硬巖地層中盾構機下部爆破脫困技術應用

劉春輝

(中鐵十八局集團市政工程有限公司,天津 300222)

采用盾構掘進是當前地鐵隧道的主要施工方法,其具有高效、安全的特點和優勢。在一些強度較高的巖層中,由于刀盤磨損嚴重或異常損壞,比如刀圈斷裂、刀圈偏磨等,檢查不及時或不到位可能會導致盾構機卡殼。一旦出現卡殼問題,處理不及時或方法不得當,將會導致問題越來越嚴重,處理時間更長、難度更大,因此及時判斷是否能繼續掘進、決策是否停機進行盾構脫困處理,對保障掘進效率非常重要。爆破法作為解決盾構機卡殼的主要方法,已經得到了眾多工程的實踐驗證[1-4],且研究表明,經過合理的爆破參數設計,能夠成功解決盾構卡殼問題,但大部分工程實例是在上半部進行爆破,且不需要割除土倉壁鋼板,這樣渣土往下掉落,爆破后的渣塊不需要人工掏出,操作空間相對更安全,能節約時間和減少工作量。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爆破脫困過程。

1 工程概況

廣州市地鐵22號線番祈中間風井-番祈2#盾構井區間左線掘進至1525環時,盾構機在平面曲線半徑R=1 100 m右轉彎圓曲線上出現卡殼現象,坡度為+18‰上坡。停機處為全斷面硬巖中風化花崗巖,隧道頂部埋深30 m,隧道上方只有約1 m厚中風化花崗巖層,上部穩定層較薄,地質資料顯示巖石單軸抗壓強度隧道上部12 MPa、底部60 MPa,上部的強度較低。開倉檢查掌子面巖面較完整,裂隙發育一般,刀盤頂部為中風化花崗巖8Z與強風化花崗巖7Z地層交界面漸變,地質狀況如圖1所示。從常壓開倉觀察,掌子面地層基本穩定盾尾后方來水較小。刀盤設計開挖直徑?8 840 mm,前盾直徑?8 800 mm,開挖直徑比前盾大40 mm。盾構機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環段詳勘地質剖面

2 卡殼過程和原因分析

2.1 盾構卡殼過程

2021年1月11日下午17:30在1524環(行程1 842 mm、里程ZDK36+569.3),掘進速度從10 mm/min下降至1 mm/min,推力從16 MN增加至26 MN,速度無明顯改善,初步分析可能出現盾體卡殼(此時開挖面過小位置已開始進入前盾切口環位置),立即開倉檢查刀具,經檢查發現保徑刀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,之后復推1524環(行程1 842 mm),此時推力為25 MN左右,掘進速度為0 mm,隨后逐漸將推力增加至48 MN,此時速度在3～5 mm/min,期間前進了54 cm,最終推力增大至60 MN。經檢查58B#偏磨,對其進行更換,之后繼續加大推力試圖脫困,截止到1月18日上午,在盾體下半部增加6個630 t外置千斤頂加力,緩慢以1 mm/min速度推進了5 cm,總推力達到113 MN,繼續推進無速度,當前已掘進至1525環行程1 095 mm處。從1524環發現推力增大,總共前進了約82 cm。

對以上盾構卡殼過程中的盾構推力、扭矩、掘進速度進行統計分析,如圖2所示?？梢园l現,在盾構卡殼過程中,因速度降低刀盤扭矩出現陡降,隨著推力的增大,掘進速度有一定增加,但隨著盾構推力的繼續增大,掘進速度無明顯變化。這說明盲目增加盾構推力對盾構機卡殼的脫困是不利的,且起到了副作用,使得盾構機卡殼情況更加嚴重。因此,決策繼續掘進是錯誤的。

圖2 盾構卡殼過程中的參數變化

2.2 卡殼原因分析

當前為曲線段,盾構機姿態糾偏導致保徑刀橫向受力較大,刀具容易偏磨,刀具偏磨后不再轉動,刀盤直徑大刀具偏磨速度很快,導致盾構機開挖直徑偏小,加之曲線原因,來自巖體周邊的摩擦阻力越來越大,盾體無法通過。

