隧道中花岗岩状风化体的分布规律及处理方法

隧道中花岗岩状风化体的分布规律及处理方法

1掘进中盾构、刀盘材质被更换,导致施工难题花岗岩的球形风化芯通常被称为“孤独石”，单轴抗压强度可达到200mpa。孤独石层是岩石开挖的主要风险之一，也是控制国际国内实际工程风险的难题。一般会造成掘进速度缓慢,刀具、刀盘的严重损坏,地面沉降,掘进中盾构姿态难以控制等施工难题及风险。2004年2月广州地铁3号线某盾构区间掘进至614环进入全长348m孤石地层,历时8个月先后气压法换刀15次,更换各类刀具251把。2005年3月掘进至ZDK2+381.86球状风化区段历时73天,更换滚刀40把。类似的工程为此付出巨大代价的例子举不胜举。2林状岩石风化体中国是世界上花岗岩分布最广的国家之一,花岗岩面积90.9万km2,约占全国面积的10%左右,主要出露在中国东部,特别集中在粤、闽、桂、赣、湘等省。常见花岗岩地貌有花岗岩丘陵和峰林状花岗岩山地两大类型。硬塑状的花岗岩残积土层、坚硬土状的全风化花岗岩、半岩半土状的强风化花岗岩中容易发育球状风化体。尽管花岗岩球状风化体的分布具有离散性、空间特性不规律、埋藏深度大等特征,但也存在其分布规律:(1)主要分布于全风化和强风化带中;(2)在垂直剖面上随着深度的增加,密度虽减小但体积增大,即“上多下少,上小下大”的总体规律特性;(3)当风化程度增强时,体积会减小,数量会增多;(4)其分布也会受到局部地质环境及岩性条件的影响,特殊情况下,全风化带中可能存在较大体积的球状风化体,强风化带中可能出现较小体积的风化体。3工程实例3.1地层及地层厚度广州地铁3号线某盾构区间平面线形沿某主干道布设,线路两侧经过4座山丘,山丘及附近地表遍布花岗岩。隧道埋深15~24m,地层从上至下主要有填土层、砂层(主要为中粗砂)、花岗岩残积土层、花岗岩全风化带和强风化带。隧道穿越的地层主要有<3-2>中粗砂层、<4N-2>粘土层、<5H-2>花岗岩残积土层,局部穿越<6H>花岗岩全风化层。其中<5H-2>花岗岩残积土在水平方向上分布广泛,在垂直方向上分布严重不均。通过对花岗岩地段出露的球状风化花岗岩地质调绘和统计分析,本标段盾构隧道洞身范围内有球状风化体存在。3.2合理布置布孔据上所述,盾构不宜直接掘进该地层,而应经过预处理将风险降低到可控范围内再掘进通过。而无论采用何种方法处理孤石地层,都首先必须探明孤石存在的位置和大小。据目前国内盾构工程的施工经验,花岗岩球状风化体的探测可采用电法、磁法、地质雷达和钻探等勘探方法。但是电法、磁法、地质雷达在实际工程施工中经常受到非探勘物质的影响,所得的判断和解析往往较为粗略,伴随的多解性常需通过钻探验证。但是根据经验,结合现场走访调查、详勘资料进行合理钻探布孔,也能将大部分孤石的位置探测清楚。因此,本工程选取由地面直接钻孔探测孤石的方法。3.3孔探测方案3.3.1钻进孔布置方案的确定钻探孔布置是整个探测方案成败的决定因素,应该综合考虑现场条件的可行性、施工成本的可控性,结合预处理方案再进行设计。因此,在设计钻探孔布置方案前应进行调查研究,分析沿线地层中存在球状风化体的可能性和位置;初步设计处理方案,为布置钻探孔做好充分的准备工作,以降低施工成本和时间。3.3.2钻孔布置方案如果要求将沿线的孤石全部探测出来,钻孔成本、道路恢复、占道费用等将是一笔该项工程难以承受的费用;如果仅考虑全部探测出“孤石群”和直径超过2.5m的孤石,大部分探测出直径小于2.5m的孤石,则施工成本将会降低2/3以上。经过现场调查,隧道线路经过4座山丘,山丘及周边遍布孤石。地质详勘资料显示有23个钻孔揭露孤石,多数在山丘附近,其中有4个钻孔位于临近山丘的隧道洞身范围内。因此,山丘附近隧道线路地段作为钻探孔布置的重点区域。综上所述,钻孔布置方案的思路如下:(1)将花岗岩中风化、全风化、残积土存在球状风化体的地层列为勘探对象,全线间隔10m布置2~3排钻探孔,以探明全线可能存在的“孤石群”和部分“孤石”的位置;(2)花岗岩中风化地层较为坚硬,盾构在此类地层中掘进遇到孤石需应急处理时一般不需要进行地层加固,故将此类地层的布孔间距放稀到20m布2~3排钻探孔;(3)山丘附近的钻探区列为重点探测区域,将钻探孔间距加密到2.5~5m。3.3.3隧道分三级叠加布设方案经统计,重点钻探区的钻孔约占全线钻孔的2/3。为了降低施工成本,对重点钻探区的钻孔布置引入动态调整方案,即钻孔分三级加密布置:首先一级按10m/个的间距沿隧道线路分3排(排距1.5m)错孔布置;分析一级钻孔结果,选取孤石存在可能性较大的区域进行二级补充钻孔,孔距加密至5m/个;分析二级钻孔结果,再选取其中存在孤石较大可能的区域将孔距加密至2.5m/个。3.3.4缺陷布孔程序钻探时如果发现隧道洞身范围内存在孤石则需测清楚孤石形状和位置。