硬巖地層中盾構(gòu)機(jī)下部爆破脫困技術(shù)應(yīng)用

劉春輝

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司,天津 300222)

采用盾構(gòu)掘進(jìn)是當(dāng)前地鐵隧道的主要施工方法,其具有高效、安全的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在一些強(qiáng)度較高的巖層中,由于刀盤磨損嚴(yán)重或異常損壞,比如刀圈斷裂、刀圈偏磨等,檢查不及時(shí)或不到位可能會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)卡殼。一旦出現(xiàn)卡殼問(wèn)題,處理不及時(shí)或方法不得當(dāng),將會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,處理時(shí)間更長(zhǎng)、難度更大,因此及時(shí)判斷是否能繼續(xù)掘進(jìn)、決策是否停機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)脫困處理,對(duì)保障掘進(jìn)效率非常重要。爆破法作為解決盾構(gòu)機(jī)卡殼的主要方法,已經(jīng)得到了眾多工程的實(shí)踐驗(yàn)證[1-4],且研究表明,經(jīng)過(guò)合理的爆破參數(shù)設(shè)計(jì),能夠成功解決盾構(gòu)卡殼問(wèn)題,但大部分工程實(shí)例是在上半部進(jìn)行爆破,且不需要割除土倉(cāng)壁鋼板,這樣渣土往下掉落,爆破后的渣塊不需要人工掏出,操作空間相對(duì)更安全,能節(jié)約時(shí)間和減少工作量。但本工程因地層的特殊性,不具備在上半部爆破條件,只能選擇在下半部爆破,本文介紹了此次盾構(gòu)爆破脫困過(guò)程。

1 工程概況

廣州市地鐵22號(hào)線番祈中間風(fēng)井-番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間左線掘進(jìn)至1525環(huán)時(shí),盾構(gòu)機(jī)在平面曲線半徑R=1 100 m右轉(zhuǎn)彎圓曲線上出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象,坡度為+18‰上坡。停機(jī)處為全斷面硬巖中風(fēng)化花崗巖,隧道頂部埋深30 m,隧道上方只有約1 m厚中風(fēng)化花崗巖層,上部穩(wěn)定層較薄,地質(zhì)資料顯示巖石單軸抗壓強(qiáng)度隧道上部12 MPa、底部60 MPa,上部的強(qiáng)度較低。開(kāi)倉(cāng)檢查掌子面巖面較完整,裂隙發(fā)育一般,刀盤頂部為中風(fēng)化花崗巖8Z與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖7Z地層交界面漸變,地質(zhì)狀況如圖1所示。從常壓開(kāi)倉(cāng)觀察,掌子面地層基本穩(wěn)定盾尾后方來(lái)水較小。刀盤設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑?8 840 mm,前盾直徑?8 800 mm,開(kāi)挖直徑比前盾大40 mm。盾構(gòu)機(jī)前盾左半部位于一所駕校廢棄房屋下方,右半部位于村道道路下方。

圖1 左線1525環(huán)段詳勘地質(zhì)剖面

2 卡殼過(guò)程和原因分析

2.1 盾構(gòu)卡殼過(guò)程

2021年1月11日下午17:30在1524環(huán)(行程1 842 mm、里程ZDK36+569.3),掘進(jìn)速度從10 mm/min下降至1 mm/min,推力從16 MN增加至26 MN,速度無(wú)明顯改善,初步分析可能出現(xiàn)盾體卡殼(此時(shí)開(kāi)挖面過(guò)小位置已開(kāi)始進(jìn)入前盾切口環(huán)位置),立即開(kāi)倉(cāng)檢查刀具,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)保徑刀58A#偏磨、保徑刀58B#正常磨損5 mm、保徑刀57#磨損18 mm、其它非保徑刀43#磨損20 mm,其他刀具磨損正常。在1月11日晚,共更換3把滾刀(58A#、57#、43#),58B#未更換,之后復(fù)推1524環(huán)(行程1 842 mm),此時(shí)推力為25 MN左右,掘進(jìn)速度為0 mm,隨后逐漸將推力增加至48 MN,此時(shí)速度在3～5 mm/min,期間前進(jìn)了54 cm,最終推力增大至60 MN。經(jīng)檢查58B#偏磨,對(duì)其進(jìn)行更換,之后繼續(xù)加大推力試圖脫困,截止到1月18日上午,在盾體下半部增加6個(gè)630 t外置千斤頂加力,緩慢以1 mm/min速度推進(jìn)了5 cm,總推力達(dá)到113 MN,繼續(xù)推進(jìn)無(wú)速度,當(dāng)前已掘進(jìn)至1525環(huán)行程1 095 mm處。從1524環(huán)發(fā)現(xiàn)推力增大,總共前進(jìn)了約82 cm。

