北京地铁二号线地铁车站大粒径卵碎石地层特征及影响因素分析

北京地铁二号线地铁车站大粒径卵碎石地层特征及影响因素分析

1隧道结构及工程地质条件北京地铁9号线位于北京市西部，东西向，主要分布在丰台和海淀区。起点设在丰台区郭公庄,终点设在海淀区白石桥,与在建地铁四号线相接。其中的军事博物馆—白碓子段场地位于古漯水河故道和古金沟河故道,所处地质单元为第三纪古地形隆起带,地面以下1~2m为人工堆积层,工程性质较差,其下为第四纪冲洪积层,上部为厚度6~8m的粘性土、粉土层,下部主要为砂卵石层,局部夹有厚度不等的粘性土层;再往下为第三纪岩层,主要为砾岩、粘土岩,基岩顶板标高整体趋势呈中间低南北高。根据周边已有工程资料,上述第四纪冲洪积卵石层及第三纪砾岩层中,随机分布有粒径较大的卵砾石,且母岩强度很大,而本段区间隧道及车站主体结构主要位于含此类大粒径卵砾石层中。拟建隧道结构与概化工程地质剖面的关系见图1所示。大粒径且高强度卵砾石的存在对地铁隧道及车站施工均带来很大影响,主要表现为:(1)盾构机在含大粒径、高强度砾石的卵石层(夹砂层透镜体)或强风化砾岩层中掘进时,切削料难以排出,或因被切削头带动而扰动地层,易造成超挖和土体变形、下沉;(2)大粒径卵砾石如果无法排出时,只能采取开仓进行人工破碎,易发生掌子面失稳坍塌事故;(3)卵砾石地层母岩强度大,相应的切割阻力也大,对盾构机刀具磨损很大,易引起刀座变形,使更换刀具困难,另外,刀盘受力不均易导致器具产生机械故障,甚至致使盾构掘进受阻或偏离线路;(4)车站基坑围护桩施工成孔时,如遇粒径大于30cm的漂石,成孔难度很大,施工功效很低。具体影响如表1所示。基于以上原因,应在勘察阶段尽可能查明地层中大粒径卵砾石含量、颗粒级配、最大粒径、母岩强度以及切割阻力,以满足设计施工的需要,降低施工阶段风险。2层中卵砾石粒径的调查方法常规的钻探法(锤击钻进和回转钻进等)无法满足设计和施工对地层中卵砾石粒径调查的需要,应根据工程需要,同时选择探井法、既有基坑调查法、全套管取样法及周边或类似地层工程类比法等进行综合分析,这些调查方法各有其适用性及优缺点,如表2所示。3现场勘察作业难度北京地铁九号线之军事博物馆—白碓子段穿越繁华城市街区和中华世纪坛、玉渊潭公园等重要旅游景点及一些重要机要部门,现场勘察作业难度很大。笔者根据该段岩土工程勘察之卵砾石粒径调查工程实践为例,阐述及分析总结如下。3.1地层破碎岩芯在地铁九号线勘察工作中,钻探法因其可以鉴别地层、采取试样和进行原位测试,且施工方便,而被广泛运用,同时也作为卵砾石粒径调查的一种重要的辅助手段。根据地层情况及设计钻孔深度,可选择采用锤击钻进和回转钻进两种。锤击钻进将个别卵石及强风化砾岩击碎,并将部分岩芯从钻孔中取出,对于调查较大粒径卵砾石分布几乎不适用,仅可根据所钻出的破碎岩芯及无法继续钻进时钻机对地层的反应情况,粗略定性地判断地层中的卵砾石粒径大小。钻孔中采取岩芯情况见图2(a)所示。本工程中对于钻入第三纪基岩深度较大的钻孔,一般采用回转钻进,但此方式钻进效果不明显,钻头磨损较快,成本较高,并且因岩芯采取率低而无法准确描述。根据图2(b)所示岩芯最大长度约为25cm,因所得岩芯仅为地层中卵砾石的一部分,根据台湾地区相关研究资料,该岩芯所对应卵砾石最大尺寸可按其长度的1~3倍进行推算,并应根据周边已有工程资料进行调整,初步推算该层位最大卵砾石粒径接近70~80cm。