某新建高速铁路膨胀(岩)土地段施工方法探讨

2016-12-30徐新鹏

铁道勘察 2016年6期

关键词：角砾岩凝灰岩护壁

徐新鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

某新建高速铁路膨胀(岩)土地段施工方法探讨

徐新鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

膨胀(岩)土是自然地质过程中形成的一种具有胀缩特性的地质体，具吸水膨胀软化、失水收缩开裂并且反复变形的特性。膨胀(岩)土反复胀缩降低岩土体的工程力学性质，施工过程存在缩径、塌孔现象。以某新建高速铁路桥梁工程为例，阐述强膨胀(岩)土的工程地质特征，结合施工中成桩塌孔等工程地质问题，提出合理的施工方法。

高速铁路膨胀(岩)土塌孔施工方法

膨胀岩是指含较多蒙脱石或硬石膏等亲水矿物，具有遇水体积膨胀、岩质软化，饱水崩解泥化和失水体积收缩、岩体破裂、新鲜岩石在空气中鳞片状剥落的软质岩石；膨胀土是指黏粒成分主要由亲水性矿物蒙脱石、伊利石组成，土体随环境干湿变化，具有吸水显著膨胀、软化、崩解，失水急剧收缩、开裂、硬结，能反复膨胀变形的高液限黏性土。膨胀(岩)土工程性质极不稳定，对构筑物危害较大，详细研究其空间展布及工程地质特征，采取有效防护措施，对于工程施工中缩短工期，提高经济效益大有裨益。某新建高速铁路工程设计时速350 km，最小曲线半径8 000 m，线路经多种方案综合对比，仍无法绕避膨胀(岩)土(膨润土矿)地区，设计采用桥梁的形式短距离通过该段。

1 工程地质特征

1.1 地形地貌

某高速铁路工程位于山地与平原交接地带，沿线地貌类型有平原区、低山丘陵区。膨胀(岩)土发育段(里程DK203+400～DK209+200)为山前斜坡，地形波状平缓起伏，总体呈南高北低微倾，地面高程30～65 m。沿线地表大多辟为耕地，线位两侧为农田及村庄，线路附近分布大量膨润土矿，均为露天开采，地形被人为改造，较为复杂。地表遗留多处膨润土矿坑，可见多个膨润土晾晒场，矿渣成分为全风化、强风化膨润土化凝灰岩及膨润土化火山角砾岩，厚度0.2～14.0 m。由北西往南东方向线位依次经过膨润土矿普查区，膨润土、沸石岩、珍珠岩矿区以及膨润土矿区(见图1)。

图1 膨润土矿区线路平面示意

1.2 水文及气象条件

线路经过地区四季分明，春季干旱，少雨多风；夏季炎热多雨，湿度大；秋季天气晴爽，旱涝不均；冬季干燥，雨雪稀少。根据气象统计资料，沿线多年平均降水量为594～770 mm，年内降水集中在6～9月，占年降水量的70%～80%；多年平均蒸发量为1 600～2 300 mm，3～6月占全年蒸发量的50%以上。按对铁路工程影响的气候分区属温暖地区。沿线跨越大小河流众多，河流水量随季节变化明显，旱季时多数河流水量较小，甚至断流，雨季河水涨暴。地下水类型为第四系孔隙水及基岩裂隙水，勘测期间地下水位埋深2.10～31.10 m(高程15.50～60.77 m)。地下水主要受大气降水及径流补给，排泄方式主要为蒸发及人工抽取地下水，水位季节变化幅度3～5 m。

1.3 地质概况

(1)地层岩性

本区勘探范围内浅部土层为第四系全新统人工堆积层杂填土、素填土和填筑土，上更新统坡洪积层粉质黏土、粉土及砂类土，下部基岩为白垩系下统青山组凝灰岩、火山角砾岩、膨润土化的凝灰岩和火山角砾岩以及少量泥岩(见图2)。

图2 研究区地层柱状图

下部基岩为一套白垩系下统青山组(K1q)火山角砾岩、火山碎屑岩，凝灰岩颜色随风化程度不同改变，主要为青灰色、紫灰色，少量黄灰色、灰褐色、灰白色，凝灰结构，块状构造，成分以火山碎屑、火山灰及石英为主；火山角砾岩为紫灰色、青灰色、灰褐色，碎屑结构，块状构造，全风化-弱风化，成分以火山角砾、火山灰及石英为主。

膨润土化凝灰岩为灰白色、灰绿色、紫灰色，全风化-强风化，残余凝灰结构，块状构造，主要成分以黏土矿物为主，膨润土化，遇水易软化、崩解，层厚0.60～53.2 m；膨润土化火山角砾岩为灰白色、紫褐色，强风化，火山角砾结构，块状构造，主要成分以黏土矿物为主，膨润土化，遇水易软化、崩解，层厚0.90～60.0 m。

