地下顶管施工进度影响因素分析

本科毕业论文

影响地下顶管石方爆破工程进度的因素分析

THE IMPACT OF THE UNDERGROUND ROCK BLASTING PIPEJACKING FACTOR ANALYSIS OF THE PROGRESS OF THE WORKS

学院（部）：化工学院 专业班级： 弹药05-5 学生姓名： 张智超 指导教师： 王洪森讲师

2009年 6月 8日

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摘要

随着城市经济的发展，城市地下管道的建设越来越多。地下顶管是一种非开挖的管道铺设方式，它适应城市中铺设地下管道的要求（不破坏周围的环境、不阻断交通等）。本文主要说明地下顶管的铺设中影响工程进度的因素。爆破顶管工程进度的影响因素有很多，其中地质条件和爆破效果是主要的因素。

关键词： 顶管，影响因素，爆破

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ABSTRACT

Along with urban economy's development, the urban underground duct's construction are getting more and more. The underground top pipe is the pipelining way which a Central Africa excavates, periphery it adapts in the city to lay down underground duct's request (not to destroy the environment, not to block transportation and so on). This article main explanation underground top pipe lays down affects the progress of works to put in the factor. The demolition top pipe progress of works's influencing factor has many, the geological condition and the blasting effect are the primary factors.

KEYWORDS: top pipe, influencing factor,demolition

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目录

1绪论 .................................................................... 1

1.1 引言 .............................................................. 1 1.2 非开挖技术的发展和应用国内外现状综述 .............................. 1

1.2.1非开挖技术的发展和应用国外现状 ............................... 1 1.2.2非开挖技术的发展和应用国内现状 ............................... 2 1.3新管道的铺设方法 ................................................... 2 1.4本文研究的内容 ..................................................... 4 2爆破顶管工程进度的影响因素 .............................................. 6

2．1地质条件对工程进度的影响 .......................................... 6

2.1.1岩石和岩体的物理概念 ......................................... 6 2.1.2岩石的分级 ................................................... 7 2.1.3不同岩土体扩孔失稳的机理 ..................................... 9 2.1.4塌方处理方法 ................................................ 11 2.1.5地下水对工程进度的影响 ...................................... 12 2.2爆破效果对工程进度的影响 .......................................... 14

2.2.1炸药性能的影响 .............................................. 15 2.2.2装药结构的影响 .............................................. 16 2.2.3炮泥的影响 .................................................. 18 2.3其他影响因素分析 .................................................. 18

2.3.1掏槽效果对工程进度的影响 .................................... 18 2.3.2通风对工程进度的影响 ........................................ 19 2.3.3周围环境对工程进度的影响 .................................... 19

结论 ..................................................................... 21 参考文献 ................................................................. 22 谢辞 ..................................................................... 24

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1绪论

1.1 引言

非开挖技术是指利用现代化地下管线的施工机械，在不开挖或只开挖少量作业坑(井)的条件下，以高效、优质、成本适中且对环境友善的方式，进行铺设、修复和更换管道的技术。其应用主要属于各类地下管线工程建设领域，其作业方式在国际上被称为非开挖技术或无沟渠技术。非开挖技术的主要优势是：

1 避免了传统开挖施工对居民正常生活的干扰和对交通、环境、周边建筑基础的破坏问题。因为非开挖施工不阻断交通、不破坏绿地、植被、不影响商店营业、不干扰医院、学校和居民的正常生活和工作秩序；

2 可在传统工法无法施工或不允许开挖的场合（如穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建筑物）完成管道安装。因用非开挖技术从地下穿越，还可选择将管线在工程量最小的地点穿过；

3 较好的经济效益和较大的社会效益。在可比性相同情况下，非开挖管线铺设、更换、修复的综合成本（直接成本+间接成本）均低于明挖法施工。管径越大、埋深越大、地层越硬时经济效益越明显。一般说来，非开挖技术可以做到低成本（埋深大时比明挖少投资15～20%）；

4 施工安全、工期快捷。在埋深较大和硬质岩条件的情况下更为明显。 1.2 非开挖技术的发展和应用国内外现状综述 1.2.1非开挖技术的发展和应用国外现状

技术方面，非开挖技术以岩石钻凿、隧道掘进、物探等领域为背景，在现代机械工程、自动控制、测控技术、断裂力学、光学等基础理论及相关技术支撑下，以主要面向地下管线建设而逐步形成的一门多学科交叉的综合技术。它涵盖近百种工艺方法，主要分为现场勘测、新建管线、旧管修复或替换三大类。作为一种对环境友好的施工方法，并以综合成本最优等优势，现代非开挖技术在发达国家的应用受到了公众的普遍欢迎，非开挖作业的市场份额正逐年增加，目前约占地下管线作业量的10%左右。

