浅谈深孔爆破在地铁盾构施工中的应用

  摘要:盾构法施工工艺具有施工速度快、安全性好、施工作业劳动强度低等特点,在我国目前的地铁施工过程中已经越来越多的被广泛使用。在盾构法施工过程中,经常会遇到随机分布的孤石,且孤石形状大小各异、强度不一。在这类地层中掘进效率低,刀盘刀具磨损严重,易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等,还会造成隧道轴线偏离从而不得不对设计做出变更,若土质松软,固定不住孤石,不能产生足够的破碎反力,孤石就会随着土体的破坏而移动或被刀具弹开,或者会在刀盘前面循环,增加对土体的扰动,造成地表沉降过大等安全隐患。怎样处理好盾构掘进过程中所遇到的孤石,是当前盾构法施工中一个较大的技术难题。

  关键词:盾构法施工,地铁,施工

  人工清除孤石的工作对于工作人员和工程项目都很危险,开挖面崩塌可能会使施工人员伤亡,也可能引起隧道顶部地面过大的沉降。在这种情况下进入开挖面是不可能的。

  深圳地铁5号线翻灵区间右线在国内首次采用了深孔爆破的方法,并取得了成功。作为该区间的监理组长,笔者亲身经历了全过程,现把该案例介绍出来,以供参考。

  该区间盾构始发前五个月,施工单位对盾构施工线路做了补勘,补勘结果显示,右线从DK4+240到DK4+310,有连续的基岩突起,侵入隧道最高达到3.9米,强度最高达到217.1MP,况且基岩上部有孤石群,最大的孤石长度7.65米、厚度1.8米(见下表)

  施工过程中,对已探明孤石及基岩突起等不良地质,采用地面地质钻垂直打孔,装炸药爆破隧道范围内孤石及基岩,使孤石及基岩成为单边长度小于30cm的碎块。

  地质钻打孔孔径为89mm,由于需要爆破处理的岩石位于地表以下14~22米左右的位置,厚度约0.3m-1.8m,采用地表深孔及水下钻孔两种爆破形式

  爆破的部位位于创业一路路面下方,地表两侧均分布有居民楼,爆区环境示意图如下图所示:

  爆区环境示意图

  爆破方法介绍:

  采用地质钻机钻孔,垂直钻孔形式,土层钻孔孔径为100mm,进入岩层钻孔直径为89mm,孔内雷管选用毫秒导爆管雷管,起爆雷管选用顺发电雷管,炸药选用乳化炸药,标准直径为60mm。

  由于炮孔深度达到约22米,需要爆破处理的岩石位置为地表以下约15~22m的位置,同时由于炮孔中有水,因此,起爆药包采用软钢丝悬吊于爆破点的位置,且一端固定于孔口位置,标高误差不大于10cm。药包装在特制的PVC管体内,由于起爆体上方有约15米高的水柱,压强相当大,因此在起爆体下方悬挂了一个抗浮金属吊装体。炮孔采用正向装药起爆,起爆选用电与非电两种方式联合起爆,采用两发瞬发电雷管,且分别属于两个电爆网路,两套网路并联后起爆。网路示意图如下所示:

  单位耗药量计算:

  q=q1+q2+q3+q4

  式中 q1—基本装药量,水下垂直孔q1=1.1kg/m3; q2—爆区上方水压增量,q2=0.01h2;h2—水深,m; q3—爆区上方覆盖层增量,q3=0.02h3;h3—覆盖层(淤泥或土、砂)厚度,m;q4—岩石膨胀增量,q4=0.03h; h—梯段高度,m。

  本工程h=4m,h2平均取18m,h3=15m,q1=1.1kg/m3

  q=1.1+0.01×18+0.02×15+0.03×4=1.7kg/m3。

  具体的装药结构如下所述:

  1)孤石爆破

  虽然岩石厚度较小,但是考虑到测量以及药包吊装过程中产生的误差(误差累计不得超过10cm)。因此孤石爆破时,当单孔单体爆破时装药长度与岩石厚度相同,多孔单体爆破时,相邻两个炮孔,其中一个炮孔钻至孤石底面(即钻穿),装药至炮孔底部,孤石顶面留10cm不装药;其邻孔孔底距离孤石底面10cm,装药至炮孔底部,孤石顶面留10cm不装药。

  具体钻孔装药结构如下图所示:

  孤石爆破布孔平面示意图

  2)基岩爆破

  由于基岩埋深较深,为18~22m,体积较大,厚度2~4米不等,从而导致其爆破爆碎难度较大,为了便于施工及爆破破碎效果,采取首先对前排孔进行爆破,然后利用前排孔爆破挤压周围土层产生的自由面,再对后排孔进行逐个起爆。炮孔间排距均为0.8~1.2m,钻孔超深0.5~0.8m,装药深度比基岩厚度深约0.5~0.8m。

  具体钻孔装药结构如下图所示:

  3)孤石与基岩重叠爆破布孔示意图

  需要保护的建筑物距离最近的爆破点距离为约24米,爆破作业没有对周围的建筑物造成任何破坏。

  历时一个月的时间,对该地段的孤石和基岩进行了爆破,从后来盾构机顺利通过这个地段的情况来看,可以说明这个爆破的案例是成功的。只是爆破残留物石英含量较高,对刀具的磨损较大。盾构通过了这段不良地质之后,开仓更换了刀具。

  该案例证明,对于预先探明的孤石和基岩突起,采用深孔爆破的方法是可行的。