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        淺談地鐵盾構(gòu)孤石探測(cè)及處理施工技術(shù)

        2022-02-28 07:42:14
        技術(shù)與市場(chǎng) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:孤石刀盤風(fēng)化

        高 鵬

        (中電建南方建設(shè)投資有限公司,廣東 深圳 518055)

        0 引言

        巖石在風(fēng)化應(yīng)力的作用下,其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和成分比例已產(chǎn)生不同程度的變化,定名為風(fēng)化巖。根據(jù)風(fēng)化程度的不同劃分為全、強(qiáng)、中、微四類。已完全風(fēng)化成土而未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的定名為殘積土。殘積土、全風(fēng)化里面的中風(fēng)化、微風(fēng)化定名為孤石。

        由于孤石的分布及大小是隨機(jī)的,很難通過(guò)地質(zhì)鉆孔完全探明其分布情況,故給盾構(gòu)施工造成了較大困難。孤石對(duì)盾構(gòu)作業(yè)的影響主要表現(xiàn)在刀具易磨損、刀座變形、刀具更換頻繁且困難;刀盤強(qiáng)度和剛度降低,從而引起刀盤受損和變形;刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞,刀盤堵塞,盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷加大;孤石無(wú)法破碎,致使盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離軸線;掘進(jìn)速度慢,對(duì)地層擾動(dòng)大,出渣量不宜控制,對(duì)地面沉降影響較大。

        1 工程概況

        深圳地鐵10號(hào)線坂田北站(原吉華站)—貝爾路站區(qū)間位于深圳市龍崗區(qū),線路設(shè)計(jì)起點(diǎn)為坂田北站。左線起訖里程為DK15+177.379~DK15+822.050,長(zhǎng)度為627.492 m(含短鏈17.179 m),右線起訖里程為DK15+177.379~DK15+822.050,長(zhǎng)度為644.671 m。

        坂貝區(qū)間隧道覆土深度為12.86~20.18 m,結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告及補(bǔ)勘資料,車站間隧道范圍內(nèi)地質(zhì)條件主要是礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖;盾構(gòu)始發(fā)前,區(qū)間共計(jì)探明24處孤石(其中左線15處、右線9處)。實(shí)際施工時(shí),在民房下方遇到8處未探明孤石,孤石影響范圍約300 m。

        2 孤石探測(cè)方式

        2.1 地質(zhì)鉆探

        2.1.1 鉆探方式

        根據(jù)地質(zhì)勘察階段相應(yīng)勘察報(bào)告,適當(dāng)加密鉆探孔位,詳勘階段探孔間距10~15 m/孔,補(bǔ)勘階段加密探孔至5 m/孔。當(dāng)鉆探孔揭露該位置存在孤石時(shí),以探孔為中心點(diǎn)畫半徑為3 m的圓,在隧道縱、橫方向位置增設(shè)4個(gè)探孔,逐步向內(nèi)間距1 m縮小鉆探范圍,明確孤石大小及其與隧道間位置關(guān)系。

        2.1.2 鉆探成果

        經(jīng)地質(zhì)鉆探,坂貝區(qū)間共計(jì)探明隧道范圍內(nèi)存在18處孤石(左線9處、右線9處),直徑1~5 m不等,單處孤石影響范圍最大長(zhǎng)度約為25 m。

        2.1.3 方法分析

        優(yōu)點(diǎn):該方法可以詳細(xì)、具體探測(cè)出孤石形狀、大小及其位置,探測(cè)結(jié)果較為精確;且鉆探過(guò)程中取出的巖樣可以經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè),明確其抗壓強(qiáng)度、完整性等重要參數(shù),為盾構(gòu)施工提供可靠依據(jù)。缺點(diǎn):受施工器械限制,當(dāng)?shù)孛娼ㄖ?、地下管線分布密集時(shí),無(wú)法進(jìn)行探測(cè)。

        2.2 三維電阻率跨孔CT探測(cè)

        由于坂貝區(qū)間地面存在大量民房,且建筑物分布較為密集,部分地段不具備鉆探條件,故采用此方式進(jìn)一步探測(cè)孤石。

        2.2.1 探測(cè)原理

        分析孤石與圍巖介質(zhì)的電阻率特征,全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積層由裂隙水充填,電阻率非常低,而孤石無(wú)節(jié)理裂隙發(fā)育,電阻率較高[1]。較大的電阻率差異為孤石的電阻率法勘探提供良好的物性基礎(chǔ)。以電阻率為1 200 Ω·m為分界線,大于該值的高阻體基本為典型孤石異常特征,并形成三維立體圖像,表明孤石形狀、大小及位置。

        2.2.2 探測(cè)成果

        通過(guò)三維電阻率跨孔CT探測(cè)方法,具體如圖1所示,坂貝區(qū)間共探明房屋下方孤石3處(均在左線)。

        圖1 三維電阻率跨孔CT探測(cè)成果圖

        2.2.3 方法分析

        優(yōu)點(diǎn):探測(cè)房屋下方地質(zhì)條件,彌補(bǔ)地質(zhì)鉆探無(wú)法探測(cè)區(qū)域,且可以詳細(xì)探測(cè)出孤石形狀、大小及位置,為盾構(gòu)施工提供可靠依據(jù)。缺點(diǎn):存在條件限制:探孔距離超過(guò)30 m時(shí),探測(cè)結(jié)果較為模糊。

