復合土層中孤石探測及處理方案

陳開端

(福州市城市地鐵有限責任公司,350001,福州∥高級工程師)

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施工技術

復合土層中孤石探測及處理方案

陳開端

(福州市城市地鐵有限責任公司,350001,福州∥高級工程師)

針對福州地區工程地質實際,采用“微動探測加地質鉆機驗證”探尋孤石,該方法成功率一般能夠達到60%～80%,且費用低。應用阿特拉斯地質鑿巖機進行“20～30 cm間距密打孔,打成篩狀”的方法處理廣泛分布片狀孤石群,其巖石破碎處理速度快、占地小、效果明顯,且價格低廉,處理后能夠保證盾構機順利掘進通過。

地鐵隧道； 復合土層; 孤石; 微動探測

Author′s address Fuzhou Urban Metro Co,.Ltd.,350001,Fuzhou,China

福州地區一般地質情況表明,在13a殘積土、14c全風化、15c或16c強風化基巖層中零星分布有孤石(球狀風化體),直徑大者超過1 m,風化程度一般以中風化為主。由于孤石體量小且與其周圍圍巖(以殘積土為主)的強度相差巨大,因此不易被鉆探發現。受孤石的影響,在盾構掘進過程中瞬間荷載突然加大,將導致產生如下問題:①掘進非常困難并頻繁卡刀盤;②盾構機姿態難以控制;③盾構機刀具磨損非常嚴重,刀座、刀盤變形嚴重;④掘進振動大,對保護地面建(構)筑物不利等。

孤石的發育無明顯規律性,埋藏及分布也較為隨機,很難通過地質鉆探探明其分布情況。受場地條件及多種場源干擾限制,采用常規地震方法及電法類的地球物理勘探方法查找孤石的效果有限,部分物探方法達不到預期效果。結合福州地區實際情況,微動技術是探測孤石效果準確且效率高的方法。通過分析物探地質剖面判斷孤石存在的可能性,再利用地質鉆孔進行驗證。

1 微動探測方法原理

微動剖面探測是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法,其工作原理可用圖1所示流程圖表示。

圖1 視S波速度剖面獲取流程圖

采用類空間自相關法(SPAC)從微動臺陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線,計算視S波速度Vx,再經插值光滑計算獲得二維視S波速度剖面。視S波速度剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化,是地質解釋的基本依據。HV(H——垂直，V——水平)曲線是各分量進行傅里葉變換得到頻譜,通過水平分量和垂直分量的頻譜比值得到,工作原理如圖2流程圖所示。HV曲線反映的是地層的波阻抗界面,也是尋找土層的分界面依據之一。HV曲線探測深度為地面以下10～40 m,探測范圍分試驗段和推廣段。

圖2 HV曲線獲取流程圖

觀測系統采用圓形陣列(如圖3所示)每個圓形陣列由放置于五角形頂點和中心點的6個擺和數據采集系統組成,五角形頂點到中心點的距離稱為觀測半徑R。

圖3 微動圓形臺陣觀測系統示意圖

2 工程概況

三臚盾構區間基本沿福峽路走向,在里程約SK 23+000以后偏離福峽路拐入臚雷站。盾構區間平面圖如圖4所示。現福峽路寬約35 m,道路中央設有綠化帶,周邊主要規劃為居住及商業辦公用地。沿道路兩側為拆遷工地、基建工地、2～3層居民樓及廠房等。區間為全地下盾構區間,上下行線各有兩段平面曲線,曲線半徑均為450 m,線間距最大為14.8 m左右,最小約為12 m;縱斷面為V型坡,最大縱坡25‰、最小縱坡3‰,區間隧道覆土最大厚度15.0 m、最小厚度9.3 m。在里程SK 22+450處設一處聯絡通道兼排水泵房。聯絡通道兼排水泵房在平面線型上處于直線段,線間距12.0 m,聯絡通道上覆土層厚度約14.6 m。在SK 22+770處設一處聯絡通道,聯絡通道在平面線型上處于緩和曲線段,線間距12.0 m,上覆土層厚度約15.9 m。。

圖4 三臚區間隧道平面圖

3 孤石及基巖突起探測過程

3.1 孤石區域的初步判斷

根據《盾構區間詳勘報告》,本區間盾構推進涉及31層淤泥、4層粉質黏土、④J層淤泥質土、51層淤泥質土、51-J層砂夾黏土、12A坡積黏性土、13A殘積黏性土、13A-J孤石、14C全風化凝灰熔巖、15C散體狀強風化凝灰熔巖、16C碎裂狀強風化凝灰熔巖、16C-J孤石、17C中風化凝灰熔巖。結合《區間加密孔鉆探說明》中相關描述,詳勘鉆孔揭示的孤石(球狀風化體)共有2處,其性質、大小及其分布情況見表1。同時,局部有強、中風化巖層突起,進入隧道洞身的基巖突起分布情況見表2。

