深圳地鐵5號線工程孤石形成機理及探測方法

深圳地鐵5號線工程孤石形成機理及探測方法

由于單石的影響，結構施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題如下：葉片磨損嚴重，葉片變形且難以更換。刀盤研磨消耗導致刀盤強度和硬度降低，刀盤變形。主軸承密封破壞，主軸承密封堵塞，軸承負荷增加。將大石頭朝著隧道側傾斜，導致結構偏差，偏離隧道軸線。國內最早遇到孤石的工程實例是深圳地鐵,球狀風化巖的存在導致盾構掘進過程中刀盤嚴重變形,險些釀成重大事故。廣州地鐵3號線市番—天華區(qū)間隧道在開挖過程中遇到的花崗巖球狀風化體的巖體單軸抗壓強度超過160MPa。成都地鐵1號線一期工程區(qū)間隧道大多通過富水砂卵石地層,且含有少量大粒徑孤石,孤石的最大粒徑達670mm,孤石單軸抗壓強度65.5~184MPa。針對盾構過孤石時的施工問題,盡管采取了許多措施,在一些問題上有所突破,但總體效果仍不理想,處于摸索階段,并且尚未找到一種切實有效的施工方法。1民五區(qū)間隧道段孤石成因深圳地鐵5號線全長40km,本工程在寶安—翻身區(qū)間、翻身—靈芝區(qū)間和民治—五和區(qū)間盾構線路均遇到孤石。寶翻區(qū)間以砂質黏性土和砂層為主,拱頂以上地層以雜填土、淤泥、粉質黏性土為主,本區(qū)間左線發(fā)現(xiàn)5塊孤石,其中2塊位于隧道范圍內;右線發(fā)現(xiàn)6塊孤石,其中3塊位于隧道范圍內。翻靈區(qū)間主要穿越的巖層為礫質黏性土和全風化花崗巖,含水量豐富并且與海水存在動力聯(lián)系,同時隧道下穿諸多建(構)筑物,由于花崗巖在成巖、后期構造作用和風化的不均一性,導致花崗巖風化不均,存在孤石,本區(qū)間左線和右線共有8個較大的孤石位于隧道開挖斷面內。民五區(qū)間隧道穿越地層主要為礫質黏性土和全風化花崗巖。左、右線各存在19個球狀風化體,強度為150~180MPa。2單帶石頭的起源和分布規(guī)律2.1深度風化作用孤石形成主要有兩方面原因:(1)由人工回填造成的存在于回填土層中的大孤石;(2)由于巖石巖性不均勻、抗風化能力差異大,加之斷裂構造發(fā)育及巖體的次生裂隙導致巖體破碎,抗風化能力減弱,在深度風化情況下所形成的。當花崗巖中發(fā)育有幾組交叉的節(jié)理時節(jié)理把巖石分割成棱角形塊,風化特別集中在3組節(jié)理相交的棱角部位,風化速度快,久而久之,棱角逐漸被圓化。風化作用不斷進行時,漸趨于使巖塊變圓,形成球狀花崗巖孤石。2.2垂直風剖面的結構雖然花崗巖球狀風化體的分布具有離散性大、埋藏深度大、空間賦存特征不規(guī)則的特點,但仍具有一定規(guī)律:(1)主要分布于全風化帶和強風化帶。(2)在垂直風化剖面上具有“上多下少、上小下大”的特點。即隨著高程的增加,球狀風化體越來越密集,而體積越來越小。(3)孤石的大小隨著風化程度增強而減小,而數(shù)量卻隨著風化程度的增強而增加,這一特征正好與第2點相吻合。(4)在全風化帶中也可能存在較大的孤石,在強風化帶中,也有可能出現(xiàn)較小直徑的孤石,這說明球狀風化體的大小也受到局部巖性條件和地質條件等因素的影響。3入河水平上覆蓋巖后補勘孔為探明孤石的分布情況,采用以鉆探為主,多種方法聯(lián)合運用相互印證的綜合探測方案。在工程初勘和詳勘基礎上,首先采用瑞利波法和高密度電阻率法同時沿隧道中軸線進行勘探,大致探出盾構隧道中軸線洞身及上下一定深度影響范圍內孤石的分布、發(fā)育情況和接觸關系等。然后結合區(qū)間隧道中線和開挖輪廓線,根據(jù)物探確定的孤石位置,布設地質探孔,進行取芯補勘。補勘孔沿線路中線間距10m布置,具體步驟是,在揭露有孤石存在的區(qū)域中心利用原來的物探孔打眼,根據(jù)所取芯樣中巖層的情況判別補勘范圍是否要向外延伸或向內縮進,再沿縱、橫向軸線增加新補勘孔,直至探明孤石的大小及分布范圍。如果地質鉆顯示下方有孤石,以第1個地質探下鉆點為中心,以2m為半徑畫圓,然后在圓上的4個方向上定出4個點位分別下鉆繼續(xù)勘探,直到確定出孤石的具體位置、大小、埋深、強度以及孤石周圍地層的軟硬程度,并認真核對是否和詳勘地質報告所提供的地質情況相符。4地面處理方式確定根據(jù)孤石的大小、位置、形狀、周邊環(huán)境等因素確定處理方法。當隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時,應首先采用地面處理方式;當?shù)孛娌痪邆錄_孔、挖孔條件時,采用洞內處理方式。