隧道中花崗巖狀風化體的分布規律及處理方法

1掘進中盾構、刀盤材質被更換,導致施工難題花崗巖的球形風化芯通常被稱為“孤獨石”，單軸抗壓強度可達到200mpa。孤獨石層是巖石開挖的主要風險之一，也是控制國際國內實際工程風險的難題。一般會造成掘進速度緩慢,刀具、刀盤的嚴重損壞,地面沉降,掘進中盾構姿態難以控制等施工難題及風險。2004年2月廣州地鐵3號線某盾構區間掘進至614環進入全長348m孤石地層,歷時8個月先后氣壓法換刀15次,更換各類刀具251把。2005年3月掘進至ZDK2+381.86球狀風化區段歷時73天,更換滾刀40把。類似的工程為此付出巨大代價的例子舉不勝舉。2林狀巖石風化體中國是世界上花崗巖分布最廣的國家之一,花崗巖面積90.9萬km2,約占全國面積的10%左右,主要出露在中國東部,特別集中在粵、閩、桂、贛、湘等省。常見花崗巖地貌有花崗巖丘陵和峰林狀花崗巖山地兩大類型。硬塑狀的花崗巖殘積土層、堅硬土狀的全風化花崗巖、半巖半土狀的強風化花崗巖中容易發育球狀風化體。盡管花崗巖球狀風化體的分布具有離散性、空間特性不規律、埋藏深度大等特征,但也存在其分布規律:(1)主要分布于全風化和強風化帶中;(2)在垂直剖面上隨著深度的增加,密度雖減小但體積增大,即“上多下少,上小下大”的總體規律特性;(3)當風化程度增強時,體積會減小,數量會增多;(4)其分布也會受到局部地質環境及巖性條件的影響,特殊情況下,全風化帶中可能存在較大體積的球狀風化體,強風化帶中可能出現較小體積的風化體。3工程實例3.1地層及地層厚度廣州地鐵3號線某盾構區間平面線形沿某主干道布設,線路兩側經過4座山丘,山丘及附近地表遍布花崗巖。隧道埋深15~24m,地層從上至下主要有填土層、砂層(主要為中粗砂)、花崗巖殘積土層、花崗巖全風化帶和強風化帶。隧道穿越的地層主要有<3-2>中粗砂層、<4N-2>粘土層、<5H-2>花崗巖殘積土層,局部穿越<6H>花崗巖全風化層。其中<5H-2>花崗巖殘積土在水平方向上分布廣泛,在垂直方向上分布嚴重不均。通過對花崗巖地段出露的球狀風化花崗巖地質調繪和統計分析,本標段盾構隧道洞身范圍內有球狀風化體存在。3.2合理布置布孔據上所述,盾構不宜直接掘進該地層,而應經過預處理將風險降低到可控范圍內再掘進通過。而無論采用何種方法處理孤石地層,都首先必須探明孤石存在的位置和大小。據目前國內盾構工程的施工經驗,花崗巖球狀風化體的探測可采用電法、磁法、地質雷達和鉆探等勘探方法。但是電法、磁法、地質雷達在實際工程施工中經常受到非探勘物質的影響,所得的判斷和解析往往較為粗略,伴隨的多解性常需通過鉆探驗證。但是根據經驗,結合現場走訪調查、詳勘資料進行合理鉆探布孔,也能將大部分孤石的位置探測清楚。因此,本工程選取由地面直接鉆孔探測孤石的方法。3.3孔探測方案3.3.1鉆進孔布置方案的確定鉆探孔布置是整個探測方案成敗的決定因素,應該綜合考慮現場條件的可行性、施工成本的可控性,結合預處理方案再進行設計。因此,在設計鉆探孔布置方案前應進行調查研究,分析沿線地層中存在球狀風化體的可能性和位置;初步設計處理方案,為布置鉆探孔做好充分的準備工作,以降低施工成本和時間。