盾构穿越微风化孤石地质施工工法

'盾构穿越微风化孤石地质施工工法中铁XX局集团有限公司1.前言花岗岩地层由于其物质组成特点，在风化过程中很容易发育出未风化或者微风化的坚硬球状体，即“孤石”。孤石的存在对地下工程尤其是盾构隧道工程施工影响极大，容易导致地面沉降、设备损坏、隧道质量事故等风险，是盾构施工的“天敌”之一。在xx北部和东部部分地区，广泛分布有燕山期花岗岩，由于风化不均产生了大量孤石，孤石的分布在部分区域较为零散而部分区域则密集成群。为保证盾构机顺利通过，必须预先探明孤石并进行地面预处理施工。2.工法特点2.1对孤石提前处理，避免盾构穿越时，滚刀无法破岩，造成刀具损坏。2.2采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破，破碎后能降低盾构掘进风险，。2.3采用压密注浆改良刀盘周边地层，盾尾止水和仓内制作泥膜措施辅助带压进仓，能提高开仓成功率，解决后期刀具需更换的问题。2.4地层压密注浆能有效地解决孤石爆破后，盾构掘进时爆破孔漏气、喷涌、冒泥浆的问题。3.适用范围本工法适用于盾构法施工穿越微风化孤石地层施工。4.工艺原理传统的孤石预处理方式有盾构直接切削孤石、液压劈裂机预处理孤石、洞内火工爆破处理孤石、冲孔预处理孤石、人工挖孔挖除孤石及地下深孔爆破孤石。在孤石群地层中，盾构无法直接掘进通过，冲孔法在应对垂直方向上密集交叉重叠的孤石时容易偏孔、卡锤，基本难以实施;人工挖孔挖除孤石法在处理水平方向上密集分布的孤石时布孔间距缩小，开挖风险增大且孤石难以彻底挖除干净，施工工效也较低;15 采用洞内火工爆破和液压劈裂机处理孤石的方法更是时刻伴随着开仓的安全风险且效率低下。相对而言，本区间孤石处理采用地下深孔爆破方式处理孤石群比较彻底，爆破破碎孤石后盾构掘进难度降低，有利于控制地面沉降、姿态跑偏、刀具损坏等风险，其施工工效高而且环保。爆破结束后，对爆破孔进行压密注浆，从而保证盾构穿越时不产生漏气、冒浆等问题。5.工艺流程及操作特点5.1施工工艺流程盾构掘进穿越微风化孤石施工工艺流程见图5.1-1。图5.1-1盾构穿越微风化孤石施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1爆破的技术指标孤石处理的目标是使岩石破碎后减少其块体尺寸，使掘进难度降低，并在盾构掘进过程中碎石能顺利地通过刀盘开口进入土仓，最后通过螺旋机排出。因此，爆破的技术指标主要有2方面:一是结合本工程盾构设备参数，地面钻孔爆破处理后的孤石碎块尺寸不超过300mm；二是降低岩石的RQD值，将之控制在50%以下。5.2.2爆破布孔及装药结构15 采用深孔爆破处理孤石的主要困难是爆破没有临空面，为解决这一难题，可采用钻孔分段微差爆破法。该技术是采用毫秒延时雷管，在孔间、孔内以毫秒级的时间间隔，按一定顺序起爆，利用封闭岩体与周边围岩介质的差异，分期爆破，第1期爆破形成空腔，为第2期爆破提供自由面，经多孔多段微差挤压爆破，最终破碎岩体。爆破孔采用钻机成孔后下75mm的PVC套管护孔，套管底需安有堵头。孔位布置采用矩形或梅花形，间距0.5～0.8m，其中孤石中间的孔为装药孔，孤石周边布置空孔，如图2.2.2-1所示。图5.2.2-1爆破布孔平面示意图因孤石厚度不均，在装药时须考虑到测量以及药包吊装过程中产生的误差。因此，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2个炮孔，其中1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，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。