地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道弱爆破開挖技術(shù)

趙 軍 王海亮 肖景鑫 石晨晨

(1.中鐵二局集團(tuán)成都新技術(shù)爆破工程有限公司，四川 成都 610031;2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 概述

隨著盾構(gòu)施工在地鐵隧道建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，為滿足后期運(yùn)營的需要，盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道得以大量建設(shè)，這對聯(lián)絡(luò)通道的施工方法和安全性提出了新的要求。劉震中[1]指出由于聯(lián)絡(luò)通道的開挖對地層及管片有一定的擾動，必須對聯(lián)絡(luò)通道中線左右兩側(cè)的管片進(jìn)行加固。肖時輝，黃海斌等[2]通過監(jiān)測管片外側(cè)水土壓力，發(fā)現(xiàn)了海底基巖爆破會破壞土層的原有結(jié)構(gòu)，使隧道側(cè)管片壓力增大。2019年，張嬌[3]提出適應(yīng)于地鐵盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道開挖的土體加固方案以及注漿加固的配比。

中硬巖層中的盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道一般采用爆破方式進(jìn)行開挖，而目前國內(nèi)外學(xué)者在一定程度上忽視了在盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行爆破開挖對管片穩(wěn)定性的影響。聯(lián)絡(luò)通道的開挖會使得與隧道相連交叉的開口部位管片環(huán)應(yīng)力顯著集中，是盾構(gòu)隧道襯砌中結(jié)構(gòu)安全度最低的環(huán)節(jié)[1]，其在聯(lián)絡(luò)通道爆破載荷近距離作用下，會威脅既有主線隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全。因此，如何降低聯(lián)絡(luò)通道爆破對臨近區(qū)管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，是目前盾構(gòu)區(qū)間修建聯(lián)絡(luò)通道廣泛關(guān)注的重點問題。

2 工程概況

青島地鐵8號線大洋站—青島北站區(qū)間連接北岸紅島高新區(qū)和東岸城區(qū)，穿越膠州灣海域，海域盾構(gòu)段2.9 km(泥水盾構(gòu)施工)。根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，大青盾構(gòu)區(qū)間海域段沿線設(shè)置6座聯(lián)絡(luò)通道，6號～8號聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，9號～10號采用機(jī)械法施工。其中8號聯(lián)絡(luò)通道中心里程為左DK43+796.672，聯(lián)絡(luò)通道長18.3 m，凈寬3.0 m，高程約-40 m，平均水深4 m～8 m間變化，爆破周圍及地面無建(構(gòu))筑物、管線等重點保護(hù)對象。聯(lián)絡(luò)通道與主線盾構(gòu)隧道主要位于微風(fēng)化凝灰?guī)r，巖層上覆蓋層數(shù)不等的中粗砂、泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥等。地下水賦存方式主要為第四系松散巖類孔隙潛水、風(fēng)化基巖孔隙水和構(gòu)造基巖裂隙水三種。

3 保護(hù)管片的聯(lián)絡(luò)通道開挖方案

聯(lián)絡(luò)通道開挖施工時，首先以小尺寸導(dǎo)洞爆破開挖進(jìn)入圍巖，掏槽采用七眼掏槽方式。在開挖過程中，逐漸擴(kuò)挖挑高至聯(lián)絡(luò)通道標(biāo)準(zhǔn)斷面。待聯(lián)絡(luò)通道貫通后，對入口處預(yù)留的圍巖進(jìn)行反挖，從里向外采用爆破法將輪廓尺寸逐步開挖至標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸。對于出洞爆破，在聯(lián)絡(luò)通道貫通前保留0.5 m厚度的保護(hù)層，采用機(jī)械破碎開挖，防止爆破載荷集中作用在開口部位的單環(huán)管片上，以保護(hù)襯砌管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全。最后完成聯(lián)絡(luò)通道的開挖。聯(lián)絡(luò)通道開挖順序與開挖工藝流程如圖1所示。

4 盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道弱爆破技術(shù)

4.1 小導(dǎo)洞開洞弱爆破施工技術(shù)

管片切割完成后，開始進(jìn)行導(dǎo)洞爆破開挖。鉆孔設(shè)備選用YT-28型手持式風(fēng)動鑿巖機(jī)，炮孔直徑d=42 mm。炸藥選用2號巖石乳化炸藥，詳細(xì)爆破參數(shù)見表1。掏槽采用七眼掏槽方式，周邊采用光面爆破。導(dǎo)洞爆破開挖炮孔布置如圖2所示。導(dǎo)洞在爆破開挖前，應(yīng)在管片洞門處搭設(shè)超前小導(dǎo)管，聯(lián)立三榀鋼架，防止導(dǎo)洞開挖對襯砌管片造成影響。導(dǎo)洞在爆破開挖過程中，逐漸增加輪廓的寬度和高度，開挖至1.5 m處形成4 498 mm×3 798 mm(寬×高)的拱形斷面。