3.3.2鉆孔布置方案如果要求將沿線的孤石全部探測出來,鉆孔成本、道路恢復、占道費用等將是一筆該項工程難以承受的費用;如果僅考慮全部探測出“孤石群”和直徑超過2.5m的孤石,大部分探測出直徑小于2.5m的孤石,則施工成本將會降低2/3以上。經過現場調查,隧道線路經過4座山丘,山丘及周邊遍布孤石。地質詳勘資料顯示有23個鉆孔揭露孤石,多數在山丘附近,其中有4個鉆孔位于臨近山丘的隧道洞身范圍內。因此,山丘附近隧道線路地段作為鉆探孔布置的重點區域。綜上所述,鉆孔布置方案的思路如下:(1)將花崗巖中風化、全風化、殘積土存在球狀風化體的地層列為勘探對象,全線間隔10m布置2~3排鉆探孔,以探明全線可能存在的“孤石群”和部分“孤石”的位置;(2)花崗巖中風化地層較為堅硬,盾構在此類地層中掘進遇到孤石需應急處理時一般不需要進行地層加固,故將此類地層的布孔間距放稀到20m布2~3排鉆探孔;(3)山丘附近的鉆探區列為重點探測區域,將鉆探孔間距加密到2.5~5m。3.3.3隧道分三級疊加布設方案經統計,重點鉆探區的鉆孔約占全線鉆孔的2/3。為了降低施工成本,對重點鉆探區的鉆孔布置引入動態調整方案,即鉆孔分三級加密布置:首先一級按10m/個的間距沿隧道線路分3排(排距1.5m)錯孔布置;分析一級鉆孔結果,選取孤石存在可能性較大的區域進行二級補充鉆孔,孔距加密至5m/個;分析二級鉆孔結果,再選取其中存在孤石較大可能的區域將孔距加密至2.5m/個。3.3.4缺陷布孔程序鉆探時如果發現隧道洞身范圍內存在孤石則需測清楚孤石形狀和位置。由于孤石一般為圓形,其寬度和厚度相差不大,并考慮到盡量使鉆孔在處理孤石時可重復利用以降低成本,所以探測孤石的形狀和位置時按以下程序布孔。1)以探到“孤石”的點為中心點向外布置鉆孔圈,每圈等距布置4個鉆孔。2)第一圈以“孤石”厚度的1/2為半徑從中心點向外布置。3)如第一圈鉆孔還不能找到孤石的邊界,則距第一圈圓周向外0.4m布置第二圈鉆孔。4)如第二圈鉆孔還不能找到孤石的邊界,則距第二圈圓周向外0.4m布置第三圈鉆孔。5)依次類推,直到找到盾構施工范圍內孤石邊界為止。4“單石”處理方案4.1隧道洞身孤石充填根據地質補充勘探方案,通常能夠查探出孤石群和大部分孤石的位置,但難以完全查清所有位于隧道洞身的孤石。因此,首先應該增強盾構在硬巖中的掘進能力,配置刀圈加厚的硬巖刀。鉆孔探測時揭露孤石位于隧道洞身,擬進行地面預處理。盾構掘進過程發現的孤石,如判斷盾構可直接掘進通過則檢查更換刀具直接掘進通過,如直接掘進通過風險太大則進行洞內處理后再掘進通過。4.2旋挖孔結合靜態爆破常規方法:深孔爆破(地面處理的主要措施);旋挖孔結合人工取出;人工挖孔結合人工取出;旋挖孔結合靜態爆破;人工挖孔結合靜態爆破。地面預處理的施工流程見圖1。4.2.1孤石深孔爆破處理將位于隧道洞身的孤石分為直徑0.4~1m的單個孤石、直徑1m以上單個孤石、跨越隧道邊線的孤石、孤石群、垂直方向上存在兩個或兩個以上孤石五種情況分別進行處理。1)直徑在0.4~1m之間的孤石應該首先考慮采取旋挖孔結合人工取出,地面不具備旋挖機施工條件時采取人工挖孔結合人工取出。