某新建高速鐵路膨脹(巖)土地段施工方法探討

徐新鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

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某新建高速鐵路膨脹(巖)土地段施工方法探討

徐新鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

膨脹(巖)土是自然地質(zhì)過程中形成的一種具有脹縮特性的地質(zhì)體，具吸水膨脹軟化、失水收縮開裂并且反復變形的特性。膨脹(巖)土反復脹縮降低巖土體的工程力學性質(zhì)，施工過程存在縮徑、塌孔現(xiàn)象。以某新建高速鐵路橋梁工程為例，闡述強膨脹(巖)土的工程地質(zhì)特征，結(jié)合施工中成樁塌孔等工程地質(zhì)問題，提出合理的施工方法。

高速鐵路 膨脹(巖)土 塌孔 施工方法

膨脹巖是指含較多蒙脫石或硬石膏等親水礦物，具有遇水體積膨脹、巖質(zhì)軟化，飽水崩解泥化和失水體積收縮、巖體破裂、新鮮巖石在空氣中鱗片狀剝落的軟質(zhì)巖石；膨脹土是指黏粒成分主要由親水性礦物蒙脫石、伊利石組成，土體隨環(huán)境干濕變化，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解，失水急劇收縮、開裂、硬結(jié)，能反復膨脹變形的高液限黏性土。膨脹(巖)土工程性質(zhì)極不穩(wěn)定，對構(gòu)筑物危害較大，詳細研究其空間展布及工程地質(zhì)特征，采取有效防護措施，對于工程施工中縮短工期，提高經(jīng)濟效益大有裨益。某新建高速鐵路工程設(shè)計時速350 km，最小曲線半徑8 000 m，線路經(jīng)多種方案綜合對比，仍無法繞避膨脹(巖)土(膨潤土礦)地區(qū)，設(shè)計采用橋梁的形式短距離通過該段。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

某高速鐵路工程位于山地與平原交接地帶，沿線地貌類型有平原區(qū)、低山丘陵區(qū)。膨脹(巖)土發(fā)育段(里程DK203+400～DK209+200)為山前斜坡，地形波狀平緩起伏，總體呈南高北低微傾，地面高程30～65 m。沿線地表大多辟為耕地，線位兩側(cè)為農(nóng)田及村莊，線路附近分布大量膨潤土礦，均為露天開采，地形被人為改造，較為復雜。地表遺留多處膨潤土礦坑，可見多個膨潤土晾曬場，礦渣成分為全風化、強風化膨潤土化凝灰?guī)r及膨潤土化火山角礫巖，厚度0.2～14.0 m。由北西往南東方向線位依次經(jīng)過膨潤土礦普查區(qū)，膨潤土、沸石巖、珍珠巖礦區(qū)以及膨潤土礦區(qū)(見圖1)。

圖1 膨潤土礦區(qū)線路平面示意

1.2 水文及氣象條件

線路經(jīng)過地區(qū)四季分明，春季干旱，少雨多風；夏季炎熱多雨，濕度大；秋季天氣晴爽，旱澇不均；冬季干燥，雨雪稀少。根據(jù)氣象統(tǒng)計資料，沿線多年平均降水量為594～770 mm，年內(nèi)降水集中在6～9月，占年降水量的70%～80%；多年平均蒸發(fā)量為1 600～2 300 mm，3～6月占全年蒸發(fā)量的50%以上。按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)屬溫暖地區(qū)。沿線跨越大小河流眾多，河流水量隨季節(jié)變化明顯，旱季時多數(shù)河流水量較小，甚至斷流，雨季河水漲暴。地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水，勘測期間地下水位埋深2.10～31.10 m(高程15.50～60.77 m)。地下水主要受大氣降水及徑流補給，排泄方式主要為蒸發(fā)及人工抽取地下水，水位季節(jié)變化幅度3～5 m。

