復(fù)合土層中孤石探測及處理方案

陳開端

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司,350001,福州∥高級工程師)

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施工技術(shù)

復(fù)合土層中孤石探測及處理方案

陳開端

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司,350001,福州∥高級工程師)

針對福州地區(qū)工程地質(zhì)實(shí)際,采用“微動探測加地質(zhì)鉆機(jī)驗(yàn)證”探尋孤石,該方法成功率一般能夠達(dá)到60%～80%,且費(fèi)用低。應(yīng)用阿特拉斯地質(zhì)鑿巖機(jī)進(jìn)行“20～30 cm間距密打孔,打成篩狀”的方法處理廣泛分布片狀孤石群,其巖石破碎處理速度快、占地小、效果明顯,且價(jià)格低廉,處理后能夠保證盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)通過。

地鐵隧道； 復(fù)合土層; 孤石; 微動探測

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

福州地區(qū)一般地質(zhì)情況表明,在13a殘積土、14c全風(fēng)化、15c或16c強(qiáng)風(fēng)化基巖層中零星分布有孤石(球狀風(fēng)化體),直徑大者超過1 m,風(fēng)化程度一般以中風(fēng)化為主。由于孤石體量小且與其周圍圍巖(以殘積土為主)的強(qiáng)度相差巨大,因此不易被鉆探發(fā)現(xiàn)。受孤石的影響,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中瞬間荷載突然加大,將導(dǎo)致產(chǎn)生如下問題:①掘進(jìn)非常困難并頻繁卡刀盤;②盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制;③盾構(gòu)機(jī)刀具磨損非常嚴(yán)重,刀座、刀盤變形嚴(yán)重;④掘進(jìn)振動大,對保護(hù)地面建(構(gòu))筑物不利等。

孤石的發(fā)育無明顯規(guī)律性,埋藏及分布也較為隨機(jī),很難通過地質(zhì)鉆探探明其分布情況。受場地條件及多種場源干擾限制,采用常規(guī)地震方法及電法類的地球物理勘探方法查找孤石的效果有限,部分物探方法達(dá)不到預(yù)期效果。結(jié)合福州地區(qū)實(shí)際情況,微動技術(shù)是探測孤石效果準(zhǔn)確且效率高的方法。通過分析物探地質(zhì)剖面判斷孤石存在的可能性,再利用地質(zhì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

1 微動探測方法原理

微動剖面探測是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法,其工作原理可用圖1所示流程圖表示。

圖1 視S波速度剖面獲取流程圖

采用類空間自相關(guān)法(SPAC)從微動臺陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線,計(jì)算視S波速度Vx,再經(jīng)插值光滑計(jì)算獲得二維視S波速度剖面。視S波速度剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化,是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。HV(H——垂直，V——水平)曲線是各分量進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜,通過水平分量和垂直分量的頻譜比值得到,工作原理如圖2流程圖所示。HV曲線反映的是地層的波阻抗界面,也是尋找土層的分界面依據(jù)之一。HV曲線探測深度為地面以下10～40 m,探測范圍分試驗(yàn)段和推廣段。

圖2 HV曲線獲取流程圖

觀測系統(tǒng)采用圓形陣列(如圖3所示)每個(gè)圓形陣列由放置于五角形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)擺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,五角形頂點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離稱為觀測半徑R。