这项技术首先由日本于80年代初开始系统研究，随后美国、英国、德国等也大力投入，并先后在城市供水、污水、天然气、通讯等方面的地下管线建设工程应用中收到了极大的社会经济效益。随着高新技术的注入，现代非开挖技术使地下管线施工作业经历了一次又一次的技术革命，并以其独特的技术优势和广阔的市场前景得到世界各国政府的极大重视。例如，美国克林顿政府在1994年财政年度批准了为期7年，总投资为2.5亿美元的“先进的钻探和掘进技术国家计划”就把此项技术列入城市基础设施和建筑业发展规划中，以增强美国在该领域内的技术领先和市场竞争优势。目前，日本、美国、德

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国等发达国家利用其雄厚的技术实力和财政支持，其先进的产品和装备基本上垄断了地下管线非开挖技术市场。

产业方面，在发达国家非开挖技术作为地下管线工程的一个新技术增长点，逐渐发展成为一个新兴产业（作业装备制造业、配套材料业及工程承包业），它的高产业相关度为发达国家创造了新的就业机会。据统计，在西方发达国家，非开挖作业装备制造商和材料供应商就有450多家，工程承包商4000余家，使用的各种非开挖施工方法近百种，专业配套施工装备品种已系列化。随着全球“一体化”进程的加快，我国的对外开放，国外供应商已进入大陆市场，竞争日趋激烈。 1.2.2非开挖技术的发展和应用国内现状

我国非开挖技术的研究起步较晚，其应用和发展大致可分为两个阶段：1953～1985年为第一阶段，为对传统的非开挖技术的探索阶段；1985年至今为第二阶段，为引入现代非开挖技术与装备并开始消化阶段。在我国，目前尚无完整的非开挖技术设备生产企业，更谈不上具有国际市场竞争力。现已推向市场的国产非开挖技术装备，一类是通过引进设备模仿或研制生产的导向钻机。另一类是利用其原有设计研究基础、采用制造加上进口件集成的办法，研制大直径用盾构、全断面掘进设备和顶管设备。目前我国从总体上看对非开挖技术的科学研究与试验仍处于起步阶段，与国外相比差距很大。一是表现在设备研制上，二是施工技术和工艺上。为此有必要加大基础研究为我国制造业尽快提供出制造此类技术设备的科学依据，也为我国提出先进的施工工艺提供理论基础。 1.3新管道的铺设方法

1、顶管法

顶管法是使用得最早的一种施工方法，起源于美国。最初，顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管。随着技术的改进也用于无套管的情况下顶进永久性公用管道，主要是重力管道。顶进施工时，首先选择工作坑的位置，开挖工作坑。然后按照管线的位置和坡度，在工作坑底部修筑基础，在基础上设置导轨，并将管节安放在导轨上。顶进前，在管端开挖导孔，再用千斤顶将管节顶入，一节管顶进去后，连接第二节管继续顶进。

2、导向钻进铺管法

采用方向可控和以水射流破土为主的钻进技术，使用地表放置的钻机，按设计轨迹钻一个导孔，然后在扩孔和回拉的同时铺入管线。根据钻机能力、铺管直径和地层条件，也可先进行一次或两次扩孔后再拉管。采用带斜面的钻头，通过对其回转状态的控制，进行钻孔方向的调控。钻头的定位和导航通过采用手持式仪器测量钻头附近探头发出的电磁信号来实现。

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该方法适用于在松软地层中进行较小型的管线铺设。常见铺管直径在350mm以内，铺管长度在300m以内，铺管深度在15m以内。可用管材包括钢管、PE、PVC管等。

3、水平定向钻进铺管法

该方法施工原理同导向钻进铺管法。与其不同之处是：采用螺杆马达和弯接头来进行定向钻进，通过弯接头的转与不转来实现造斜和保直钻进；采用有缆式随钻测斜仪进行钻头的定位和导航；

在进行大型穿越时，有时在导孔钻柱外增加套洗钻柱，以减少导孔钻进时的阻力和保证拉管施工安全。

该方法主要用于中、大型河流或较大规模障碍的管线穿越。最大铺管直径可达1.2m,铺管长度可达1.5km，深度可达60m。碎岩的主要工具是牙轮钻头，根据地层条件，也可采用合金钻头或金刚石钻头。因此,该方法适用于各种类型的地层。可用管材包括钢管或PE管等。

