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盾构区间基岩凸起和孤石处理技术

  随着盾构机技术的发展,盾 构施工已成为地铁、城市管廊、越江、跨海等工程的主要施工方法。随着盾构直径的增大,盾构施工已经不止在单一的软土地层或硬岩地层掘进,而是要穿越多种复合地层,致使盾构隧道在掘进过程中遇到的问题大大增加,尤其是基岩凸起和孤石是盾构施工中的难题。
孤石在软弱土层掘进时,会造成刀具损坏大、换刀频繁的后果,还需要人工清理,增加了工程成本,增大了推进风险,严重影响了工期。采用从地表钻孔然后地下爆破对基岩凸起进行预处理,根据不同的岩层厚度选择合适的炮孔间距和装药量。
  广州地铁6 号线(金峰站—暹岗站)区间,通过对孤石所在区域补勘提前探测孤石的具体位置,根据补勘结果对孤石和基岩凸起进行爆破预处理,解决了盾构推进过程中孤石和基岩的凸起问题,为类似工程提供参考。

1  工程概况

  广州地铁6号线盾构区间段(金峰站—暹岗站) 区间长1120.3m,隧底最大埋深约为22.9m,最小埋深约为15.5m,中间设两个联络通道。
  左线隧道最大坡率为20%,曲线半径为1000m,线间距13m,隧道穿过主要地层有中粗砂层<3- 2>、淤泥层<4-2A>、可塑状砂质粘性土层<5H-1>、硬塑状砂质粘性土层<5H-2>、花岗岩全风化带<6H>地层。
  右线隧道最大坡率为20%,曲线半径1000m,线间距13m,隧道穿过主要地层有中粗砂层 <3- 2>、淤泥层<4-2A>、可塑状砂质粘性土层<5H-1>、硬塑状砂质粘性土层<5H-2>、花岗岩全风化带<6H>地层、花岗岩强风化带<7H>。
  由于盾构掘进过程中洞身范围局部存在花岗岩凸起及孤石等不良地质地段,给盾构施工造成了极大的困难和风险。盾构机在上软下硬的地层中不能提供刀具破岩的着力点,孤 石会随土体被破坏,弹开刀具,造成刀盘刀具的损毁,同时也造成隧道工作面坍塌和冒顶等施工风险。如果是水下盾构隧道,施工风险更大,处理所需时间更长,费用更高。因此,必须进行预处理,把硬度比较高的大块岩石破碎成小碎块,满足盾构机正常掘进的出渣参数要求,从而使盾构机能正常掘进施工,降低施工风险,保证施工快速进行。

2  基岩凸起及孤石的地质补勘

2.1  地质补勘的实施
  为了探明盾构区间段的基岩凸起及孤石分布情况,必须在详勘报告的基础上,有针对性地进行加密补勘。探明基岩凸起和孤石分布情况,能为后 续预处理和盾构施工创造条件,降低盾构施工风险。
  补勘方案是在详勘报告的基础上,在现场实施过程中可根据实际情况进行调整。探测区域:详勘报告中可能存在基岩凸起和孤石的区域每隔5m 沿隧道中线进行钻探孔。补充的钻探孔深度为隧道底部外轮廓线下1m 处,以孔底标高为标准控制钻孔深度。
1)把详勘中已揭露和可能存在孤石区域作为重点区域。
2)若在补勘中发现孤石,根据孤石补勘方案再进行详细探测。
3)钻探孔位的布置需逐级加密,在现场实施过程中根据实际情况动态布置,对钻探孔位的布置和数量进行调整,提高探测的准确性,做到经济合理。
4)补勘方案实施前需进行详细的调查,把掘进区间线路上管线的走向、位置、埋深探查清楚并标示,避免钻孔施工时把管线损害,根据现场实际情况调整补勘钻孔方案。
2.2  基岩凸起及孤石分布
  地质补勘后,金峰站—暹岗站区间共发现两处孤石,分别为21#、79#。孤石位置坐标点如表1所示,孤石位置分布如图1所示。

  21# 孤石位于隧道区间内,岩性为花岗岩,钻孔取出孤石长度为2.14m,孔深17.264m,孤石深度为12.3m~14.44m,21# 孔孤石横断面如图2所示,孤石芯样如图3所示。

