城市地铁盾构施工硬岩处理施工技术.doc
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城市地铁盾构施工硬岩处理施工技术
摘要：
本文通过两个工程实例，对城市地铁盾构施工硬岩处理常用的竖井开挖和深孔爆破处理技术进行简要描述和分析，重点介绍了两种方案的选取经过和施工过程中的重难点技术，对今后类似工程有一定借鉴作用。
关键词：
地铁；盾构；硬岩；处理；技术
在盾构法隧道施工过程中，经常会遇到随机分布的球状花岗岩和基岩，且球状花岗岩形状大小各异、强度不一，而基岩使隧道内岩土层软硬不均。
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、线路偏移等，处理速度较慢，影响施工进度，有时甚至需变更设计，成本花费高，经济效益差。
怎样处理好盾构掘进过程中所遇到的球状花岗岩和基岩突起，是当前盾构法施工中一个较大的技术难题。
1竖井处理
某盾构区间在掘进至176环时，控制参数突变，掘进速度急速下降，刀盘扭矩波动大，碴温持续升高，出碴量无法控制，立即停机处理。
为探明地质情况，立即对刀盘前方加密地质钻孔进行补勘，岩芯试验报告表明最高强度已达到176.6Mpa。
经对掘进情况进行综合分析，认为盾构机已进入上软下硬地层，且刀具磨损严重，必须进行硬岩处理并换刀具后才能通过。
1.1工程概况及方案选择
周边环境：
盾构停机位置处于新湖路北侧，北临万佳停车场、华美居A座商业楼，隧道上方为人行道和绿化带，上部有自来水管、污水管、燃气管。
地质状况：
隧道顶部地层由地面至下依次为7m的素填土和填石层、3.7m硬塑状淤泥质粘土、1.6m砾砂层，隧道范围内为：
2.5m砾砂层、1.2m残积层⑥1砾质粘性土、1.1m左右的全风化花岗岩、1.5m左右的微风化花岗岩（高强度）。
隧道顶板覆土厚度为12.3m。
方案选择：
为使盾构机尽快恢复正常施工，首先进行了带压进仓更换刀具作业，更换过程中发现大量刀具已受到破坏性的损坏，且在带压过程中地面出现了多次漏气现象，保压困难，还剩余4把刀没有更换完成，无法保证在洞内由NFM盾构机完成硬岩的处理。
随后决定采用人工挖孔桩的方式处理硬岩，因挖孔桩开挖遇砂层后，多次发生涌水涌砂现象，采取措施后仍无法完成挖桩施工。
鉴于以上情况，综合地层状况（填石层和砾砂层无法保压）、周边环境（官线较少且为绿化带，有开挖条件）等相关情况，最后决定采用原位竖井开挖后处理硬岩并在竖井内敞开换刀方案。
相关情况见图1。
图1竖井开挖处理方案图
1.2竖井处理方案
竖井开挖范围为：
线路方向为刀盘前方4m，刀盘后方2.25m，垂直线路方向为6.5m。
竖井初期支护采用I22型钢支撑与30cm厚C20网喷混凝土。
在竖井开挖范围外采用Φ800素混凝土灌注桩＋桩间双管旋喷桩进行地层加固并阻断填石层和砾砂层中的地下水，然后按常规方法开挖竖井，开挖完成后硬岩采用人工凿除和静态爆破的方式处理。
完成岩石处理和敞开换刀工作后，隧道范围内及隧道顶板以上2米采用M10砂浆进行回填，其他部位采用粘性土回填至地表。
具体详见图1。
施工步骤如下：
①施工准备、管线改迁→②素混凝土灌注桩+双管旋喷桩间止水→③竖井位置放样、井圈施工→④提升系统安装→⑤第一循环竖井开挖、钢筋网、钢架安装及喷砼→⑥进入下一循环→…⑦完成竖井开挖、支护→⑧刀盘前方硬岩处理、清理刀盘和换刀→⑨竖井回填→⑩路面恢复、盾构掘进。
1.2.1竖井施工
1）素桩采用相邻桩隔孔施工方式。
盾壳上方的素桩采用回转钻机施工，其余素桩采用冲孔桩机施工。
2）竖井开挖：
每循环开挖由基坑中心向四周进行，因水量较大，后采用台阶式分段开挖，然后在井筒中央挖设超前集水井并及时抽排。
刀盘范围的钢架与刀盘焊接，盾壳两侧钢架与盾壳焊接进行加固，钢架焊接必须紧密、牢靠，确保整个支护体系闭合、稳定、安全。
3）刀盘附近范围竖井开挖补强措施
素混凝土和旋喷桩施工期间为保证盾构机安全，可能对盾壳上部70cm范围内土体未充分加固和有效止水。
因此在竖井开挖接近至刀盘顶部70cm时，通过风钻引孔，打设长4.5m，φ42mm的小导管，并注水泥—水玻璃双液浆加固盾壳上方土体后才继续竖井的分步开挖施工。
为防止水泥浆液凝固后抱死盾壳，需在注双液浆之前，先在盾壳周围注聚氨酯，施工工艺与注水泥浆相同。
聚氨酯是一种膨胀性的高分子材料，在遇水膨胀后可起到将盾壳与双液浆液隔离和止水作用。
1.2.2刀盘前方硬岩处理
竖井内硬岩的破除主要采用风镐和风钻钻孔静态爆破的方式进行。
在用风钻钻孔后将膨胀剂装入孔内，然后封孔，约10个小时后，膨胀剂使岩石预裂后采用人工手持风镐的方法将其破除。
