一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法与流程

1.本发明涉及海底隧道施工技术领域，具体涉及一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法。


背景技术：

2.海底隧道施工中，断层破碎带是影响海底隧道稳定的主要因素之一，因此，处理断层破碎带是海底隧道施工的重中之重，一旦处理不好，容易造成严重的安全隐患。
3.中国发明专利cn102787846b公开了一种海底隧道断层破碎带上堵下排的施工方法，采用隧道上半断面快速注浆堵水加固和隧道下半断面开挖排水快速通过两大施工过程，减少注浆加固堵水工程量、提高施工效率、减少处理断层破碎带或裂隙发育带的时间，为隧道的顺利建成节约投资和时间。但是，该方案适用于钻爆法施工。
4.而盾构法(shieldmethod)是目前海底隧道施工的主流方法，上述方法并不适用于盾构法，且目前对于盾构法海底隧道施工，还没有很好的解决方案处理断层破碎带。
5.有鉴于此，急需对现有的断层破碎带处理方法进行改进，提供一种适用于盾构法的海底隧道施工方法，以保证海底隧道的施工质量。


技术实现要素：

6.针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法，以解决现有技术存在较大的安全隐患，且还很难有效提高列车段的运维效率的问题。
7.为此，本发明提供了一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法，包括以下步骤：
8.结合海底隧道的地质勘查结果，通过补勘孔进行补勘，进一步获得断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石；
9.根据补勘孔的取芯岩体破碎情况，获得补勘孔所在位置的以下三种地质情况：无岩性破碎、岩性破碎≤25cm以及岩性破碎≥25cm，其中岩性破碎≥25cm表明存在孤石；
10.对于无岩性破碎的补勘孔进行灌浆封孔；
11.对于岩性破碎≤25cm的区域进行注浆固结；
12.对于岩性破碎≥25cm的区域，爆破处理后注浆固结。
13.在上述方法中，获得断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石的步骤如下：
14.在海底隧道断面内，沿海底隧道的中心线，以15米为间距，钻第一补勘孔进行第一次地质补勘，根据第一补勘孔的取芯岩体破碎情况，确定断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石；
15.根据断层破碎带的精确位置，以断层破碎带的中心位置为基准，前后间隔钻第二补勘孔，根据第二补勘孔的取芯岩体破碎情况，确定断层破碎带的带宽、方向分布范围以及可能存在的孤石。
16.在上述方法中，确定断层破碎带的边界方法如下：
17.在海底隧道轮廓线两侧各14m补钻第三补勘孔，深度为海床顶至隧道底14m，根据第三补勘孔取芯岩体的破碎情况，确定断层破碎带在海底隧道两侧方向分布范围；若14m处第三补勘孔的终孔未发现断裂带，则向断层破碎带的中心线方向，每隔1.5m补钻第四补勘孔，并根据第四补勘孔的取芯岩体破碎情况确定断层破碎带的带宽边界线。
18.在上述方法中，灌浆封孔采用水泥-水玻璃双液浆。
19.在上述方法中，对于岩性破碎≤25cm的区域，利用地质钻机钻孔，并从海面采用袖阀管进行注浆固结。
20.在上述方法中，地质钻机的钻孔呈梅花形布置，且最外层两排钻孔采用水泥+水玻璃双液浆形成止浆壁，内部其他钻孔采用水泥单液浆，水灰比 1：1。
21.在上述方法中，对于岩性破碎≥25cm的区域爆破处理包括以下步骤：
22.采用地质钻机钻炮孔，炮孔孔径为108mm，下设75mmpvc套管，钻探时对基岩凸起范围用炮孔位置进行复核，直到探测到基岩凸起边界为止；
23.每个区域内pvc管下设完成后统一装药，采用圆形塑料筒装药柱，孤石处药柱直径d＝60mm，基岩凸起处药柱直径d＝100mm；在药柱上部捆绑长度50～100cm细沙配重，满足药柱能自动下沉至有水的炮孔孔底，药柱装好后，向炮孔中倒入沙子，堵塞长度大于海床5m；
24.采用激发针起爆，每个炮孔装两发雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。
25.在上述方法中，位于海底隧道正上方的边界探测孔，钻孔完成后马上采用水泥浆进行封孔，水泥：水重量比为1:1。
26.由上述技术方案可知，本发明提供的一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法，解决了现有技术不适用于盾构法施工，存在施工安全隐患的问题。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.通过补勘孔定位断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石，对于无岩性破碎的补勘孔进行灌浆封孔，对于岩性破碎≤25cm的区域进行注浆固结，对于岩性破碎≥25cm的区域，爆破处理后注浆固结，从而使断层破碎带有效固结，确保盾构法施工的安全性和施工质量。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明中第一补勘孔施工位置示意图；
