风化板岩水敏性特征及其基坑施工技术

钟文京，权永华，毛亚军，黄思宇，朱考飞，张可能

（1.中建隧道建设有限公司，重庆401320；2.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083；3.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室（中南大学），长沙410083）

1 引言

我国的地铁建设速度惊人，截至2018年底，全国大陆运营轨道交通线路185条，运营总里程5 761.4km；预计到2020年，全国地铁总里程将达到6 000km【1】。紧邻建（构）筑物的地铁施工是工程中的重难点，尤其在软岩、砂层等水敏性地层中，地层稳定性对含水量敏感，易发生变形破坏。板岩作为一种典型的软岩，分布广泛，通常具有密集板状劈理【2】；组成成分以黏土矿物为主【3】。板岩的成分及结构使得其易发生软化崩解，体积膨胀，力学性质显著劣化【4】。在地铁施工中，板岩地层的基坑施工常面临遇水敏感、施工控制困难等问题，部分学者开展了相关研究。崔凯等【5】等通过室内水岩作用试验，揭示了水岩作用下板岩的劣化规律，探讨了板岩的劣化机理。张可能等【6】对某泥质板岩基坑工程进行了支护设计优化研究与变形判定分析，通过实际应用验证了优化方案的可行性。郑邦友等【7】对某车站强风化板岩地层基坑施工技术进行了研究。龙海滨【8】针对某基坑板岩地层特点，对深基坑的支护参数进行优化研究。风化板岩基坑由于工程条件差异，风化板岩地层性质及其对支护结构施工工艺的影响有待进一步研究。

本文基于长沙地铁5号线水渡河站基坑施工，通过分析风化板岩地层水敏性特性及其对基坑施工的影响，总结了基坑钻孔灌注桩施工工艺。

2 工程概况

长沙地铁5号线一期工程设18座车站，均为地下车站，水渡河站为该线路最北端的车站，位于万家丽北路与蟠龙路交叉口，车站呈南北向布置，为地下2层岛式站台车站，外包总长477.26m，标准段宽20.7m。车站基坑采用φ1 000mm钻孔桩+内支撑的支护方式。车站标准段基坑深度约为18.26m，围护结构入土深度最深达23.8m。车站两端均为盾构始发井，共计4台盾构先后始发，工程量大、施工工期紧张，是全线控制性工点。

车站北端东侧为兴隆丽景的地块，南端西侧为荣盛花语城地块。基坑施工过程中需要重视变形控制，防止临近建（构）筑物出现变形。车站主体结构施工范围内管线繁杂，主要有雨污水、给水、燃气、电力、军缆、弱电、路灯等管线，大部分为埋地敷设，需要控制基坑侧壁变形以防止管线破损。

3 地质条件分析

3.1 车站基坑地质条件

水渡河站基坑所处地层由上至下为第四系冲积层、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩。全风化板岩为泥质成分，岩石风化近土状，原岩结构较清晰，大部分矿物已风化变质，节理裂隙很发育，岩块用手可捏碎。强风化板岩为变余泥质结构，块状构造，节理裂隙发育，岩芯较破碎，呈碎块状及短柱状，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ类。中风化板岩为变余泥质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，为软岩，岩体质量等级为Ⅳ类。据岩矿鉴定报告，中风化板岩主要由黏土矿物组成，含少量微粒石英+石英粉砂，风化蚀变强烈，结构松散。风化板岩相关测试参数见表1。

表1风化板岩物理力学性质

3.2 风化板岩地层水敏性分析

未分化的板岩结构致密，强度较高。随着风化程度的加深，风化板岩的岩体结构逐渐劣化，岩石中的孔隙逐渐增多，矿物胶结作用弱化，且风化蚀变作用导致部分矿物变质，岩石进一步劣化。在干燥环境中，风化板岩自稳性较好，遇水后强度将急剧下降，其原因主要是孔隙发育风化板岩易吸收水分。水体进入岩石中会和黏土矿物直接作用，部分黏土矿物（如伊利石等）遇水膨胀，水进入结构单元层之间，岩石胶结作用随之弱化。风化板岩长时间与水作用，表面及裂隙面出现泥化现象，岩体质量降低，岩体孔隙裂隙逐步扩张，在基坑土石方开挖中易出现变形过大。

在车站基坑施工现场取得风化板岩样品，对岩样分别进行烘干、自然风干或保持其天然状态等处理，然后放入水中静置进行崩解软化实验，记录崩解时间。并制备柱状岩样测试软化系数，试验结果如表2所示。

表2风化板岩岩样崩解试验结果

风化板岩地层稳定性差，水理性质、大变形特性极不利于地铁工程建设。板岩具有明显各向异性，遇水后极易发生明显的软化崩解，崩解指数与风化程度呈正相关；稳定性随含水量的增大而减小。试验发现板岩越干燥，其遇水崩解效应越强，软化系数越小，岩体长时间暴露干燥后遇水易在短时间内完全崩解。在车站基坑开挖施工过程中，风化板岩极易产生遇水软化崩解，发生大变形破坏甚至坍塌，由此引发强烈地层扰动，导致地表不均匀沉降；进而可能导致周边地下管线损坏，建（构）筑物倾斜变形甚至倒塌，严重危害地铁施工及周边建构筑物安全。

在基坑土方开挖的过程中，应加快施工进度，风化板岩暴露后及时处理。在长时间降雨天气施工时，需用防水篷布等材料尽量隔绝雨水对地层的冲刷，尽量控制风化板岩遇水软化，避免出现基坑内部坍塌掉块等事故。基坑施工过程中需要重视降水排水防水作业，降雨时及时抽排积水。

4 风化板岩灌注桩施工技术

水渡河车站基坑车站大部分处于风化板岩地层，基坑支护设计采用正循环钻孔灌注桩，桩净长为21m左右，嵌固深度为3m左右，桩径1m。由于风化板岩遇水软化强烈，采用清水钻进易导致钻孔地层软化变形。工程中通过在施工场地设置造浆池，采用纯碱配合膨润土制备泥浆，根据施工工艺以及施工穿越土层情况，泥浆配比选用1.10，稠度为20。应用效果显示泥浆成膜作用好，泌水率低，对于润滑钻头及稳定孔壁具有良好的效果。泥浆护壁成孔时采用孔口护筒，护筒采用8mm厚钢板制作，内径大于钻头直径，并在上部开设了2个溢浆孔，施工期间护筒内的泥浆始终高出地下水位1m以上，清孔过程中置换泥浆的设备不断运转，直至灌注水下混凝土。

在灌注混凝土前，经孔底测量，孔底500mm以内的泥浆相对密度为1.15，含砂率为6%。钻头进入中风化板岩时，钻速调至慢挡并安装导正装置，经现场实践表明可有效防止孔斜。在施工过程中严格控制了钻进的冲击时间间隔以保障成孔质量，并在施工时综合考虑地层岩土情况，调整钻进深度。

5 结语

风化板岩具有明显的水敏性，遇水后极易发生软化崩解，且崩解作用与风化程度呈正相关，岩石结构稳定性随含水量的增大而减小，且板岩越干燥，其水敏性越强，软化系数越小。在基坑施工中，需要重视地下水对风化板岩的影响，防止出现岩体软化变形。长沙地铁5号线水渡河站基坑灌注桩施工中，针对风化板岩地层的水敏性特性，配置专用泥浆解决了因其水敏性造成的钻进困难问题。本基坑钻孔灌注桩的相关施工工艺可供相似的项目参考。