一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法与流程

本发明涉及盾构法隧道工程爆破技术领域，具体涉及一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法。

背景技术

近年来随着城市轨道交通建设的飞速发展，越来越多的城市开始大规模修建城际铁路等城市轨道交通，大多数城市中的轨道区间建设都采用盾构法施工，在盾构法隧道施工过程中，经常会遇到随机分布的孤石和基岩突起的上软下硬段地层，且孤石形状大小各异、强度不一，硬岩强度极高。

在上软下硬地质层盾构法施工容易引发一些问题：例如：1、在这类地层中掘进效率低，刀盘刀具磨损严重，易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等，处理起来速度比较慢，严重影响施工进度，有的甚至因施工无法进展而不得不变更设计，花费成本较高，经济效益差；2、软硬不均的地质层在掘进过程中，可能引发地表沉降问题，对周边环境造成巨大影响，同时会导致掘进刀具的严重磨损。3、在硬岩段，不仅掘进边滚刀磨损快，而且容易出现盾构卡壳的情况，因此需要频繁对刀具进行开仓检测，增大了施工风险；4、软硬不均地质层处于下坡段，对于掘进施工有着一定的负面影响。很显然，如何处理好盾构掘进过程中所遇到的孤石与硬岩段，是当前盾构法施工中一个较大的技术难题。

技术实现要素：

补充说明：盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。但是，很显然如何实现上述技术效果，完成盾构法隧道的严格爆破任务仍然是本领域技术人员需要解决的问题。

因此，在这种情况下，本发明提供的技术方案考虑在盾构通过不良地质段前采用预裂爆破技术对孤石及硬岩进行预处理；然后盾构掘进穿过该地段。与此同时，盾构法隧道与普通地下隧道不同，其盾构法隧道对于爆破技术要求更高(因为爆破后还需要保证盾构机通过，并且安全作业不受到任何影响)，其在完成爆破的同时必须要保证避免盾构通过发送冒浆问题，还要保证爆破完整性以及爆破点准确等。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法，其步骤如下：

步骤s1：首先在盾构开挖前对掘进范围内的不良地质段进行勘测，确定上软下硬地层的具体区域，其次依据勘测得到的上软下硬不良地质段具体区域及分布形式，确定预裂爆破区域；

步骤s2：根据确定的爆破区域，进行预裂爆破布孔，具体包括爆破孔、辅助孔及减震孔的布孔形式设置，布孔设置完成验收合格后进行钻孔施工；

步骤s3：钻孔完成后，进行药量计算及药包加工，然后进行装药结构的确定以及起爆网络设计；

步骤s4：在上述所有准备工作完成后，进行炸药抗浮配重、药包就位及防护，然后方可进行起爆，爆破完成后应对爆破效果进行检测；

步骤s5：爆破施工完毕后，对上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞进行密封堵塞，以避免盾构通过爆破区域时发生冒浆等事故，封孔完成后等待盾构掘进通过。

进一步地，所述步骤s2中；所述根据确定的爆破区域，确定布范围，包括如下操作步骤；

所述布孔范围的横向范围为所述爆破区域的横向方向按照分别超出隧道直径左、右两侧各延伸0.2m后所涵盖的范围；

所述布孔范围的纵向范围为所述爆破区域的纵向按照超出隧道直径上、下各延伸2m后所涵盖的范围；

所述爆破孔的按照矩形阵列方式进行排列，其横向排列内的相邻两个所述爆破孔的间距为0.6m，其纵向排列内的相邻两个所述爆破孔的间距为0.6m；

所述辅助孔(即空孔)，按照相邻每四个所述爆破孔中心位置处对应安装一个所述辅助孔方式设置，且任意一个所述爆破孔有且仅有一个所述辅助孔与其对应；

所述减震孔按照所述爆破区域左、右两侧各布置两排，其横向排列的相邻两个所述减震孔之间的间距为0.3m，其相邻两排之间的纵向间距为0.15m，且所述减震孔的直径为90mm，与所述爆破区域的边线距离为0.3m；所述减震孔钻成孔后下直径为75mm的pvc套管护孔，且pvc套管底需安有堵头(解释说明：即爆破前，该减震孔孔口需遮盖，防止异物掉入堵塞炮孔，该炮孔即为爆破孔。)

