風(fēng)化板巖水敏性特征及其基坑施工技術(shù)

鐘文京，權(quán)永華，毛亞軍，黃思宇，朱考飛，張可能

（1.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶401320；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；3.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中南大學(xué)），長(zhǎng)沙410083）

1 引言

我國(guó)的地鐵建設(shè)速度驚人，截至2018年底，全國(guó)大陸運(yùn)營(yíng)軌道交通線路185條，運(yùn)營(yíng)總里程5 761.4km；預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)地鐵總里程將達(dá)到6 000km【1】。緊鄰建（構(gòu)）筑物的地鐵施工是工程中的重難點(diǎn)，尤其在軟巖、砂層等水敏性地層中，地層穩(wěn)定性對(duì)含水量敏感，易發(fā)生變形破壞。板巖作為一種典型的軟巖，分布廣泛，通常具有密集板狀劈理【2】；組成成分以黏土礦物為主【3】。板巖的成分及結(jié)構(gòu)使得其易發(fā)生軟化崩解，體積膨脹，力學(xué)性質(zhì)顯著劣化【4】。在地鐵施工中，板巖地層的基坑施工常面臨遇水敏感、施工控制困難等問(wèn)題，部分學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。崔凱等【5】等通過(guò)室內(nèi)水巖作用試驗(yàn)，揭示了水巖作用下板巖的劣化規(guī)律，探討了板巖的劣化機(jī)理。張可能等【6】對(duì)某泥質(zhì)板巖基坑工程進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究與變形判定分析，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。鄭邦友等【7】對(duì)某車站強(qiáng)風(fēng)化板巖地層基坑施工技術(shù)進(jìn)行了研究。龍海濱【8】針對(duì)某基坑板巖地層特點(diǎn)，對(duì)深基坑的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。風(fēng)化板巖基坑由于工程條件差異，風(fēng)化板巖地層性質(zhì)及其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝的影響有待進(jìn)一步研究。

本文基于長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線水渡河站基坑施工，通過(guò)分析風(fēng)化板巖地層水敏性特性及其對(duì)基坑施工的影響，總結(jié)了基坑鉆孔灌注樁施工工藝。

2 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線一期工程設(shè)18座車站，均為地下車站，水渡河站為該線路最北端的車站，位于萬(wàn)家麗北路與蟠龍路交叉口，車站呈南北向布置，為地下2層島式站臺(tái)車站，外包總長(zhǎng)477.26m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m。車站基坑采用φ1 000mm鉆孔樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方式。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為18.26m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度最深達(dá)23.8m。車站兩端均為盾構(gòu)始發(fā)井，共計(jì)4臺(tái)盾構(gòu)先后始發(fā)，工程量大、施工工期緊張，是全線控制性工點(diǎn)。

車站北端東側(cè)為興隆麗景的地塊，南端西側(cè)為榮盛花語(yǔ)城地塊。基坑施工過(guò)程中需要重視變形控制，防止臨近建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)變形。車站主體結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)管線繁雜，主要有雨污水、給水、燃?xì)狻㈦娏Α④娎|、弱電、路燈等管線，大部分為埋地敷設(shè)，需要控制基坑側(cè)壁變形以防止管線破損。

3 地質(zhì)條件分析

3.1 車站基坑地質(zhì)條件

水渡河站基坑所處地層由上至下為第四系沖積層、全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖。全風(fēng)化板巖為泥質(zhì)成分，巖石風(fēng)化近土狀，原巖結(jié)構(gòu)較清晰，大部分礦物已風(fēng)化變質(zhì)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖塊用手可捏碎。強(qiáng)風(fēng)化板巖為變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，呈碎塊狀及短柱狀，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類。中風(fēng)化板巖為變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，為軟巖，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類。據(jù)巖礦鑒定報(bào)告，中風(fēng)化板巖主要由黏土礦物組成，含少量微粒石英+石英粉砂，風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)松散。風(fēng)化板巖相關(guān)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1風(fēng)化板巖物理力學(xué)性質(zhì)

3.2 風(fēng)化板巖地層水敏性分析

未分化的板巖結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度較高。隨著風(fēng)化程度的加深，風(fēng)化板巖的巖體結(jié)構(gòu)逐漸劣化，巖石中的孔隙逐漸增多，礦物膠結(jié)作用弱化，且風(fēng)化蝕變作用導(dǎo)致部分礦物變質(zhì)，巖石進(jìn)一步劣化。在干燥環(huán)境中，風(fēng)化板巖自穩(wěn)性較好，遇水后強(qiáng)度將急劇下降，其原因主要是孔隙發(fā)育風(fēng)化板巖易吸收水分。水體進(jìn)入巖石中會(huì)和黏土礦物直接作用，部分黏土礦物（如伊利石等）遇水膨脹，水進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層之間，巖石膠結(jié)作用隨之弱化。風(fēng)化板巖長(zhǎng)時(shí)間與水作用，表面及裂隙面出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，巖體質(zhì)量降低，巖體孔隙裂隙逐步擴(kuò)張，在基坑土石方開(kāi)挖中易出現(xiàn)變形過(guò)大。