爆破装药结构示意如图5.2.2-2所示。图5.2.2-2爆破装药结构示意图15 5.2.3孤石爆破装药量的确定本工程爆破对象位于地下10～18m，且存在地下水，故视为水下爆破。依据瑞典的设计方法，单位耗药量：q=q1+q2+q3+q4式中:q1—基本装药量，水下爆破是一般陆地梯段爆破的两倍。对水下垂直钻孔，再增加10%。例如普通坚硬孤石的深孔爆破平均单耗q1=0.5kg/m3，则水下钻孔q1=1.0kg/m3，水下垂直孔q1=1.1kg/m3；q2—爆区上方水压增量，q2=0.01h2；h2—地下水初见水位埋深为2.10～11.70m，取3m；q3—爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3；h3—覆盖层（土层）厚度，平均取9m；q4—岩石膨胀增量，q4=0.03h；h—梯段高度，7m。q=1.1+0.01×3+0.02×9+0.03×7=1.52kg/m3。在爆破作业过程中参照上述数据试爆后，再针对具体情况调整爆破参数。确定炸药单耗量以后，根据孤石的体积计算不同孤石装药参数。5.2.4药包就位和防护炮孔验收合格后，在装药爆区范围内设置警戒，开始加工药包。首先要准备好直径75㎜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。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。L=L1i+L2i式中：L——所取PVC管长度；L1i——药包长度；L2i——填塞及配重长度。15 图5.2.4-1单段药包及分段药包装药示意图药包加工好后，在管壁上端钻两孔，用铁丝绑定，上系绳索，然后开始下药包。根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况，确定装药底部深度N1后，回填碎石至低标高，然后准确测量PVC管与绳索的长度之和N2，使N1=N2，将整个药包下放到准确的位置上，误差控制在+10㎝之内。药包就位后，用铁丝把绳索固定在套管壁上，使其不再移动。药包就位且固定后，采用碎石进行回填堵塞。回填过程中严禁使用铁器冲击炮孔内药包，雷管。地下爆破不会有飞石产生，只有在爆破后产生的高压气体会将炮孔内的泥浆压出孔外，为了防止涌出的泥浆飞溅，采取如下联合防护体系，如下图所示。如果本次爆区周围已经实施过爆破作业，则需对其周围的爆破残孔用土袋覆盖，防止泥浆喷射。图5.2.4-2爆破装药及地面防护示意图15 5.2.4起爆网络炮孔采用正向装药起爆，起爆选用非电爆破网路，采用激发针起爆，每个炮孔装两发雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆，以确保起爆网络安全，网路示意图5.2.4-1所示。图5.2.4-1起爆网络示意图5.2.4袖阀管注浆加固实施爆破施工后，爆破孔的存在容易使盾构掘进或压气开仓出现喷涌、冒泥浆或漏气的问题，故要求爆破后周边区域的钻孔必须封好。为保证盾构施工期间安全施工，需要对爆破区域内土体和孤石进行注浆加固。袖阀管注浆施工工序如下图所示：①钻孔②下套壳料③施作袖阀管15 ④开始注浆⑤施作第一段注浆⑥施作第二段注浆袖阀管施作完成后，下入注浆塞（双囊塞），浆液通过注浆管冲开阀套进入需注浆加固的土体中。当注浆压力达到技术要求时，停止注浆后退一段，进行下一阶段注浆。在需要时，可在套管的适当位置重新下入注浆塞，进行重注。注浆加固范围主要为布孔点周围，每个注浆管的浆液扩散半径以40～50cm设计。采用柔性塑胶φ50×5袖阀管。注浆参数为普通水泥浆水灰比为1：1，注浆压力控制在1MPa，注浆布距选取1m，注浆范围为孤石底至隧道顶上方3m。