淺談地鐵盾構(gòu)孤石探測及處理施工技術(shù)

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、中、微四類。已完全風(fēng)化成土而未經(jīng)搬運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的，很難通過地質(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)機負(fù)荷加大；孤石無法破碎，致使盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離軸線；掘進(jìn)速度慢，對地層擾動大，出渣量不宜控制，對地面沉降影響較大。

1 工程概況

深圳地鐵10號線坂田北站(原吉華站)—貝爾路站區(qū)間位于深圳市龍崗區(qū)，線路設(shè)計起點為坂田北站。左線起訖里程為DK15+177.379～DK15+822.050，長度為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)勘察報告及補勘資料，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、強風(fēng)化花崗巖；盾構(gòu)始發(fā)前，區(qū)間共計探明24處孤石(其中左線15處、右線9處)。實際施工時，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)勘察報告，適當(dāng)加密鉆探孔位，詳勘階段探孔間距10～15 m/孔，補勘階段加密探孔至5 m/孔。當(dāng)鉆探孔揭露該位置存在孤石時，以探孔為中心點畫半徑為3 m的圓，在隧道縱、橫方向位置增設(shè)4個探孔，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度約為25 m。

2.1.3 方法分析

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

2.2 三維電阻率跨孔CT探測

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)一步探測孤石。

2.2.1 探測原理

分析孤石與圍巖介質(zhì)的電阻率特征，全、強風(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 探測成果

通過三維電阻率跨孔CT探測方法，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探測成果圖

2.2.3 方法分析

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

2.3 HSP超前地質(zhì)預(yù)報

2.3.1 應(yīng)用原理

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤轉(zhuǎn)動過程中激發(fā)聲波，HSP聲波探測是通過盾構(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，圍巖強度有所增高。

圖2 HSP超前地質(zhì)預(yù)報成像圖

2.3.3 方法分析

優(yōu)點：掘進(jìn)過程中進(jìn)行探測，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：無法準(zhǔn)確辨識地層分類，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，及時采用原土進(jìn)行分層回填夯實，并進(jìn)行土體壓密注漿，直至將整個孤石區(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)鉆機定位。場地平整后，對孤石點位進(jìn)行復(fù)測，校核無誤后，進(jìn)行鉆機定位工作。

3)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中仔細(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)深度超過孤石底部埋深。

4)注漿。注漿的目的一是為補償破碎孤石對原狀土體造成的擾動；二是為加固孤石所處地段的土質(zhì)，對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，不會因孤石隨著刀盤轉(zhuǎn)動擠壓土體，造成地層較大的擾動；三是防止盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(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，采用素混凝土或瀝青封閉孔口。

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：巖石抗壓強度高，但是抗拉強度較低，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，此時由鉆頭對巖石進(jìn)行沖擊鉆孔，鉆進(jìn)形成一個放置液壓膨脹管的孔道。

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

4)鉆完孔以后，抽出鉆桿，再通過鏈條將液壓膨脹管順著套管放入巖石孔內(nèi)，這個過程中，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)啟動液壓膨脹設(shè)備，通過控制各個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)檢測巖石破壞情況：在設(shè)備運行后，隨著壓力不斷增大，當(dāng)壓力值達(dá)到30～40 MPa時，巖石就會預(yù)裂，據(jù)此，當(dāng)壓力值驟降時，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)切削時孤石隨刀盤轉(zhuǎn)動，同時具備封孔效果。

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，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(chǎn)生較大的擾動，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，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，控制巖石對刀具的損壞，使地表沉降可控。通過時，對刀具磨損量的評估非常重要，應(yīng)勤檢查刀具，可通過兩方面進(jìn)行判斷。

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

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

3.5 孤石處理措施對比分析

1)沖孔破碎處理。優(yōu)點：孤石處理效果較好，將孤石對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響完全消除。缺點：施工時需要較大場地，且成本較高，耗時較長。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：施工方便，破壞孤石完整性，降低盾構(gòu)切削難度；施工時對原土地層擾動較小。缺點：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：地面具備機械進(jìn)場條件，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：施工方便，破壞孤石完整性，降低盾構(gòu)切削難度；施工耗時短，效率高，缺點：該方法屬于靜態(tài)爆破，施工時對土層擾動較大，距地面建構(gòu)筑物不宜過近。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：孤石被漿液包裹后，與地層凝結(jié)成整體，盾構(gòu)掘進(jìn)時不會隨刀盤轉(zhuǎn)動或前進(jìn)，施工方便，耗時短。缺點：盾構(gòu)掘進(jìn)速度較慢，對刀具磨損較大。適用范圍：孤石直徑較小且分布較為密集。

4 結(jié)語

坂貝區(qū)間左、右線累計掘進(jìn)通過302.5 m孤石地層，盾構(gòu)機、刀盤刀具選擇巖能力強的類型。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)境條件針對性制定孤石處理措施并嚴(yán)格落實技術(shù)方案。坂貝區(qū)間盾構(gòu)在孤石段掘進(jìn)施工過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，發(fā)現(xiàn)隧道范圍內(nèi)存在花崗巖全風(fēng)化或者強風(fēng)化地層時，需要將其作為一個重大風(fēng)險予以對待，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。