1.3 地質(zhì)概況

(1)地層巖性

本區(qū)勘探范圍內(nèi)淺部土層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土、素填土和填筑土，上更新統(tǒng)坡洪積層粉質(zhì)黏土、粉土及砂類土，下部基巖為白堊系下統(tǒng)青山組凝灰?guī)r、火山角礫巖、膨潤土化的凝灰?guī)r和火山角礫巖以及少量泥巖(見圖2)。

圖2 研究區(qū)地層柱狀圖

下部基巖為一套白堊系下統(tǒng)青山組(K1q)火山角礫巖、火山碎屑巖，凝灰?guī)r顏色隨風化程度不同改變，主要為青灰色、紫灰色，少量黃灰色、灰褐色、灰白色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成分以火山碎屑、火山灰及石英為主；火山角礫巖為紫灰色、青灰色、灰褐色，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，全風化-弱風化，成分以火山角礫、火山灰及石英為主。

膨潤土化凝灰?guī)r為灰白色、灰綠色、紫灰色，全風化-強風化，殘余凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分以黏土礦物為主，膨潤土化，遇水易軟化、崩解，層厚0.60～53.2 m；膨潤土化火山角礫巖為灰白色、紫褐色，強風化，火山角礫結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分以黏土礦物為主，膨潤土化，遇水易軟化、崩解，層厚0.90～60.0 m。

(2)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以大里程處晚更新世晚期—全新世早期NE向活動斷裂為主，斷裂部位基巖出露，切割白堊系青山組火山巖地層，斷裂破碎帶內(nèi)發(fā)育強烈碎裂巖化及構(gòu)造角礫巖，發(fā)育斷面及擦痕，為強烈的擠壓破碎帶，形成多個形態(tài)不規(guī)則的膨潤土礦。

(3)礦體地質(zhì)

勘察資料顯示，膨潤土礦集中在活動斷裂帶西側(cè)，受活動斷裂帶影響產(chǎn)生多個構(gòu)造破碎帶，并形成多個不規(guī)則狀、陡立的膨潤土礦體及礦化體，深度可達60 m以下，向淺部延伸至地表(見圖3)。礦體礦化不均勻，局部破碎帶礦化強烈，礦體自頂板向下蒙脫石化逐漸增強，與圍巖呈漸變過渡關(guān)系。主要膨脹性礦物成分為蒙脫石、沸石，含少量伊利石、綠泥石，具蠟狀或油脂光澤。膨潤土礦賦存于中、新生代陸相火山-沉積盆地中，可能是由酸性火山碎屑巖，尤其酸性玻璃質(zhì)碎屑巖，在地表低溫低壓富水堿性環(huán)境下，經(jīng)化學風化或在地下水作用下發(fā)生強烈蒙脫石化外生蝕變的產(chǎn)物。

圖3 膨脹(巖)土地區(qū)工程地質(zhì)縱斷面示意(單位：m)

野外礦坑顯示礦體與圍巖接觸界限截然清晰(見圖4)，破碎帶外圍凝灰?guī)r呈塊狀，巖體完整，強度較高，下部膨潤土化凝灰?guī)r中殘留較多角礫狀凝灰?guī)r碎塊，多風化蝕變，強度低，工程性質(zhì)差。

(4)膨脹(巖)土工程特征

對該段內(nèi)強風化及全風化凝灰?guī)r、火山角礫巖進行了系統(tǒng)取樣，測定了自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等主要膨脹性指標(見表1)。平均自由膨脹率可達60%，最大可達91%；蒙脫石平均含量高達81.4%，最大為119.35%。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)范》判別3項指標，除HP1513指標偏低不具代表性外，其余巖樣均達到強膨脹(巖)土標準。

圖4 膨潤土礦坑剖面野外照片(距線位左側(cè)約20 m)

表1 巖樣膨脹性指標一覽

注：取樣以全風化凝灰?guī)r為主，按膨脹土類別詳判，依據(jù)為《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)范》(TB10038—2012)。

