轨道交通基岩标结构设计和施工质量控制

2014-06-28王小维吴春开刘全海朱建华

城市勘测 2014年6期

王小维，吴春开，刘全海，朱建华

(1.常州市测绘院，江苏常州 213003;2.江苏常州地质工程勘察院，江苏常州 213000)

1 引言

常州市位于长江三角洲地区，由于受地下水开采、地层岩性结构、水文地质条件、土体特性、固结历史等综合因素的影响，地面沉降对城市防汛、基础设施安全运营产生了长期的严重影响。轨道交通建设是投资额大、影响面广的一项民生工程。1 号线全长约42 km，穿越主城地面沉降漏斗区。其高程控制测量对起算数据精度要求高，对沿线地面沉降控制要求严格，在工程的建设与运营过程中，均要有稳定、可靠的高程基准。基岩水准标(简称基岩标)通过钻探的方法而埋设在地下完整基岩上，可以避免由于地下水开采、地面沉降等因素而带来的不利影响，是现代高程测绘基准。为了提高轨道交通高程控制测量精度、建设质量、运维管理、地面沉降监测以及建立新的常州市高程基准，常州市测绘院在轨道交通1 号线沿线建设了三座深层基岩标，对其结构进行了详细设计，对施工工艺及关键技术进行了全过程的质量控制。

2 基岩标结构设计

基岩标结构是施工建设、材料选用的基础，必须重视基岩标结构设计。

2.1 基岩标钻孔结构设计

收集城市相关规划设计、地质资料，确定钻孔位置和钻孔工艺。确定钻孔终孔孔径为300 mm，基岩面以下地层内，钻孔孔径为110 mm。

2.2 基岩标深度确定

根据已有的地质资料，初步确定基岩标的深度，要求标杆埋设在新鲜、完整基岩内，基岩标底的埋设位置在基岩面以下不少于5 m，具体位置按实际地质情况与相关专家共同确定。

2.3 基岩标标体结构设计

基岩标标体结构设计由保护装置(保护管)、引测装置(标杆)、导正装置(扶正器)、标底装置和地面装置5 大主要结构组成，基岩标标底须与基岩固结成一体，保证其稳固、可靠、永久，组成结构如图1 所示。

图1 基岩标结构示意图

(1)保护装置

保护管置于钻孔内，由水泥浆与基岩固结，其作用是保护引测装置，尽可能地减小周围土层对标杆的影响。基岩标保护管采用Ф168×8 mm地质专用钢管。

(2)引测装置

标杆及其配置的合理性直接影响基岩标整体的稳定性与精确性。基岩标标杆采用四级宝塔结构设计，材质用DZ40 地质无缝钢管。根据材料力学原理，按“九五分割”法确定的分段长度使其整体稳定性最好，规格自下而上分别为Ф108、Ф73、Ф50、Ф42，底部灌注水泥浆与新鲜完整基岩固结成一体。

(3)导正装置

扶正器不仅起导正作用，又能使标杆导直和在保护管内居中，同时也使保护管与标杆的作用相互独立，采用自加工的三向转动不锈钢轮式扶正器，按力学原理计算标杆每5 m间隔安装一个扶正器．

(4)标底装置

标底装置保证引测装置底部与新鲜完整基岩紧密接触并固结成一体。基岩标标底设置托盘管靴，将预制的标底埋入新鲜完整基岩体内，并用定量水泥将标底与基岩固结成一体。

(5)地面装置

在引测标杆上设主标测点，在保护管上设副标测点，在离主标5 m范围内设地表沉降点，主标、副标及地面监测点的测量成果可分析基岩标的质量。

3 基岩标施工工艺及关键技术解决

3.1 地质勘探

(1)野外勘探

以基岩标孔作为地质勘探孔，终孔孔径φ110。全孔取芯钻进，全孔岩芯采取率≥85%，粘性土按2.5 m间距采取原状土样，砂性土按层次取扰动样。

地质勘探孔开孔，用φ110 取芯钻具及导向装置利用钻具自重取芯钻进至新鲜基岩3 m。钻进过程中，每20 m测量孔斜及丈量钻具校正孔深，保证百米孔斜不超过0.5°，终孔孔斜不超过1°，终孔孔深误差不超过10 cm。整个施工过程中采用低固相优质泥浆连续施工至终孔。

