复合土层中孤石探测及处理方案

陈开端

(福州市城市地铁有限责任公司,350001,福州∥高级工程师)



施工技术

复合土层中孤石探测及处理方案

陈开端

(福州市城市地铁有限责任公司,350001,福州∥高级工程师)

针对福州地区工程地质实际,采用“微动探测加地质钻机验证”探寻孤石,该方法成功率一般能够达到60%～80%,且费用低。应用阿特拉斯地质凿岩机进行“20～30 cm间距密打孔,打成筛状”的方法处理广泛分布片状孤石群,其岩石破碎处理速度快、占地小、效果明显,且价格低廉,处理后能够保证盾构机顺利掘进通过。

地铁隧道； 复合土层; 孤石; 微动探测

Author′s address Fuzhou Urban Metro Co,.Ltd.,350001,Fuzhou,China

福州地区一般地质情况表明,在13a残积土、14c全风化、15c或16c强风化基岩层中零星分布有孤石(球状风化体),直径大者超过1 m,风化程度一般以中风化为主。由于孤石体量小且与其周围围岩(以残积土为主)的强度相差巨大,因此不易被钻探发现。受孤石的影响,在盾构掘进过程中瞬间荷载突然加大,将导致产生如下问题:①掘进非常困难并频繁卡刀盘;②盾构机姿态难以控制;③盾构机刀具磨损非常严重,刀座、刀盘变形严重;④掘进振动大,对保护地面建(构)筑物不利等。

孤石的发育无明显规律性,埋藏及分布也较为随机,很难通过地质钻探探明其分布情况。受场地条件及多种场源干扰限制,采用常规地震方法及电法类的地球物理勘探方法查找孤石的效果有限,部分物探方法达不到预期效果。结合福州地区实际情况,微动技术是探测孤石效果准确且效率高的方法。通过分析物探地质剖面判断孤石存在的可能性,再利用地质钻孔进行验证。

1 微动探测方法原理

微动剖面探测是一种基于微动台阵探测的地球物理探测方法,其工作原理可用图1所示流程图表示。

图1 视S波速度剖面获取流程图

采用类空间自相关法(SPAC)从微动台阵记录中提取瑞雷波频散曲线,计算视S波速度Vx,再经插值光滑计算获得二维视S波速度剖面。视S波速度剖面能客观、直观地反映地层岩性变化,是地质解释的基本依据。HV(H——垂直，V——水平)曲线是各分量进行傅里叶变换得到频谱,通过水平分量和垂直分量的频谱比值得到,工作原理如图2流程图所示。HV曲线反映的是地层的波阻抗界面,也是寻找土层的分界面依据之一。HV曲线探测深度为地面以下10～40 m,探测范围分试验段和推广段。

图2 HV曲线获取流程图

观测系统采用圆形阵列(如图3所示)每个圆形阵列由放置于五角形顶点和中心点的6个摆和数据采集系统组成,五角形顶点到中心点的距离称为观测半径R。

图3 微动圆形台阵观测系统示意图

2 工程概况

三胪盾构区间基本沿福峡路走向,在里程约SK 23+000以后偏离福峡路拐入胪雷站。盾构区间平面图如图4所示。现福峡路宽约35 m,道路中央设有绿化带,周边主要规划为居住及商业办公用地。沿道路两侧为拆迁工地、基建工地、2～3层居民楼及厂房等。区间为全地下盾构区间,上下行线各有两段平面曲线,曲线半径均为450 m,线间距最大为14.8 m左右,最小约为12 m;纵断面为V型坡,最大纵坡25‰、最小纵坡3‰,区间隧道覆土最大厚度15.0 m、最小厚度9.3 m。在里程SK 22+450处设一处联络通道兼排水泵房。联络通道兼排水泵房在平面线型上处于直线段,线间距12.0 m,联络通道上覆土层厚度约14.6 m。在SK 22+770处设一处联络通道,联络通道在平面线型上处于缓和曲线段,线间距12.0 m,上覆土层厚度约15.9 m。。