圖3 微動圓形臺陣觀測系統(tǒng)示意圖

2 工程概況

三臚盾構(gòu)區(qū)間基本沿福峽路走向,在里程約SK 23+000以后偏離福峽路拐入臚雷站。盾構(gòu)區(qū)間平面圖如圖4所示。現(xiàn)福峽路寬約35 m,道路中央設(shè)有綠化帶,周邊主要規(guī)劃為居住及商業(yè)辦公用地。沿道路兩側(cè)為拆遷工地、基建工地、2～3層居民樓及廠房等。區(qū)間為全地下盾構(gòu)區(qū)間,上下行線各有兩段平面曲線,曲線半徑均為450 m,線間距最大為14.8 m左右,最小約為12 m;縱斷面為V型坡,最大縱坡25‰、最小縱坡3‰,區(qū)間隧道覆土最大厚度15.0 m、最小厚度9.3 m。在里程SK 22+450處設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道兼排水泵房。聯(lián)絡(luò)通道兼排水泵房在平面線型上處于直線段,線間距12.0 m,聯(lián)絡(luò)通道上覆土層厚度約14.6 m。在SK 22+770處設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道,聯(lián)絡(luò)通道在平面線型上處于緩和曲線段,線間距12.0 m,上覆土層厚度約15.9 m。。

圖4 三臚區(qū)間隧道平面圖

3 孤石及基巖突起探測過程

3.1 孤石區(qū)域的初步判斷

根據(jù)《盾構(gòu)區(qū)間詳勘報(bào)告》,本區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)涉及31層淤泥、4層粉質(zhì)黏土、④J層淤泥質(zhì)土、51層淤泥質(zhì)土、51-J層砂夾黏土、12A坡積黏性土、13A殘積黏性土、13A-J孤石、14C全風(fēng)化凝灰熔巖、15C散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、16C碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、16C-J孤石、17C中風(fēng)化凝灰熔巖。結(jié)合《區(qū)間加密孔鉆探說明》中相關(guān)描述,詳勘鉆孔揭示的孤石(球狀風(fēng)化體)共有2處,其性質(zhì)、大小及其分布情況見表1。同時(shí),局部有強(qiáng)、中風(fēng)化巖層突起,進(jìn)入隧道洞身的基巖突起分布情況見表2。

表1 詳勘孤石(球狀風(fēng)化體)分布情況一覽表

表2 詳勘基巖突起分布情況一覽表

依照以上統(tǒng)計(jì)情況,并深入分析地質(zhì)詳勘報(bào)告,初步判斷本區(qū)間有兩個(gè)區(qū)域存在孤石的可能性較高：區(qū)域一，上行線SK 22+020～SK 22+133或下行線XK 22+021～XK 22+138;區(qū)域二，上行線SK 22+738～SK 23+037或下行線XK 22+753～XK 23+045。

3.2 試驗(yàn)段探測工作布置

采集選取盾構(gòu)區(qū)間上行線SK 22+849.0～SK 23+015.7區(qū)段和下行線XK 22+822.3～XK 22+991.8區(qū)段,共336.2 m長度作為試驗(yàn)段。在地鐵上下行隧道中心線布設(shè)測線,測線上間隔5 m布設(shè)觀測臺陣,共需布置約68個(gè)臺陣測點(diǎn)。

采用圓形陣列,臺陣半徑大小初步定為2.5 m,可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)最終選擇合適的半徑,每個(gè)觀測臺陣設(shè)置6個(gè)三分量檢波器。測試時(shí)對資料先進(jìn)行初步分析,對因車輛干擾大、未正常記錄的數(shù)據(jù)重測。對有異常區(qū)段加密測試。最終探測成果為視S波速度剖面圖、HV曲線和成果報(bào)告。

3.3 孤石判斷及探明

研究整個(gè)區(qū)間物探地質(zhì)成果,劃定不存在球狀風(fēng)化的安全區(qū)及圈定異常區(qū)。關(guān)注HV曲線的峰值頻率f0和幅值A(chǔ)0,通過HV曲線結(jié)合頻散曲線反演計(jì)算分層速度結(jié)構(gòu),同時(shí)特別關(guān)注HV類型中雙峰型、前臺階型、后臺階型的測點(diǎn)。綜合考慮二維剖面異常速度體、測點(diǎn)HV類型、S波諧振頻率f0、HV幅值A(chǔ)0,判斷是否存在孤石。微動方法探測發(fā)現(xiàn)的異常點(diǎn)不能保證完全為球狀風(fēng)化體,但可以劃分不存在異常的安全區(qū)域;對異常區(qū)初步判斷出存在孤石的部位，再采取地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證是否存在孤石,不是孤石則可起到排除的作用,則該段可劃為安全區(qū);若驗(yàn)證有孤石,則在周圍加密鉆孔,進(jìn)一步確定孤石大小,最終形成孤石物探報(bào)告,為盾構(gòu)掘進(jìn)提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 微動探測成果及追加地質(zhì)驗(yàn)證