在車站基坑施工現(xiàn)場(chǎng)取得風(fēng)化板巖樣品，對(duì)巖樣分別進(jìn)行烘干、自然風(fēng)干或保持其天然狀態(tài)等處理，然后放入水中靜置進(jìn)行崩解軟化實(shí)驗(yàn)，記錄崩解時(shí)間。并制備柱狀巖樣測(cè)試軟化系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2風(fēng)化板巖巖樣崩解試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)化板巖地層穩(wěn)定性差，水理性質(zhì)、大變形特性極不利于地鐵工程建設(shè)。板巖具有明顯各向異性，遇水后極易發(fā)生明顯的軟化崩解，崩解指數(shù)與風(fēng)化程度呈正相關(guān)；穩(wěn)定性隨含水量的增大而減小。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)板巖越干燥，其遇水崩解效應(yīng)越強(qiáng)，軟化系數(shù)越小，巖體長(zhǎng)時(shí)間暴露干燥后遇水易在短時(shí)間內(nèi)完全崩解。在車站基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，風(fēng)化板巖極易產(chǎn)生遇水軟化崩解，發(fā)生大變形破壞甚至坍塌，由此引發(fā)強(qiáng)烈地層擾動(dòng)，導(dǎo)致地表不均勻沉降；進(jìn)而可能導(dǎo)致周邊地下管線損壞，建（構(gòu)）筑物傾斜變形甚至倒塌，嚴(yán)重危害地鐵施工及周邊建構(gòu)筑物安全。

在基坑土方開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)加快施工進(jìn)度，風(fēng)化板巖暴露后及時(shí)處理。在長(zhǎng)時(shí)間降雨天氣施工時(shí)，需用防水篷布等材料盡量隔絕雨水對(duì)地層的沖刷，盡量控制風(fēng)化板巖遇水軟化，避免出現(xiàn)基坑內(nèi)部坍塌掉塊等事故。基坑施工過(guò)程中需要重視降水排水防水作業(yè)，降雨時(shí)及時(shí)抽排積水。

4 風(fēng)化板巖灌注樁施工技術(shù)

水渡河車站基坑車站大部分處于風(fēng)化板巖地層，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用正循環(huán)鉆孔灌注樁，樁凈長(zhǎng)為21m左右，嵌固深度為3m左右，樁徑1m。由于風(fēng)化板巖遇水軟化強(qiáng)烈，采用清水鉆進(jìn)易導(dǎo)致鉆孔地層軟化變形。工程中通過(guò)在施工場(chǎng)地設(shè)置造漿池，采用純堿配合膨潤(rùn)土制備泥漿，根據(jù)施工工藝以及施工穿越土層情況，泥漿配比選用1.10，稠度為20。應(yīng)用效果顯示泥漿成膜作用好，泌水率低，對(duì)于潤(rùn)滑鉆頭及穩(wěn)定孔壁具有良好的效果。泥漿護(hù)壁成孔時(shí)采用孔口護(hù)筒，護(hù)筒采用8mm厚鋼板制作，內(nèi)徑大于鉆頭直徑，并在上部開(kāi)設(shè)了2個(gè)溢漿孔，施工期間護(hù)筒內(nèi)的泥漿始終高出地下水位1m以上，清孔過(guò)程中置換泥漿的設(shè)備不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，直至灌注水下混凝土。

在灌注混凝土前，經(jīng)孔底測(cè)量，孔底500mm以內(nèi)的泥漿相對(duì)密度為1.15，含砂率為6%。鉆頭進(jìn)入中風(fēng)化板巖時(shí)，鉆速調(diào)至慢擋并安裝導(dǎo)正裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明可有效防止孔斜。在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制了鉆進(jìn)的沖擊時(shí)間間隔以保障成孔質(zhì)量，并在施工時(shí)綜合考慮地層巖土情況，調(diào)整鉆進(jìn)深度。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)化板巖具有明顯的水敏性，遇水后極易發(fā)生軟化崩解，且崩解作用與風(fēng)化程度呈正相關(guān)，巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨含水量的增大而減小，且板巖越干燥，其水敏性越強(qiáng)，軟化系數(shù)越小。在基坑施工中，需要重視地下水對(duì)風(fēng)化板巖的影響，防止出現(xiàn)巖體軟化變形。長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線水渡河站基坑灌注樁施工中，針對(duì)風(fēng)化板巖地層的水敏性特性，配置專用泥漿解決了因其水敏性造成的鉆進(jìn)困難問(wèn)題。本基坑鉆孔灌注樁的相關(guān)施工工藝可供相似的項(xiàng)目參考。