图4 三胪区间隧道平面图

3 孤石及基岩突起探测过程

3.1 孤石区域的初步判断

根据《盾构区间详勘报告》,本区间盾构推进涉及31层淤泥、4层粉质黏土、④J层淤泥质土、51层淤泥质土、51-J层砂夹黏土、12A坡积黏性土、13A残积黏性土、13A-J孤石、14C全风化凝灰熔岩、15C散体状强风化凝灰熔岩、16C碎裂状强风化凝灰熔岩、16C-J孤石、17C中风化凝灰熔岩。结合《区间加密孔钻探说明》中相关描述,详勘钻孔揭示的孤石(球状风化体)共有2处,其性质、大小及其分布情况见表1。同时,局部有强、中风化岩层突起,进入隧道洞身的基岩突起分布情况见表2。

表1 详勘孤石(球状风化体)分布情况一览表

表2 详勘基岩突起分布情况一览表

依照以上统计情况,并深入分析地质详勘报告,初步判断本区间有两个区域存在孤石的可能性较高：区域一，上行线SK 22+020～SK 22+133或下行线XK 22+021～XK 22+138;区域二，上行线SK 22+738～SK 23+037或下行线XK 22+753～XK 23+045。

3.2 试验段探测工作布置

采集选取盾构区间上行线SK 22+849.0～SK 23+015.7区段和下行线XK 22+822.3～XK 22+991.8区段,共336.2 m长度作为试验段。在地铁上下行隧道中心线布设测线,测线上间隔5 m布设观测台阵,共需布置约68个台阵测点。

采用圆形阵列,台阵半径大小初步定为2.5 m,可根据现场试验最终选择合适的半径,每个观测台阵设置6个三分量检波器。测试时对资料先进行初步分析,对因车辆干扰大、未正常记录的数据重测。对有异常区段加密测试。最终探测成果为视S波速度剖面图、HV曲线和成果报告。

3.3 孤石判断及探明

研究整个区间物探地质成果,划定不存在球状风化的安全区及圈定异常区。关注HV曲线的峰值频率f0和幅值A0,通过HV曲线结合频散曲线反演计算分层速度结构,同时特别关注HV类型中双峰型、前台阶型、后台阶型的测点。综合考虑二维剖面异常速度体、测点HV类型、S波谐振频率f0、HV幅值A0,判断是否存在孤石。微动方法探测发现的异常点不能保证完全为球状风化体,但可以划分不存在异常的安全区域;对异常区初步判断出存在孤石的部位，再采取地质钻孔验证是否存在孤石,不是孤石则可起到排除的作用,则该段可划为安全区;若验证有孤石,则在周围加密钻孔,进一步确定孤石大小,最终形成孤石物探报告,为盾构掘进提供指导依据。

4 微动探测成果及追加地质验证

4.1 微动探测结合地质钻机探测成果

采用微动探测技术对700～815环进行探测,发现围挡区域内为基岩突起最大区域(705～725环),亦是孤石分布最广泛的区域,此外,除继续追加探测700～733环范围内基岩突起外,另外追加建议探测5个点位,分别为S7(727环-1.4 m)、S11(742环+0.5 m)、S13(751环)、S15(759环)、S19(775环)。采用地质钻机队对以上5个点位进行验证分析,除S19点位因为地下DN 1 000自来水管线外,另外4个点位均发现有孤石存在。微动探测成果图如图5及图6所示。

图5 三胪区间上行线(700～815环)HV等值线图

图6 三胪区间上行线(700～815环)面波频散速度等值线图

4.2 追加地质钻探验证孤石

根据微动探测成果及阿特拉斯判别成果,采用地质小钻机在里程SK 22+857.6～SK 22+968.9范围内共施工8个地质钻孔，其编号为Q19XZB1～Q19XZB8。

根据地质验证孔揭示岩层面标高,沿地铁隧道纵向连线,并与原祥勘报告中岩层面进行对比分析,发现本区域岩层突起异常严重,最高突起4.7 m,最低突起0.8 m,并在8个验证孔中有4个验证孔发现不同大小的孤石。详勘、补勘揭示的岩层面对比图如图7所示。

图7 详勘、补勘揭示的岩层面对比图

5 孤石和出露较高岩面的处理方案

5.1 调整线路纵坡

考虑本区域地质情况非常复杂,且地层缺失非常严重,如地质补勘孔Q19XZB1～5揭示31淤泥层层底深度分别为16.8 m和16.9 m。在31淤泥层下方直接为进入强度非常高的18c微风化熔岩,单轴抗压强度接近150 MPa,为典型的上软下硬地层,且岩层侵入地铁隧道开挖底标高线厚度约为1.8～3.6 m,施工难度非常大,极易造成盾构机姿态上漂或地表发生较大沉降,存在非常大的安全风险。考虑此因素,会同业主、设计单位,在可行的情况下,将地铁隧道纵坡面从施工图中的原3‰调整为19‰,这样能够很大程度上避开突起的基岩面。调线坡后纵断面对比图如图8所示。