  79#  钻 孔 孔 深 为23.378m,孤 石 深 度 为13.81m~16.41m,79# 孔孤石横断面如图4 所示,79#孤石芯样如图5所示。

3 基岩凸起和孤石地表预处理技术

3.1  基岩凸起、孤石地表预处理方法
  地层中是否含有基岩凸起和孤石,通常具有地域性,如在我国沿海地区采用盾构法修建隧道,需提前采用合适的方法进行物探,确定隧道掘进区间内基岩凸起和孤石的三维坐标、体积、地面状况等基本要素,根据基本要素来 选择合适的预处理方法,基岩凸起和孤石地表预处理方法常见的有以下4种:
1)基岩凸起和孤石周围地层强度提高法。该方法的主要原理是提高基岩凸起和孤石周围地层软土的强度,目的是提高软土地层对基岩凸起和孤石的握裹力,使它们在地层中不能滚动,盾构刀具可直接破碎基岩凸起和孤石,主要采用注浆的方式加固周围地层强度。
2)爆破预处理法。该方法对环境的要求比较高,地面必须要有钻孔条件,且距附近建筑比较远。主要采用地质钻孔机从地面直接钻孔并穿透基岩 凸起和孤石,采用微差爆破法在钻孔中装入炸药, 使基岩凸起和孤石碎裂成小块。
3)小型竖井直接处理法。从所确定的基岩凸起和孤石位置,进行人工小型竖井开挖,直接开挖至基岩凸起和孤石处再进行处理,或 采用钻孔爆破、风镐等方式进行开挖处理,后用黏土对竖井层层回填并夯实。该方法比较直接,优点是处理后的基岩凸起和孤石碎块能全部取出,对盾构掘进再无影响。
4)冲击锤直接冲击破碎法。先使用冲击锤从基岩凸起和孤石地表直接冲入地下,深度至基岩凸 起和孤石高度,再用冲击棰直接破碎。根据基岩凸 起和孤石大小来确定冲击孔的数量及冲击锤的大 小,处理完后的冲击孔也要用黏土层层回填并夯实。
  金峰站—暹岗站区间根据补勘结果决定对出现基岩凸起和孤石的地区采取静态爆破的方法,在 进行炮眼的布置时依据补勘报告中基岩凸起和孤 石的面积来布设炮眼之间的间距和炸药数量的多 少以及爆破的引爆形式。为了方便盾构机的推进 和出土,使基岩凸起和孤石破裂的粒径越小越好。为了达到这一目的,在进行炮眼布置和药量计算时 都要充分考虑这些问题,在实际的操作过程中要精 确地计算出炮眼的深度、位置和装药量。
3.2  孤石爆破参数
  对于探测到的孤石,有地表处理条件的可优先选用爆破法进行预处理,并可利用原探测孔实施。
其爆破参数设置为;
≤1.0m,设爆破孔1个,炸药单耗:5kg/m3。
1.0m <≤2.0m,设爆破孔3~5 个,装药量按4.8kg/m3。
2.0m <≤3.0m,设爆破孔5~6个,装药量按4.6kg/m3。
3.0m<≤5.0m,设爆破孔6~8 个,装药量按4.4kg/m3。
>5.0 米,设 爆 破 孔 8 个 以 上,装 药 量 按4.2kg/m3。
3.3  基岩凸起处理
  对于探测到的基岩凸起,采用爆破法进行处理时,可利用原探测孔。爆破孔设置如下:炸药单耗5kg/m3,炮眼布置如图6所示。