(2)构造

区内构造以大里程处晚更新世晚期—全新世早期NE向活动断裂为主，断裂部位基岩出露，切割白垩系青山组火山岩地层，断裂破碎带内发育强烈碎裂岩化及构造角砾岩，发育断面及擦痕，为强烈的挤压破碎带，形成多个形态不规则的膨润土矿。

(3)矿体地质

勘察资料显示，膨润土矿集中在活动断裂带西侧，受活动断裂带影响产生多个构造破碎带，并形成多个不规则状、陡立的膨润土矿体及矿化体，深度可达60 m以下，向浅部延伸至地表(见图3)。矿体矿化不均匀，局部破碎带矿化强烈，矿体自顶板向下蒙脱石化逐渐增强，与围岩呈渐变过渡关系。主要膨胀性矿物成分为蒙脱石、沸石，含少量伊利石、绿泥石，具蜡状或油脂光泽。膨润土矿赋存于中、新生代陆相火山-沉积盆地中，可能是由酸性火山碎屑岩，尤其酸性玻璃质碎屑岩，在地表低温低压富水碱性环境下，经化学风化或在地下水作用下发生强烈蒙脱石化外生蚀变的产物。

图3 膨胀(岩)土地区工程地质纵断面示意(单位：m)

野外矿坑显示矿体与围岩接触界限截然清晰(见图4)，破碎带外围凝灰岩呈块状，岩体完整，强度较高，下部膨润土化凝灰岩中残留较多角砾状凝灰岩碎块，多风化蚀变，强度低，工程性质差。

(4)膨胀(岩)土工程特征

对该段内强风化及全风化凝灰岩、火山角砾岩进行了系统取样，测定了自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量等主要膨胀性指标(见表1)。平均自由膨胀率可达60%，最大可达91%；蒙脱石平均含量高达81.4%，最大为119.35%。根据《铁路工程特殊岩土勘察规范》判别3项指标，除HP1513指标偏低不具代表性外，其余岩样均达到强膨胀(岩)土标准。

图4 膨润土矿坑剖面野外照片(距线位左侧约20 m)

表1 岩样膨胀性指标一览

注：取样以全风化凝灰岩为主，按膨胀土类别详判，依据为《铁路工程特殊岩土勘察规范》(TB10038—2012)。

勘探期间存在钻机漏浆、塌孔现象，采用钢护筒+水泥浆成孔，主要集中在410号～417号墩的强风化膨润土化凝灰岩中。岩芯取出时呈块状，蜡状光泽，指甲掐有挠性，裂隙中充填灰白色、灰绿色等富含蒙脱石物质，遇水时有滑腻感，长期暴露在空气中强度迅速降低，崩解至碎块状、粉末状。

综合考虑膨胀(岩)土发育规模，结合勘探数据及野外观测点情况，将此段膨胀(岩)土定为强膨胀性。

2 施工存在的问题

施工过程中发现，本段(324号～493号墩)地下水非常丰富，且地下水水位不稳定，钻孔桩施工过程中塌孔非常严重，主要集中在膨润土化凝灰岩、膨润土化火山角砾岩且地下水丰富部位。对此，现场采用多种成孔方案进行试验(见表2)。

通过前期钻孔试验，现场施工主要表现为以下三种情况：塌孔严重无法成孔；下钢筋笼后塌孔，钢筋笼被埋；在灌注混凝土时塌孔，形成废桩。易塌孔地段已灌注的钻孔桩出现了不同程度的塌孔，均是混凝土灌注前塌孔0.5～2.0 m。现场用吊车将钢筋笼和导管整体掉出，旋挖钻掏渣，整体下钢筋笼和导管，立即灌注混凝土，混凝土均出现超方，最大超方量9 m3，且第三方检测单位也提出桩基扩径严重。

表2 不同成孔方案现场出现的问题一览

3 处理方案对策

目前对于膨胀(岩)土地区施工中的缩径、塌孔现象，处理方案主要为泥浆护壁、人工造浆护壁，主要着眼于造浆质量及施工工艺流程。经反复摸索发现，在成桩过程中，先用旋挖机钻至膨润土化凝灰岩易塌孔部位，再向钻桶外边缘投入大量片石，然后无进尺旋挖，让片石受挤压进入钻孔侧壁，从而达到挤密钻孔侧壁的效果，可有效降低钻孔侧壁胀缩塌孔的几率。采用钢护筒护壁也被证明具有较好的施工效果，施工时采用钢丝绳悬吊，使护筒固定在塌孔处，并在成孔后浇筑混凝土时取出护筒，也能有效防止塌孔。二者成为目前效果较好的两种施工方案。