表1 詳勘孤石(球狀風化體)分布情況一覽表

表2 詳勘基巖突起分布情況一覽表

依照以上統計情況,并深入分析地質詳勘報告,初步判斷本區間有兩個區域存在孤石的可能性較高：區域一，上行線SK 22+020～SK 22+133或下行線XK 22+021～XK 22+138;區域二，上行線SK 22+738～SK 23+037或下行線XK 22+753～XK 23+045。

3.2 試驗段探測工作布置

采集選取盾構區間上行線SK 22+849.0～SK 23+015.7區段和下行線XK 22+822.3～XK 22+991.8區段,共336.2 m長度作為試驗段。在地鐵上下行隧道中心線布設測線,測線上間隔5 m布設觀測臺陣,共需布置約68個臺陣測點。

采用圓形陣列,臺陣半徑大小初步定為2.5 m,可根據現場試驗最終選擇合適的半徑,每個觀測臺陣設置6個三分量檢波器。測試時對資料先進行初步分析,對因車輛干擾大、未正常記錄的數據重測。對有異常區段加密測試。最終探測成果為視S波速度剖面圖、HV曲線和成果報告。

3.3 孤石判斷及探明

研究整個區間物探地質成果,劃定不存在球狀風化的安全區及圈定異常區。關注HV曲線的峰值頻率f0和幅值A0,通過HV曲線結合頻散曲線反演計算分層速度結構,同時特別關注HV類型中雙峰型、前臺階型、后臺階型的測點。綜合考慮二維剖面異常速度體、測點HV類型、S波諧振頻率f0、HV幅值A0,判斷是否存在孤石。微動方法探測發現的異常點不能保證完全為球狀風化體,但可以劃分不存在異常的安全區域;對異常區初步判斷出存在孤石的部位，再采取地質鉆孔驗證是否存在孤石,不是孤石則可起到排除的作用,則該段可劃為安全區;若驗證有孤石,則在周圍加密鉆孔,進一步確定孤石大小,最終形成孤石物探報告,為盾構掘進提供指導依據。

4 微動探測成果及追加地質驗證

4.1 微動探測結合地質鉆機探測成果

采用微動探測技術對700～815環進行探測,發現圍擋區域內為基巖突起最大區域(705～725環),亦是孤石分布最廣泛的區域,此外,除繼續追加探測700～733環范圍內基巖突起外,另外追加建議探測5個點位,分別為S7(727環-1.4 m)、S11(742環+0.5 m)、S13(751環)、S15(759環)、S19(775環)。采用地質鉆機隊對以上5個點位進行驗證分析,除S19點位因為地下DN 1 000自來水管線外,另外4個點位均發現有孤石存在。微動探測成果圖如圖5及圖6所示。

圖5 三臚區間上行線(700～815環)HV等值線圖

圖6 三臚區間上行線(700～815環)面波頻散速度等值線圖

4.2 追加地質鉆探驗證孤石

根據微動探測成果及阿特拉斯判別成果,采用地質小鉆機在里程SK 22+857.6～SK 22+968.9范圍內共施工8個地質鉆孔，其編號為Q19XZB1～Q19XZB8。

根據地質驗證孔揭示巖層面標高,沿地鐵隧道縱向連線,并與原祥勘報告中巖層面進行對比分析,發現本區域巖層突起異常嚴重,最高突起4.7 m,最低突起0.8 m,并在8個驗證孔中有4個驗證孔發現不同大小的孤石。詳勘、補勘揭示的巖層面對比圖如圖7所示。

圖7 詳勘、補勘揭示的巖層面對比圖

5 孤石和出露較高巖面的處理方案

5.1 調整線路縱坡

考慮本區域地質情況非常復雜,且地層缺失非常嚴重,如地質補勘孔Q19XZB1～5揭示31淤泥層層底深度分別為16.8 m和16.9 m。在31淤泥層下方直接為進入強度非常高的18c微風化熔巖,單軸抗壓強度接近150 MPa,為典型的上軟下硬地層,且巖層侵入地鐵隧道開挖底標高線厚度約為1.8～3.6 m,施工難度非常大,極易造成盾構機姿態上漂或地表發生較大沉降,存在非常大的安全風險。考慮此因素,會同業主、設計單位,在可行的情況下,將地鐵隧道縱坡面從施工圖中的原3‰調整為19‰,這樣能夠很大程度上避開突起的基巖面。調線坡后縱斷面對比圖如圖8所示。

