球状风化孤石对盾构施工的影响及其处理措施

王英珺

0 引言

随着盾构机使用的日益广泛,盾构机越来越多地应用在不均匀地层中。在广深地区,地铁隧道埋藏的深度大部分在地下30 m以内,其穿越的地层条件主要由以下三部分组成:

上部:第四系软土层,主要由杂填土、流塑～软塑的淤泥层和富含水的砂层组成;

中部:第四纪残积土,该层是由白垩系地层风化后的残积物形成,可塑、硬塑至半固结状态的砂层和砾质粘性土;

下部:大部分地区为不同时代、不同类型、不同风化程度的岩层。

隧道掘进断面内含有两种或两种以上岩土特征地层或工程地质特征差异很大的不均匀地层,被称为复合地层。孤石(球状风化体)即为典型的复合地层之一,复合地层的不均匀性和盾构设备的局限性对盾构在复合地层中的掘进提出了严峻的考验。

1 孤石形成原因

由于花岗岩在成岩、岩浆中的石英分布、后期构造作用或风化的不均一性,导致花岗岩风化土中存在花岗岩风化残留体,即为孤石。所以其往往存在于不同风化程度的岩层中,孤石形状各异,大小从几十厘米到几米,强度可以达到100MPa以上。

2 孤石破碎的条件

在盾构法隧道施工过程中,经常会遇到随机分布的孤石,且孤石形状大小各异、强度不一。

在硬土层中滚刀对孤石破碎通常比较有效,滚刀随着刀盘的转动而滚动,滑过较硬的土层直接撞击和切割遇到的孤石。滚刀以点载荷作用于孤石上,使岩石碎片剥落,直到孤石破碎。但孤石能否被盾构机成功破碎,需要满足三个条件:1)盾构刀具能够提供足够破碎孤石的切削力。2)在孤石被刀具破碎过程中,孤石不跟随刀盘发生转动。3)孤石在刀具作用下不会被推着前行。

根据如图1所示,孤石所受应力为:

其中,n为作用在孤石上滚刀的数量;F为单滚刀作用到孤石上的推力;η为滚动摩擦系数;A1,A2均为孤石受力面积;H为埋深;γ为土的平均浮重度;K0为静止侧压力系数。

根据摩尔—库仑强度理论,粘性土的极限平衡条件为:

根据式(1)和式(3)两个公式得出:

孤石不发生前移,根据条件1)和 3),需要满足:

孤石不发生转动,根据条件2),需要满足:

根据式(5),式(6)可以看出,在满足孤石切削力的情况下,在同等孤石强度下,孤石受到正应力越小、埋深越深、周围土体自身粘聚力越大,孤石与周边土体强度差异越小,孤石越容易被破除。

3 孤石地层的盾构机选型

广深地区地质条件复杂,盾构选型时必须考虑盾构穿越区间的孤石、岩层、粘土等地层条件。根据已有盾构施工经验,盾构机在不同地层条件掘进,对其性能有不同的要求,盾构选型时需综合考虑各种因素,选择适宜的盾构机型、设计布置合理刀盘刀具形式以及配备相应的辅助工法。

目前广深地区所使用的盾构机大部分选用复合式土压平衡盾构机。刀盘配有35把单刃滚刀,4把中心双刃刀,64把齿刀,16把边缘刮刀;最大推力 3412 t,脱困扭矩5300 MNm,刀盘开口率24%,基本可以满足盾构机在复合地层中的掘进。

4 前期地质勘察

鉴于广深地质的复杂性,在推进之前必须进行全线勘察,详细了解地质资料,为特殊地段的处理和盾构推进提供依据。

在地面具备勘探条件处,沿线路中心位置10 m间距钻孔取芯,确定地质条件。如果有孤石存在则根据孤石近似球状的特性,沿垂直线路方向和线路方向增设钻孔点位,对孤石的大小及与隧道关系进行确认。