表5.2.4-1袖阀管注浆参数表序号参数名称设定参数1扩散半径0.4～0.5m2注浆终压1～1.２MPa3注浆速度50～100L/min4P.O42.5水泥浆配比W:C=1:15钻孔间距1.0m5.2.5爆破效果验证爆破后对孤石进行抽芯验证，抽芯岩石粒径小于300mm，并经统计，爆破后岩石RQD值可达到25%～50%。孤石爆破后取芯岩样见图5.2.5-1。15 图5.2.5-1孤石爆破后取芯样图5.2.6带压开仓换刀技术在花岗岩残积土的地质条件下，一般需要先对地层进行加固后才能常压开仓，但地层加固必须整体较强、无薄弱部位，否则仍存在较大风险，故常压开仓成本高、工期长。为此，本工程采用对开仓部位地层进行简单的压密注浆改良后实施带压进仓作业的方法，具有成本低、工期短的优点。5.2.6.1带压进仓辅助措施(1)盾壳后部止水措施。盾壳及管片背后存在的空隙一般情况下容易成为往土仓透水的通道，并且向土仓压气时又会造成漏气现象。在压气作业前，应通过盾尾注水泥+水玻璃双液浆、盾体径向孔注低强度化学浆等措施使盾壳后部形成密封止水环。(2)掌子面泥膜护壁措施。为增强土仓周边地层的气密性，增大压气作业的成功率，可往土仓注入高黏度、高质量的膨润土浆，并反复搅拌和置换仓内渣土，最终在掌子面形成泥膜。(3)压气置换气体。换刀过程的工作气压为静止状态下土仓顶部压力加约0.03MPa的增量。进仓作业前，首先进行压气置换土体，压气置换土体时气压比换刀的工作气压高约0.02MPa。压气置换土仓土体工作完成之后，将土仓气压缓慢地降至工作气压，然后稳压观察约1h，稳压过程中除了气压必须保持稳定以外，还须打开仓壁3～9点位以上阀门检查仓内渣土和水位面变化情况，确定掌子面稳定后，方可进仓作业。15 5.2.6.2刀具更换盾构刀具更换遵守“拆一装一”的换刀原则，对损坏的刀具进行更换。换刀时各组人员应统一采用“逐臂更换”、“由外到内”或“由内到外”等换刀顺序。5.2.7盾构掘进微风化孤石参数控制盾构在掘进微风化孤石过程中，要控制好各项掘进参数，做到平稳掘进，一方面能减少刀具的异常损坏，另一方面能减少对地层的扰动。(1)在刀盘前和土舱注入泡沫或膨润土改良渣土，达到润滑刀盘、减少刀具磨损和降低扭矩的目的。(2)采用低转速、低速度平稳掘进，并严格控制掘进贯入度，防止滚刀不转造成偏磨或滚刀过载损坏。(3)采用土压平衡模式掘进，控制出土量，防止超挖。(4)控制掘进姿态平稳不蛇形，减少对土层的扰动。(5)在掘进过程中，确保同步注浆流量与掘进速度匹配，注浆材料可采用砂浆。5.2.8掘进异常情况分析盾构在微风化孤石中掘进，应遵守“勤检查、勤换刀”的方针，尤其是在掘进过程中出现异常时要及时检查换刀，不能盲目掘进。掘进异常情况可通过以下方式进行判断。(1)掘进时在土舱壁附近勤听声音判断刀具使用情况。正常掘进时一般滚刀切割岩石声音比较均匀，其他杂音较小，如听到土舱内有硬物滚动的异响，则可能有部分刀具损坏滚落舱内，或听到盾壳周边与岩石摩擦发出间断性的较清脆响声，则可能边缘滚刀已磨损过量。(2)通过掘进参数判断刀具的状态。掘进过程中如出现以下情况则可能刀具已部分损坏:①推力大，但扭矩小、速度小;②扭矩大，但速度小;③扭矩、速度波动明显较平常大。15 (3)观察螺旋机排出的渣样判断刀具的磨损情况。正常低速均匀掘进时，一般排出的石渣比较均匀，当排出的渣土中的碎石大小不一，异于平常时，则可能部分刀具已损坏。6.材料设备本工法所使用的机械设备详见表6.1表6.1机械设备配置表名称单位数量备注地质钻机台3钻孔数码相机部1拍照全站仪台1定位物探设备套1探查管线ZGY-5/70型灌浆泵台2灌浆低速搅拌机台1储浆高速搅拌机台2制浆塑性袖阀管米8000注浆机械式止浆塞个2000止浆7.