圖8 調線調坡后縱斷面對比圖

5.2 對未避開孤石及基巖處理措施

5.2.1 密打孔打碎或成篩

調整地鐵隧道縱坡一定程度上解決了很大的基巖突起問題,但是因為700～725環區域基巖突起太嚴重,仍然有較大的一部分基巖及大片孤石無法避開。針對此種情況,分析幾次補勘及阿特拉斯判別情況,認為孤石的粒徑為0.4～1.5 m不等,強度為17c中風化巖石,少數為18c微風化巖石。提出如下處理方案:沿隧道縱向,在地面采用阿特拉斯密打孔,30 cm間距梅花形布孔,打孔深度為隧道開挖深度+0.5 m,將巖石打碎或成篩,利用盾構機刀盤配置的9把滾刀及一些貝殼刀破巖,促使盾構機順利通過。密打孔平面、剖面示意圖如圖9所示。

圖9 密打孔平面、剖面示意圖

5.2.2 注漿填孔

因地面打孔施工造成地面孔洞較多,而且非常致密,如圖9所示。為保證盾構機通過時，能夠正常保壓及掘進施工，針對以上情況,采用雙液注漿的形式對鉆孔進行封堵。

注漿目的為填塞所有鉆孔孔位,考慮孔位較密,不用每孔注漿。確定注漿原則為:先外圍后中間,同排隔孔注漿,間距60 cm；鄰排錯開注漿。注漿填孔加固范圍為隧道外側1 m寬,隧道底下1 m深,上直至地面。注漿漿液為水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力、漿液配比等參數根據現場試驗確定,并根據試驗調整相應的注漿孔間距。

注漿水泥為普通硅酸鹽水泥,強度等級為P42.5。注漿參數擬定為:注漿壓力0.3～0.5 MPa,流量15～20 L /min,漿液水灰比0.8～1,單位水泥注入量100～150 kg/m。水泥漿與水玻璃比例擬定為1∶0.5。

5.2.3 14孔軍用光纜管線下方未探明孤石及基巖突起的處理

對孤石所在位置上部存在14孔軍用光纜等障礙物，由于無法鉆豎直孔,且鉆孔需與水管等障礙物保持一定的安全距離,因此,需通過阿特拉斯設備鉆斜孔的方法施工。參照圖10進行施工。

圖10 地面打斜孔示意圖

5.3 未探明孤石處理

對于鉆探未發現、盾構施工遇到的球狀風化體弧石及基巖突起,采用盾構機自身切削破碎或人工進入工作面實施靜態爆破,將石塊取出。

6 結語

與傳統的孤石探測技術的盲目性相比較而言,“微動探測+地質鉆機驗證”探尋孤石方法的成功率一般能夠達到60～80%,且費用低(能控制在900元/m以內);通過阿特拉斯地質鑿巖機采用“20～30 cm間距密打孔,打成篩狀”的方法處理廣泛分布的片狀孤石群效果明顯,不僅速度快、占地小,巖石破碎處理速度可達到0.7～1.1 m/d,而且價格低廉,費用能夠控制在16 000元/m以內。

[1] 廖鴻雁.復合地層盾構技術——廣州地鐵盾構工程的探索與實踐[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

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[4] 竺維彬,鞠世健,史海歐.廣州地鐵3號線盾構隧道工程施工技術研究所[M].廣州:暨南大學出版社,2007.

[5] 李乾.地鐵盾構法隧道孤石工程分類及處理對策[J].都市快軌交通,2007(1):82.

Detection and Processing Options of Boulders in Composite Earth LayerCHEN Kaiduan

Based on landform and geological conditions in Fuzhou area, “microtremor survey and geological rig verification” is adopted to explore the boulders, and the success rate of this method in general could achieve 60% to 80% with rather low cost. The Atlas geological drilling machine is used for dense drilling with 20-30 cm distance, the widespread flake boulder is cut into cribriform. This method features quick processing speed for rock crushing, smaller land occupation and obvious effect. After boulder processing, the shield machine could drive through smoothly.

metro tunnel; composite earth layer; boulder; microtremor survey

TU 943

10.16037/j.1007-869x.2016.05.021

2014-09-23)