勘探期間存在鉆機漏漿、塌孔現(xiàn)象，采用鋼護筒+水泥漿成孔，主要集中在410號～417號墩的強風化膨潤土化凝灰?guī)r中。巖芯取出時呈塊狀，蠟狀光澤，指甲掐有撓性，裂隙中充填灰白色、灰綠色等富含蒙脫石物質(zhì)，遇水時有滑膩感，長期暴露在空氣中強度迅速降低，崩解至碎塊狀、粉末狀。

綜合考慮膨脹(巖)土發(fā)育規(guī)模，結(jié)合勘探數(shù)據(jù)及野外觀測點情況，將此段膨脹(巖)土定為強膨脹性。

2 施工存在的問題

施工過程中發(fā)現(xiàn)，本段(324號～493號墩)地下水非常豐富，且地下水水位不穩(wěn)定，鉆孔樁施工過程中塌孔非常嚴重，主要集中在膨潤土化凝灰?guī)r、膨潤土化火山角礫巖且地下水豐富部位。對此，現(xiàn)場采用多種成孔方案進行試驗(見表2)。

通過前期鉆孔試驗，現(xiàn)場施工主要表現(xiàn)為以下三種情況：塌孔嚴重無法成孔；下鋼筋籠后塌孔，鋼筋籠被埋；在灌注混凝土時塌孔，形成廢樁。易塌孔地段已灌注的鉆孔樁出現(xiàn)了不同程度的塌孔，均是混凝土灌注前塌孔0.5～2.0 m。現(xiàn)場用吊車將鋼筋籠和導管整體掉出，旋挖鉆掏渣，整體下鋼筋籠和導管，立即灌注混凝土，混凝土均出現(xiàn)超方，最大超方量9 m3，且第三方檢測單位也提出樁基擴徑嚴重。

表2 不同成孔方案現(xiàn)場出現(xiàn)的問題一覽

3 處理方案對策

目前對于膨脹(巖)土地區(qū)施工中的縮徑、塌孔現(xiàn)象，處理方案主要為泥漿護壁、人工造漿護壁，主要著眼于造漿質(zhì)量及施工工藝流程。經(jīng)反復摸索發(fā)現(xiàn)，在成樁過程中，先用旋挖機鉆至膨潤土化凝灰?guī)r易塌孔部位，再向鉆桶外邊緣投入大量片石，然后無進尺旋挖，讓片石受擠壓進入鉆孔側(cè)壁，從而達到擠密鉆孔側(cè)壁的效果，可有效降低鉆孔側(cè)壁脹縮塌孔的幾率。采用鋼護筒護壁也被證明具有較好的施工效果，施工時采用鋼絲繩懸吊，使護筒固定在塌孔處，并在成孔后澆筑混凝土時取出護筒，也能有效防止塌孔。二者成為目前效果較好的兩種施工方案。

4 結(jié)論

綜上所述，針對此類膨脹(巖)土地區(qū)施工中存在的問題，得出以下幾點結(jié)論：

(1)樁基施工前應選取典型強膨脹(巖)土的墩臺進行試樁試驗。

(2)鉆孔樁施工盡量避免連續(xù)陰雨天氣，避免孔壁長時間暴露在空氣中，鉆進成孔、下鋼筋籠、灌混凝土整個流程應銜接緊湊，盡可能縮短工期。

(3)鉆孔樁成孔期間盡量減少孔口周邊靜載及動載荷，挖出的土方及巖樣盡量遠離孔口堆放。

(4)鉆孔樁成孔過程中若塌孔嚴重，傳統(tǒng)護壁及人工造漿方法無法成孔，可考慮在塌孔處拋入片石，用旋挖機將片石擠密至鉆孔壁中，同時輔以造漿護壁工作。

(5)必要時可采用鋼護筒護壁成孔，若無法取出護筒可直接下鋼筋籠后灌注混凝土。

(6)膨脹(巖)土可能會對樁身產(chǎn)生側(cè)向不均勻脹切破壞，成樁后要做好沉降觀測及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

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Study on Construction Method of a New High Speed Railway in Area of Expansion Rocks and Soils

XU Xinpeng

2016-10-11

徐新鵬(1990—)，男，2015年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0029-04

TU475+.4； U445.55

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