3.2勘探井法3.2.1探井开挖揭露的卵砾石的粒径本次在白碓子站场区内及周边完成两个探井(编号分别为TJ1和TJ2),均采用人工开挖,钢筋混凝土护壁,与人工挖孔桩成孔施工方法基本一致。当卵石及砾岩层中遇到粒径大于60cm的巨大漂石及开挖风化程度较弱的砾岩层时,需用风镐破碎后才能从井底运至地面。现场对探井开挖揭露的卵砾石的粒径大小进行测量和描述,可参见图3,同时采取典型母岩试样进行有关试验。探井开挖及现场筛分、量测揭示的卵砾石分布情况如下:(1)深度约10.0~13.0m分布的第四纪冲洪积的卵石粒径一般为5~8cm,最大为25cm;(2)深度约13.0~14.5m为第四纪冲洪积的漂石层,可见粒径一般为18~20cm,最大可达60cm。其中粒径30~50cm的漂石约占20%,粒径50~60cm的漂石约占20%;(3)深度约14.5m以下为第三纪砾岩层,强~中等风化,泥质~砂质胶结,大部分深度段均有较大粒径砾石分布,一般粒径为15~35cm,同时分布有较多粒径约40~60cm的砾石,最大粒径可达80cm。3.2.2单轴抗压强度及石英含量本次探井开挖过程中,在TJ1中取强风化砾岩层中大粒径砾石共5块进行了室内岩石物理力学性质试验,试验成果表明:砾石岩性较杂乱,以花岗岩及火山碎屑岩等为主,矿物成份以石英、斜长石、碱性长石等为主,单轴抗压强度及石英含量因砾石岩性的不同而有很大差异,天然单轴抗压强度为52.20~100.80MPa,饱和单轴抗压强度为17.50~139.20MPa,石英含量为10.28%~48.54%。砾岩对掘进的切割阻力是指岩体被切割时,作用在切割体上的阻力,其不仅与母岩的强度有关,还与砾岩胶结物的强度有关。很明显,母岩强度越大,切割阻力越大。一般情况下,胶结物强度越大,切割阻力也越大,但也有因胶结物风化严重而无法将砾石胶结成一个整体的现象,掘进时大粒径砾石容易“翻转”,从而使掘进更加困难,胶结物强度对掘进切割阻力的影响,还需进一步研究。3.2.3地下水对施工的影响TJ1开挖揭示的地下水埋深为14.30m,水位标高为38.66m;TJ2开挖揭示的地下水埋深为12.50m,水位标高为39.74m。开挖过程中均采取了混凝土护壁止水措施,但未能完全封堵住,施工过程中不断有少量地下水渗漏。TJ1渗漏水量较小,经过一整夜(约14h)的集水量一般约为0.5m3;TJ2地下水水量较大,经过一整夜(约14h)后,地下水位一般会上升至稳定水位处。两个探井的设计深度均为24m,地下水的存在对开挖施工的不利影响很大。TJ1因渗水量较小,采用潜水泵抽水后,开挖达到了预定深度;而TJ2因渗水量过大,尽管施工过程中采取了潜水泵抽水的措施,但开挖深度越大需抽水量越大,难以达到设计深度,出于安全考虑,最终在深度17.0m时停止继续开挖。3.3基坑底及槽壁卵砾石分布根据拟建地铁九号线白碓子站西南角海军总医院医疗大楼基槽(距离白碓子车站及区间隧道最小距离仅20m左右,基坑面积约7650m2,开挖深度约15m)调查揭示,深度约13.0~14.0m范围内为漂石层,14.0m以下至槽底为砾岩层,分界比较明显。漂石层颜色杂乱,以显白为主,而砾岩层颜色以棕红、灰棕为主,均有大粒径卵砾石分布。基坑内粒径30~50cm卵砾石约80余块,粒径大于50cm的卵砾石约30余块,最大可见粒径约80cm。调查坑底及槽壁卵砾石情况如图4所示。