[分享]孤石和基岩凸起地层隧道施工技术要点分析

发表于2018-11-01     411人浏览     1人跟帖     总热度:202  

1 引言    孤石和基岩凸起地层是盾构法施工的难点,处理孤石首选是在地表进行处理,其次才考虑在洞内处理。而基岩凸起地层一般处在岩土交界面,隧道上部是软塑状土层,下部为岩层,地层特点是上软下硬。在这种地层施工,隧道容易发生塌方,刀具偏磨、损坏、线路偏移等问题。近年来,随着对孤石和基岩凸起地层盾构隧道施工的认识,形成了许多此类工程施工经验总结。孤石和基岩凸起施工技术在勘探、地面预处理、洞内处理等方面有了长足的进步。2 孤石和基岩凸起地层成因及特点2.1 孤石和基岩凸起地层成因    孤石和基岩凸起地层的形成主要有两方面原因:    (1)孤石主要存在于花岗岩地层中,因受矿物风化不均而形成的残留体,是一种常见的风化残积现象;    (2)人工回填造成的孤石;    (3)基岩凸起是由于线路选择时,综合考虑线路走型、隧道埋深、施工工法、地面建筑物等,使隧道通过岩土交界层面,其下伏基岩成因多种多样,隧道断面基岩上部通常为黏土、砂层等;2.2 孤石和基岩凸起地层特点    孤石大部分为花岗岩球状风化体,强度高特性,其分布具有离散性大有一定规律:    (1)主要分布于全风化带和强风化带,偶尔在填土层中出现;    (2)在垂直风化剖面上,随着高程的增加,球状风化体越来越密集,而体积越来越小;    (3)基岩凸起地层具有以下特点:①基岩凸起地层处必存在岩土交界面,下伏岩体因不同地区多种多样;②除断裂带外,基岩凸起地层连续起伏,占隧道断面比例有一定趋势上升或下降;③地层上伏土层和下伏基岩岩土力学性能差异明显。3 孤石和基岩凸起勘探施工方法    要降低或消除盾构施工面对孤石和基岩凸起地层的风险,隧道施工前应探明孤石的分布情况和基岩凸起情况:    (1)隧道传统超前地质预报勘探多采用钻探为主,取芯试验验证的勘探方法;    (2)孤石和基岩勘探一般采取钻孔勘探,后因物探技术的发展,随着瞬变电磁法、地震波反射法、地质雷达勘探、水平声波反射法、红外探水法、跨孔电阻率层析成像勘探在隧道超前地质勘探的应用,孤石和基岩勘探经常采用相互印证的综合方案。4 孤石和基岩凸起隧道施工地面预处理技术分析    孤石和基岩凸起地层隧道采用盾构施工难度大,风险系数高,严重可导致整个工程失败,随着施工技术的发展,隧道施工越来越多的采用地面预处理技术。目前业界对孤石和基岩凸起地处理原则是能进行地面预处理的提前进行地面预处理,地面不具备处理作业条件的,进行洞内处理。地面预处理的方法有:①对孤石和基岩凸起隧道中的软弱地层加固,改变其工程地质力学性能,与孤石和基岩性能接近形成均质地层隧道;②、对孤石和基岩进行破碎或清除处理,采用的方法有人工挖孔桩破除孤石和基岩、钻孔桩冲击破碎孤石和基岩、地面密集钻孔法破碎孤石和基岩、地面钻孔爆破法破碎孤石和基岩,特点都是破碎孤石和基岩,降低岩石RQD值,使盾构能顺利掘进通过。具体采取方法需要根据地层情况、地面环境、盾构机参数等选取合适的方法。珠海城际铁路盾构工程经多次研究分析及试验,对孤石采取地面注浆加固和基岩地面深孔爆碎预处理施工:4.1 地面注浆加固要点分析    (1)加固范围:加固范围为沿线路纵向加固长度刀盘前后各3m,横向加固宽度为隧道范围及隧道两侧各2m,竖向加固高度为隧道范围及拱顶以上1.5m;且加固土层能将孤石包含在内。    (2)注浆孔布置方案要点:①采用梅花型布孔;②孔与孔之间的间距为1.2m;③注浆孔向外扩散的半径设定为0.75m。    (3)注浆顺序:先外围后中间,从下向上。即:施工周边孔→内部孔,在各序孔内跳孔进行注浆,以防止注浆时串孔。    (4)注浆施工:注浆采用劈裂注浆工艺,注水泥水玻璃双液浆。    (5)注浆参数:根据地层情况浆液采用水泥水玻璃双液浆作为注浆材料。    (6)配制浆液:根据拌浆桶体积及水灰比计算出每桶需加水及水泥用量,搅拌至少5min,待缓凝剂充分溶解后,加入水泥继续搅拌。    (7)注浆时采用先外围、后内部的注浆顺序;有流动的地下水时,从水头高的一端开始注浆。    (8)注浆结束标准:外围孔注浆控制以限制注浆量为主,内部孔以注浆压力控制。4.2 深孔爆破预处理要点分析    珠海城际铁路工程选择在地面采用钻孔控制爆破预处理基岩的方案,对已探明水中段基岩采用地面地质钻孔,装药爆破隧道范围内岩石,使岩石成为单边长度小于35cm的碎块。以避免和减小洞内处理受空间限制和安全风险。为保证盾构能顺利通过,对本工程在爆破处理进行试验验证。4.2.1 试验爆破参数设计    (1)单耗计算:q=k·q0;式中q0—水下钻孔爆破单耗,q0=0.45+(0.05-0.15)H,其中H为水深(m);k—地下岩体校正系数,取1.0-2.0;    (2)本工程取:H=25m,k=(1.0-1.4),水深系数0.10,所以本工程炸药单耗:q=k·q0=(1.0-1.4)×(0.45+0.10×25)=(2.95-4.13)kg/m3;    (3)应根据岩体的厚度及地表建筑物、管线保护的要求,采用连续装药或分段装药方案。4.2.2 布孔形式与装药结构    此次试爆分为两个区域,超深h(m)=1m;采用不同的参数进行试爆施工,各个区域均模拟基岩厚度为6~8.5m时的爆破施工,具体布孔形式参数见表1,装药结构见图1。