4.1 微動探測結(jié)合地質(zhì)鉆機(jī)探測成果

采用微動探測技術(shù)對700～815環(huán)進(jìn)行探測,發(fā)現(xiàn)圍擋區(qū)域內(nèi)為基巖突起最大區(qū)域(705～725環(huán)),亦是孤石分布最廣泛的區(qū)域,此外,除繼續(xù)追加探測700～733環(huán)范圍內(nèi)基巖突起外,另外追加建議探測5個(gè)點(diǎn)位,分別為S7(727環(huán)-1.4 m)、S11(742環(huán)+0.5 m)、S13(751環(huán))、S15(759環(huán))、S19(775環(huán))。采用地質(zhì)鉆機(jī)隊(duì)對以上5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行驗(yàn)證分析,除S19點(diǎn)位因?yàn)榈叵翫N 1 000自來水管線外,另外4個(gè)點(diǎn)位均發(fā)現(xiàn)有孤石存在。微動探測成果圖如圖5及圖6所示。

圖5 三臚區(qū)間上行線(700～815環(huán))HV等值線圖

圖6 三臚區(qū)間上行線(700～815環(huán))面波頻散速度等值線圖

4.2 追加地質(zhì)鉆探驗(yàn)證孤石

根據(jù)微動探測成果及阿特拉斯判別成果,采用地質(zhì)小鉆機(jī)在里程SK 22+857.6～SK 22+968.9范圍內(nèi)共施工8個(gè)地質(zhì)鉆孔，其編號為Q19XZB1～Q19XZB8。

根據(jù)地質(zhì)驗(yàn)證孔揭示巖層面標(biāo)高,沿地鐵隧道縱向連線,并與原祥勘報(bào)告中巖層面進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)本區(qū)域巖層突起異常嚴(yán)重,最高突起4.7 m,最低突起0.8 m,并在8個(gè)驗(yàn)證孔中有4個(gè)驗(yàn)證孔發(fā)現(xiàn)不同大小的孤石。詳勘、補(bǔ)勘揭示的巖層面對比圖如圖7所示。

圖7 詳勘、補(bǔ)勘揭示的巖層面對比圖

5 孤石和出露較高巖面的處理方案

5.1 調(diào)整線路縱坡

考慮本區(qū)域地質(zhì)情況非常復(fù)雜,且地層缺失非常嚴(yán)重,如地質(zhì)補(bǔ)勘孔Q19XZB1～5揭示31淤泥層層底深度分別為16.8 m和16.9 m。在31淤泥層下方直接為進(jìn)入強(qiáng)度非常高的18c微風(fēng)化熔巖,單軸抗壓強(qiáng)度接近150 MPa,為典型的上軟下硬地層,且?guī)r層侵入地鐵隧道開挖底標(biāo)高線厚度約為1.8～3.6 m,施工難度非常大,極易造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上漂或地表發(fā)生較大沉降,存在非常大的安全風(fēng)險(xiǎn)。考慮此因素,會同業(yè)主、設(shè)計(jì)單位,在可行的情況下,將地鐵隧道縱坡面從施工圖中的原3‰調(diào)整為19‰,這樣能夠很大程度上避開突起的基巖面。調(diào)線坡后縱斷面對比圖如圖8所示。