竖井前方的硬岩根据地层稳定情况，硬岩顶部采用预注浆的方式加固风化层，然后对岩层采用暗挖小导洞的方式开挖处理，必要时采用方木＋木板喷射混凝土临时支护。
当完成一段硬岩的处理后及时进行填充处理。
硬岩凿除施工时，需要准确对硬岩的深度进行测量，避免出现由于凿除长度、深度不够而处理不够彻底现象，造成后续掘进困难的情况。
当完成设定范围的岩石处理后，对掘进方向的其他硬岩是否需处理，必须评估后再决定。
1.2.3竖井回填
在盾构刀盘修理及刀具更换结束后，进行盾构机刀盘试运转。
确认盾构机自身满足掘进条件后，回填施工竖井。
隧道范围内及隧道顶面以上2米均采用M10砂浆进行回填，其他部位采用粘性土进行回填至地面以下300mm，最后进行场地恢复。
在回填前先用膨润土泥浆将盾构机土仓填满，确保舱内为满仓膨润土泥浆。
在回填过程中用木板、方木等将刀盘面板上的空隙和卸碴口等密封严实，确保回填料不进入土仓。
回填由下至上分层（每层1m）进行，首先凿除盾构开挖轮廓范围内井壁网喷砼并割除型钢支架，然后回填砂浆。
每个循环过程中做好工序衔接，确保工作连续、快速。
在拆除支撑后立即回填砂浆，确保基坑稳定、安全。
在等强完成之后，拆除上一层的支撑，开始进行下一循环的回填。
2深孔爆破处理
某工程经勘探在盾构区间右线揭露了一段硬岩，需处理侵入隧道岩石范围为：
竖向近3.3m，沿隧道方向20m。
在左线隧道中线位置揭露出长约3m范围的球状风化地层，微风花花岗岩层正处于隧道中心位置，因房屋影响未能全面揭露球状风化地层。
由于硬岩突起段与球状花岗岩的存在影响盾构施工，需提前将其处理。
2.1工程概况及方案选择
周边环境：
该段位于宝安区新湖路上，南侧100m外为海湾中学，北侧15m外为芙蓉楼和龙年电子有限公司，其桩基础均为钻孔桩型式，深入隧道底下1.6m～8m。
隧道上方分布着大量的地下管线，包括雨水、污水、上水、电信、电力、燃气、路灯管线。
地质情况：
地面0～4.5m为素填土（夹块石）、4.5～8.8m为填石；8.8～17.6m为砂质粘性土；再往下为全、强、中及微风化层。
地下水丰富，隧顶埋深13～13.6m，隧底埋深20～20.6m。
方案选择：
由于需要爆破处理的岩石位于地表下约15～20m，且地面下4.5～8.8m为抛石挤淤层，隧道顶多为砂质粘性土或全风化花岗岩，清除侵入隧道的球状花岗岩和基岩，若采用盾构掘进时在洞内处理的方式将面临掘进工作面可能出现涌砂突泥，也可能引起隧道顶部地面沉降过大危及附近楼房安全等风险。
若采用地面冲孔碎岩方式又存在大量管线改迁耗时长，入岩速度较慢等问题。
为此，最优的办法是采用地面钻孔爆破，将球状花岗岩和基岩突起提前预处理，使其破碎成粒径较小的碎块，以便盾构机顺利通过。
2.2深孔爆破处理方案
首先采用地质雷达和超生波探明地下管线并作标识，对已探明基岩突起和球状花岗岩采用地面地质钻垂直打孔（孔径110mm，下直径90mm的PVC套管），装炸药爆破隧道范围内岩石，使岩石成为单边长度小于20cm的碎块。
雷管选用15m非电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为Φ60mm，具体根据现场的需要加工。
装药后用中粗砂或碎石作堵塞物。
2.2.1爆破参数设计
1）单耗计算
依据瑞典的设计方法，单位耗药量计算：
q=q1+q2+q3+q4
式中q1—基本装药量，是一般陆地梯段爆破的两倍（本工程爆破对象位于地下15～20m左右，且存在地下水，故视为水下爆破）。
对水下垂直钻孔，再增加10%。
例如普通坚硬岩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—水深，平均取16m；
q3—爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3；
h3—覆盖层（淤泥或土、砂）厚度，15m；
q4—岩石膨胀增量，q4=0.03h；
h—梯段高度，3m。
q=1.1+0.01×16+0.02×15+0.03×3=1.65kg/m3。
在爆破作业过程可参照上述数据试爆后，针对具体情况调整爆破参数。
2）布孔形式与装药结构
①基岩爆破
由于基岩埋深较深，侵入隧道内最高约3.3米，导致爆破破碎难度较大，为了便于施工及保证破碎效果，采取首先对前排孔（基岩外侧）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。
施工时，首先选择两端和中间岩石较薄的地方开始钻孔，然后逐步向后推进。
炮孔间排距均为0.6m，钻孔超深0.5~0.8m，装药深度比基岩厚度深约0.4~0.6m，装药参数见下表一。