4、顶杆铺管法

它由钢质外套和重型活塞组成。在压气作用下，矛体内的活塞往复运动，不断冲击矛头，矛头挤压土层成孔并带动矛体前进。欲铺设的管线接在气动矛后，一次铺入。由于矛体与土层摩擦力的作用以及活塞往复运动的冲击力远大于回程时的反作用力，故气动矛可在土层中自行移动。通过反转送气管，还可实现气动矛向后运动。

气动矛铺管法的特点是简便、易行、效率高、成本低。该方法铺管的长度一般在30ｍ以内(因铺管方向不可控)，铺管直径40mm～200mm，适用于含水量不太采用该方法施工时，接在小直径钻杆前端的钻头在顶推力作用下挤开土层成孔。待钻头在另一端的工作坑中出露后,换接扩孔器扩孔，然后拉入工作管线。

该方法的主要特点是简单易行、占地少、施工成本低，但只适合于在土层中铺设小直径和短距离的水平管线，一般用来铺设直径200mm以下、一次铺管长度20m以内的各种管线。近年来,导向钻进的控向原理引入了该方法，使其铺管长度明显增加。

5、冲击矛铺管法

冲击矛因其形状似矛并以压缩空气驱动，故通常称为气动矛大的土层。有的气动矛带有往复式凿头，可在含少量砾石的土层中使用。有时，该方法也用于铺设直径较大的管线，做法是：先用气动矛穿孔，然后用卷扬机、钢丝绳、刮板等扩大钻孔，最后铺入管线。

6、夯管铺管法

该方法铺管是靠一个低频、大冲击功的气动锤(夯管锤)将欲铺设的钢管直接夯入地层。夯管锤的工作原理与气动矛的相似，有的气动矛也可兼做夯管锤。这两种方法的区别在于：气动矛在土层中前进并拉入管线；而夯管锤是在土层之外将钢管夯入土层。夯管锤夯击的是开口钢管，管柱前端接有管靴，铺管时有土芯进入钢管。土芯可通过压气

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或水以及螺旋钻掏土方法排除。铺设较大钢管时，可在钢管外注入膨润土泥浆，以减轻土层与钢管间的摩擦。该方法只能用于铺设钢管，钢管间靠焊接连接。铺管的直径最大可达2m；铺管长度根据地层和夯管锤的不同，在10m～80m之间变化。

该方法对地层适应性较强，可在含水或不含水的砂、土层或含少量砾石(直径须小于钢管内径)的软层中使用。其特点是简单易行、设备投资低、效率高，铺管时不产生地面沉降。

7、水平螺旋钻铺管法

施工时，将螺旋钻机水平地安放在预先掘好的工作坑内。依靠螺旋钻杆传递钻压、扭矩并排除土屑。欲铺设的钢管套在螺旋钻杆外，由钻机的顶管油缸顶进。钢管靠焊接连接。

该方法一般只用于铺设钢管，铺管的长度一般在90m以内，铺管直径为100mm～1500mm，适用于不含水的土层。铺管的方向一般不可控，不过方向可控的水平螺旋钻系统也有应用。通过控向，可增加铺管长度。最新的技术进展使该方法的使用范围向卵砾石层和硬岩扩展，碰到这类地层后，可先用潜孔锤钻一先导孔，然后用大直径组装式牙轮钻头或滚刀钻头扩孔并铺管。

8、钻爆—顶管复合法

爆破掘进顶管是先进行爆破掘进形成平硐，然后再用人工顶管，顶管的方法是利用千斤顶的推力，将置于导轨上的工具管和管子顶进事先开挖好的平硐内(岩层)，从而达到铺设管道的目的。爆破掘进和管节顶进交替进行，以两个检查井间的管道为一施工区段，一施工区段顶管施工结束后再进行砌筑检查井工作，经验收合格，此一区段即告结束。

1.4本文研究的内容

近年来，安徽淮南市投入巨额资金全面解决城市生活污水排放问题。截至2004年12月初，该市已开工建设4项生活污水处理工程，完成铺设城市污水管120公里，累计投入资金近6亿元。

加大淮河流域水污染治理一直是淮南市常抓不懈的重点工作，而其此项工作的关键又在于综合治理城市生活污水，根据国家《淮河流域水污染防治规划》和《南水北调线污染规划》的精神，淮南市充分利用地方投资，国债，外资和世界银行贷款，加大对城市生活污水处理的力度，2002年以来，已开工建设第一个污水处理厂工程，第一无处处理配套管网工程，西部污水处理厂工程和丰台县污水处理厂工程等4项工程，累计投资近6亿元。本文主要是以八仙街自来水管道在地下重新铺设为背景，研究影响顶管石方爆破工程进度的因素。爆破掘进顶管施工的工程都处于道路边,交通方便,但场地狭小,施工布置原则尽量紧凑、合理,不浪费空间。针对每段工程量都较小、工艺单一的特点,

