球狀風化孤石對盾構施工的影響及其處理措施

王英珺

0 引言

隨著盾構機使用的日益廣泛,盾構機越來越多地應用在不均勻地層中。在廣深地區,地鐵隧道埋藏的深度大部分在地下30 m以內,其穿越的地層條件主要由以下三部分組成:

上部:第四系軟土層,主要由雜填土、流塑～軟塑的淤泥層和富含水的砂層組成;

中部:第四紀殘積土,該層是由白堊系地層風化后的殘積物形成,可塑、硬塑至半固結狀態的砂層和礫質粘性土;

下部:大部分地區為不同時代、不同類型、不同風化程度的巖層。

隧道掘進斷面內含有兩種或兩種以上巖土特征地層或工程地質特征差異很大的不均勻地層,被稱為復合地層。孤石(球狀風化體)即為典型的復合地層之一,復合地層的不均勻性和盾構設備的局限性對盾構在復合地層中的掘進提出了嚴峻的考驗。

1 孤石形成原因

由于花崗巖在成巖、巖漿中的石英分布、后期構造作用或風化的不均一性,導致花崗巖風化土中存在花崗巖風化殘留體,即為孤石。所以其往往存在于不同風化程度的巖層中,孤石形狀各異,大小從幾十厘米到幾米,強度可以達到100MPa以上。

2 孤石破碎的條件

在盾構法隧道施工過程中,經常會遇到隨機分布的孤石,且孤石形狀大小各異、強度不一。

在硬土層中滾刀對孤石破碎通常比較有效,滾刀隨著刀盤的轉動而滾動,滑過較硬的土層直接撞擊和切割遇到的孤石。滾刀以點載荷作用于孤石上,使巖石碎片剝落,直到孤石破碎。但孤石能否被盾構機成功破碎,需要滿足三個條件:1)盾構刀具能夠提供足夠破碎孤石的切削力。2)在孤石被刀具破碎過程中,孤石不跟隨刀盤發生轉動。3)孤石在刀具作用下不會被推著前行。

根據如圖1所示,孤石所受應力為:

其中,n為作用在孤石上滾刀的數量;F為單滾刀作用到孤石上的推力;η為滾動摩擦系數;A1,A2均為孤石受力面積;H為埋深;γ為土的平均浮重度;K0為靜止側壓力系數。

根據摩爾—庫侖強度理論,粘性土的極限平衡條件為:

根據式(1)和式(3)兩個公式得出:

孤石不發生前移,根據條件1)和 3),需要滿足:

孤石不發生轉動,根據條件2),需要滿足:

根據式(5),式(6)可以看出,在滿足孤石切削力的情況下,在同等孤石強度下,孤石受到正應力越小、埋深越深、周圍土體自身粘聚力越大,孤石與周邊土體強度差異越小,孤石越容易被破除。

3 孤石地層的盾構機選型

廣深地區地質條件復雜,盾構選型時必須考慮盾構穿越區間的孤石、巖層、粘土等地層條件。根據已有盾構施工經驗,盾構機在不同地層條件掘進,對其性能有不同的要求,盾構選型時需綜合考慮各種因素,選擇適宜的盾構機型、設計布置合理刀盤刀具形式以及配備相應的輔助工法。

目前廣深地區所使用的盾構機大部分選用復合式土壓平衡盾構機。刀盤配有35把單刃滾刀,4把中心雙刃刀,64把齒刀,16把邊緣刮刀;最大推力 3412 t,脫困扭矩5300 MNm,刀盤開口率24%,基本可以滿足盾構機在復合地層中的掘進。

4 前期地質勘察

鑒于廣深地質的復雜性,在推進之前必須進行全線勘察,詳細了解地質資料,為特殊地段的處理和盾構推進提供依據。

在地面具備勘探條件處,沿線路中心位置10 m間距鉆孔取芯,確定地質條件。如果有孤石存在則根據孤石近似球狀的特性,沿垂直線路方向和線路方向增設鉆孔點位,對孤石的大小及與隧道關系進行確認。

地質條件探明后,繪制含有孤石中心位置勘探孔的地質柱狀圖,對地質柱狀圖要求如下:

1)標注勘探孔所在里程;

2)標注勘探孔孔口標高和各地層深度,明確孤石的標高位置和深度,圖示孤石與隧道關系;

3)描述地層的水文情況;