表1 擴(kuò)挖段A1，A2，A3斷面爆破參數(shù)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)斷面爆破施工

標(biāo)準(zhǔn)斷面爆破開挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)圍巖情況和設(shè)計支護(hù)方式確定，一般與支護(hù)格柵的間距保持一致。掏槽采用七眼掏槽方式，周邊采用光面爆破，詳細(xì)爆破參數(shù)見表2。標(biāo)準(zhǔn)斷面爆破開挖炮孔布置如圖3所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)斷面爆破參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)斷面在爆破開挖過程中，距貫通還有2 m時，為避免爆破對出口端管片造成破壞，要注意控制爆破開挖進(jìn)尺。爆破開挖進(jìn)尺應(yīng)隨著剩余開挖長度的變化而進(jìn)行調(diào)整，爆破開挖進(jìn)尺與剩余開挖長度的關(guān)系應(yīng)滿足：剩余開挖長度/爆破開挖進(jìn)尺不小于3。例如，當(dāng)剩余開挖長度為2 m時，爆破開挖進(jìn)尺應(yīng)不大于0.66 m。當(dāng)剩余開挖長度為1 m時，爆破開挖進(jìn)尺應(yīng)不大于0.33 m。

4.3 被保護(hù)管片的爆破振動驗算

標(biāo)準(zhǔn)段爆破時的被保護(hù)管片的最大質(zhì)點振動速度V可根據(jù)式(1)[4]進(jìn)行求算。

(1)

式中：Q——延時爆破為最大一段藥量，kg；

K，α——場地系數(shù)與衰減系數(shù)；

R——爆源距到被保護(hù)物的距離，m。

聯(lián)絡(luò)通道四周為Ⅳ級圍巖，中硬巖石，場地系數(shù)K與衰減系數(shù)α分別取3組值：150，1.5；200，1.65；250，1.8。Q取標(biāo)準(zhǔn)段掏槽孔單段最大裝藥量1.2 kg。驗算距離為聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的爆源至隧道管片處。為了提高核算的準(zhǔn)確性：第6號～8號 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置3種距離R進(jìn)行安全核算：即通道長度的1/4，1/2，3/4,分別對應(yīng)4.58 m，9.15 m，13.73 m。核算結(jié)果見表3。

表3 爆破振動允許最大藥量核算表

由表3可知，驗算得出的最大爆破振動速度均小于GB 6722—2014爆破安全規(guī)程規(guī)定的地下淺孔爆破交通隧道安全允許振速20 cm/s。表明本聯(lián)絡(luò)通道爆破開挖方法較好滿足主隧道主體結(jié)構(gòu)的安全。

根據(jù)工程實踐與經(jīng)驗來看，單段齊爆藥量1.2 kg爆破產(chǎn)生的振速通常不會對植有鋼筋的高強(qiáng)抗?jié)B管片產(chǎn)生影響，會對管片產(chǎn)生影響的是爆破時造成的緊鄰管片的巖體發(fā)生位移，對管片進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致管片受損。因此需要加強(qiáng)對緊鄰管片的巖體進(jìn)行監(jiān)測，以免對管片造成損傷。

5 盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道爆破安全措施

1)制定《專項施工組織設(shè)計》和《安全應(yīng)急預(yù)案》。開洞與洞通施工時邀請爆破工程師指導(dǎo)施工。做好警戒工作，在爆破施工所在里程的左右線雙向各200 m的安全距離設(shè)置警戒線、崗哨和標(biāo)志。

2)選用檢驗合格的同一批、同一型號的爆破器材和導(dǎo)爆材料,嚴(yán)格按照爆破安全操作規(guī)程及設(shè)計進(jìn)行操作。

3)將切割下來的管片安放在開口背爆側(cè)拱腰處并在聯(lián)絡(luò)通道與主線交叉口處設(shè)置臺架進(jìn)行支護(hù)，防止飛石與爆破沖擊波損壞開口近區(qū)管環(huán)。

6 結(jié)語

青島地鐵8號線大青區(qū)間在30 d內(nèi)高效高質(zhì)的貫通了6號～8號聯(lián)絡(luò)通道工程，開口近區(qū)管片無損壞，爆破效果良好，巖石塊度較小。所采用的技術(shù)手段具有一定的新穎性和實用性，對現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義。但目前還沒有系統(tǒng)的盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道爆破開挖有害效應(yīng)的研究，文中所采用的技術(shù)可能受本工況的巖土層、地質(zhì)、水文等因素而存在一定的局限性，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)繼續(xù)不斷地嘗試數(shù)值模擬或現(xiàn)場實測，進(jìn)一步完善豐富盾構(gòu)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道爆破影響研究體系。