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施工布置力求简单。首先在施工井口支起护栏围挡,封闭施工。然后根据施工情况在相应工作井口附近布置空压机,在井口安装提升设备和供水水箱,并搭设简易避雨棚。工作井口利用井架,搭设顶棚,井口挖掘水沟,排除地面流水。库房和人员住房就近租赁或在井口围栏范围内搭建。

图1-1工艺流程图

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2爆破顶管工程进度的影响因素

2．1地质条件对工程进度的影响

土石方爆破工程是直接在岩体中进行的，所以爆破与地质条件有密切的关系。爆破实践表明，爆破效果的好坏在很大程度上取决于地质条件的好坏和爆破设计能否充分考虑到地质条件与爆破作用的关系。国内外爆破专业人员已越来越认识到爆破与地质结合的作用，并逐步探索其结合方法。 2.1.1岩石和岩体的物理概念

岩石是组成地壳的基本物质，它是由一种或几种矿物质或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的矿物体。

岩石按成因可分为三大类：岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）和变质岩。另外，第四世纪以来，由于风化、流水和风的作用等各种地质作用的结果，形成各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。

1、岩浆岩

岩浆岩是由埋藏在地壳深处的岩浆(主要成分为硅酸盐)上升冷凝或喷出地表形成的。分为侵入岩（深成岩和浅成岩）和火山岩（喷出岩）。一般来说，结晶颗粒越细、结构越致密，则其强度越高、坚固性越好。如花岗岩、辉长岩、橄榄岩、正长岩、闪长岩、玄武岩、流纹岩、火山角砾岩等。

2、沉积岩

沉积岩是地表母岩经风化剥离或溶解后，在经过搬运和沉积，在常温常压下固结形成的岩石。沉积岩的特点是：其坚固性与矿物颗粒成分、力度和形状有关以外，还与胶结物成分和颗粒间胶结的强弱有关。按结构和矿物成分的不同，沉积岩又分为碎屑岩、黏土岩、化学岩及生物岩。常见的沉积岩有如各种砂岩、石灰岩、页岩、砾岩等。沉积岩的层理构造如图2-1所示。

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图2-1 沉积岩的层理构造示意图

3、变质岩

变质岩是由岩浆岩或沉积岩在地壳中受到高温高压或其他因素作用下，其矿物成分和排列经某种变质作用而形成的岩石。一般来说，它的变质程度越高、重结晶越好结构越紧密，坚固性越好。由火成岩形成的变质岩（如花岗片麻岩等）称为正变质岩；由沉积岩形成的变质岩（如千枚岩、板岩、大理岩、石英岩等）称为副变质岩。常见的有大理岩、板岩、石英岩等。 2.1.2岩石的分级

岩石的分级（类），通常是根据凿岩爆破工程的实际应用需要来进行的。半个多世纪以来，世界各国的爆破工作者就岩石的科学分级进行了大量的实验和研究工作。我国自建国初期就引入苏联的岩石分级方法以来，各工业部门也曾制定有自己特色的岩石分级法。但至今还没有一个能世界各国公认的普遍都适用的岩石分级法。 1、岩石可钻性分级

岩石可钻性是表示钻凿炮孔的难易程度的一种岩石坚固性指标。国外有用岩石抗压强度、普氏坚固性系数、点荷载强度、岩石的侵入硬度等作为可钻性指标的。国内东北

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大学根据多年的研究，于1980年提出以凿碎比能（冲击凿碎单位体积岩石所耗能量）作为判据来表示岩石的可钻性。

表2-1 岩石的可钻性分级

级别

凿碎比能（J/cm) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ

≤180 187～284 285～382 383～480 481～578 579～676

≥677

极易 易 中等 中难 难 很难 极难

3可钻性

代 表 性 岩 石 页岩、煤、凝灰岩

石灰岩、砂页岩、橄榄岩、绿泥角闪岩 花岗岩、石灰岩、橄榄片岩、铝土矿、混合岩

硅质灰岩、辉长岩、黄铁矿、大理岩 磁铁石英岩、苍山片麻岩、中细粒花岗岩

假象赤铁矿、磁铁石英岩、煌斑岩

假象赤铁矿、磁铁石英岩

2、岩石的可爆性分级

岩石可爆性表示岩石在炸药爆炸作用下发生破碎的难易程度，它是动载作用下岩石物理力学性质的综合体现。其重要意义在于预估炸药消耗量和制定定额，并为爆破设计优化提供基本参数。