孤石和基岩凸起地层隧道施工技术要点分析_1

孤石和基岩凸起地层隧道施工技术要点分析_2

4.2.3 试爆破施工监测    试爆破期间,聘请第三方有资质单位对爆破振速进行监测,通过分析测振结构总结爆破作业对周边建(构)筑物的影响,用以指导爆破施工。    爆破振速检测点设A、B两组,每组设置4个测点,每次爆破选取一组进行爆破振速测量。A组测点设置在爆区临弱面前、后方各30m、50m处,B组测点设置在爆区临弱面左、右方各30m、50m处。5 孤石洞内处理技术要点分析    (1)对于直径大于60cm的孤石,该类孤石不能通过刀盘开口处,当地面不具备处理条件时,需考虑从洞内土仓进行处理。在仓内主要采用静态爆破、人工爆破、以及岩石分裂机对孤石进行处理。静态爆破造价高且进度慢,人工爆破安全保障难且对盾构机有影响,通常采用人工进入土仓利用岩石分裂机进行硬处理。分裂机如下图2所示。

孤石和基岩凸起地层隧道施工技术要点分析_3

     (2)分裂机设备使用优点:单机最大分裂力可达413吨、静音、无粉尘工作、没有震动;重量轻、分裂尺寸精确、可控性分裂、在狭窄与难于进入的地方工作、操作简便。以上优点满足在刀盘前方狭窄的空间下进行破碎孤石的施工要求。

6 处理后的孤石和基岩凸起地层盾构掘进施工要点    (1)在通过孤石和基岩凸起地层前,对盾构机进行全面检修,更换刀具使刀具配置适合软硬不均地层;    (2)掘进过程中严格控制掘进推力和扭矩,注意观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化;    (3)盾构掘进采用小推力、低扭矩、低转速掘进,并把掘进速度控制在8-20mm;    (4)根据地层的情况保持一定的土仓压力,可采用半土压、半气压提供土仓压力的掘进模式;    (5)掘进过程中适量添加泡沫和水,减小刀具扭矩,降低刀盘温度,减小刀具偏磨;    (6)根据掘进的速度匹配合适的注浆速度,并确保同步注浆量;    (7)在掘进通过“孤石”的过程中加强地面监测,并做好注浆加固的应急准备。7 结语    本文主要从工程实践出发,结合珠海城际铁路工程实例,从原理、施工、试验论证等方面出发,对孤石和基岩凸起地层盾构法施工技术进行研究、归纳总结:    (1)孤石和基岩凸起地层是盾构隧道施工的难点,从降低工程风险的角度应采取地层预处理技术,预处理应遵循当地面具有处理条件时,首先考虑地面处理,若不具备条件则采用洞内处理的原则。    (2)各种孤石处理方法具有各自的优势和劣势,应根据孤石的大小、位置、形状、周边环境和施工风险等因素确定具体处理方法。鉴于工程地质条件的复杂性,在盾构施工过程中,可根据具体地质条件、工程经济选用一些传统的施工方法作为辅助手段,避免和减少盾构施工风险。    (3)通过本文的分析形成了一套完整的孤石和基岩凸起地层隧道施工技术,包括勘探施工方法、地面预处理技术、孤石洞内处理技术以及孤石和基岩凸起处理后的地层盾构掘进施工要点,能为后续类似项目提供参考借鉴作用。


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隧道传统超前地质预报勘探多采用钻探为主

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