需要说明的是：在本发明实施例的具体技术方案中，左线全长为1237.274m，右线隧道全长为1230.309m；一般来说，其左右线间距为10－15m。

进一步地，所述步骤s3中：

执行药量计算操作，药量计算按公式q＝q1+q2+q3+q4计算；

式中：q1为基本装药量；q1＝1.1kg/m³；

q2为爆区上方水压增量，q2＝0.01h2；h2为水深深度；

q3为爆区上方覆盖层增量，q3＝0.02h3；h3为覆盖层厚度；

q4为岩石膨胀增量，q4＝0.03h；h为梯段高度；

执行药包加工操作：爆破孔验收合格后，对装药爆区范围内设置警戒，开始加工药包；首先要准备好直径75mmpvc套管；根据提供的钻孔参数，提前计算好药包长度，将炸药和雷管装入pvc套管内指定的位置；在装药过程中，需对药包进行配重操作；pvc套管的长度需根据药包长度和配重长度来截取，采用下式进行计算，l＝l13+l14；

式中：l为所取pvc套管长度；l13为药包长度；l14为配重长度；

执行装药结构及起爆网络设计的操作：药包固定在自制的pvc套管内形成起爆体，所述起爆体为具有防水性能的起爆体；pvc套管内有水压，所述起爆体配重实现抗浮操作；所述爆破孔装入含有药包的pvc套管形成的起爆体，起爆选用非电爆破网路，采用激发针起爆，每个爆破孔装两发雷管，且分别属于两个爆破网路，两套爆破网路并联后起爆。

进一步地，所述步骤s4中：

执行抗浮配重操作：对药包进行配重抗浮；配重采用粒径0.5cm的碎石，密度为1.50g/cm³；炸药密度为0.95～1.25g/cm³，此处取1.00g/cm³；孔内泥浆水密度为1.15g/cm³；

执行药包就位和防护操作：药包加工好后，在pvc套管管壁上端钻两孔，用铁丝绑定，上系绳索，然后开始下药包；根据提供的钻孔参数，确定目标爆破孔的底部深度位置n1，然后准确测量pvc套管与绳索的长度之和n2，使n1＝n2，将整个药包悬吊到准确的位置上，误差控制在10cm之内；药包就位后，用铁丝把绳索固定在pvc套管管壁上，使其不再移动；

药包就位且固定后，开始进行堵塞；严禁使用铁器冲击爆破孔内药包，雷管。pvc套管内外均用碎石堵塞密实，防止泥浆喷出和pvc套管的突起。地下爆破不会有飞石产生，只有在爆破后产生的高压气体会将爆破孔内的泥浆压出孔外；为了防止涌出的泥浆飞溅，陆地侧采取联合防护体系。如果爆区周围已经实施过爆破作业，则需对其周围的爆破残孔用砂袋覆盖，防止泥浆喷射；

爆破效果检测：根据要求，爆破效果需要达到岩体破碎粒径小于30cm。

进一步地，所述步骤s5中爆破施工完毕后，施工场地会留有残孔以及碎片残留，对施工场地碎片残留进行清扫处理。

进一步地，在所述步骤s5中；对上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞执行密封堵塞的动作，包括如下操作步骤：

步骤s51；使用钻孔用地质钻机对已爆孔进行清扫，保证孔内无pvc套管碎片残留；

步骤s52；将堵塞用石子和水泥在地面进行干拌均匀；

步骤s53；人工将拌好的水泥石子装填入清扫好的孔内，并保证填塞长度不小于孔深的2/3，因孔内有水，装入的水泥石子会遇水膨胀固结，从而达到密封孔的效果。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法，分析上述盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法的主要步骤可知：

上述盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法，其主要包括如下操作步骤：

步骤s1：首先在盾构开挖前对掘进范围内的不良地质段进行勘测，确定上软下硬地层的具体区域，其次依据勘测得到的上软下硬不良地质段具体区域及分布形式，确定预裂爆破区域；

步骤s2：根据确定的爆破区域，进行预裂爆破布孔，具体包括爆破孔、辅助孔及减震孔的布孔形式设置，布孔设置完成验收合格后进行钻孔施工；

步骤s3：钻孔完成后，进行药量计算及药包加工，然后进行装药结构的确定以及起爆网络设计；

步骤s4：在上述所有准备工作完成后，进行炸药抗浮配重、药包就位及防护，然后方可进行起爆，爆破完成后应对爆破效果进行检测；

步骤s5：爆破施工完毕后，对上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞进行密封堵塞，以避免盾构通过爆破区域时发生冒浆等事故，封孔完成后等待盾构掘进通过。