對(duì)以上盾構(gòu)卡殼過(guò)程中的盾構(gòu)推力、扭矩、掘進(jìn)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在盾構(gòu)卡殼過(guò)程中,因速度降低刀盤扭矩出現(xiàn)陡降,隨著推力的增大,掘進(jìn)速度有一定增加,但隨著盾構(gòu)推力的繼續(xù)增大,掘進(jìn)速度無(wú)明顯變化。這說(shuō)明盲目增加盾構(gòu)推力對(duì)盾構(gòu)機(jī)卡殼的脫困是不利的,且起到了副作用,使得盾構(gòu)機(jī)卡殼情況更加嚴(yán)重。因此,決策繼續(xù)掘進(jìn)是錯(cuò)誤的。

圖2 盾構(gòu)卡殼過(guò)程中的參數(shù)變化

2.2 卡殼原因分析

當(dāng)前為曲線段,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏導(dǎo)致保徑刀橫向受力較大,刀具容易偏磨,刀具偏磨后不再轉(zhuǎn)動(dòng),刀盤直徑大刀具偏磨速度很快,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑偏小,加之曲線原因,來(lái)自巖體周邊的摩擦阻力越來(lái)越大,盾體無(wú)法通過(guò)。

此外,推測(cè)可能有掉落刀具配件或損毀刀圈卡在切口環(huán)底部,從而導(dǎo)致盾構(gòu)卡殼。為了驗(yàn)證這一推測(cè),進(jìn)行了清倉(cāng)排查,發(fā)現(xiàn)只有兩個(gè)刀具螺桿夾在切口環(huán)下部,在對(duì)其進(jìn)行清理后,加外置千斤頂加大推力進(jìn)行試推,總推力計(jì)算累計(jì)達(dá)到84 MN,推進(jìn)速度1 mm/min,試推效果并不明顯。

因此,根據(jù)試脫困掘進(jìn)情況和以上卡盾原因排查,最終分析結(jié)論為:刀具偏磨導(dǎo)致開(kāi)挖直徑過(guò)小是卡殼直接原因,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾編導(dǎo)致刀具偏磨且檢查不及時(shí)是根本原因。盾體卡殼起點(diǎn)位置進(jìn)入切口環(huán)82 cm長(zhǎng)度范圍,因過(guò)程中更換了部分刀具,更換新刀刀刃位置至卡殼起點(diǎn)距離約59 cm,故開(kāi)挖直徑過(guò)小卡殼長(zhǎng)度約59 cm,沿前盾整圈,如圖3所示。卡機(jī)位置掌子面前方未對(duì)盾體卡阻。

圖3 左線卡殼位置分析(單位:mm)

3 爆破解困方案與施工

3.1 總體方案

通過(guò)分析卡盾原因,結(jié)合實(shí)際工況,經(jīng)研究論證后采取以下施工順序進(jìn)行盾構(gòu)脫困:

