TBM 双导洞先行特大断面隧道爆破施工技术研究

台贺

(中铁二十二局集团轨道工程有限公司,北京100043)

1 工程概述

1.1 工程概述

青岛地铁1 号线是贯通青岛市南北的快速轨道交通走廊,其中贵州路站位于贵州路与团岛二路交叉口西南侧,线路出贵州路站后沿台西五路向北敷设,下穿大量建筑物后接入西镇站。在爆破施工之前,TBM已掘进通过,形成两个直径为6.2m的导洞,对断面其余部分采用钻爆法开挖。根据运营需要在西镇站站前设置双存车线,形成四线断面隧道。贵州路站～西镇站区间(以下简称贵西区间)全长约546.9m,采用浅埋暗挖法施工。贵西区间四线断面位于西镇站站前,全长344.5m,贵西区间单洞单线隧道主要采用对地面建筑扰动较小的TBM工法施工,隧道长约202.4m。单层衬砌段断面面积为189.8m2,复合式衬砌段断面面积为208.4m2,按照国际隧道协会(ITA)定义的隧道的横断面积的大小划分标准分类,为特大断面。

1.2 工程地质

贵西区间四线断面场地地貌类型属剥蚀残丘,地形较为起伏,地面高程8～30m,隧道拱顶埋深约16～29m,沿线房屋林立,地面条件复杂。隧道洞身以微风化花岗岩为主,局部为微风化花岗斑岩。主要围岩等级为Ⅱ、Ⅳ级,地下水类型主要为基岩裂隙水,富水性中等。

1.3 工程重难点分析

区间隧道位于台西五路及部分居民小区正下方,小区楼层高约6～8 层,主要为多层砖混居住建筑,其中3 处建筑安全性评级为Csu 级,爆破振动安全允许标准V≤0.5cm/s,其余建筑安全性评级为Bsu 级,爆破振动安全允许标准V≤1.0cm/s。周围环境敏感、复杂,必须减小爆破振动对建筑物的影响,降低对周边居民生活的干扰[1]。

断面大、工序多,地表管线及周边建筑较多,爆破振动对周边建筑及管线易造成破坏。控制爆破振速,确定科学的爆破参数,保证结构稳定,减小沉降变形[2-4],是爆破安全控制的难点,开挖量大、工期紧,按时完成开挖是本工程的重点。

2 TBM 导洞先行特大断面隧道爆破施工技术

贵西区间四线断面Ⅱ级围岩段K32+151.7～K32+384.7 采用单层衬砌结构,Ⅳ级围岩段K32+071.7～K32+151.7、K32+384.7～K32+416.2 采用复合式单层衬砌结构。西镇站方向为大里程方向。根据贵西区间四线断面地质条件、地上环境、隧道断面结构形式、支护方式等综合考虑,在贵州路站端复合式衬砌段与单层衬砌段交界处Ⅱ级围岩段开挖1 个横通道,横通道向大小里程开挖形成两个工作面；在西镇站小里程端头开辟一个工作面向贵州路站方向开挖。小里程复合式衬砌段先行导洞每扩挖完成25m 后,在剩余岩柱中部开挖1 条运输通道,横通道宽5m,高3m。横通道的开挖可解决后行导洞开挖时堵塞出渣道路的问题,同时增加了工作面,可大大提高施工效率,加快施工进程[5-6]。

2.1 复合式衬砌段爆破施工

复合式衬砌段里程K32+384.7～K32+416.2,隧道围岩等级为Ⅳ级,采用CD 法开挖。主要施工步骤为右线上台阶开挖及支护→右线下台阶开挖及支护→左线上台阶开挖及支护→左线下台阶开挖及支护→超前小导管施工→初期支护→仰拱衬砌及底板回填→拱、墙二次衬砌。

因TBM导洞提供了良好的自由面,无需掏槽眼。爆破开挖炮孔起爆顺序为:辅助眼→周边眼,充分利用TBM导洞提供的自由面,由里向外逐层起爆。为了保证后起爆的网络不被先起爆的炸断,采用孔内毫秒延时的起爆网路,即“孔外小段别,孔内大段别”,导爆管采用簇并连法连接。

