地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石探查技術(shù)及研究

摘要：在地鐵隧道工程施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到球狀風(fēng)化體，也就是孤石，屬于巖體風(fēng)化過(guò)程中所特有的地質(zhì)現(xiàn)象。在采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工作業(yè)的項(xiàng)目中，由于孤石的形狀以及強(qiáng)度不一，盾構(gòu)機(jī)難以將孤石破碎，不僅會(huì)造成掘進(jìn)的困難，而且會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)刀具的嚴(yán)重磨損，同時(shí)對(duì)施工作業(yè)區(qū)域的地層也會(huì)造成擾動(dòng)，影響隧道工程施工安全性以及施工進(jìn)度。因此，必須針對(duì)隧道盾構(gòu)施工中的孤石進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)采取合理的措施對(duì)孤石進(jìn)行破碎處理，以確保盾構(gòu)施工作業(yè)的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：孤石；鉆探法施工；孤石處理

1、引言

在地鐵盾構(gòu)建設(shè)工程中盾構(gòu)掘進(jìn)如果遇到孤石，掘進(jìn)施工將非常困難，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，刀具磨損非常嚴(yán)重，刀座和刀盤(pán)易變形，常常會(huì)出現(xiàn)噴涌、塌方、刀盤(pán)被牢牢卡住或刀盤(pán)嚴(yán)重磨損等意外情況。因此，為保證盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)需探測(cè)出隧道沿線孤石的情況，對(duì)孤石的位置、分布范圍、邊界等進(jìn)行勘查與評(píng)價(jià)。孤石探測(cè)巳成為一項(xiàng)重要的研究課題?，F(xiàn)今多采用鉆探法對(duì)孤石區(qū)域進(jìn)行探測(cè)勘查。

2、工程概況

2.1工程簡(jiǎn)介

某工程兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間、一座車(chē)站、一個(gè)出入段線明挖區(qū)間、一個(gè)中間風(fēng)井和多個(gè)附屬工程，其中盾構(gòu)區(qū)間左線隧道包含一段礦山法+盾構(gòu)空推拼裝管片通過(guò)的隧道。

2.2地面環(huán)境及地下管線分布情況

本區(qū)域?yàn)榍鹆甑孛玻鼐€為剝蝕殘丘和丘間沖溝相間，因道路等工程建設(shè)，原地貌大多經(jīng)過(guò)挖填。根據(jù)目前地貌及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本標(biāo)段線路主要旁經(jīng)四座山丘，山丘及附近地表遍布球狀風(fēng)化核。

2.3工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

本工程盾構(gòu)區(qū)間隧道埋深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、強(qiáng)風(fēng)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(fēng)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(yán)重不均。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，硬塑狀的花崗巖殘積土層、堅(jiān)硬土狀的全風(fēng)化花崗巖、半巖半土狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中容易發(fā)育球狀風(fēng)化孤石。而根據(jù)詳勘報(bào)告，本標(biāo)段盾構(gòu)隧道洞身范圍內(nèi)揭露有孤石存在。

地下水按賦存方式分為第四系松散土層孔隙水，塊狀基巖裂隙水。本標(biāo)段詳勘所揭露的地下水水位埋藏變化較大，穩(wěn)定水位埋深為0.60～10.80m，平均埋深為3.63m。

3、孤石對(duì)盾構(gòu)施工作業(yè)的影響以及處理原則

（1）孤石對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。由于孤石一般位于砂層及殘積土層中，孤石難以固定，地層也不能產(chǎn)生足夠的破碎反力，在掘進(jìn)過(guò)程中孤石就會(huì)隨著土體的破壞而移動(dòng)或被刀具彈開(kāi)，或者是在刀盤(pán)前面循環(huán)，擋在刀盤(pán)前面并損壞刀具。如果孤石處在盾構(gòu)的外側(cè)，可能會(huì)擠壓盾構(gòu)使其偏離方向，特別是如果盾構(gòu)機(jī)的一側(cè)是孤石，另一側(cè)是軟弱土層，極易造成隧道軸線的偏斜。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)中孤石的處理方案。對(duì)于孤石的處理，應(yīng)當(dāng)首先選擇在地面處理的方式進(jìn)行處理，地面處理?xiàng)l件不具備時(shí)再考慮洞內(nèi)處理。對(duì)已探明基巖突起及孤石采用地面處理方案時(shí)，應(yīng)該采用地面跟管鉆機(jī)及地質(zhì)鉆機(jī)垂直打孔裝入炸藥爆破破碎隧道斷面范圍內(nèi)的孤石，將孤石爆破破碎為塊徑小于30cm的塊體。