4  现场爆破方案实施

4.1  钻孔及爆破
  针对盾构(金峰站—暹岗站)区间基岩凸起及孤石情况,根据补勘结果,采用内包作用药包的方 法进行预处理。采用地质钻机对已探明的基岩凸起和孤石进行钻孔,施工采用 Φ110mm 的钻具;然后从地表将炸药安放在岩石特定位置,利用炸药能  量将岩石爆破解体。根据类似工程相关经验,炮孔按照梅花形布置,基岩凸起按0.7m,孤石按0.8~1.5m,盾构开挖断面超炸1m,炮孔需超深1m。施工中考虑孤石的大小、所处的位置、强度、周边环境影响要求,严格控制单段起爆最大药量,确保爆破安全,每组不超10个孔,用药量5~9kg/m3。为保证爆破效果采用延时分段起爆,首先对边缘孔进 行爆破,利用边缘孔爆破挤 压周边土层产生临空面,然后再对中间孔进行逐段爆破,孤石处理爆破  如图7所示。
  炮孔完成后,现场技术人员验收合格后方可装药。装药采用特制的圆形塑料筒装药柱,基岩凸起=100mm,孤石=50mm,在炸药柱上部进行配重,使药包自动沉到炮孔孔底。药包就位后,向炮孔慢慢倒入砂子,堵塞高度大于5m。
4.2  爆破处理效果检测
  与有自由面的岩石爆破不同,在基岩凸起和孤石深埋的地层中,看不到爆破后的效果。因此,为了验证爆破后基岩凸起和孤石的破碎效果和爆破参数的设计是否合理,需在 对孤石进行爆破处理后,用地质钻取芯,然后根据取芯结果来验证爆破后岩体的破碎程度。一般在每处爆破区域取2个孔,其中一个需要在孤石中心位置取。基岩凸起检测孔数为爆破孔数量的3%,每处取芯不少于7个。岩芯取出后对芯样裂度进行分析、判断,以抽取出完整芯样单向长度小于25cm为合格。若抽检岩芯不合格,则进行补钻孔二次爆破。从现场取芯结果 可以看出(爆破后芯样图见图8):岩体比较破碎,粒径大部分都在10cm以下,较大粒径为10~20cm,均小于30cm,基岩凸起和孤石爆破解体成功,为盾构机的顺利掘进扫清了障碍。

4.3  注浆固结
  因基岩凸起及孤石爆破施工后,地下土层松动,原地表面被破坏,为避免在盾构推进过程中失 压,导致地表面或江海底崩塌,需对爆破后的破碎土体进行固结处理。浆液采用水泥浆,水泥浆比重为1:1,水泥浆中可适当加入水玻璃等速凝剂, 凝结时间可以现场试验调配。注浆孔的间距与爆 破孔间距一致,钻孔深比爆破钻孔深1m。注浆压力控制在1~1.5MPa。
  注浆结束后28天需对注浆加固区取芯检测加固效果,孤石每处取芯2个;基岩凸起检测孔数按注浆孔数的3% 取孔,每处不少于7个。取出的芯样做成标准试件后送到试验室进行相应的物理力学性能指标检测,若不合格,需重新注浆加固。
4.4  封孔
因边界探测孔和检测孔等均在隧道正上方,因此必须严格确保封孔质量。每个孔钻孔完成后必须立即进行彻底封堵,避免封堵不及时出现意外事故。采用水泥砂浆对钻孔进行封堵,水泥砂浆配合比水泥∶砂∶ 水=0.24∶1∶0.29,在水泥浆液内加入适量水玻璃等速凝剂,速凝剂掺量根据现场试验调配,封堵质量必须经现场管理人员验收合格。

5  结论与建议

1)本文根据地质补勘情况及地质特征,确定了  “金峰站—暹岗站”区间采用静态爆破的施工方法, 结合经验,制定了合理的爆破参数和施工方案。
2)取芯结果表明,基岩和孤石破碎成功,能够满足盾构施工的要求,达到了预期的效果。
3)实践表明在盾构掘进前对基岩凸起及孤石进行爆破预处理,能够降低盾构掘进风险,提高掘进效率,缩短工期,降低工程成本是一种行之有效的办法,可为类似工程提供经验。
下一步研究应结合工程、水文地质、基岩凸起和孤石分布情况,加强对爆破参数选取和施工方案的优化,确保一次处理到位,避免二次处理。为验证爆破参数的合理性,准确判断爆破后基岩和孤石的破碎效果,现场如采取物探和钻孔取芯相结合的方法能更好地进行验证。这样才能根据爆破效果更合理确定盾构掘进参数,确保盾构安全、高效地进行。

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