爆破网路如图1 所示(炮孔之间的连接线表示使用同一段别雷管)。

图1 复合式衬砌段爆破网路(单位:mm)

2.2 单层衬砌段爆破施工

单层衬砌段里程K32+151.7～K32+384.7,隧道围岩等级为Ⅱ级,采用台阶法开挖。主要施工步骤为右线上台阶开挖及支护→左线上台阶开挖及支护→全断面下台阶开挖及支护→中空注浆锚杆→初期支护→仰拱衬砌及底板回填。

单层衬砌段爆破网路如图2 所示(炮孔之间的连接线表示使用同一段别雷管),减振孔沿隧道开挖轮廓线布置,与周边孔交错布置。

图2 单层衬砌段爆破网路(单位:mm)

2.3 装药结构

采用不耦合反向连续装药,孔底先装水袋,后装炸药,再装水袋和炮泥,用炮棍捣实。水袋可起到降尘作用,炮泥和水袋的填塞可有效提高炸药能量利用率,达到理想的爆破效果[7]。选取单层衬砌段Ⅰ区周边孔为例,炮孔装药结构如图3 所示。

图3 炮孔装药结构(单位: mm)

2.4 爆破器材

现场使用的炸药与雷管为小直径、低密度、低爆速的2 号岩石乳化炸药与第一系列毫秒导爆管雷管,药卷直径32mm,长度300mm,药卷密度1.13g/cm3,单卷质量0.3kg。使用YT-28 型手持式风动凿岩机,孔径42mm。选用山西壶化工业数码电子雷管,延期误差小于0.2%,可根据现场实际工况设置延期间隔时间,可在线检测与验证,实现双向通讯,确保无故障可靠起爆,具有很高的安全性[8-10]。

2.5 爆破开挖效果

通过爆破振动跟踪监测,2020 年4 月9 日至2020 年6 月5日右线上台阶共进行55 次爆破,其中54 次振速低于安全允许振速,盲炮率为0,光面爆破效果良好,超欠挖较少,大块率较低。在该技术指导下,爆破施工效果良好,有效的确保了隧道开挖顺利通过敏感区域。

3 TBM 导洞先行特大断面隧道爆破施工技术

3.1 对复杂环境下特大断面地铁隧道爆破施工,可采用TBM导洞先行然后扩挖的方法,TBM导洞为爆破开挖提供良好自由面,同时在开挖边线布置减振孔,炸药爆炸后产生的应力波发生反射、折射,使传播到地面的地震波能量大幅减小,起到降低爆破振动的作用。

3.2 采用多打孔、少装药、多分段、单孔单响、孔内孔位延时方式,采用“孔外小段别,孔内大段别”,最大限度地减小最大单段起爆药量。采用光面爆破技术,进行减振方案设计,减少对保留围岩的扰动,减少超欠挖,增强围岩的自承力。

3.3 爆破设计时采用分部、分台阶开挖,遵循“多分段、少装药”的原则,用足雷管段位,降低单段起爆药量。根据围岩概况,合理选择开挖方法,增加爆破作业面,提高施工效率,并减小对建筑物的影响和居民正常生活的干扰。

3.4 运用微差爆破技术,达到干扰降振的效果,减少爆破地震效应、冲击波和飞石危害,提高爆破效率和技术经济效益。

3.5 电子雷管相比毫秒延期电雷管延时更加精确,可根据工程实际情况按要求设置以实现单孔单响,连续起爆。现场工程实践证明,使用电子雷管较常规导爆管雷管可降低20%～30%的爆破振动。

3.6 通过爆破跟踪监测做到对爆破施工过程的信息化监控,及时调整和优化爆破方案,对现场后续爆破施工起到一定的指导作用。

4 结论

本文所述技术在青岛地铁1 号线贵西四线特大断面隧道成功应用,在国内外类似工程较少,爆破施工经验不足和开挖断面大、工序多、地表环境敏感复杂的条件下,保证了施工进度,确保了周边建筑物、管线的安全,现场可操作性强,达到了理想的社会效益和经济效益。