很显然，本发明将盾构掘进的上软下硬不良地段提前采取预裂爆破技术进行处理，大大缩短了施工工期，同时解决了在该类地层中盾构掘进效率低下、刀具磨损严重及换刀困难等难题。同时，通过对该地段采取预裂爆破技术，极大地节约了盾构施工成本，也解决了被迫增加设计变更的问题。与此同时，掘进效率的大幅提高使单位时间内生产产值提高，经济效益良好。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理、使用效果好，能有效解决盾构掘进中所遇孤石及硬岩段时处理技术难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中爆破孔及辅助孔的布置图；

图2为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中的减震孔布置图；

图3为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中充填注浆孔的布置图；

图4为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中的预裂爆破剖面图；

图5为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中爆破网络示意图；

图6为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中单段药包加工示意图；

图7为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中的基岩爆破装药结构示意图；

图8为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法中爆破防护示意图；

图9为本发明提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法的流程示意图。

标号：1－辅助孔；2－爆破孔；3－减震孔；4－充填注浆孔；5－预裂爆破及注浆加固范围；6－雷管；7－起爆器；8－炸药；9－配重；10－需爆破岩石；11－堵塞；12－沙包；13－木板；14－木枋；a－左线爆破区域左边线/右线爆破区域右边线；b－岩石顶面；c－刀盘开挖轮廓线；d－地面；e－隧道底面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

表11#井～湾仔北站区间不良地质段勘察结果

实施例一

以新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通工程1期1#井￣湾仔北站区间为例，介绍一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法，包含如下顺序步骤(参见图9为盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法的流程示意图)：

步骤s1：首先在盾构开挖前对掘进范围内的不良地质段(即上层土质较软，下层土质较硬的地段)进行勘测，确定上软下硬地层的具体区域，其次依据勘测得到的上软下硬不良地质段具体区域及分布形式，确定预裂爆破区域；

步骤s2：根据确定的爆破区域，进行预裂爆破布孔，具体包括辅助孔1、爆破孔2(如图1所示)及减震孔3(如图2所示)的布孔形式设置，布孔设置完成验收合格后进行钻孔施工；需要说明的是，上述爆破孔是装填炸药的孔洞；上述辅助孔(空孔)的作用主要是创造临空面，辅助孔(空孔)的目的是为后续延期起爆的挤压爆破提供自由面，而空孔的存在则为爆破孔提供了自由面。同时，上述减震孔(空孔)是爆破区域附近存在建筑物等需要保护的对象时，在被保护对象与爆源之间设置减震孔来达到减震效果，减少爆破过程对被保护对象的损伤和破坏。

步骤s3：钻孔完成后，进行药量计算及药包加工，然后进行装药结构的确定以及起爆网络设计；

步骤s4：在上述所有准备工作完成后，进行炸药抗浮配重、药包就位及防护，然后方可进行起爆，爆破完成后应对爆破效果进行检测；

步骤s5：爆破施工完毕后，对余孔(即上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞)进行密封堵塞，以避免盾构通过爆破区域时发生冒浆等事故，封孔完成后等待盾构掘进通过。上述步骤操作可参见图9。

参见图1可知，在同一横列上相邻的爆破孔2的间距为l2，l2＝600；同时在同一竖列上的相邻的爆破孔2的间距为l4，l4＝600；同时，在相邻两个横列上的交叉设置的相邻两个爆破孔2的横向间距为l1，l1＝300；同时，在相邻两个横列上的交叉设置的相邻两个爆破孔2的竖向间距为l3，l3＝300。

参见图2可知，在同一横列上相邻的减震孔3的间距为l6，l6＝300；同时在同一竖列上的相邻的减震孔3的间距为l7，l7＝150；同时靠近左线爆破区域左边线/右线爆破区域右边线a最近的减震孔3，其相距左线爆破区域左边线/右线爆破区域右边线a的距离为l8，l8＝300。

参见图3可知，图3是充填注浆孔布置图；在同一横列上相邻的充填注浆孔4的间距为l10，l10＝2000；同时，在同一竖列上的相邻的充填注浆孔4的间距为l12，l12＝2000；同时，在相邻两个横列上的交叉设置的相邻两个充填注浆孔的横向间距为l9，l9＝1000；同时，在相邻两个横列上的交叉设置的相邻两个充填注浆孔的竖向间距为l11，l11＝1000。