此外,推測可能有掉落刀具配件或損毀刀圈卡在切口環底部,從而導致盾構卡殼。為了驗證這一推測,進行了清倉排查,發現只有兩個刀具螺桿夾在切口環下部,在對其進行清理后,加外置千斤頂加大推力進行試推,總推力計算累計達到84 MN,推進速度1 mm/min,試推效果并不明顯。

因此,根據試脫困掘進情況和以上卡盾原因排查,最終分析結論為:刀具偏磨導致開挖直徑過小是卡殼直接原因,盾構機姿態糾編導致刀具偏磨且檢查不及時是根本原因。盾體卡殼起點位置進入切口環82 cm長度范圍,因過程中更換了部分刀具,更換新刀刀刃位置至卡殼起點距離約59 cm,故開挖直徑過小卡殼長度約59 cm,沿前盾整圈,如圖3所示?？C位置掌子面前方未對盾體卡阻。

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

通過分析卡盾原因,結合實際工況,經研究論證后采取以下施工順序進行盾構脫困:

(1)從前盾土倉側壁左側和右側,采用磁力鉆割開兩口,為爆破提供臨空面。

(2)從開口處向上半部和向下半部鉆眼爆破,目標為盾體的下半圈巖體。

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

(4)盾體脫困后,土倉壁暫不進行恢復,待盾構機出洞后再修復。

3.2 土倉側壁鋼板開口

根據盾構機相關資料顯示,盾殼鋼板厚度為8 cm,刀盤開挖直徑?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。

為加快進度,原計劃在土倉中心位置兩側開孔,首先對前盾左側9點位開口提供臨空面,進行爆破后發現向下爆破清渣空間小,不方便人工清理,故優化調整另一個開口位置,向下調到時鐘5點鐘位置,這樣兼顧了向上爆破打孔及向下爆破清渣方便。前盾土倉壁割除及爆破順序如圖4所示。

圖4 前盾土倉壁割除及爆破區域(單位:mm)

在盾構機盾體9點位位置開孔,開孔高度高1.8 m、寬度0.8 m;在盾構機5點位位置開孔,開孔高度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,將此區域的巖層爆破運輸外運形成臨空面。

在以上部位爆破完畢后,底部綠色范圍及兩側黃色范圍采用磁力鉆開孔爆破松動圍巖,開孔直徑40 mm,開孔間距600 mm×600 mm布置,合計共需磁力鉆開孔18個,切口環采用風槍打28個孔。左側黃色區域采用磁力鉆開孔爆破松動,爆破后巖渣從上部爆破后的臨空面外運,直至此黃色部分區域爆破完成。右側黃色區域采用磁力鉆開孔爆破松動,爆破后巖渣從下部爆破后的臨空面外運,直至此黃色部分區域爆破完成。

鉆孔工具采用YT-28型風槍,鉆桿采用0.5 m、1.0 m、1.5 m三種不同長度。選用TN52RE型磁力鉆機,詳細參數為: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,空載轉速120 r/min,主軸行程265 mm,磁座吸力21 800 N。

3.3 爆破參數

爆破點位采用YT-28鑿巖機打眼,炮眼直徑為40 mm,選用?32 mm乳化炸藥,使用電子數碼雷管,孔內毫秒微差延時,單孔單響,毫秒延期,其中嚴格控制最大單響藥量,降低爆破振動。施工時必須加強監控量測,及時反饋圍巖、盾體和外圍管線的動態信息,以便修正設計,確保施工安全。

根據井巷掘進原理和控制爆破振動要求,布孔采用掏槽眼、輔助眼、周邊眼結合的布孔方式,使用電子數碼雷管來實現控制爆破振動。掘進循環進尺根據圍巖的穩固程度, 并根據爆破振動要求進行調整,為確保施工安全,每循環開挖量0.5 m。

根據待爆巖石的堅固系數不同(巖石堅硬程度的不同),結合實際施工經驗,確定在掌子面打眼的炮眼數,通常采用公式(1)來計算炮孔的數量。

(1)

式中:N為炮孔數量;K為參數,一個自由面時K取3.3;F為巖石堅固系數,取10;S為井巷掘進段面積,1.8 m×0.8m開孔面積1.44 m2,1.0×0.8 m開孔面積0.8 m2。

