球狀風(fēng)化孤石對盾構(gòu)施工的影響及其處理措施

王英珺

0 引言

隨著盾構(gòu)機(jī)使用的日益廣泛,盾構(gòu)機(jī)越來越多地應(yīng)用在不均勻地層中。在廣深地區(qū),地鐵隧道埋藏的深度大部分在地下30 m以內(nèi),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(jì)殘積土,該層是由白堊系地層風(fēng)化后的殘積物形成,可塑、硬塑至半固結(jié)狀態(tài)的砂層和礫質(zhì)粘性土;

下部:大部分地區(qū)為不同時代、不同類型、不同風(fēng)化程度的巖層。

隧道掘進(jìn)斷面內(nèi)含有兩種或兩種以上巖土特征地層或工程地質(zhì)特征差異很大的不均勻地層,被稱為復(fù)合地層。孤石(球狀風(fēng)化體)即為典型的復(fù)合地層之一,復(fù)合地層的不均勻性和盾構(gòu)設(shè)備的局限性對盾構(gòu)在復(fù)合地層中的掘進(jìn)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

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(gòu)造作用或風(fēng)化的不均一性,導(dǎo)致花崗巖風(fēng)化土中存在花崗巖風(fēng)化殘留體,即為孤石。所以其往往存在于不同風(fēng)化程度的巖層中,孤石形狀各異,大小從幾十厘米到幾米,強(qiáng)度可以達(dá)到100MPa以上。

2 孤石破碎的條件

在盾構(gòu)法隧道施工過程中,經(jīng)常會遇到隨機(jī)分布的孤石,且孤石形狀大小各異、強(qiáng)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(zhuǎn)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(diǎn)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(gòu)機(jī)成功破碎,需要滿足三個條件:1)盾構(gòu)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(fā)生轉(zhuǎn)動。3)孤石在刀具作用下不會被推著前行。

根據(jù)如圖1所示,孤石所受應(yīng)力為:

其中,n為作用在孤石上滾刀的數(shù)量;F為單滾刀作用到孤石上的推力;η為滾動摩擦系數(shù);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(cè)壓力系數(shù)。

根據(jù)摩爾—庫侖強(qiáng)度理論,粘性土的極限平衡條件為:

根據(jù)式(1)和式(3)兩個公式得出:

孤石不發(fā)生前移,根據(jù)條件1)和 3),需要滿足:

孤石不發(fā)生轉(zhuǎn)動,根據(jù)條件2),需要滿足:

根據(jù)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(qiáng)度下,孤石受到正應(yīng)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(qiáng)度差異越小,孤石越容易被破除。

3 孤石地層的盾構(gòu)機(jī)選型

廣深地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,盾構(gòu)選型時必須考慮盾構(gòu)穿越區(qū)間的孤石、巖層、粘土等地層條件。根據(jù)已有盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)機(jī)在不同地層條件掘進(jìn),對其性能有不同的要求,盾構(gòu)選型時需綜合考慮各種因素,選擇適宜的盾構(gòu)機(jī)型、設(shè)計(jì)布置合理刀盤刀具形式以及配備相應(yīng)的輔助工法。

目前廣深地區(qū)所使用的盾構(gòu)機(jī)大部分選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。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(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中的掘進(jìn)。

4 前期地質(zhì)勘察

鑒于廣深地質(zhì)的復(fù)雜性,在推進(jìn)之前必須進(jìn)行全線勘察,詳細(xì)了解地質(zhì)資料,為特殊地段的處理和盾構(gòu)推進(jìn)提供依據(jù)。

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(zhì)條件。如果有孤石存在則根據(jù)孤石近似球狀的特性,沿垂直線路方向和線路方向增設(shè)鉆孔點(diǎn)位,對孤石的大小及與隧道關(guān)系進(jìn)行確認(rèn)。

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

1)標(biāo)注勘探孔所在里程;

2)標(biāo)注勘探孔孔口標(biāo)高和各地層深度,明確孤石的標(biāo)高位置和深度,圖示孤石與隧道關(guān)系;

3)描述地層的水文情況;

4)通過試驗(yàn)確定孤石巖芯的單軸極限抗壓強(qiáng)度;

5)堵塞地質(zhì)詳勘孔眼。

5 孤石處理措施

處理方法:根據(jù)地面條件,孤石處理分為地面處理和洞內(nèi)處理兩種。當(dāng)隧道上方地面具備沖孔、挖孔條件時,采取地面處理方式;當(dāng)?shù)孛娌痪邆渖鲜鰲l件時,采用洞內(nèi)處理。

5.1 地面處理措施

1)人工挖孔樁加巖石分裂機(jī)。

此方法采取從孤石上方人工挖孔進(jìn)入孤石區(qū)域利用巖石分裂機(jī)進(jìn)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(nèi)孤石存在的區(qū)域進(jìn)行滿堂沖擊,每個鉆孔完成后用原土對鉆孔分層回填夯實(shí),直至將整個孤石區(qū)域處理完畢。

此方法采用沖擊鉆從地面對孤石進(jìn)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(zhì)勘探過程中遇到孤石時,查明孤石的數(shù)量、產(chǎn)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(nèi)安放適量的炸藥對孤石進(jìn)行爆破。一次爆破完畢后,清除孔內(nèi)巖塊繼續(xù)進(jìn)行下一次,進(jìn)而達(dá)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(jìn)行多次爆破直到鉆孔穿過巨石。

5.2 洞內(nèi)處理措施

1)洞內(nèi)鑿除。

在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)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(jī)將空氣加壓,并注入土倉,以氣壓代替土壓,通過在土艙內(nèi)建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水、土壓力,達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入。作業(yè)人員在氣壓條件下進(jìn)入土艙,利用土倉內(nèi)氣壓的穩(wěn)定,在土倉內(nèi)直接進(jìn)行破除孤石,根據(jù)不同強(qiáng)度,可采用巖石分裂機(jī)或者風(fēng)鎬。

2)洞內(nèi)靜態(tài)爆破。

對孤石進(jìn)行靜態(tài)爆破,大石化小,再把小石塊從刀盤前方移進(jìn)土倉由螺旋輸送機(jī)排出土倉。此方法不進(jìn)行地面加固,等刀盤抵達(dá)孤石表面后,采用盾構(gòu)機(jī)的預(yù)留超前注漿孔進(jìn)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,再將碎石進(jìn)一步粉碎后由螺旋輸送機(jī)排出土倉。這種方法同樣需要在靜爆、處理1 m孤石后,盾構(gòu)機(jī)即刻要向前掘進(jìn)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(nèi)處理為被動,無論從安全性、實(shí)用性、風(fēng)險性、處理效果來看,地面處理都要比洞內(nèi)處理更加優(yōu)越。所以在實(shí)際施工中,篩選施工方案時,要權(quán)衡利弊,選擇最佳方式進(jìn)行施工。

6 結(jié)語

本文主要從孤石對盾構(gòu)施工帶來的影響出發(fā),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(gòu)施工帶來了難題,也帶給人們新的課題,根據(jù)不同的地質(zhì)條件,選用不同的方法配合盾構(gòu)法施工,這樣大大拓寬了盾構(gòu)法應(yīng)用的地質(zhì)范圍,也豐富了盾構(gòu)法隧道的修建技術(shù),為以后復(fù)合地質(zhì)運(yùn)用盾構(gòu)法施工提供經(jīng)驗(yàn),為推動我國盾構(gòu)法技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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