可爆性分级研究状况：

17世纪霍夫曼（F.Hhffmann）提出的按开挖方法（爆破或不爆破）和开挖工具的不同，将岩石分为6类

1889年齐哈（F.Rziha）提出按开挖工具、开挖消耗的炸药量和人工将岩石分为4类9级；

1926年苏联普氏提出以岩石坚固性系数f为主要判据，将岩石分为10级； 50年代，日本提出以弹性波速、抗剪强度等因素对岩石进行分级；

建国初期，工程单位一般都以苏联的普氏分级法和苏氏分级法作为岩石爆破性分级的难度及复杂性。目前用得较多的岩石可爆性分级法：库图佐夫岩石爆破性分级法、岩石爆破破碎性分级法、岩石爆破指数分级法 。

岩石的硬度大会对爆破顶管的施工造成很大的麻烦。岩石的的硬度大会增加钻孔的难度，在钻孔的时候耗费很多时间，有时甚至不能完全使钻杆钻入岩石中，这就使得钻孔的深度小了许多。钻孔深度浅，单孔装药量就小。所以在这种硬岩中很难一次爆破成硐。为了解决在硬岩中钻孔难的问题，我们只能做到钻进去多少就算多少。钻孔浅，单孔装药量小，爆破的方量少，不能达到我们预期的效果。这样我们只能采取多次起爆的

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方法。一次起爆的药量虽然不多，可是它会为二次起爆创造出一个新的自由面，这样二次起爆就会有良好的效果。

虽然在硬岩中采用多次起爆的方法，但钻孔深度不够，使得整体上一次放炮的效果不是很好，即一次放炮的方量还是比较少，增加了工序的循环，使工程的进度还是会延长。

2.1.3不同岩土体扩孔失稳的机理

岩土体扩孔失稳的机理与岩土体本身的性状有着重要的关系，所以考虑岩土体失稳的机理要考虑岩土体本身的性状。

1、孔壁岩土体为脆性围岩的情况

这类围岩的失稳形式主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的。除与应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及破碎松动等不同类型。各种类型的失稳机制如表2-2所示。并作说明如下：

表2-2 脆性围岩失稳机理简表

岩体结构 块体状结构及 厚层状结构 中薄层状结构 碎裂结构

变形失稳形式 张裂塌落 劈裂剥落 剪切滑移和剪切破碎

弯折内鼓 碎裂松动

产生机制

拉应力集中造成的张裂破坏 压应力集中造成的压致拉裂 压应力集中造成的剪切破裂及滑移拉裂 压应力集中或卸荷回弹造成的弯曲拉裂

压应力集中造成的剪切松动

张裂塌落通常发生于厚层状或块体状且K≤1/3（K——侧压力系数）的岩体的顶部处。当那里的集中拉应力值超过围岩的抗拉强度时，顶部围岩就会发生张裂，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时，即使发生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是有近水平方向的软弱结构面发育时，往往造成顶部的塌落。由于侧压力作用形成顶部坍塌拱，又会使顶部的拉应力集中也随之减小，甚至变为压应力而趋于稳定，坍塌也就不再发生。

劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构且K>1/3的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶部，也可发生于侧壁。这是由过大的切向压应力使围岩表部发生平行于孔洞周边的破裂而造成的。

剪切滑移多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶部，也可发生于侧壁。在K>1的应力场中多发生于顶部压应力集中，且有斜向断裂发育的部位，位于断层带内的岩层单元体通常切向应力很大而径向应力很小，故沿断层作用的剪应力较高而正应力较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，

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引起沿断层的剪切滑移。这种滑移又会引起次生的拉应力，从而使断层与孔壁间的岩体因滑移拉裂而塌落。在K<1的应力场中剪切滑移多发生于侧壁上压应力集中程度较高，且有陡倾角断裂发育的部位，当断裂面上的剪应力超过其抗剪强度时，围岩即将沿断裂面发生剪切滑移，造成侧壁失稳。

弯折内鼓是层状特别是薄层状围岩变形失稳的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果(K＞3)；二是应力集中使孔壁处的压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度（1/33的围岩中，而且总是在与岩体初始最大主应力垂直相交的孔壁上表现的最强烈，故当薄层状岩层与此孔壁平行或近于平行时，孔道钻进后，薄层状围岩就会在回弹应力下发生弯曲、拉裂和折断，最终挤入孔道内而坍塌，但由于非开挖钻孔一般不是特别深，这种情况通常不会发生。由压应力集中所造成的变形失稳主要发生在孔道周边上有较大压应力集中的部位，通常是岩体初始最大主应力平行或近于平行的孔壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓。

破碎松动是破裂结构岩体变形、破坏的主要形式，孔道钻进后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松弛，并围绕孔壁形成一定的破碎松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶部的塌落和侧壁的失稳。

