在紧密联系, 爆破后地层的扰动较大, 为了更好控制注浆浆液扩散范围, 选用水泥-水玻璃双液浆加固地层。

注浆加固范围:加固深度从地面至隧道结构底板下1 m, 加固宽度隧道中线左右开挖轮廓线外各1 m范围全部进行注浆加固。详见图5、图6所示。

5 掘进施工控制

5.1 掘进参数统计分析

盾构过基岩突起段时, 硬岩处刀盘的滚刀受力较大, 而软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层, 但局部硬岩对刀具、刀盘的损伤较大, 所以我部在实际通过时针对各个处理点进行实时调整, 总体控制贯入度、转速、扭矩参数, 以掘进速度为小于15 mm/min、贯入度小于10、扭矩小于2 200 k N为控制指标, 使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载。参数统计、分析情况如图7、图8。

5.2 渣土改良技术总结

基岩突起端渣土改良主要是靠泡沫剂实现, 在过之前对泡沫系统进行复查, 重点检查泡沫发生器是否能发出合格的泡沫, 并在盾构机上进行泡沫调节实验, 确定最佳泡沫参数, 选用的膨胀率22的泡沫效果, 打出泡沫较细, 有一定粘聚力, 不易破损, 此为较理想泡沫。

施工过程使用的泡沫参数:

1) 浓度 (C) :4%

2) 膨胀率 (FER) :22

3) 注入率 (FIR) :60%

过程中严格控制注入率, 注入速度与掘进速度相匹配, 泡沫剂流量M与掘进速度V计算式如下:

V×π×3.14×3.14×60% (M单位为L/min, V单位是mm/min) ;

5.3 掘进控制总结

通过此次顺利过基岩突起段掘进控制经验, 总结以下几条掘进控制要点:

1) 通过软硬不均地层时刀盘宜采用低转速:1.0~1.4 r/min, 低贯入度:≤10 mm/r, 减小硬岩对刀具的冲击力, 避免刀圈发生崩裂。

2) 加大发泡剂比例, 比例宜控制在22~30倍, 可有效的对刀具起到降温润滑, 改良土体, 防止水土分离造成喷涌现场, 我部此次过基岩突起段选用的泡沫为高质量的“康拉特”泡沫。

3) 控制出土量, 通过实际出土情况结合地面沉降监测情况, 出土量宜控制小于72 m3/h, 同时必须保证盾尾回填注浆的饱满, 盾尾同步注浆的标准是确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满, 这不仅可降低后期地面的沉降, 也对管片防水起到一定有利作用。同步注浆量为理论间隙的150%~200%, 实际同步注浆量为7~8/环 (理论间隙4/环) , 满足要求。

4) 保持平稳连贯的通过, 无紧急情况不得进行停机, 以避免刀盘后方形成水路、喷涌的现象。

5) 硬岩段掘进, 每环刀盘至少正反转两次, 使掌子面顺向的岩体更易削落, 更好地控制盾构机姿态, 以进尺500~1 000 mm进行调整一次, 单环/2~3次为佳, 从人舱内观察盾体震动及刀具切削声, 结合扭矩情况控制推力和推进速度。

6) 如果刀盘扭矩的变化范围突然加大, 油缸推力又极不均衡, 那么刀盘前方土体一定软硬不均。此时, 必须减小油缸推力, 同时降低刀盘旋转速度。

7) 掘进速度低、扭矩变化减小、碴土温度变高, 说明刀盘磨损严重, 应及时对刀具进行检查并合理换刀, 保护刀盘不受损伤。

6 结语

在地层软硬不均或球状风化岩层段采用硬岩爆破处理方式能够较好解决工期进度问题, 提高盾构掘进速度;另一方面, 节约投资的同时减少了占道以及泥水、噪音污染, 社会及经济效益显著。该方法可在后续同类上软下硬或孤石处理工程施工中广泛应用。

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