质量控制7.1爆破钻孔时控制钻孔的垂直度以及钻孔的深度。7.2沿断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，垂直度满足l/300，眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。7.3袖阀管注浆加固时采用注浆压力和注浆量双重控制。7.4盾构掘进时，严格控制盾构掘进轴线，保证偏差在±50mm以内，避免出现纠偏导致盾构机蛇形前进，从而损伤刀具。8.安全措施8.1爆破器材、起爆方法与起爆网路1）一般规定①各种爆破作业均应使用符合国家标准或行业标准的爆破器材。②进行爆破器材加工和爆破作业的人员，不应穿戴产生静电的衣物。③在潮湿或有水环境中使用的爆破器材，应作防潮防水处理;使用抗水炸药时，应对起爆器材作防水处理。15 2）爆破器材的现场测试、检验①在实施爆破作业前，应对所使用的爆破器材进行外观检查；对电雷管进行电阻值测定；对使用的仪表、电线、电源进行必要的性能检验。②爆破器材外观检查项目应包括：雷管管体不应压扁、破损、锈蚀，加强帽不应歪斜；导爆索表面要均匀且无折伤、压痕、变形、霉斑、油污；导爆管管内无断药，无异物或堵塞，无折伤、油污、穿孔，端头封口；乳化炸药不应稀化或变硬。3）起爆网路①一般规定：各种起爆网路，均应使用经现场检验合格的起爆器材，起爆网路应严格按设计进行联接，在可能对起爆网路造成损害的部位，应采取措施保护穿过该部位的网路，敷设起爆网路应由有经验的爆破员或爆破技术人员实施并实行双人作业制。②电力起爆网路：同一起爆网路，应使用同厂、同批、同型号的电雷管。③起爆网路试验：电起爆网路应进行实爆试验或等效模拟试验；起爆网路实爆试验应按设计网路联接起爆；等效模拟试验，至少应选一条支路按设计方案联接雷管，其他各支路可用等效电阻代替。④起爆网路检查：起爆网路检查，应由有经验的爆破员组成的检查组担任，检查组不得少于两人。8.2钻眼1）准备工作：开工前准备工作做到“四查”，即查钻机及支架是否正常；查风水管路到位和牢固情况；查钻头、钻杆、扳手等工具是否带齐；查消耗材料有无备用。2）定位：由工班长根据工程部下发的爆破设计图将每台钻机钻孔范围及顺序分配明确，钻眼前定出开挖断面中线、水平线和断面轮廓，标出炮眼位置，经检查符合爆破设计要求后方可进行开钻。炮眼的深度、角度、间距应按设计要求确定，并应符合下列精度要求；15 沿断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，垂直度满足l/300，眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm；8.3装药1）装药前应对作业场地、爆破器材堆放场地进行清理，装药人员应对准备装药的全部炮孔进行检查；2）从炸药运入现场开始，应划定装运警戒区，警戒区内应禁止烟火；搬运爆破器材应轻拿轻放，不应冲撞起爆药包。3）各种爆破作业都应做好装药原始记录。记录应包括装药基本情况、出现的问题及其处理措施。8.4填塞1）装药后都应进行填塞，不应使用无填塞爆破；2）不应使用石块和易燃材料填塞炮孔。3）用水袋填塞时，孔口应用不小于0.15m的炮泥将炮孔填满堵严；4）不应捣鼓直接接触药包的填塞材料或用填塞材料冲击起爆药包。5）分段装药的炮孔，其间隔填塞长度应按设计要求执行。8.5爆破警戒和信号1）装药警戒范围由爆破工作领导人确定，装药时应在警戒区边界设置明显标志并派出岗哨。2）爆破警戒范围由设计确定。在危险区边界，应设有明显标志.并派出岗哨。3）执行警戒任务的人员，应按指令到达指定地点并坚守工作岗位。4）预警信号：该信号发出后爆破警戒范围内开始清场工作。