2、孔壁岩土体为塑性围岩的情况

塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体（如页岩、泥岩和粘土岩等）和散体结构岩体。这类围岩的变形失稳主要是在应力重分布的作用下发生的，主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型，软岩的各种失稳类型如表2-3所示，现分述如下：

塑性挤出易发生于固结程度较高的泥岩、粘土岩，各种富含泥质的沉积或变质岩（如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等）中的挤压剪切破碎带以及火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等（特别是这些岩体富含水分处于塑性状态时）。孔道钻进后，当围岩应力超过其屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向阻力小的空间挤出。

膨胀内鼓易发生于富含粘土矿物（特别是蒙脱石）的塑性岩石和含硬石膏的地层。孔道钻进后，围岩表层减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向围岩表层转移，结果使易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。

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表2-3 塑性围岩失稳机理简表

岩体结构 层状结构

变形失稳形式 塑性挤出 膨胀内鼓 塑性挤出

散体结构

塑流涌出 重力塌落

产生机制

压应力集中下的塑性流动 水分重分布造成的吸水膨胀

压应力作用下的塑流 松散饱水岩体的悬浮塑流

重力作用下的坍塌

塑流涌出是当钻孔揭穿了饱水的断裂时，带内的破碎物质就会和水一起在压力下呈的泥浆状突然涌入孔道中。

重力坍塌是破碎松散的岩土体由于结构松散、粘聚力很小在重力作用下发生的塌方。维持钻孔稳定的主要目的是防止塌孔与维持孔形。因此可采取以下对策：

（1）扩孔完成后应立即进行铺管施工，尽量减少裸孔时间。 （2）选用足够刚度的套管，防止管道损伤。

（3）必要时采用超前灌浆固结岩土体防止钻孔时孔壁坍塌。 2.1.4塌方处理方法

爆破顶管施工以后，原有的岩体结构和受力平衡被破坏，岩体在自重的作用下，应力重新分布，构成新的受力平衡体系，在施工过程中存在着许多不确定的因素，很容易因各种原因而造成塌方。因此,如何采取措施有效预防和治理塌方，将塌方造成的危害降至最低，是爆破顶管施工中一个很重要的的问题。

（1）锚杆法

利用钻机在围岩壁上钻孔安设锚杆对围岩实施加固的方法。锚杆法加固的作用机理主要估计为悬吊理论、组合梁理论或组合拱理论这几种作用。常配合钢筋网格和喷射混凝土工艺一起使用,其工艺简单，易于实现,应用很广。缺点是不适合大范围破碎围岩的处理。

（2）注浆法

注浆是将某些胶凝材料配置成浆液，用压送设备灌入土层或岩层中,使浆液在高压作用下沿缝隙扩散，最终胶凝固化。该法能将破碎的岩块胶结，增强岩体的整体强度，适用范围广，加固效果明显，对防止岩层渗漏水有很好的作用。缺点是施工工艺复杂，需要考虑浆液胶结强度、凝结时间等诸多因素。

（3）管棚法

管棚法是沿开挖轮廓周线钻设与顶管轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管(钢管之间留一定间距)形成钢管棚架的一种支护方法，常配合注浆法一起使用，主要作用是提高管周围岩的抗剪强度，减少开挖引起的松弛变形，防止拱部崩塌。

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2.1.5地下水对工程进度的影响

土体在水的作用下常常导致土体自身的工程性质的劣化，在这种情况的出现又可能进一步导致土工程项目的失败，造成严重的后果。这种效应几乎都与地下水有关系，例如在基坑工程中存在人类动力、岩土体应力与地下水之间的相互影响，相互作用和耦合作用等问题。据文献，60％以上的基坑事故直接或间接与地下水相关。因此研究水对基坑破坏的影响具有十分现实的目的，对于加深基坑失稳理论研究以及对实际支护进行指导都有十分重要的作用。与此同时，很多文章对由地下水引起的土体破坏进行了研究。

主要表现在：①地下水渗透引起基坑开裂坍塌；②基坑突水导致坑底土体开裂而出现管涌、流土、流砂等；③暴雨袭击导致小区域内承压水位在短时间内升高，使得支护结构上侧压力迅速增大而造成破坏；④降低地下水位,引起地面沉降及周围建筑物倾斜开裂。目前，对基坑工程中地下水的渗流问题、水土压力的计算等作了大量的工作，取得了不少成果。

事实上，地下水作为地质环境内最活跃的成分，对土体的力学性质的影响不可忽视。地下水对土体的力学性质的影响主要体现在三个方面：①地下水通过物理、化学作用改变土体的结构，从而改变土体的C、?值的大小；②地下水通过孔隙静水压力作用，影响土体中的有效应力，从而降低土体的强度；③由于地下水的流动，在土体中产生渗流，对土体中产生一个剪应力，从而降低岩土体的抗剪强度。