根據公式(1)計算得到1.8 m×0.8 m區域開孔需9個,1.0×0.8 m區域開孔6個。為降低爆破振動,減輕對周邊建構筑物的影響,按照“多打孔、少裝藥、短進尺、弱爆破”的原則,采取增加打孔數量,減少單孔藥量的施工工藝。

3.4 炮孔布置參數

3.4.1 9點位1.8 m×0.8 m開孔爆破

按單循環進尺0.5 m設計,為減少單孔裝藥量,減低爆破振動危害,炮孔總數增加到16個,炮孔布置及雷管段別布置如圖5所示,進尺爆破參數如表1所示。

表1 1.8 m×0.8 m開孔爆破參數

圖5 1.8 m×0.8 m開孔炮孔及雷管段別布置(單位:mm)

3.4.2 1.0 m×0.8 m開孔爆破

按單循環進尺0.5 m設計,為減少單孔裝藥量,減低爆破振動危害,炮孔總數增加到16個,炮孔布置及雷管段別布置如圖6所示,進尺爆破參數如表2所示。

表2 1.0 m×0.8 m開孔爆破參數

圖6 1.0 m×0.8 m開孔炮孔及雷管段別布置(單位:mm)

3.4.3 底部綠色松動區及黃色區爆破

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

圖7 土倉側壁布孔(單位:mm)

3.5 水壓爆破

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

表3 水壓爆破裝藥結構參數 mm

圖8 爆破裝藥結構

圖9 爆破工藝流程

水壓爆破與傳統的爆破方案基本相同,不同的是在裝藥結構和炮孔堵塞上進行了優化調整。利用爆破沖擊波對水的不可壓縮性,能量經過水傳遞到圍巖中無損失,另一方面炮眼中的水能起到霧化降塵作用,有限降低了粉塵對環境的污染。

3.6 爆破施工效果

截止2月3日,黃色區域爆破清渣及綠色區域松動爆破已經完成。經過對爆破情況進行檢查,初步已達到預期施工效果,現場如圖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清理等相關準備工作后恢復掘進,推力開始逐漸下降,推力降到66.8 MN并逐步降低,掘進速度達到12 mm/min,且刀盤已開始切削掌子面,完成1525環掘進,成功完成盾構脫困,從卡殼到脫困完成共用時24 d。

4 其他輔助工作

4.1 碎渣處理

掘進方向右側碎石通過人工從臨空面裝渣向上提出倒入土倉、掘進方向左側碎石利用盾體下部開孔扒渣的方式倒入土倉,再通過螺旋機排出倉外;盾體底部(綠色區域)碎石不清理。

4.2 作業面通風

作業期間通過倉門口蓋板引入風管送風,并利用風機送風,確保通風的連續性。安排專人不間斷氣體檢測如有異常,應及時撤出土倉內人員,加大通風力度,待土倉內氣體濃度合格后,方可繼續進倉作業。作業面通風示意如圖11所示。

圖11 作業面通風路徑

4.3 施工監測

開倉施工時監測頻率保持在4 h/次,地表沉降≤30 mm;地表隆起≤10 mm,變化率≤3 mm/d。

5 結束語

(1)在全斷面硬巖地層盾構掘進過程中,需要密切關注施工參數的變化情況。如出現總推進明顯增大但掘進速度依然較慢、刀盤扭矩波動較大時,需及時開倉檢查刀具磨損或偏磨等異常情況,及時更換刀具,避免開挖直徑過小卡殼。

(2)在盾體出現卡殼時,不能盲目增加盾構總推力,此時應采取措施對巖體進行擴徑,保證盾體能通過,否則會使得卡殼問題更加嚴重,管片出現嚴重破損。

(3)采用水壓爆破巖體,爆破效果相對較好,但爆破手續嚴格,需提前辦理,有限空間內要做好通風措施。

(4)水壓爆破有一定的震動,盾體外殼較厚,對盾構機設備影響不大,對周邊環境影響相對也不大;爆破參數可以根據試爆效果、圍巖性質結合現場實際,在確保施工安全的前提下,爆破過程中不斷優化調整,微調整炸藥用量,及時邀請行業專家分析指導。

(5)下半部爆破方案,難點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;二是清渣作業空間小,進度較慢。

(6)磁力鉆鉆穿8 cm厚鋼板鉆頭容易損壞,建議選用進口質量較好的鉆頭。