(2)室内测试

在常规物理测试和剪切试验的基础上，加强土体的压缩性试验，绘制e－logP 曲线，并提供先期固结压力。

(3)资料分析及成果评价

根据勘探测试结果提供单孔综合柱状图，并对各工程地质层的强度、压缩性进行分析评价，为基岩标标底位置的确定提供依据。

3.2 基岩标成孔及安装

(1)成孔施工

①钻孔

在地质勘探孔的基础上，以小口径钻孔为基准孔，采用φ200/φ110、φ300/φ200 超前导向式钻头利用钻具自重扩孔成孔，并采用低固相优质泥浆护壁，保证钻进安全及防止坍孔和缩径。

②垂直度控制

为保证成孔的垂直度，在φ200/φ110 扩孔过程中，每20 m 间隔测量孔斜，每达100 m 孔斜不超过0.5°，发现超出0.5°标准及时纠偏。

(2)保护管安装

扩孔结束后，捞净孔底沉渣，按放φ168 地质钢管作保护管，确定与扩孔孔深相符后，下φ50 钻杆开始注入按计算量搅拌好的水泥浆，管外浆高5 m。注浆后，提起φ50 钻杆换浆，此时单向阀关闭，水泥浆无法回流，及时将保护管插入孔底，待凝固后透孔。外部按设计要求立即回填止水。

(3)透孔

孔内水泥凝固后，用带导向的φ110 钻具钻进至新鲜基岩不少于5 m。

(4)标杆安装

对上主动钻杆用钻机加压，使标底装置与岩面严密接触。标杆部位安装扶正器，扶正器与保护管接头最小内径的半径间隙不大于2 mm。压标后，安放(连接)杆头和副标头，并在保护管及标杆内灌入蒽油至含水层。

4 基岩标施工质量控制

基岩标建设投资大，作用深远，怎样控制好质量是关键所在。基岩标是隐蔽、长期工程，标体结构在设计上科学、合理外，施工技术与方法也是重要的控制环节，要求标底地层层位准确、钻孔结构合理、钻孔轴线垂直和标体安装可靠。

4.1 基岩面的判断

为确保基岩面的判断准确，会同有关专家，要综合考虑地质、钻进、岩样的风化及渐变、岩性符合等情况，结合基岩物力检测数据，以准确判断基岩面和确定基岩标底的深度。

4.2 标孔垂直度的质量控制

标孔的防斜采取以下防范措施:①地基应平整、夯实，确保钻塔、钻机立轴中心及孔口三点一线;②钻杆、钻具应保持平直度，弯曲度小;③采用加长钻具、出刃小的钻头、轻压、小泵量钻进;④加密测斜，及时正确了解钻孔垂直度，以便随时采取适当的工艺参数保证孔斜度符合设计要求;⑤采用低固相优质泥浆护孔、清孔，每个回次保证孔底岩粉及时排除干净，以防造成孔斜。

4.3 保护管的质量控制

为保证保护管的质量采取以下措施:①保护管外回填，根据地质条件，选择回填材料，四周应均匀回填;②基岩标保护管管底确保2 m～3 m有效固结长度，密封胶封胶，用加力杆上紧丝扣，采用壁后注浆固井，进口返上水泥浆，水泥浆加速凝剂，待凝时间不少于72 h;③基岩标保护管应进入新鲜基岩2 m。

4.4 基岩标标体稳定、灵敏度的质量控制

为掌控基岩标标体稳定、灵敏度采取以下措施:①为保证下入实际深度的精度，对接送水快速接头，送水清理孔底，证明已确实将标脚落实在孔底岩石之上;②标脚入新鲜基岩深度不小于5 m;③滚轮扶正器半径之尺寸与套管接箍内径之半径间隔保证在1.5 mm～2 mm范围内;为保证整个扶正器的同心度，钢制支架在制作中销轴之中心与支架底部的尺寸应通过精加工来保证在同一精度。

4.5 防锈措施

为保证基岩标长久、稳定，对钢材防锈采取以下措施:①依据地下水条件，保护管及标杆内蒽油灌注至含水层;②标杆扶正器销轴、滚轮选用不锈钢材质，外镀防锈漆。

5 基岩标建设案例与分析

常州市轨道交通1 号线3 个基岩标经过3 个多月施工，于2013年12月中旬全部建成，覆盖层、基岩层孔经分别按φ300、φ200、φ110 施工，终孔孔斜分别为0.5°、0.4°、0.3°，基岩标标底位置深度分别为235 m、208 m和135 m，均满足设计要求;固井使用的水泥、水灰比合理，灌注的水泥浆量精确无误、灌注后凝固时间充足，保护管及标杆材质、尺寸、壁厚符合设计要求，地面装置部分设计美观、实用。

经过近半年的监测结果表明，最大沉降变形为1.2 mm，基岩标稳定性良好。