(1)從前盾土倉(cāng)側(cè)壁左側(cè)和右側(cè),采用磁力鉆割開(kāi)兩口,為爆破提供臨空面。

(2)從開(kāi)口處向上半部和向下半部鉆眼爆破,目標(biāo)為盾體的下半圈巖體。

(3)爆破下半部,兩側(cè)渣石從臨空面位置向外進(jìn)行清理,底部爆松即可不進(jìn)行清理。

(4)盾體脫困后,土倉(cāng)壁暫不進(jìn)行恢復(fù),待盾構(gòu)機(jī)出洞后再修復(fù)。

3.2 土倉(cāng)側(cè)壁鋼板開(kāi)口

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)相關(guān)資料顯示,盾殼鋼板厚度為8 cm,刀盤開(kāi)挖直徑?8 840 mm(58A/B滾刀)、前盾直徑?8 800 mm、中盾直徑?8 775 mm,盾尾直徑?8 770 mm。

為加快進(jìn)度,原計(jì)劃在土倉(cāng)中心位置兩側(cè)開(kāi)孔,首先對(duì)前盾左側(cè)9點(diǎn)位開(kāi)口提供臨空面,進(jìn)行爆破后發(fā)現(xiàn)向下爆破清渣空間小,不方便人工清理,故優(yōu)化調(diào)整另一個(gè)開(kāi)口位置,向下調(diào)到時(shí)鐘5點(diǎn)鐘位置,這樣兼顧了向上爆破打孔及向下爆破清渣方便。前盾土倉(cāng)壁割除及爆破順序如圖4所示。

圖4 前盾土倉(cāng)壁割除及爆破區(qū)域(單位:mm)

在盾構(gòu)機(jī)盾體9點(diǎn)位位置開(kāi)孔,開(kāi)孔高度高1.8 m、寬度0.8 m;在盾構(gòu)機(jī)5點(diǎn)位位置開(kāi)孔,開(kāi)孔高度1.0 m,寬度0.8 m(如圖4中黑色陰影填充部分所示)。盾體切割完成后,采用爆破施工,將此區(qū)域的巖層爆破運(yùn)輸外運(yùn)形成臨空面。

在以上部位爆破完畢后,底部綠色范圍及兩側(cè)黃色范圍采用磁力鉆開(kāi)孔爆破松動(dòng)圍巖,開(kāi)孔直徑40 mm,開(kāi)孔間距600 mm×600 mm布置,合計(jì)共需磁力鉆開(kāi)孔18個(gè),切口環(huán)采用風(fēng)槍打28個(gè)孔。左側(cè)黃色區(qū)域采用磁力鉆開(kāi)孔爆破松動(dòng),爆破后巖渣從上部爆破后的臨空面外運(yùn),直至此黃色部分區(qū)域爆破完成。右側(cè)黃色區(qū)域采用磁力鉆開(kāi)孔爆破松動(dòng),爆破后巖渣從下部爆破后的臨空面外運(yùn),直至此黃色部分區(qū)域爆破完成。

鉆孔工具采用YT-28型風(fēng)槍,鉆桿采用0.5 m、1.0 m、1.5 m三種不同長(zhǎng)度。選用TN52RE型磁力鉆機(jī),詳細(xì)參數(shù)為:鉆孔范圍3～52 mm,取芯范圍12～130 mm,攻絲范圍6～36 mm,輸入功率2 850 W,額定電壓380 V,空載轉(zhuǎn)速120 r/min,主軸行程265 mm,磁座吸力21 800 N。

3.3 爆破參數(shù)

爆破點(diǎn)位采用YT-28鑿巖機(jī)打眼,炮眼直徑為40 mm,選用?32 mm乳化炸藥,使用電子數(shù)碼雷管,孔內(nèi)毫秒微差延時(shí),單孔單響,毫秒延期,其中嚴(yán)格控制最大單響藥量,降低爆破振動(dòng)。施工時(shí)必須加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),及時(shí)反饋圍巖、盾體和外圍管線的動(dòng)態(tài)信息,以便修正設(shè)計(jì),確保施工安全。

根據(jù)井巷掘進(jìn)原理和控制爆破振動(dòng)要求,布孔采用掏槽眼、輔助眼、周邊眼結(jié)合的布孔方式,使用電子數(shù)碼雷管來(lái)實(shí)現(xiàn)控制爆破振動(dòng)。掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)圍巖的穩(wěn)固程度, 并根據(jù)爆破振動(dòng)要求進(jìn)行調(diào)整,為確保施工安全,每循環(huán)開(kāi)挖量0.5 m。