        2.3 HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

        2.3.1 應(yīng)用原理

        盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中激發(fā)聲波,HSP聲波探測(cè)是通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)聲波在不同地層的反射頻帶的不同,收集反射數(shù)據(jù),采用反射譜分析軟件和反射子波分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,形成反射成果圖。

        2.3.2 探測(cè)成果

        坂貝區(qū)間在里程ZDK15+669~666、ZDK15+634~631存在較為明顯反射異常和阻抗差異,如圖2所示。初步分析認(rèn)為上述里程段巖性發(fā)生明顯變化,圍巖強(qiáng)度有所增高。

        圖2 HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成像圖

        2.3.3 方法分析

        優(yōu)點(diǎn):掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行探測(cè),提前判斷刀盤前方地質(zhì)條件變化情況,為盾構(gòu)施工提供依據(jù)。

        缺點(diǎn):無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)地層分類,且不能精確判斷孤石與區(qū)間隧道的位置關(guān)系。

        3 孤石處理措施

        綜合孤石分布范圍及地面環(huán)境條件考慮,針對(duì)不同地方的孤石主要采取的處理措施分為沖孔破碎處理、密集式鉆孔處理、液壓膨脹法預(yù)裂處理以及注漿加固后盾構(gòu)切削掘進(jìn)處理4種方式。

        3.1 沖孔破碎處理

        1)首先確定孤石的位置、大小和形狀,調(diào)查并探明是否存在地下管線及構(gòu)筑物。

        2)根據(jù)孤石大小確定沖擊鉆機(jī)錘頭大小、鉆孔間距及數(shù)量。

        3)沖孔破碎,利用錘頭自重沖擊力將孤石破碎并沖至隧道范圍外。

        4)沖孔完成后,及時(shí)采用原土進(jìn)行分層回填夯實(shí),并進(jìn)行土體壓密注漿,直至將整個(gè)孤石區(qū)域處理完畢。

        3.2 密集式鉆孔處理

        1)孔距確定。結(jié)合孤石大小及刀盤開口率,明確鉆孔間距,要求破碎后孤石直徑小于刀盤開口率。

        2)鉆機(jī)定位。場(chǎng)地平整后,對(duì)孤石點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)測(cè),校核無(wú)誤后,進(jìn)行鉆機(jī)定位工作。

        3)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中仔細(xì)觀察泥漿置換出的渣土是否含有細(xì)碎石塊以及鉆進(jìn)速度判斷是否鉆至孤石所處位置;確保鉆進(jìn)深度超過(guò)孤石底部埋深。

        4)注漿。注漿的目的一是為補(bǔ)償破碎孤石對(duì)原狀土體造成的擾動(dòng);二是為加固孤石所處地段的土質(zhì),對(duì)破碎后的孤石形成一種束縛,從而使孤石受到刀盤正面切削作用而破碎,不會(huì)因孤石隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓土體,造成地層較大的擾動(dòng);三是防止盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)漏氣泄壓現(xiàn)象,造成噴涌等現(xiàn)象[2]。

        5)封孔。注漿加固范圍隧道在注漿結(jié)束后,采用素混凝土或?yàn)r青封閉孔口。

        3.3 液壓膨脹法預(yù)裂處理

        根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)可知:巖石抗壓強(qiáng)度高,但是抗拉強(qiáng)度較低,一般施加30~40 MPa的力就可以將其分裂,液壓膨脹設(shè)備壓力最高可達(dá)120 MPa,如圖3所示,滿足施工要求。

        圖3 液壓膨脹預(yù)裂施工設(shè)備及致裂效果示意圖

        1)在作業(yè)區(qū)域內(nèi)打孔,以0.5 m×0.5 m的密度進(jìn)行排孔作業(yè),在地面與巖石之間鉆出一條孔道。

        2)當(dāng)鉆頭接觸到巖石表面,套管保持固定,支護(hù)管外泥土,防止泥土坍塌,此時(shí)由鉆頭對(duì)巖石進(jìn)行沖擊鉆孔,鉆進(jìn)形成一個(gè)放置液壓膨脹管的孔道。

        3)鉆孔過(guò)程中詳細(xì)記錄每個(gè)孔遇巖深度及巖石厚度,以便后續(xù)下放液壓膨脹管時(shí)控制下管深度,保證預(yù)裂效果。

        4)鉆完孔以后,抽出鉆桿,再通過(guò)鏈條將液壓膨脹管順著套管放入巖石孔內(nèi),這個(gè)過(guò)程中,套管保證液壓膨脹管不受泥土砂石崩塌影響,順利到達(dá)巖石孔內(nèi)。