4、探測(cè)孤石的鉆探孔布置

（1）“孤石”出現(xiàn)可能性最大區(qū)域：采用三級(jí)加密的布孔方式，第一級(jí)布孔間距為7.5米；根據(jù)第一級(jí)鉆孔的實(shí)際情況判斷，因孔間出現(xiàn)“孤石”的機(jī)率很大，則在第一級(jí)布孔的每?jī)煽组g增加一個(gè)鉆探孔，使臨近兩孔的孔距不超過(guò)5米；根據(jù)第一、第二級(jí)鉆孔的實(shí)際情況判斷，如孔間出現(xiàn)“孤石”的機(jī)率仍然很大，則將孔距增密到2.5米/個(gè)；在第二或第三級(jí)加密鉆孔前，如判斷孔間出現(xiàn)“孤石”的機(jī)率不大或盾構(gòu)機(jī)足以應(yīng)付風(fēng)險(xiǎn)，則終止加密鉆孔。

（2）“孤石”出現(xiàn)可能性很大的區(qū)域：采用兩級(jí)加密的布孔方式，第一級(jí)布孔間距為 10米；根據(jù)第一鉆孔的實(shí)際情況判斷，如孔間出現(xiàn)“孤石”的機(jī)率仍然很大，則將孔距增密到 5米/個(gè)；在第二級(jí)加密鉆孔前，如判斷孔間出現(xiàn)“孤石”的機(jī)率不大或盾構(gòu)機(jī)足以應(yīng)付風(fēng)險(xiǎn)，則終止加密鉆孔。另外，當(dāng)補(bǔ)鉆孔加密到5米間距時(shí)判斷孔間出現(xiàn)“孤石”的可能性增大，并且盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)難以承受此風(fēng)險(xiǎn)，可考慮將孔距縮小到2.5米。

（3）“孤石”出現(xiàn)可能性較大的區(qū)域：采用按 10米間距布孔，不考慮加密。當(dāng)鉆孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)“孤石”的可能性增大，并且盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)難以承受此風(fēng)險(xiǎn)，可考慮將孔距按10米→5米→2.5米的方式加密（如圖1所示）。

圖1

5、方法的探討與研究

地鐵工程中巖土勘探方法主要有：鉆探法、觸探法、掘探法、物探法。

（1）鉆探法主要是用各種鉆探工具鉆入地層中分層取樣進(jìn)行鑒別、描述、測(cè)試的方法，這是目前常用的且使用最廣的鉆探方法。

（2）觸探法是間接勘探方法，是將探頭裝在鉆桿底部，通過(guò)打入或壓入地層中，由探頭所受阻力的大小來(lái)探測(cè)土層的工程特性。主要特點(diǎn)就是不用取樣。

（3）掘探法就是用人工挖掘探井、探槽或平硐，直接觀測(cè)土層情況與性質(zhì)。

（4）物探法是通過(guò)探測(cè)和研究各種地球物理場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等）的變化來(lái)判斷地質(zhì)問(wèn)題的一種勘察方法。

綜合以上各種工法認(rèn)為觸探法主要是將探頭打入土層中，對(duì)于工程中的孤石勘探的目的不是很適用。掘探法相對(duì)其它工法所用時(shí)間較長(zhǎng)、投入相對(duì)較高、施工范圍要求較廣，對(duì)于本工程勘探數(shù)量較大的情況下也不是很適用。單一物探方法形成的推論往往是多解的，不借助其他的資料、其他的方法、或者直接的驗(yàn)證，物探的結(jié)論是不能明確判斷孤石存在的可能性的。而鉆探法施工方便、效率較高，是最直接且最實(shí)用的方法，特別對(duì)于勘探發(fā)現(xiàn)孤石群、孤石串的判斷上，更具有真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)，所以本工程項(xiàng)目最終選擇鉆探法。

6、鉆探施工技術(shù)

6.1鉆探工藝流程

圖1鉆探工藝流程圖

6.2鉆探施工

6.2.1施工前準(zhǔn)備工作

（1）選擇具備相關(guān)資質(zhì)及實(shí)力的單位，投入足夠的人員和設(shè)備，保證施工工期。

（2）與市政、交警及有關(guān)部門(mén)辦理鉆探施工許可證、臨時(shí)占道證等相關(guān)事宜。

（3）測(cè)量人員按每5m一個(gè)點(diǎn)放出隧道中心線，以保證鉆孔定位。

（4）做好施工現(xiàn)場(chǎng)熒光警示標(biāo)志。

（5）做好地下管線排查，做好施工過(guò)程保護(hù)，確保鉆孔不損壞所有地下管線。

（6）現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)物資必須擺放整齊，保持現(xiàn)場(chǎng)文明、衛(wèi)生、整潔