此被调查基坑从地层条件的相似性、距离的接近性上讲,均为很理想的卵砾石粒径调查场所,不足之处为,该基坑深度约为15.0m,而设计盾构隧道顶板埋深约为16.0m,底板埋深约为22.0m,车站基坑围护桩设计桩长为24.0m,此基坑调查难以满足其深度的要求。3.4实际最大培养株的确定笔者收集整理了拟建场区周边既有工程施工期间所揭示的卵石粒径分布资料,具体如表3所示。从地铁十号线工体北路站施工揭示的卵石粒径分布情况看,上文所述实际最大卵石粒径按钻探岩芯长度的1~3倍进行推算是合理的。另外,所收集资料显示的卵石粒径很少有大于30cm的巨大漂石,而在拟建场区的基坑及探井资料显示,第三纪砾岩层中及其层顶以上厚度约1.5m左右的卵石层中,粒径在30~60cm、最大甚至达到80cm的巨大漂石分布占到了相当比例,这种类比差异的关键在于所在地质单元的不同,因此根据周边既有工程资料进行类比时,尚应结合钻探、探井描述情况进行综合分析。3.5人工成孔工艺方案根据以上几种手段调查的结果进行综合分析,本段典型的卵砾石地层情况及其对隧道盾构及围护桩成桩施工的影响如下:(1)深度较浅层位的卵石层中,卵石粒径一般为3~5cm,较大为5~8cm,个别最大可达到10cm左右或以上,对隧道盾构及围护桩成桩施工无明显影响;(2)深度较深层位(一般在第三纪岩层层顶1.5m深度范围内)的卵石层中,漂石含量集中,以粒径15~30cm为主,少量粒径为30~60cm。对围护桩成孔施工而言,常规的机械成桩工艺在该段地层中成孔有一定难度;因地下水水量较小,在辅以必要降排水措施后相对经济的人工成孔工艺是可行的;(3)在第三纪砾岩层中,浅层风化强度较强,胶结较差,但大粒径砾石含量高、粒径大,其石英含量较高,强度较大,常规的机械成孔工艺一般难以穿过此类地层;人工成孔工艺进度较慢,且安全问题突出。而更深部地层,风化程度较弱,胶结程度较好,砾石粒径相对浅部地层较小,但由于胶结程度好,对适用于松散卵石地层的机械成孔(尤其是旋挖钻)施工工艺成桩难度很大;人工成孔工艺在进度和安全上可能无法完全满足要求。在上述含第三纪砾岩层及其顶面以上厚度约1.5m左右的漂石层中盾构施工时,初步推荐采用加泥式土压盾构,同时不排斥泥水盾构,刀盘最好采用辐条式,同时采用渣土改良系统,带式螺旋输送机,以便加大螺旋输送机排除大粒径卵石的能力。另外,建议在原盾构区间内增加换刀井,以保证刀具在磨损后能及时更换。3.6岩芯尺寸推高上述在本工程中采用的卵砾石粒径调查方法,各有其优缺点和适用性,应根据具体情况灵活采用并综合分析,探井与既有基坑中卵砾石粒径大小调查结果与根据钻探岩芯尺寸推算卵砾石粒径大小情况基本一致。当上述方法综合分析得出的地层卵砾石描述仍不能满足设计和施工需要时,可考虑采用全套管取样法,这种方法克服了其它方法或不能直观鉴别、或深度不够、或受地下水制约较大的困难,但该方法对场地要求最高,钻机干作业成孔抓取施工时,最小占地面积也可达到150m2左右,花费也最大。目前在城区地铁勘察阶段采用全套管取样法几乎是不可能的,可以考虑在施工阶段,选择场区周边有代表性的空地采用此种方法进行卵砾石粒径调查。4地铁设计施工前地质勘探法的选择(1)在砂卵石和砾岩地层中进行地铁隧道盾构施工或车站基坑围护桩施工时,施工设备和施工工艺的选择受卵砾石颗粒级配、粒径大小、大粒径卵砾石含量及母岩强度影响很大。而常规的地