        5)啟動(dòng)液壓膨脹設(shè)備,通過(guò)控制各個(gè)液壓膨脹管漲裂的順序和作用方向,使巖石內(nèi)部受力,在其內(nèi)部不同方向上形成網(wǎng)狀裂紋,將巖石漲裂。

        6)檢測(cè)巖石破壞情況:在設(shè)備運(yùn)行后,隨著壓力不斷增大,當(dāng)壓力值達(dá)到30~40 MPa時(shí),巖石就會(huì)預(yù)裂,據(jù)此,當(dāng)壓力值驟降時(shí),證明巖石已經(jīng)預(yù)裂。

        7)預(yù)裂施工完成后,在鉆孔區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固,防止盾構(gòu)切削時(shí)孤石隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)具備封孔效果。

        3.4 注漿加固后盾構(gòu)切削掘進(jìn)

        孤石直徑小但分布密集區(qū)域,需要對(duì)孤石周邊部分地層采用袖閥管進(jìn)行加固,待漿液凝固后,漿液將小直徑孤石緊緊包裹住,待盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),孤石受到刀盤正面的切削作用而破碎,不會(huì)被擠壓至土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng),盾構(gòu)姿態(tài)也比較容易控制[3]。

        盾構(gòu)切削孤石掘進(jìn)時(shí),掘進(jìn)參數(shù)以“低速度、低轉(zhuǎn)速、控扭矩、適推力、勤檢查、控出渣”的思路進(jìn)行制定,控制巖石對(duì)刀具的損壞,使地表沉降可控。通過(guò)時(shí),對(duì)刀具磨損量的評(píng)估非常重要,應(yīng)勤檢查刀具,可通過(guò)兩方面進(jìn)行判斷。

        1)根據(jù)類似巖石對(duì)刀具的磨損量和刀具檢查情況,做好已經(jīng)通過(guò)的掘進(jìn)刀具磨損量的統(tǒng)計(jì),量化總結(jié),提前預(yù)判,根據(jù)掘進(jìn)巖石的長(zhǎng)度和刀具磨損量來(lái)制定開倉(cāng)檢查刀具的頻率。

        2)通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的異常變化來(lái)判斷刀具的受損情況,選擇開倉(cāng)進(jìn)行刀具的檢查。該檢查更換刀具時(shí)必須停止掘進(jìn)及時(shí)更換,切忌存在僥幸心里,避免造成刀盤受損[4]。

        3.5 孤石處理措施對(duì)比分析

        1)沖孔破碎處理。優(yōu)點(diǎn):孤石處理效果較好,將孤石對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響完全消除。缺點(diǎn):施工時(shí)需要較大場(chǎng)地,且成本較高,耗時(shí)較長(zhǎng)。適用范圍:地面空曠、孤石直徑較大。

        2)密集式鉆孔處理。優(yōu)點(diǎn):施工方便,破壞孤石完整性,降低盾構(gòu)切削難度;施工時(shí)對(duì)原土地層擾動(dòng)較小。缺點(diǎn):處理后仍有部分孤石在隧道范圍內(nèi),影響消除不徹底。適用范圍:地面具備機(jī)械進(jìn)場(chǎng)條件,孤石直徑稍大且分布密集。

        3)液壓膨脹法預(yù)裂處理。優(yōu)點(diǎn):施工方便,破壞孤石完整性,降低盾構(gòu)切削難度;施工耗時(shí)短,效率高,缺點(diǎn):該方法屬于靜態(tài)爆破,施工時(shí)對(duì)土層擾動(dòng)較大,距地面建構(gòu)筑物不宜過(guò)近。適用范圍:地面空曠,孤石直徑稍大且分布密集。

        4)注漿加固后盾構(gòu)切削掘進(jìn)處理。優(yōu)點(diǎn):孤石被漿液包裹后,與地層凝結(jié)成整體,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)不會(huì)隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)或前進(jìn),施工方便,耗時(shí)短。缺點(diǎn):盾構(gòu)掘進(jìn)速度較慢,對(duì)刀具磨損較大。適用范圍:孤石直徑較小且分布較為密集。

        4 結(jié)語(yǔ)

        坂貝區(qū)間左、右線累計(jì)掘進(jìn)通過(guò)302.5 m孤石地層,盾構(gòu)機(jī)、刀盤刀具選擇巖能力強(qiáng)的類型。盾構(gòu)始發(fā)前,盡最大可能探明孤石分布的位置、形狀及大小,結(jié)合地面環(huán)境條件針對(duì)性制定孤石處理措施并嚴(yán)格落實(shí)技術(shù)方案。坂貝區(qū)間盾構(gòu)在孤石段掘進(jìn)施工過(guò)程中控制地面沉降最大值為-5.3 mm,房屋沉降最大值為-5.5 mm。

        根據(jù)孤石形成的原理及其分布規(guī)律,盾構(gòu)區(qū)間前期地質(zhì)勘察時(shí),發(fā)現(xiàn)隧道范圍內(nèi)存在花崗巖全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化地層時(shí),需要將其作為一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)予以對(duì)待,并從盾構(gòu)選型、刀盤刀具類型、弧石處理方法等選擇最優(yōu)方案。

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