30.图2为本发明中断层破碎带第二补勘孔的孔位平面布置示意图；
31.图3为本发明中断层破碎带第二补勘孔的孔位立面布置示意图；
32.图4为本发明中爆破网络示意图；
33.图5为本发明中针对孤石的炮孔装药示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。
36.需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。
37.如图1所示，本发明提供的一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法，包括以下步骤：
38.步骤110，结合海底隧道的地质勘查结果，通过补勘孔进行补勘，进一步获得断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石。
39.步骤120，根据补勘孔的取芯岩体破碎情况，获得补勘孔所在位置的以下三种地质情况：
40.无岩性破碎；
41.岩性破碎≤25cm；以及，
42.岩性破碎≥25cm，其中岩性破碎≥25cm表明存在孤石。
43.步骤130，对于无岩性破碎的补勘孔进行灌浆封孔；
44.对于岩性破碎≤25cm的区域进行注浆固结；
45.对于岩性破碎≥25cm的区域，爆破处理后注浆固结。
46.上述的步骤110的目的在于获得断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石，具体包括以下步骤：
47.步骤111，如图1所示，结合海底隧道的地质勘查报告，在海底隧道断面100内，沿海底隧道的中心线，以15米为间距，钻第一补勘孔200进行第一次地质补勘，根据第一补勘孔的取芯岩体破碎情况，确定断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石。图中，f13、f14、f15和f16为断层破碎带。
48.步骤112，如图2、图3所示，根据断层破碎带的精确位置，在断层破碎带的中心位置钻孔取芯，钻孔深度为海床顶至隧道底14m。以断层破碎带的中心位置为基准，沿地质勘查报告所示的断层破碎带的线路方向，前后间隔5米再次钻第二补勘孔210，深度为海床顶至隧道底14m，根据第二补勘孔的取芯岩体破碎情况，确定断层破碎带的带宽方向分布范围，并再次定位可能存在的孤石。若第二补勘孔的终孔岩样完整，需延伸5m补钻第二补勘孔，验证第二补勘孔位置是否存在孤石。
49.步骤113，确定断层破碎带的边界方法如下：
50.在海底隧道轮廓线两侧各14m补钻第三补勘孔，深度为海床顶至隧道底14m，根据第三补勘孔取芯岩体的破碎情况，确定断层破碎带在海底隧道两侧方向分布范围；若14m处第三补勘孔的终孔未发现断裂带，则向断层破碎带的中心线方向，每隔1.5m补钻第四补勘孔，并根据第四补勘孔的取芯岩体破碎情况确定断层破碎带的带宽边界线。
51.针对未发现岩性破碎和孤石的第一补勘孔、第二补勘孔和第三补勘孔、第四补勘
孔进行灌浆封孔。防止水体通过上述补勘孔向下渗流，引起盾构掘进泄压，确保盾构掘进时安全。
52.灌浆封孔材料应有一定的强度，以避免盾构机掘进时对封孔材料产生向上的挤压力将材料挤出形成下水通道，同时也不能有太大硬度，如采用混凝土，会对盾构机掘进造成障碍。本实施例中，灌浆封孔材料采用的是水泥-水玻璃双液浆。其中，可以根据胶凝时间选择水泥浆：水玻璃浆的重量比为3：1、2：1或1：1。水泥浆采用水与水泥重量比为1：1配制而成。
53.具体地，通过内部中空的钻杆伸入上述补勘孔的孔底，自下而上进行灌浆，因孔深较大(平均深度50m)，封孔时间长，可适当添加速凝剂，缩短水泥凝固时间。如发现注浆效果不明显，应重复注浆，确保封孔效果，封孔质量必须经验收后方可结束。
54.对于岩性破碎≤25cm的区域，利用地质钻机钻孔，并从海面采用袖阀管进行注浆固结。
55.其中，钻孔的孔径为110mm，孔距为1.5
×
1.5m，孔深为海床顶～隧道底14m，并呈梅花形布置。本技术中，梅花桩是指两排桩孔前后相错布置。
56.钻孔区域的宽度为隧道轮廓及两侧各14m，长度为断裂带带宽两侧各 14m，注浆范围为隧道顶部以上14m至孔底。
57.利用袖阀管注浆的顺序及浆液类别为，最外层两排孔采用水泥+水玻璃双液浆形成止浆壁，内部其他孔采用水泥单液浆，水与水泥重量比为1：1。
58.对于岩性破碎≥25cm的区域，为确保盾构掘进施工的顺利进行，对存在的孤石采取“内部作用药包”进行爆破处理，即：
59.通过前期勘探探明的地质情况，对存在孤石及基岩凸起的地方再通过地质钻机钻孔施工至孤石位置处，利用地质钻机对岩石进行钻孔，然后从地表将炸药安放在岩石指定位置，利用炸药爆炸产生的能量将岩石破碎、解体。解体后石块大小≤25cm，以满足盾构机安全施工需求。
60.对孤石进行爆破处理包括以下步骤：
61.如图4、图5所示，采用地质钻机钻炮孔10，炮孔10的孔径为108mm，下设75mmpvc套管11，钻探时对基岩凸起范围可以用炮孔位置进行复核，直到探测到基岩凸起边界为止。