进一步地，所述步骤s2中；所述根据确定的爆破区域，确定布范围，包括如下操作步骤；

所述布孔范围的横向范围为所述爆破区域的横向方向按照分别超出隧道直径左、右两侧各延伸0.2m后所涵盖的范围；

所述布孔范围的纵向范围为所述爆破区域的纵向按照超出隧道直径上、下各延伸2m后所涵盖的范围；

所述爆破孔的按照矩形阵列方式进行排列，其横向排列内的相邻两个所述爆破孔的间距为0.6m，其纵向排列内的相邻两个所述爆破孔的间距为0.6m；

所述辅助孔(即空孔)，按照相邻每四个所述爆破孔中心位置处对应安装一个所述辅助孔方式设置，且任意一个所述爆破孔有且仅有一个所述辅助孔与其对应；

所述减震孔按照所述爆破区域左、右两侧各布置两排，其横向排列的相邻两个所述减震孔之间的间距为0.3m，其相邻两排之间的纵向间距为0.15m，且所述减震孔的直径为90mm，与所述爆破区域的边线距离为0.3m；所述减震孔钻成孔后下直径为75mm的pvc套管护孔，且套管底需安有堵头(解释说明：即减震孔的内安装pvc套管主要作用是护孔，其并不安装炸药；但是爆破孔内也安装pvc套管，此pvc套管则需要安装炸药；爆破前，该减震孔孔口需遮盖(即堵头遮盖)，防止异物掉入堵塞爆破孔。)

需要说明的是：参考表1，所述步骤s1中依据勘测得到的上软下硬不良地质段具体区域及分布形式，确定预裂爆破区域。注意在进行左线右线爆破处理时，都按照上述操作步骤来完成；在本发明实施例的具体技术方案中，左线全长为1237.274m，右线隧道全长为1230.309m；一般来说，其城际轨道交通左右线间距为10－15m之间，对此本发明实施例不再详述。参考附图1－4，所述步骤s2中爆破区域横向宽度按照超出隧道直径左右两侧各0.2m；爆破区域纵向按照超出隧道范围2m。爆破孔间距按0.6m＊0.6m，空孔(辅助孔)，按照每四个爆破孔对应一个辅助孔，辅助孔在4个爆破孔中间，辅助孔直径130mm；减震孔按照爆破区域左右两侧各布置两排，梅花型布置，间距0.3m，直径90mm，与爆破区域距离0.3m，成孔后下75mm的pvc套管护孔，套管底需安有堵头，爆破前孔口需遮盖，防止异物掉入堵塞爆破孔。同时，图4为预裂爆破剖面图，该图4示意了预裂爆破及注浆加固范围5以及岩石顶面b，刀盘开挖轮廓线c等结构构造。

其中，参考附图5－7，所述步骤s3中药量计算按公式q＝q1+q2+q3+q4计算，式中：q1—基本装药量，是一般陆地梯段爆破的两倍；对水下垂直钻孔，再增加10％。普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗q1＝0.5kg/m³，则水下钻孔q1＝1.0kg/m³，水下垂直孔q1＝1.1kg/m³；(q1—基本装药量，一般取值都为q1＝1.1kg/m³)

q2—爆区上方水压增量，q2＝0.01h2；

h2—水深，m；

q3—爆区上方覆盖层增量，q3＝0.02h3；

h3—覆盖层(淤泥或土、砂)厚度，m；

q4—岩石膨胀增量，q4＝0.03h；

h—梯段高度，m。

本工程h平均取值4m，h2平均取值20m，h3则平均取值为18m，q1＝1.1kg/m³，q＝1.1+0.01×20+0.02×18+0.03×6＝1.84kg/m³。

药包加工：爆破孔验收合格后，对装药爆区范围内设置警戒，开始加工药包。首先要准备好直径75mmpvc套管，根据钻孔队提供的钻孔参数，提前计算好药包长度，将炸药和雷管装入pvc套管内指定的位置。由于孔内有水及少量泥浆，为了顺利装药，需对药包适当配重。pvc套管的长度需根据药包长度和配重长度来截取，采用下式进行计算，l＝l13+l14。

式中：l—所取pvc套管长度；l13—药包长度；l14—配重长度。

装药结构及起爆网络设计：由于本工程基岩突起埋深较深，为地下20m处，最厚岩层厚度约为4米，其爆破破碎难度较大，为便于施工并保证爆破破碎效果，首先对较薄岩层前排孔进行爆破，孔前土层因爆破挤压出现空隙，从而为后排孔提供自由面，然后后排孔起爆。爆破孔间排距均为0.6m，钻孔超深1.0－2.0m，钻孔深度21～22m，孔底标高－16.46～－16.83m。装药深度比基岩厚度深约1.0m。