地质条件探明后,绘制含有孤石中心位置勘探孔的地质柱状图,对地质柱状图要求如下:

1)标注勘探孔所在里程;

2)标注勘探孔孔口标高和各地层深度,明确孤石的标高位置和深度,图示孤石与隧道关系;

3)描述地层的水文情况;

4)通过试验确定孤石岩芯的单轴极限抗压强度;

5)堵塞地质详勘孔眼。

5 孤石处理措施

处理方法:根据地面条件,孤石处理分为地面处理和洞内处理两种。当隧道上方地面具备冲孔、挖孔条件时,采取地面处理方式;当地面不具备上述条件时,采用洞内处理。

5.1 地面处理措施

1)人工挖孔桩加岩石分裂机。

此方法采取从孤石上方人工挖孔进入孤石区域利用岩石分裂机进行孤石处理,本方法宜用在孤石量较少,隧道埋深浅地段。

2)冲击钻地面破碎。

确定孤石的方位、大小和形状后,从地面用冲击钻对隧道范围内孤石存在的区域进行满堂冲击,每个钻孔完成后用原土对钻孔分层回填夯实,直至将整个孤石区域处理完毕。

此方法采用冲击钻从地面对孤石进行处理,对于孤石群的处理比较有效;操作简单;处理周期较短;不需要人工直接处理孤石,施工安全性高;不受孤石位置、深度限制,仅受地面场地要求。

3)钻孔爆破。在地质勘探过程中遇到孤石时,查明孤石的数量、产状、大小、形状并依此来制定爆破孔的数量、分布和装药量,利用小口径钻头从地面下钻,在孤石上钻出爆破眼,然后在小孔内安放适量的炸药对孤石进行爆破。一次爆破完毕后,清除孔内岩块继续进行下一次,进而达到分裂、瓦解孤石的目的。

对于垂直高度特别大的巨石可以进行多次爆破直到钻孔穿过巨石。

5.2 洞内处理措施

1)洞内凿除。

在盾构机内对刀盘前方地层改良或加固处理后,在保证刀盘前方周围地层和土舱满足气密性要求的条件下,利用空气压缩机将空气加压,并注入土仓,以气压代替土压,通过在土舱内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力,达到稳定掌子面和防止地下水渗入。作业人员在气压条件下进入土舱,利用土仓内气压的稳定,在土仓内直接进行破除孤石,根据不同强度,可采用岩石分裂机或者风镐。

2)洞内静态爆破。

对孤石进行静态爆破,大石化小,再把小石块从刀盘前方移进土仓由螺旋输送机排出土仓。此方法不进行地面加固,等刀盘抵达孤石表面后,采用盾构机的预留超前注浆孔进行超前注浆,使刀盘前方拱顶形成稳固整体性良好的围岩,然后再开仓对孤石采取静态爆破,再将碎石进一步粉碎后由螺旋输送机排出土仓。这种方法同样需要在静爆、处理1 m孤石后,盾构机即刻要向前掘进1 m,始终保证刀盘与孤石的距离不大于1 m,防止土体坍塌造成地面塌陷。

综上,地面处理为主动,洞内处理为被动,无论从安全性、实用性、风险性、处理效果来看,地面处理都要比洞内处理更加优越。所以在实际施工中,筛选施工方案时,要权衡利弊,选择最佳方式进行施工。

6 结语

本文主要从孤石对盾构施工带来的影响出发,探讨了孤石在土中被破碎的条件和影响因素,最后提出几种目前施工中常用的孤石处理方法。

孤石的存在给盾构施工带来了难题,也带给人们新的课题,根据不同的地质条件,选用不同的方法配合盾构法施工,这样大大拓宽了盾构法应用的地质范围,也丰富了盾构法隧道的修建技术,为以后复合地质运用盾构法施工提供经验,为推动我国盾构法技术的进一步发展奠定良好的基础。

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