根據(jù)待爆巖石的堅(jiān)固系數(shù)不同(巖石堅(jiān)硬程度的不同),結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn),確定在掌子面打眼的炮眼數(shù),通常采用公式(1)來(lái)計(jì)算炮孔的數(shù)量。

(1)

式中:N為炮孔數(shù)量;K為參數(shù),一個(gè)自由面時(shí)K取3.3;F為巖石堅(jiān)固系數(shù),取10;S為井巷掘進(jìn)段面積,1.8 m×0.8m開(kāi)孔面積1.44 m2,1.0×0.8 m開(kāi)孔面積0.8 m2。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到1.8 m×0.8 m區(qū)域開(kāi)孔需9個(gè),1.0×0.8 m區(qū)域開(kāi)孔6個(gè)。為降低爆破振動(dòng),減輕對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響,按照“多打孔、少裝藥、短進(jìn)尺、弱爆破”的原則,采取增加打孔數(shù)量,減少單孔藥量的施工工藝。

3.4 炮孔布置參數(shù)

3.4.1 9點(diǎn)位1.8 m×0.8 m開(kāi)孔爆破

按單循環(huán)進(jìn)尺0.5 m設(shè)計(jì),為減少單孔裝藥量,減低爆破振動(dòng)危害,炮孔總數(shù)增加到16個(gè),炮孔布置及雷管段別布置如圖5所示,進(jìn)尺爆破參數(shù)如表1所示。

表1 1.8 m×0.8 m開(kāi)孔爆破參數(shù)

圖5 1.8 m×0.8 m開(kāi)孔炮孔及雷管段別布置(單位:mm)

3.4.2 1.0 m×0.8 m開(kāi)孔爆破

按單循環(huán)進(jìn)尺0.5 m設(shè)計(jì),為減少單孔裝藥量,減低爆破振動(dòng)危害,炮孔總數(shù)增加到16個(gè),炮孔布置及雷管段別布置如圖6所示,進(jìn)尺爆破參數(shù)如表2所示。

表2 1.0 m×0.8 m開(kāi)孔爆破參數(shù)

圖6 1.0 m×0.8 m開(kāi)孔炮孔及雷管段別布置(單位:mm)

3.4.3 底部綠色松動(dòng)區(qū)及黃色區(qū)爆破

黃色區(qū)域從臨空面處依次爆破至此區(qū)域完成,左側(cè)黃色區(qū)域打孔深度1.2 m,每孔裝藥0.3 kg;右側(cè)黃色區(qū)域打孔深度0.7 m,每孔裝藥0.1 kg,從兩側(cè)依次往底部中間爆破松動(dòng)。布孔位置如圖7所示。

圖7 土倉(cāng)側(cè)壁布孔(單位:mm)

3.5 水壓爆破

在本次爆破中,均使用電子數(shù)碼雷管,結(jié)合炮孔直徑?40 mm和防水要求最終選用?32 mm的乳化炸藥。采用節(jié)能環(huán)保水壓爆破技術(shù),均采用反向不耦合連續(xù)裝藥。首先在孔底安裝一條水袋,然后布設(shè)計(jì)算藥量,之后再安裝一條水袋(水袋長(zhǎng)度為剩余堵塞長(zhǎng)度的1/2,采用四舍五入方法計(jì)算水袋長(zhǎng)度),最后采用炮泥把炮孔堵塞完全。對(duì)于不同類型的炮孔,裝藥結(jié)構(gòu)如圖8所示,裝藥參數(shù)如表3所示,爆破工藝流程如圖9所示。

表3 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖8 爆破裝藥結(jié)構(gòu)

圖9 爆破工藝流程

水壓爆破與傳統(tǒng)的爆破方案基本相同,不同的是在裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔堵塞上進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。利用爆破沖擊波對(duì)水的不可壓縮性,能量經(jīng)過(guò)水傳遞到圍巖中無(wú)損失,另一方面炮眼中的水能起到霧化降塵作用,有限降低了粉塵對(duì)環(huán)境的污染。