圖8 調(diào)線調(diào)坡后縱斷面對比圖

5.2 對未避開孤石及基巖處理措施

5.2.1 密打孔打碎或成篩

調(diào)整地鐵隧道縱坡一定程度上解決了很大的基巖突起問題,但是因?yàn)?00～725環(huán)區(qū)域基巖突起太嚴(yán)重,仍然有較大的一部分基巖及大片孤石無法避開。針對此種情況,分析幾次補(bǔ)勘及阿特拉斯判別情況,認(rèn)為孤石的粒徑為0.4～1.5 m不等,強(qiáng)度為17c中風(fēng)化巖石,少數(shù)為18c微風(fēng)化巖石。提出如下處理方案:沿隧道縱向,在地面采用阿特拉斯密打孔,30 cm間距梅花形布孔,打孔深度為隧道開挖深度+0.5 m,將巖石打碎或成篩,利用盾構(gòu)機(jī)刀盤配置的9把滾刀及一些貝殼刀破巖,促使盾構(gòu)機(jī)順利通過。密打孔平面、剖面示意圖如圖9所示。

圖9 密打孔平面、剖面示意圖

5.2.2 注漿填孔

因地面打孔施工造成地面孔洞較多,而且非常致密,如圖9所示。為保證盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)，能夠正常保壓及掘進(jìn)施工，針對以上情況,采用雙液注漿的形式對鉆孔進(jìn)行封堵。

注漿目的為填塞所有鉆孔孔位,考慮孔位較密,不用每孔注漿。確定注漿原則為:先外圍后中間,同排隔孔注漿,間距60 cm；鄰排錯開注漿。注漿填孔加固范圍為隧道外側(cè)1 m寬,隧道底下1 m深,上直至地面。注漿漿液為水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力、漿液配比等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定,并根據(jù)試驗(yàn)調(diào)整相應(yīng)的注漿孔間距。

注漿水泥為普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級為P42.5。注漿參數(shù)擬定為:注漿壓力0.3～0.5 MPa,流量15～20 L /min,漿液水灰比0.8～1,單位水泥注入量100～150 kg/m。水泥漿與水玻璃比例擬定為1∶0.5。

5.2.3 14孔軍用光纜管線下方未探明孤石及基巖突起的處理

對孤石所在位置上部存在14孔軍用光纜等障礙物，由于無法鉆豎直孔,且鉆孔需與水管等障礙物保持一定的安全距離,因此,需通過阿特拉斯設(shè)備鉆斜孔的方法施工。參照圖10進(jìn)行施工。

圖10 地面打斜孔示意圖

5.3 未探明孤石處理

對于鉆探未發(fā)現(xiàn)、盾構(gòu)施工遇到的球狀風(fēng)化體弧石及基巖突起,采用盾構(gòu)機(jī)自身切削破碎或人工進(jìn)入工作面實(shí)施靜態(tài)爆破,將石塊取出。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的孤石探測技術(shù)的盲目性相比較而言,“微動探測+地質(zhì)鉆機(jī)驗(yàn)證”探尋孤石方法的成功率一般能夠達(dá)到60～80%,且費(fèi)用低(能控制在900元/m以內(nèi));通過阿特拉斯地質(zhì)鑿巖機(jī)采用“20～30 cm間距密打孔,打成篩狀”的方法處理廣泛分布的片狀孤石群效果明顯,不僅速度快、占地小,巖石破碎處理速度可達(dá)到0.7～1.1 m/d,而且價(jià)格低廉,費(fèi)用能夠控制在16 000元/m以內(nèi)。

[1] 廖鴻雁.復(fù)合地層盾構(gòu)技術(shù)——廣州地鐵盾構(gòu)工程的探索與實(shí)踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 竺維彬,鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[4] 竺維彬,鞠世健,史海歐.廣州地鐵3號線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究所[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,2007.

[5] 李乾.地鐵盾構(gòu)法隧道孤石工程分類及處理對策[J].都市快軌交通,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)