图8 调线调坡后纵断面对比图

5.2 对未避开孤石及基岩处理措施

5.2.1 密打孔打碎或成筛

调整地铁隧道纵坡一定程度上解决了很大的基岩突起问题,但是因为700～725环区域基岩突起太严重,仍然有较大的一部分基岩及大片孤石无法避开。针对此种情况,分析几次补勘及阿特拉斯判别情况,认为孤石的粒径为0.4～1.5 m不等,强度为17c中风化岩石,少数为18c微风化岩石。提出如下处理方案:沿隧道纵向,在地面采用阿特拉斯密打孔,30 cm间距梅花形布孔,打孔深度为隧道开挖深度+0.5 m,将岩石打碎或成筛,利用盾构机刀盘配置的9把滚刀及一些贝壳刀破岩,促使盾构机顺利通过。密打孔平面、剖面示意图如图9所示。

图9 密打孔平面、剖面示意图

5.2.2 注浆填孔

因地面打孔施工造成地面孔洞较多,而且非常致密,如图9所示。为保证盾构机通过时，能够正常保压及掘进施工，针对以上情况,采用双液注浆的形式对钻孔进行封堵。

注浆目的为填塞所有钻孔孔位,考虑孔位较密,不用每孔注浆。确定注浆原则为:先外围后中间,同排隔孔注浆,间距60 cm；邻排错开注浆。注浆填孔加固范围为隧道外侧1 m宽,隧道底下1 m深,上直至地面。注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆,注浆压力、浆液配比等参数根据现场试验确定,并根据试验调整相应的注浆孔间距。

注浆水泥为普通硅酸盐水泥,强度等级为P42.5。注浆参数拟定为:注浆压力0.3～0.5 MPa,流量15～20 L /min,浆液水灰比0.8～1,单位水泥注入量100～150 kg/m。水泥浆与水玻璃比例拟定为1∶0.5。

5.2.3 14孔军用光缆管线下方未探明孤石及基岩突起的处理

对孤石所在位置上部存在14孔军用光缆等障碍物，由于无法钻竖直孔,且钻孔需与水管等障碍物保持一定的安全距离,因此,需通过阿特拉斯设备钻斜孔的方法施工。参照图10进行施工。

图10 地面打斜孔示意图

5.3 未探明孤石处理

对于钻探未发现、盾构施工遇到的球状风化体弧石及基岩突起,采用盾构机自身切削破碎或人工进入工作面实施静态爆破,将石块取出。

6 结语

与传统的孤石探测技术的盲目性相比较而言,“微动探测+地质钻机验证”探寻孤石方法的成功率一般能够达到60～80%,且费用低(能控制在900元/m以内);通过阿特拉斯地质凿岩机采用“20～30 cm间距密打孔,打成筛状”的方法处理广泛分布的片状孤石群效果明显,不仅速度快、占地小,岩石破碎处理速度可达到0.7～1.1 m/d,而且价格低廉,费用能够控制在16 000元/m以内。

[1] 廖鸿雁.复合地层盾构技术——广州地铁盾构工程的探索与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[3] 竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2005.

[4] 竺维彬,鞠世健,史海欧.广州地铁3号线盾构隧道工程施工技术研究所[M].广州:暨南大学出版社,2007.

[5] 李乾.地铁盾构法隧道孤石工程分类及处理对策[J].都市快轨交通,2007(1):82.

Detection and Processing Options of Boulders in Composite Earth LayerCHEN Kaiduan

Based on landform and geological conditions in Fuzhou area, “microtremor survey and geological rig verification” is adopted to explore the boulders, and the success rate of this method in general could achieve 60% to 80% with rather low cost. The Atlas geological drilling machine is used for dense drilling with 20-30 cm distance, the widespread flake boulder is cut into cribriform. This method features quick processing speed for rock crushing, smaller land occupation and obvious effect. After boulder processing, the shield machine could drive through smoothly.

metro tunnel; composite earth layer; boulder; microtremor survey

TU 943

10.16037/j.1007-869x.2016.05.021

2014-09-23)