由于爆破孔深度较深，需要爆破处理的岩石埋深较深，因此起爆药包采用软钢丝悬吊于爆破点的位置，且一端固定于孔口位置，标高误差不得大于10cm。药包固定在自制的pvc套管内，该起爆体须具有较好的防水性能。由于pvc套管内有水压，因此起爆体需配重实现抗浮操作。爆破孔采用装入含有药包的pvc套管的起爆体(即正向装药)，起爆选用非电爆破网路，采用激发针起爆(即通过起爆器7实施起爆触发)，每个爆破孔装两发雷管，且分别属于两个爆破网路，两套爆破网路并联后起爆(即每个爆破孔内安装一个pvc套管的起爆体，每个pvc套管内都装有来自于两套爆破网络的雷管，两套爆破网络独立但并联连接同时起爆)。

其中，参考附图6和图8，所述步骤s4中：

抗浮配重：由于炸药与孔内的泥浆水比重相近，导致药包无法下沉或下沉后在浮力作用下而无法固定，所以需对药包进行配重抗浮。配重采用粒径0.5cm的碎石，密度为1.50g/cm³；炸药密度为0.95～1.25g/cm³，此处取1.00g/cm³；孔内泥浆水密度为1.15g/cm³。如图6所示，图6示意了单段药包加工示意图，其中其涉及了雷管6、炸药8、配重9等结构。

药包就位和防护：药包加工好后，在pvc套管管壁上端钻两孔，用铁丝绑定，上系绳索，然后开始下药包。根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况(即钻孔参数就包括即将下药的目标爆破孔的深度位置信息，即岩石侧壁下探位置)，确定目标爆破孔的底部深度位置n1，然后准确测量pvc套管与绳索的长度之和n2，使n1＝n2，将整个药包悬吊到准确的位置上，误差控制在10cm之内。药包就位后，用铁丝把绳索固定在pvc套管壁上，使其绳索不再移动。

药包就位且固定后，开始进行堵塞。严禁使用铁器冲击爆破孔内药包，雷管。套管内外均用碎石堵塞密实，防止泥浆喷出和套管的突起。地下爆破不会有飞石产生，只有在爆破后产生的高压气体会将爆破孔内的泥浆压出孔外，为了防止涌出的泥浆飞溅，陆地侧采取联合防护体系。如果爆区周围已经实施过爆破作业，则需对其周围的爆破残孔用砂袋覆盖，防止泥浆喷射。图7为基岩爆破装药结构示意图，图7示意了需爆破岩石10以及炸药8和堵塞11和地面d；隧道底面e的具体位置。同时，图8是爆破防护示意图，如图8所示，图8主要示意了堵塞11、沙包12、木板13、木枋14等结构以及地面d所在位置。

爆破效果检测：该工程爆破效果达到岩体破碎粒径小于30cm的要求。

其中，参考附图3，所述步骤s5中：

爆破施工完毕后，施工场地会留有残孔，孔内有剩余的pvc套管。需要对上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞进行密封堵塞，以避免盾构通过爆破区域是发生冒浆等事故，封孔完成后等待盾构掘进通过。

具体封孔措施为：

步骤s51：使用钻孔用地质钻机对已爆孔进行清扫，保证孔内无pvc套管碎片残留；

步骤s52：将堵塞用石子和水泥在地面进行干拌均匀；

步骤s53：人工将拌好的水泥石子装填入清扫好的孔内，并保证填塞长度不小于孔深的2/3，因孔内有水，装入的水泥石子会遇水膨胀固结，从而达到密封孔的效果(上述被封堵的上述爆破孔、辅助孔，减震孔爆破后剩下的所有孔洞即为充填注浆孔4)。

本发明实施例提供的盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法具有如下方面的技术优势：

综上所述，借助于上述技术方案，本发明提供一种盾构掘进上软下硬地层预裂爆破施工方法，本发明所述方法步骤简单，设计合理、使用效果好，在节约盾构施工成本的同时也大大缩短了工期，掘进效率大幅提高使单位时间内生产产值提高，经济效益良好，能有效解决盾构掘进中所遇孤石及硬岩段时处理技术难题。该发明可为珠海地区城际铁路后续隧道施工乃至珠三角铁路隧道提供思路、经验借鉴及技术支持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。