处于土体中的地下水，在土体的不连续面边界上会产生润滑作用，使不连续面上的剪应力效应增强，结果沿着不连续面诱发土体的剪切运动。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位上升到滑动面以上时尤其显著。地下水对土体上产生的润滑作用反映在力学参数的影响上，就是使土体的内摩擦角减小。实际上，斜坡失稳的过程中孔隙水能够起到的作用归根到底就是两种：首先是孔隙压的机械效应(或称为力学效应)，孔隙压的存在降低了土体的有效应力，使有效剪切强度降低，另一方面是力学效应以及化学效应引起的溶蚀，降低滑带介质的摩擦系数。孔隙压的力学效应控制了斜坡失稳的空间和时间特征以及分布。因此，诱发失稳的本质原因应是水的损伤效应。

滑面受力分析：

土体沿着某一斜面滑动破坏时，一定要首先克服土体内部颗粒之间的粘结力，产生破裂面或滑动，然后，还要克服摩擦阻力才有可能发生位移。干燥情况下，阻止上部土体滑动的抗滑阻力很大，而且也不易于发生滑动。但是，当土体中存在地下水时，地下水不仅改变了一些土体的可塑性状态，大大地降低了土颗粒之间的粘结力和土体的强度，而且当孔隙中完全充满水时，应力的传递方式将由颗粒传递变为孔隙水传递。这时将会出现很高的浮力效应，去抵消滑面上由于土体重量产生的压力。此时可以将莫尔—库仑破裂准则修正为：

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?n?C???n?p?tan??C??etan? (2-1) 式中；?n――土体的抗滑强度，即克服阻力发生破裂与滑动的极限剪切应力；

C――土体的内聚力；

?――土体的内摩擦角；

?n――上覆土体作用在滑面上的正应力，即总压力；

P――孔隙流体压强；

?n?p――作用在滑面上的有效应力?e。

由(1)式可知，由于孔隙流体压力p的存在，使有效应力?e降低，相应地使公式左边的土体滑动破裂的极限应力?n也降低，使得滑动破坏更容易发生。而且一旦发生剪切破坏后，粘结力C=0，土体产生滑动所需剪切应力则服从摩擦定律，即：

?n???n?p?tan? (2-2) 由(2)式可见，当p趋于?n时，?n趋于零。在这种情况下，不需很大的?n值，土体就发生滑动。当整个破坏面完全被流体压力充填时，这种高压浮力效应将对破坏起到主要作用。

下面讨论滑动的临界角θ和滑面为平面情况。倾斜滑面上自重作用下土体滑动的临界角所满足的方程为：

Wsin???nA (2-3) 即 sin??将(2-1)式带入(2-4)式，得： sin??A?C??etan??W?nAW (2-4)

(2-5)

下面进一步分析讨论土体在重力作用下发生破裂的临界角度。下图为土体滑动模式。

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图2-2 土体滑动模式

如图2-2所示，如果使之产生滑动，下滑力必需克服滑面上的摩擦阻力Ff：

Ff?l?0A?ndl

12Lm??cos???'?tan?sin?2 =mCL? (2-6)

式中，L、m分别为发生破坏土体的长度和宽度；

?、?'分别为土体饱和容重与水的容重。水压作用下的重力下滑分量为：

L0 FT?滑面摩擦阻力为: Ff?mCL?12?ml?sin?dl?212L?sin?22 (2-7)

Lm??cos???2'?tan?sin? (2-8)

当滑面坡脚为上部土体滑动临界角时，FT?Ff；当坡脚大于土体滑动临界角时，FT＞Ff。土体发生滑动，由此得到：

2CLsin?????tan?cos???tan?

'(2-9)

由（2-9）式可以看出，滑面的位置和滑动角度变化是非线性的，同时随着地下水的加入，（2-9）式的条件更容易满足，这也就是在水压下土体更容易失稳的原因。

地下水的存在给工程带来了巨大的隐患。基于地下水的破坏效应，得到了以下结论: (1)地下水对失稳的作用归根到底分为两种：首先是孔隙压的力学效应，孔隙压的存在降低了土体的有效应力，使有效剪切强度降低，另一方面降低滑带物质的摩擦系数。

(2)在平面滑动分析中，滑面的位置和滑动角度变化是非线性的，同时随着地下水的加入，发生滑动的条件更容易满足，也就是在水压下土体更容易失稳。地下水的存在是发生失稳破坏的一个重要因素。 2.2爆破效果对工程进度的影响