2)孤石群、垂直方向上存在兩個或兩個以上孤石、直徑大于1m的單個孤石則進行深孔爆破處理;當地面建(構)筑物距離太近或其他原因影響不能采取深孔爆破時,根據場地條件采取旋挖孔或人工挖孔結合靜態爆破。3)跨越隧道邊線的孤石,采用深孔爆破時只處理位于隧道洞身內的巖體。4.2.2旋挖孔聯合人工爆破法深孔爆破其目標是將孤石基本分裂成單邊小于0.3m的巖塊。其爆破孔布置原則:盡量利用補勘時查明孤石形狀和大小的鉆孔作為爆破引孔,孔位不足時補充鉆孔。引爆孔鉆孔完成后立即插入PVC管固定孔身,避免塌孔。圖2為垂直方向上兩個孤石爆破鉆孔剖面圖。旋挖孔結合人工取出或靜態爆破其孔徑為1.5m,孔深為地面至待處理孤石上表面。完成鉆孔后按孔全深安裝全鋼套筒(15mm厚鋼板制成),并在套筒接縫、刃腳、套筒頂均用δ=15mm、寬30cm的鋼板進行包裹加勁焊接。人工挖孔結合人工取出或靜態爆破需提供井下處理孤石的作業空間,當地面場地不具備旋挖孔施工條件時采取人工挖孔。設計孔徑1.5m,孔深為地面至待處理孤石上表面。當處理孤石需要較大的井下作業空間時,可開挖擴底。靜態爆破是通過旋挖孔或人工挖孔工作井采用靜態爆破劑或者巖石分裂機實施。目前巖石分裂機在施工中是較好的選擇,有其獨到的優點和可操作性。4.3內部處理4.3.1掘進過程控制要點盾構直接掘進通過的前提條件是孤石周邊地層較好或已進行加固處理,以降低施工安全風險。從經濟、進度的角度分析盾構直接掘進通過是較為理想的選擇。1)通過孤石前及掘進過程中及時檢查更換刀具。2)采用小推力、低扭矩、低轉速掘進,并控制好掘進速度。3)掘進參數:總推力1300~1400t,刀盤扭矩120~150tm,掘進速度4~8mm/min。4)采取半土壓半氣壓的掘進模式減少刀具的磨損。5)做好同步注漿和二次補漿。6)加強地面監測,做好注漿加固的應急準備。4.3.2地層爆破質量控制要點人工爆破的目標:將孤石基本分裂成單邊小于0.3m的巖塊,能通過螺旋機排出。洞內人工爆破施工應遵循以下要點。1)在不穩定的地層中實施爆破,要先進行加固。2)爆破前應先轉動刀盤,使開口位置對準孤石位置,減少爆破碎石對刀盤造成的損傷。3)嚴格遵循“淺孔、密眼、小藥量、間隔裝藥”原則,對于大孤石體可分幾次爆破,有效控制爆破震動效應,避免和減少爆破震動對地面建筑及臨近隧道造成不利影響。4)起爆后及時通風排煙。通風30min檢查確認無安全隱患后,施工人員方可進行清渣。4.3.3靜態爆破措施洞內靜態爆破施工應遵循以下幾點。1)在不穩定的地層中實施靜態爆破,要先進行加固。2)爆破前應先轉動刀盤,使其開口位置對準孤石位置,便于清理石渣。3)可采取靜態爆破劑或巖石分裂機實施靜態爆破。4.3.4膨潤土注漿注漿在地面加固不具備條件時采取倉內加固。注漿前土倉注滿膨潤土,注漿過程中每隔30min轉動刀盤,防止漿液將刀盤固結。注漿孔布置采用梅花型布置,孔距為1.2m,擴散半徑定為0.75m。5地面預處理的質量控制盾構工程中,在可能遇到花崗巖風化地層時應該采取針對性措施,制定應急預案做到安全文明施工。在地質勘探方面鉆探孔的間距應該更小、更有針對性,盡量揭露孤石的大小及位置,爭取能進行恰當的地