6.2.2鉆孔定位

鉆孔原則上按圖紙進(jìn)行定位，孔位偏差不大于1m，。若受建構(gòu)筑物、地下管線、交通及地形等條件影響無(wú)法施工，應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)部門(mén)商議調(diào)整。

6.2.3鉆孔操作

（1）做好泥漿圍擋措施，嚴(yán)禁直接排入市政管道。

（2）鉆孔垂直偏斜率小于1%，鉆孔深度必須按要求鉆至隧道底，鉆探過(guò)程中遇到孤石必須鉆穿孤石體。

（3）鉆探操作（含鉆具規(guī)格、回次進(jìn)尺、巖芯采取率、編錄等項(xiàng)）、取樣操作必須執(zhí)行《巖土工程勘察規(guī)范》第九章第一節(jié)、第二節(jié)、第四節(jié)。

（4）復(fù)雜地層與特殊條件下鉆探操作應(yīng)執(zhí)行《工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》第3.5條規(guī)定。

（5）仔細(xì)鑒定巖芯，巖土的描述按《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》第五章第五節(jié)要求進(jìn)行。

（6）準(zhǔn)確記錄鉆探進(jìn)尺、不同巖性的分層厚度和采樣位置。

（7）初見(jiàn)水位和穩(wěn)定水位測(cè)量：量測(cè)每個(gè)鉆孔的初見(jiàn)水位和穩(wěn)定水位，包括水上鉆孔，多層含水層的水位，應(yīng)采取止水措施分層測(cè)定，地下水為測(cè)量允許誤差為±20mm。

（8）注意觀察、記錄鉆孔中的異常氣味，如發(fā)現(xiàn)異常氣體，將使用氣體檢查儀器檢查其成份，并做好現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施，保證人員安全。施工過(guò)程發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)匯報(bào)，以便采取適當(dāng)措施解決問(wèn)題，嚴(yán)禁盲目施工。

（9）鉆探施工過(guò)程安排專(zhuān)人跟蹤，以準(zhǔn)確記錄地層情況，包括孤石大小、平面位置及深度，保證施工質(zhì)量。

6.3 鉆機(jī)定位

在進(jìn)行開(kāi)鉆前應(yīng)該準(zhǔn)確地定位鉆機(jī)并把其逐級(jí)安裝在樁芯位置。將鉆機(jī)的設(shè)備安裝和檢查完畢能夠進(jìn)行工作的狀態(tài)再開(kāi)始鉆機(jī)的定位。鉆機(jī)定位的準(zhǔn)確程度直接影響到全回旋鉆機(jī)的質(zhì)量。

6.4 清理上層土體

在開(kāi)鉆前應(yīng)該對(duì)上層土體清理干凈，可以采用反復(fù)旋轉(zhuǎn)套管，用沖抓斗對(duì)套管內(nèi)進(jìn)行挖掘，這樣就可以很好清理上層土體，使得鉆進(jìn)的工作更加的順利。

6.5 孤石砸碎及清理

在鉆進(jìn)的過(guò)程中遇見(jiàn)孤石時(shí)，在前端的鉆頭上安裝更加堅(jiān)硬的鉆頭一邊回旋切削，一邊用落錘砸碎，然后可以采用機(jī)械開(kāi)挖的方式將碎石清理干凈。

6.6盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)

在地勘報(bào)告中硬度比較小的全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或者較好的地質(zhì)條件，我們?cè)诰蜻M(jìn)的過(guò)程中遇見(jiàn)這樣的孤石，我們可以采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方式進(jìn)行孤石的處理。

6.7地層加固注漿施工

為確保安全，在爆破處理后對(duì)隧道周邊松動(dòng)圍巖采用注漿方式充填加固，以提高盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)周邊圍巖密實(shí)度和自穩(wěn)力。注漿方式一般選擇袖閥管注漿的方式，注漿漿液一般選用水泥-水玻璃雙液漿加固地層。注漿加固范圍主要是對(duì)加固深度從地面至隧道結(jié)構(gòu)底板下1m，加固寬度隧道中線左右開(kāi)挖輪廓線外各1m范圍全部進(jìn)行注漿加固。

7、結(jié)語(yǔ)

在地鐵隧道施工作業(yè)過(guò)程中，極易遇到孤石等不良地質(zhì)條件，導(dǎo)致盾構(gòu)施工作業(yè)無(wú)法順利的推進(jìn)。因此，在地鐵隧道施工作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)該做好孤石的探測(cè)分析，針對(duì)孤石的體積、風(fēng)化程度等詳細(xì)參數(shù)，合理的確定破碎方案，確保盾構(gòu)施工作業(yè)的順利，提高地鐵隧道盾構(gòu)施工作業(yè)效率。

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