顶管的顶进速度主要取决于爆破效果。我们认识到爆破的实质，是炸药能量与爆破

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介质的相互作用。影响爆破效果的因素主要有：炸药性能的影响、装药结构的影响、炮泥的影响、装药爆轰方向和起爆点数目的影响。 2.2.1炸药性能的影响

在炸药的各种性能中（包括物理性能，化学性能和爆炸性能），直接影响爆破作用及其效果的，主要是炸药密度、爆热和爆速。因为它们决定了在岩体能激起爆炸应力波的峰值压力、应力波作用时间、热化学压力、传给岩石的比冲量和比能。

无论是破碎还是抛掷岩石，都是靠炸药爆炸释放出来的热能来做功的。增大爆热和炸药密度，可以提高单位体积炸药的能量密度，同时也提高了爆速。对用化合炸药做敏感剂的工业炸药来说，爆热增大两倍，炸药成本约提高十倍多，但爆热低又将导致能量密度的减小，相应的增大了打眼工作量及其成本。工业炸药的密度也有其极限值，超过该值后，炸药不可能稳定爆轰。因此，改善爆破效果的有效途径，是提高炸药能量的有效利用。

爆速十炸药本身影响其能量有效利用的一个重要性能。不同爆速的炸药，在岩体内激起应力波参数不同，从而对岩石爆破作用及其效果有着明显的影响。

炸药密度和爆热相同，提高爆速可以增大应力波的应力峰值，但相应的减小了它的作用时间。爆破岩石时，其内裂隙的发展不仅取决于应力峰值，而且与应力波形、应力作用时间有关。

已知裂隙扩展的极限速度瑞利波波速cR故经t时刻裂隙自0点扩展到xM点，其长度为：

xM?cRt (2-10) 设纵波波速cP=2.5cR，则纵波波头距裂隙顶端的距离为：

?XM??cP?cR?t?1.5cR?1.5XM (2-11) 为使裂隙扩展至xM点，应力波波长不应小于?xM，否则，裂隙未达到xM点时，应力已消失。因此，

??cP???XM (2-12) 式中 ?——应力波波长；

?——应力波作用时间。 由（2-11）和（2-12）式，得：

??1.5xMcP?xM1.67cR (2-13)

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或 xM?1.67cR (2-14) （2-13）或（2-14）式表明，为使裂隙扩大到一定长度，应力波必须具有一定的作用时间或波长。裂隙伸展长度愈大，所需应力波作用时间或波长也愈大。除应力波作用时间外，为使裂隙扩展到xM点，应力波冲量必须满足下列条件：

??dt?0r?STb??STxM1.67bcR (2-15)

式中 ST——岩石抗拉强度；

b——切向应力??和径向应力?r的比值。 当作用时间相同时，应力波冲量决定于应力波波形。

对高阻抗岩石，因其强度较高，为使裂隙发展，应力波应具有较高的应力峰值；对中阻抗岩石，应力波峰值不宜过高，而应增大应力波作用时间；在低阻抗岩石中，主要靠气体静压形成破坏，应力波峰值应尽可能予以消掉。

从能量观点来看，为提高炸药能量的传递效率，炸药阻抗应尽可能与岩石阻抗相匹配。因此，岩石阻抗愈高，炸药密度和爆速应愈大。

综上所述，从经济和爆破效果来考虑，对不同的岩石，应选择不同的炸药。各种岩石宜选用的炸药的性能见表2-4。

表2-4 各种岩石选用炸药的性能

炸药爆炸性质

岩石波阻抗 （kg/m?m/s?10）

16～20 14～16 10～14 8～10 4～8 2～4

36坚固性系数f 爆轰压

23爆速

3密度 （g/cm） 1.2～1.4 1.2～1.4 1.0～1.2 1.0～1.2 1.0～1.2 0.8～1.0

3（kg/cm?10） （m/s?10）

14～20 9～14 5～9 3～5 1～3 0.5～1

200 165 125 85 48 20

6.3 5.6 4.8 4.0 3.0 2.5

若无合适性能的炸药课供选择时，课改变装药结构来控制应力波参数。 2.2.2装药结构的影响

装药在炮眼内的安置方式成为装药结构。最常采用的装药结构有两种：连续装药和间隔装药。在间隔装药中，又有炮泥间隔、木垫间隔和空气柱间隔三种方式。

试验证明，在一定岩石和炸药条件下，采用空气柱间隔装药，可以增加用于破碎或

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谢辞

四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师王洪森老师。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；从开始的搜集材料，初稿的审核到最后论文的定稿的整个过程中，老师都及时给予我建议，指出不足之处，帮助我更好地组织论文结构，不断充实论文的内容。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

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