5）起爆信号：起爆信号应在确认人员、设备等全部撤离爆破警戒区，所有警戒人员到位，具备安全起爆条件时发出。起爆信号发出后，准许负责起爆的人员起爆。6）解除信号：安全等待时间过后，检查人员进人爆破警戒范围内检查、确认安全后，方可发出解除爆破警戒信号。在此之前，岗哨不得撤离，不允许非检查人员进人爆破警戒范围。7）各类信号均应使爆破警戒区域及附近人员能清楚地听到或看到。15 8.6爆破后检查1）露天爆破，爆后应超过5min，方准许检查人员进入爆破作业地点；如不能确认有无盲炮，应经15min后才能进入爆区检查。2）露天爆破经检查确认爆破点安全后，经当班爆破班长同意，方准许作业人员进人爆区。3）爆后检查内容①确认有无盲炮；②露天爆破爆堆是否稳定，有无危坡、危石；③地下爆破有无冒顶、危岩，支撑是否破坏，炮烟是否排除。4）处理①检查人员发现盲炮及其他险情，应及时上报或处理；处理前应在现场设立危险标志，并采取相应的安全措施，无关人员不应接近。②发现残余爆破器材应收集上缴，集中销毁。8.7盲炮处理1）处理盲炮前应由爆破领导人定出警戒范围，并在该区域边界设置警戒，处理盲炮时无关人员不准许进人警戒区。2）应派有经验的爆破员处理盲炮。3）电力起爆发生盲炮时，应立即切断电源，及时将盲炮电路短路。4）不应拉出或掏出炮孔中的起爆药包。5）盲炮处理后，应仔细检查爆堆，将残余的爆破器材收集起来销毁；在不能确认爆堆无残留的爆破器材之前，应采取预防措施。6）盲炮处理后应由处理者填写登记卡片或提交报告，说明产生盲炮的原因、处理的方法和结果、预防措施。9.环保措施9.1严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理。9.215 定期或适时维修不良设备，避免因零件松动、震动、破损而产生强烈的噪声；对大型设备上产生噪声较大的发电机，采取隔音材料降低噪音。9.3配置洒水车辆，对施工便道进行经常洒水、维护，降低扬尘。9.4所有的粉料、燃料及其它有机化学物品均保存在密闭容器中，进行严格的管理，避免对环境造成污染。9.5定期对所有的用油设备的供油系统进行检查，杜绝设备用油过程中的跑、冒、滴、漏现象，使可能造成的污染控制在最小的范围内。9.6合理处理污水和泥浆，避免污染路面和其他构筑物，并根据工点性质和所在地区的不同情况，采取必要的围护和遮挡措施，并保持外观整洁。10.效益分析10.1技术效益：本工法的成功实施，对盾构法隧道施工开拓了新的领域，使得盾构机在微风化孤石岩层能够继续掘进，而不至于停滞不前。10.2经济效益：对盾构前方的微风化孤石进行深孔爆破施工，大大缩短了盾构掘进原地层时的工期，避免了刀具切削孤石产生的磨损及刀具频繁更换的工期耽误，各方面节约资金约300万元。10.3社会效益：深孔爆破孤石，使得区间孤石的处理对周围环境产生的影响降到最小，避免了明挖法挖出孤石给路面交通造成的影响，本工法的成功实施，得到了监理、业主的一直好评，也在广州片区其他标段广泛推广。11.应用实例11.1工程概况XX市轨道交通二十一号线【施工8标】土建施工项目位于XX市XX区，其中XX站～XX站区间线路纵断面为“V”型坡，最大坡度为24‰，隧道顶覆土6.79m～38.25m（个别山体部分埋深50.33m）。区间采用盾构法施工，根据详勘及补勘揭示地质情况，区间起点段孤石发育众多，主要为<9H>微风化花岗岩，局部呈串珠状。11.2结果评价X～X区间微风化花岗岩孤石区域采用本工法施工后，对周围环境影响较小，区间孤石均得以有效处理，保证了盾构掘进的顺利进行。本工法15 施工的成功，为今后类似地质盾构掘进施工积累了丰富的施工经验，为我国地铁建设的跨越式发展提供了良好的例证。该技术提高了施工进度，也保证了施工安全，将盾构法隧道施工的最大难题成功化解，具有较高的推广价值和广阔的应用前景。15'