62.采用圆形塑料筒装药柱20，孤石处药柱直径d＝60mm，基岩凸起处药柱直径d＝100mm，炸药为高密度、高性能抗水乳化炸药。每个区域内pvc 管下设完成后统一装药。在药柱上部捆绑长度50～100cm细沙配重23，满足药柱能自动下沉至有水的炮孔孔底，即保证药柱在水孔中不上浮。药柱安装好后，向炮孔中慢慢倒入沙子30，堵塞长度大于海床5m。
63.炮孔采用正向装药起爆，起爆选用非电爆破网路，采用激发针起爆，每个炮孔装两发雷管40，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。网路示意图如图4所示。
64.爆破后对该爆破区域进行取芯检测爆破效果，试验段取芯3处，对其他区域的孤石每处取芯2处，其中一处需位于孤石中心位置处。检测孔数量按总爆破孔数的3％，每处取芯7处，取芯深度达到设计深度。岩芯取出后对芯样裂度进行分析、判断，以抽取出的完整岩芯单向长度≤25cm为合格。若抽检岩芯不合格，则补孔进行二次爆破，补孔时严禁原位钻孔。
65.由于本实施例针对海底地下不均匀风化体进行爆破，为保证爆破效果，采用公式q＝q1+q2+q3+q4计算单位耗药量q：
66.式中：q1为基本装药量，由于本实施例的爆破对象位于地下30-50m左右，且存在地下水，故视为水下爆破，基本装药量为一般陆地梯段爆破量的两倍；另外，由于采用的是水下垂直钻孔，在此基础上再增加10％。
67.例如，普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗为0.5kg/m3，则本实施例中q1＝0.5
×2×
10％＝1.0kg/m3×
10％＝1.1kg/m3；
68.q2为爆区上方的水压增量，q2＝0.01h2，h2为水深(m)；
69.q3为爆区上方覆盖层增量，q3＝0.02h3，h3为覆盖层(淤泥或土、砂) 厚度(m)；
70.q4为岩石膨胀增量，q4＝0.03h，h为梯段爆破的高度(m)。
71.本实施例中，h＝4m，h2平均取40m，h3取26m，则：
72.q＝1.1+0.01
×
40+0.02
×
26+0.03
×
4＝2.14kg/m3。
73.因孤石厚度不均，但是考虑到测量以及药柱吊装过程中产生的误差(误差累计不得超过10cm)。因此孤石爆破时，若采用单孔单体爆破，则装药长度与岩石厚度相同，若采用多孔单体爆破，则相邻两个炮孔，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，如图5所示。
74.以上，通过合理确定单位耗药量，单孔单体爆破和多孔单体爆破采用不同的形式，确保爆破效果。
75.爆破完成后进行注浆，对破碎土体进行加固。其中，在原爆破孔位置注浆，浆液采用水泥浆液，水灰比为1:1，浆液内加入适量速凝剂，速凝剂掺量现场调配，浆液采用ujw150搅拌机船上搅拌，注浆压力控制在 1.5～3mpa。根据现场实际情况可适当调整注浆参数。
76.注浆施工时先下dn130mm钢套管至海床底部，用震管器将套管打入全风化岩层以下2m，下好套管后即采用地质钻机开始地层钻进。基岩凸起处钻孔钻至隧道底部以下1米，孤石处钻孔钻至孤石底部以下1米。钻孔完毕后钻杆连接注浆机，利用钻杆注浆，钻杆顶部密封后连接3sns三缸柱塞式灰浆泵。各孔段注浆压力达到设计终压并应稳定10min，且进浆速度小于开始进浆速度的1/4时，可认为注浆结束。注浆结束后拔出钢套管。
77.上述方法中，位于探测断层破碎带的边界的第四补勘孔，又称边界探测孔，其位于海底隧道正上方，因此必须严格保证封孔质量。每个边界探测孔钻孔完成后必须马上进行彻底封孔，避免封孔不及时出现的事故和意外。封孔采用水泥浆进行封孔，水泥：水的重比为1:1，浆液内加入适量速凝剂，速凝剂掺量现场调配，封孔质量必须经现场管理人员验收。
78.综合以上具体实施例的描述，本发明提供的一种海底隧道盾构段断层破碎带处理施工方法和方法，与现有技术相比，具有如下优点：
79.第一，通过补勘孔精确定位断层破碎带的精确位置以及可能存在的孤石，对于无岩性破碎的补勘孔进行灌浆封孔，对于岩性破碎≤25cm的区域进行注浆固结，对于岩性破碎≥25cm的区域，爆破处理后注浆固结，确保盾构法施工的安全性和施工质量。
80.第二，针对断层破碎带，再次采用第二补勘孔确定断层破碎带的带宽方向分布范围，采用第三补勘孔和第四补勘孔确定断层破碎带的带宽边界线，定位精确且施工量小。
81.第三，灌浆封孔采用的是水泥-水玻璃双液浆，能够避免盾构机掘进时对封孔材料产生向上的挤压力将材料挤出形成下水通道，同时又没有太大硬度。
82.第四、对于岩性破碎区域，钻孔呈梅花形布置，利用袖阀管注浆，最外层两排孔采
用水泥+水玻璃双液浆形成止浆壁，内部其他孔采用水泥单液浆，保证了岩性破碎区域有效固结。
83.最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个
…
"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
84.本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。