由于孤石一般为圆形,其宽度和厚度相差不大,并考虑到尽量使钻孔在处理孤石时可重复利用以降低成本,所以探测孤石的形状和位置时按以下程序布孔。1)以探到“孤石”的点为中心点向外布置钻孔圈,每圈等距布置4个钻孔。2)第一圈以“孤石”厚度的1/2为半径从中心点向外布置。3)如第一圈钻孔还不能找到孤石的边界,则距第一圈圆周向外0.4m布置第二圈钻孔。4)如第二圈钻孔还不能找到孤石的边界,则距第二圈圆周向外0.4m布置第三圈钻孔。5)依次类推,直到找到盾构施工范围内孤石边界为止。4“单石”处理方案4.1隧道洞身孤石充填根据地质补充勘探方案,通常能够查探出孤石群和大部分孤石的位置,但难以完全查清所有位于隧道洞身的孤石。因此,首先应该增强盾构在硬岩中的掘进能力,配置刀圈加厚的硬岩刀。钻孔探测时揭露孤石位于隧道洞身,拟进行地面预处理。盾构掘进过程发现的孤石,如判断盾构可直接掘进通过则检查更换刀具直接掘进通过,如直接掘进通过风险太大则进行洞内处理后再掘进通过。4.2旋挖孔结合静态爆破常规方法:深孔爆破(地面处理的主要措施);旋挖孔结合人工取出;人工挖孔结合人工取出;旋挖孔结合静态爆破;人工挖孔结合静态爆破。地面预处理的施工流程见图1。4.2.1孤石深孔爆破处理将位于隧道洞身的孤石分为直径0.4~1m的单个孤石、直径1m以上单个孤石、跨越隧道边线的孤石、孤石群、垂直方向上存在两个或两个以上孤石五种情况分别进行处理。1)直径在0.4~1m之间的孤石应该首先考虑采取旋挖孔结合人工取出,地面不具备旋挖机施工条件时采取人工挖孔结合人工取出。2)孤石群、垂直方向上存在两个或两个以上孤石、直径大于1m的单个孤石则进行深孔爆破处理;当地面建(构)筑物距离太近或其他原因影响不能采取深孔爆破时,根据场地条件采取旋挖孔或人工挖孔结合静态爆破。3)跨越隧道边线的孤石,采用深孔爆破时只处理位于隧道洞身内的岩体。4.2.2旋挖孔联合人工爆破法深孔爆破其目标是将孤石基本分裂成单边小于0.3m的岩块。其爆破孔布置原则:尽量利用补勘时查明孤石形状和大小的钻孔作为爆破引孔,孔位不足时补充钻孔。引爆孔钻孔完成后立即插入PVC管固定孔身,避免塌孔。图2为垂直方向上两个孤石爆破钻孔剖面图。旋挖孔结合人工取出或静态爆破其孔径为1.5m,孔深为地面至待处理孤石上表面。完成钻孔后按孔全深安装全钢套筒(15mm厚钢板制成),并在套筒接缝、刃脚、套筒顶均用δ=15mm、宽30cm的钢板进行包裹加劲焊接。人工挖孔结合人工取出或静态爆破需提供井下处理孤石的作业空间,当地面场地不具备旋挖孔施工条件时采取人工挖孔。设计孔径1.5m,孔深为地面至待处理孤石上表面。当处理孤石需要较大的井下作业空间时,可开挖扩底。静态爆破是通过旋挖孔或人工挖孔工作井采用静态爆破剂或者岩石分裂机实施。目前岩石分裂机在施工中是较好的选择,有其独到的优点和可操作性。4.3内部处理4.3.1掘进过程控制要点盾构直接掘进通过的前提条件是孤石周边地层较好或已进行加固处理,以降低施工安全风险。从经济、进度的角度分析盾构直接掘进通过是较为理想的选择。1)通过孤石前及掘进过程中及时检查更换刀具。2)采用小推力、低扭矩、低转速掘进,并控制好掘进速度。3)掘进参数:总推力1300~1400t,刀盘扭矩120~150tm,掘进速度4~8mm/min。4)采取半土压半气压的掘进模式减少刀具的磨损。5)做好同步注浆和二次补浆。6)加强地面监测,做好注浆加固的应急准备。4.3.2地层爆破质量控制要点人工爆破的目标:将孤石基本分裂成单边小于0.3m的岩块,能通过螺旋机排出。洞内人工爆破施工应遵循以下要点。1)在不稳定的地层中实施爆破,要先进行加固。2)爆破前应先转动刀盘,使开口位置对准孤石位置,减少爆破碎石对刀盘造成的损伤。3)严格遵循“浅孔、密眼、小药量、间隔装药”原则,对于大孤石体可分几次爆破,有效控制爆破震动效应,避免和减少爆破震动对地面建筑及临近隧道造成不利影响。4)起爆后及时通风排烟。通风30min检查确认无安全隐患后,施工人员方可进行清渣。4.3.3静态爆破措施洞内静态爆破施工应遵循以下几点。1)在不稳定的地层中实施静态爆破,要先进行加固。2)爆破前应先转动刀盘,使其开口位置对准孤石位置,便于清理石渣。3)可采取静态爆破剂或岩石分裂机实施静态爆破。4.3.4膨润土注浆注浆在地面加固不具备条件时采取仓内加固。注浆前土仓注满膨润土,注浆过程中每隔30min转动刀盘,防止浆液将刀盘固结。注浆孔布置采用梅花型布置,孔距为1.2m,扩散半径定为0.75m。5地面预处理的质量控制盾构工程中,在可能遇到花岗岩风化地层时应该采取针对性措施,制定应急预案做到安全文明施工。在地质勘探方面钻探孔的间距应该更小、更有针对性,尽量揭露孤石的大小及位置,争取能进行恰当的地