表一基岩突起装药参数表
台阶高度
H（m）
超深
h（m）
孔距
a（m）
排距
b（m）
孔深
L（m）
单耗
㎏/m3
装药
Q（㎏）
装药
形式
1.0
0.4
0.6
0.6
1.4
1.65
1.48
连续
2.0
0.5
0.6
0.6
2.5
1.65
2.64
分层
3.0
0.6
0.7
0.7
3.6
1.65
4.81
分层
具体钻孔平面布置及基岩最后处的装药结构如图二、图三所示：
图2基岩爆破布孔平面示意图炸药
超深
炸药
堵塞
地面
隧道底面
需爆破岩石
其中
=孔距，
=排距
超深=（0.5～0.8）
堵塞
图3厚度3.0m基岩爆破装药结构示意图
②球状花岗岩爆破
因孤石厚度不均,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）。
孤石爆破时，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，布孔形式为矩形，与基岩爆破形式接近，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。
钻孔时，先找出孤石边界（即以设计参数中的孔间距向外扩展钻孔，直至钻出的孔内没有岩石为止，则可确定孤石的边界），从边界开始进行爆破，一点一点向内推进。
装药参数见下表二。
表2球状花岗岩装药参数表
岩石体积（m3）
0.2
0.5
0.8
1.0
1.5
2
3
4
5
装药量（kg）
0.33
0.83
1.32
1.65
2．48
3.30
4.95
6.60
8.25
球状花岗岩爆破钻孔装药结构如图4所示：
图4球状花岗岩爆破装药结构示意图
2.2.2起爆网路设计
由于炮孔深度达到约20米，需要爆破处理的岩石在地表下约15～20m，且孔中有水，因此，起爆药包采用软钢丝或绳悬吊于爆破点的位置，且一端固定于孔口位置，标高误差不得大于10cm。
药包装在特制的PVC管体内，该起爆体须具有较好的防水性能。
由于起爆体上方有约15米高的水柱，压强相当大，因此在起爆体内要适当用碎石配重，以利于起爆体的就位。
炮孔采用正向装药起爆，每个药包至少装两发非电雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。
网路示意图如下图5所示：
图5爆破网络图
2.2.3单段最大允许装药量计算
建筑物距离最近的爆破点距离约20米。
根据国家《爆破安全规程》及深圳市公安局的规定，一般民房所能承受的最大允许安全震动速度为1cm/s。
根据公式Qmax=（Vmax/K）3/α*R3
Q-----最大一段装药量，kg
V-----爆破地震安全速度，1cm/s
R-----爆破区至被保护物距离，取20m
m-----药量指数，取m=1/3
k----与爆破场地条件有关系数，取k=160
α----与地质条件有关系数，α=1.9
经计算单段最大装药量为2.65kg，在施工中严格控制不超过此值，且爆破作业时，须做好爆破振动和地表位移监测，以便及时反馈数据，进一步指导施工。
2.2.4安全防护措施
地下爆破不会有飞石产生，但爆破后产生的高压气体会将炮孔内的泥浆压出孔外，为防止泥浆飞溅，爆破作业时，在钻孔上面铺上铁板，并用沙包压住。
爆破前设置警戒线，并鸣哨警示。
2.2.5管线保护
因爆破硬岩处理段隧道沿线分布着大量的地下管线，包括雨水、污水、电力、燃气等，在施工中应注意保护管线，严格控制单段装药量，使震速达到设计要求。
雨水、污水管道在此震速下无需做特殊保护。
而燃气、电力管线需提前进行保护处理，事前把管线挖开，在管线周围1米范围填上细砂，使其在震动下有一定的缓冲，减小震动对其的影响
3.体会
城市地铁隧道盾构工法施工前必须进行地质补堪，有条件时钻孔尽可能加密，充分揭示沿线地质情况，然后综合地面交通、周边建筑物、地下管线、工期、经济性和安全风险等情况制定可行的硬岩处理措施。
采用硬岩竖井开挖方案时应注意该段地质是否适合采用明挖方式。
若采用爆破处理方案前应采用物探接合人工挖槽的方式查清地下管线，避免钻孔作业时损坏管线，甚至造成事故。
参考文献：
⑴《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-<2003版>）
⑵《地铁设计规范》（GB50157－2003）
⑶中华人民共和国《爆破安全规程》（GB6722-2003）
⑷《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）
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