4)通過試驗確定孤石巖芯的單軸極限抗壓強度;

5)堵塞地質詳勘孔眼。

5 孤石處理措施

處理方法:根據地面條件,孤石處理分為地面處理和洞內處理兩種。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時,采取地面處理方式;當地面不具備上述條件時,采用洞內處理。

5.1 地面處理措施

1)人工挖孔樁加巖石分裂機。

此方法采取從孤石上方人工挖孔進入孤石區域利用巖石分裂機進行孤石處理,本方法宜用在孤石量較少,隧道埋深淺地段。

2)沖擊鉆地面破碎。

確定孤石的方位、大小和形狀后,從地面用沖擊鉆對隧道范圍內孤石存在的區域進行滿堂沖擊,每個鉆孔完成后用原土對鉆孔分層回填夯實,直至將整個孤石區域處理完畢。

此方法采用沖擊鉆從地面對孤石進行處理,對于孤石群的處理比較有效;操作簡單;處理周期較短;不需要人工直接處理孤石,施工安全性高;不受孤石位置、深度限制,僅受地面場地要求。

3)鉆孔爆破。在地質勘探過程中遇到孤石時,查明孤石的數量、產狀、大小、形狀并依此來制定爆破孔的數量、分布和裝藥量,利用小口徑鉆頭從地面下鉆,在孤石上鉆出爆破眼,然后在小孔內安放適量的炸藥對孤石進行爆破。一次爆破完畢后,清除孔內巖塊繼續進行下一次,進而達到分裂、瓦解孤石的目的。

對于垂直高度特別大的巨石可以進行多次爆破直到鉆孔穿過巨石。

5.2 洞內處理措施

1)洞內鑿除。

在盾構機內對刀盤前方地層改良或加固處理后,在保證刀盤前方周圍地層和土艙滿足氣密性要求的條件下,利用空氣壓縮機將空氣加壓,并注入土倉,以氣壓代替土壓,通過在土艙內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水、土壓力,達到穩定掌子面和防止地下水滲入。作業人員在氣壓條件下進入土艙,利用土倉內氣壓的穩定,在土倉內直接進行破除孤石,根據不同強度,可采用巖石分裂機或者風鎬。

2)洞內靜態爆破。

對孤石進行靜態爆破,大石化小,再把小石塊從刀盤前方移進土倉由螺旋輸送機排出土倉。此方法不進行地面加固,等刀盤抵達孤石表面后,采用盾構機的預留超前注漿孔進行超前注漿,使刀盤前方拱頂形成穩固整體性良好的圍巖,然后再開倉對孤石采取靜態爆破,再將碎石進一步粉碎后由螺旋輸送機排出土倉。這種方法同樣需要在靜爆、處理1 m孤石后,盾構機即刻要向前掘進1 m,始終保證刀盤與孤石的距離不大于1 m,防止土體坍塌造成地面塌陷。

綜上,地面處理為主動,洞內處理為被動,無論從安全性、實用性、風險性、處理效果來看,地面處理都要比洞內處理更加優越。所以在實際施工中,篩選施工方案時,要權衡利弊,選擇最佳方式進行施工。

6 結語

本文主要從孤石對盾構施工帶來的影響出發,探討了孤石在土中被破碎的條件和影響因素,最后提出幾種目前施工中常用的孤石處理方法。

孤石的存在給盾構施工帶來了難題,也帶給人們新的課題,根據不同的地質條件,選用不同的方法配合盾構法施工,這樣大大拓寬了盾構法應用的地質范圍,也豐富了盾構法隧道的修建技術,為以后復合地質運用盾構法施工提供經驗,為推動我國盾構法技術的進一步發展奠定良好的基礎。

[1]日本土木學會.隧道標準規范(盾構篇)及解說[M].北京:中國建筑工業出版社,2001:11.

[2]竺維彬,鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京:中國科學技術出版社,2006:57-58.

[3]盧延浩,劉祖德.高等土力學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]李俊偉,李麗琴,呂培印.復合地層條件下盾構選型的風險分析[J].地下空間與工程學報,2007(12):56-57.

[5]古 力.盾構機破碎孤石條件及預處理方法[J].隧道建設,2006(12):33-34.

[6]張良輝.廣州復合地層中盾構施工技術難點及應對措施[J].施工技術,2005(6):21-23.