3.6 爆破施工效果

截止2月3日,黃色區(qū)域爆破清渣及綠色區(qū)域松動(dòng)爆破已經(jīng)完成。經(jīng)過(guò)對(duì)爆破情況進(jìn)行檢查,初步已達(dá)到預(yù)期施工效果,現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 盾殼周圍爆破效果

2月4日晚,在完成刀具檢查以及土倉(cāng)清理等相關(guān)準(zhǔn)備工作后恢復(fù)掘進(jìn),推力開(kāi)始逐漸下降,推力降到66.8 MN并逐步降低,掘進(jìn)速度達(dá)到12 mm/min,且刀盤已開(kāi)始切削掌子面,完成1525環(huán)掘進(jìn),成功完成盾構(gòu)脫困,從卡殼到脫困完成共用時(shí)24 d。

4 其他輔助工作

4.1 碎渣處理

掘進(jìn)方向右側(cè)碎石通過(guò)人工從臨空面裝渣向上提出倒入土倉(cāng)、掘進(jìn)方向左側(cè)碎石利用盾體下部開(kāi)孔扒渣的方式倒入土倉(cāng),再通過(guò)螺旋機(jī)排出倉(cāng)外;盾體底部(綠色區(qū)域)碎石不清理。

4.2 作業(yè)面通風(fēng)

作業(yè)期間通過(guò)倉(cāng)門口蓋板引入風(fēng)管送風(fēng),并利用風(fēng)機(jī)送風(fēng),確保通風(fēng)的連續(xù)性。安排專人不間斷氣體檢測(cè)如有異常,應(yīng)及時(shí)撤出土倉(cāng)內(nèi)人員,加大通風(fēng)力度,待土倉(cāng)內(nèi)氣體濃度合格后,方可繼續(xù)進(jìn)倉(cāng)作業(yè)。作業(yè)面通風(fēng)示意如圖11所示。

圖11 作業(yè)面通風(fēng)路徑

4.3 施工監(jiān)測(cè)

開(kāi)倉(cāng)施工時(shí)監(jiān)測(cè)頻率保持在4 h/次,地表沉降≤30 mm;地表隆起≤10 mm,變化率≤3 mm/d。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)在全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,需要密切關(guān)注施工參數(shù)的變化情況。如出現(xiàn)總推進(jìn)明顯增大但掘進(jìn)速度依然較慢、刀盤扭矩波動(dòng)較大時(shí),需及時(shí)開(kāi)倉(cāng)檢查刀具磨損或偏磨等異常情況,及時(shí)更換刀具,避免開(kāi)挖直徑過(guò)小卡殼。

(2)在盾體出現(xiàn)卡殼時(shí),不能盲目增加盾構(gòu)總推力,此時(shí)應(yīng)采取措施對(duì)巖體進(jìn)行擴(kuò)徑,保證盾體能通過(guò),否則會(huì)使得卡殼問(wèn)題更加嚴(yán)重,管片出現(xiàn)嚴(yán)重破損。

(3)采用水壓爆破巖體,爆破效果相對(duì)較好,但爆破手續(xù)嚴(yán)格,需提前辦理,有限空間內(nèi)要做好通風(fēng)措施。

(4)水壓爆破有一定的震動(dòng),盾體外殼較厚,對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備影響不大,對(duì)周邊環(huán)境影響相對(duì)也不大;爆破參數(shù)可以根據(jù)試爆效果、圍巖性質(zhì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,在確保施工安全的前提下,爆破過(guò)程中不斷優(yōu)化調(diào)整,微調(diào)整炸藥用量,及時(shí)邀請(qǐng)行業(yè)專家分析指導(dǎo)。

(5)下半部爆破方案,難點(diǎn)一是可能存在裂隙水在底部匯集,要提前止水和排水,否則影響施工;二是清渣作業(yè)空間小,進(jìn)度較慢。

(6)磁力鉆鉆穿8 cm厚鋼板鉆頭容易損壞,建議選用進(jìn)口質(zhì)量較好的鉆頭。