4.1控制板在確認孤石區(qū)域后,從地面對孤石周邊一定范圍的地層采用袖閥管進行加固,待漿液凝固后,漿液將孤石緊緊包裹住,待盾構掘進時,孤石受到刀盤正面的切削作用而破碎,不會被擠壓至土體產生較大的擾動,盾構姿態(tài)也比較容易控制。寶翻區(qū)間孤石地段注漿加固范圍如圖1所示,袖閥管構造如圖2所示。4.2靜爆破爆破地質勘探過程中遇到孤石時,查明孤石的產狀、大小、形狀并依此來制定爆破孔的數(shù)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靜爆炸藥對孤石進行爆破,如圖3,4所示。一次爆破完畢后,清除孔內巖塊繼續(xù)進行下一次靜爆,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?？紤]本工程所用盾構的出碴能力,經過螺旋輸送機的石塊尺寸不能超過40cm,因此爆破后石塊的單邊長度應控制在30cm以下,以利于螺旋輸送機順利出碴。爆破后石塊的大小通過調整爆破孔間距和用藥量進行控制。4.3風化球的破碎在確認孤石所處區(qū)域位置后,定出孔位,即可進行開挖。人工挖孔至風化球處,即可對風化球處理(見圖5),采用風鉆對風化球進行打眼,間距300mm×300mm,梅花狀布置,孔徑40mm,鉆孔結束使用劈裂機對風化球進行破碎,破碎后清理吊出,清除至盾構通過此風化球處時的周邊各15cm范圍。風化球破碎后,對孔洞進行黏土回填,隨填隨夯,保證密實度,并在孔中埋設注漿管,在回填完畢后對其進行注漿加固。4.4沖擊鉆機鉆孔施工沖擊破碎法是指確定孤石的位置、大小和形狀后,在地表采用十字沖擊錘沖擊破碎孤石的施工方法。根據(jù)孤石大小確定沖擊鉆機錘頭大小、鉆孔間距及數(shù)量,鉆孔前首先探明有無地下管線或其他建(構)筑物,若鉆孔位置地下有管線等市政管道,則需要將鉆孔位置旁移一段距離,待鉆孔后及時采用原土對鉆孔分層回填夯實,并進行土體壓密注漿,直至將整個孤石區(qū)域處理完畢。4.5隧道注漿和掘進當?shù)孛鏇]有注漿加固地層的場地或者在地質條件稍好的地層中盾構掘進,當確認孤石區(qū)域之后,把準備好的鋼花管從盾構機預留超前注漿孔插入刀盤前方的土體(超前注漿孔的延伸方向與盾構的中軸線存在一個夾角),注漿漿液水灰比采用1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.2MPa以內,注漿壓力超過0.2MPa時停止注漿。注漿加固范圍為隧道周邊各3m,球體前方3m,球體后方1m,注漿完成后,調整掘進參數(shù),直接掘進通過孤石,如圖6所示,施工時,采用低貫入度、高轉速的方式對孤石掌子面進行切削,靠刀盤的沖擊破碎能力通過孤石區(qū)域。盾構宜采用小推力1200kN、慢掘進速度0.5cm/min、高刀盤轉速2.5r/s進行掘進,并隨時注意掘進參數(shù)變化,防止刀盤局部過載,造成刀盤變形。該方法已經成功應用于深圳地鐵5號線民治—五和盾構區(qū)間的孤石處理中。4.6超前注漿及爆破對孤石進行靜態(tài)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(wěn)固整體性良好的圍巖,然后再開倉對孤石采取靜態(tài)爆破,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1m孤石后,盾構機即刻要向前掘進1m,始終保證刀盤與孤石的距離≤1m,防止土體坍塌造成地面塌陷。4.7巖石破碎機在地質條件較差的地層中,需要先對地層進行加固,若地層條件較好,則可直接開倉,對掌子面孤石用巖石分裂機破碎。巖石分裂機是一種手工操作的設備,利用液壓原理,可以控制性地分裂巖石。特別是在對灰塵、飛屑、振動、噪聲、廢氣排放有嚴格限制而大型拆除設備無法工作的地方,巖石分裂機有其無法替代的特殊優(yōu)勢。4.8輔助工法調整地層當工期較緊,沒有時間對孤石進行輔助施工,同時孤石區(qū)段周圍沒有管線以及樁基建筑物等存在時,施工中對地層的變形影響要求較低,則可以不進行任何輔助工法,通過調整盾構掘進參數(shù),直接通過。待盾構機刀盤接近孤石后,采用低貫入度,增加泡沫注入量,并以“小推力、高轉速、低扭矩”為指導思想,使刀具對孤石的切削、沖擊頻率加大,靠刀盤的沖擊破碎通過孤石區(qū)域。此方法適合處理較大型孤石,且孤石與刀盤的接觸面較大。4.9孤石的適應性上述8種孤石處理方法,具有各自的優(yōu)缺點,并且隨著工程中所遇孤石的大小、位置、形狀以及周邊環(huán)境等因素的不同,其適應性也不盡相同。根據(jù)各處理方法對地層適應、環(huán)境影響、施工風險、施工效果、工期成本以及適合孤石大小等方面進行研