司延強 王 樺 陳振國梁 敏許慧斌

(1.中國煤炭科工集團 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院,北京 100013)

隨著近年來人口的增長和汽車保有量的增加,全國各大中城市市區(qū)內(nèi)的路面交通壓力日趨增大,為緩解路面交通壓力,提高城市效率,加緊軌道交通建設(shè)是必然趨勢[1]。根據(jù)《廣州市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》草案,要科學(xué)調(diào)控人口規(guī)模,2035年常住人口規(guī)?？刂圃? 000萬人左右,同時按照2 500萬管理服務(wù)人口進行基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施配套。根據(jù)廣州市統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù),2016年末,廣州市常住人口為1 404.35萬人。2017年底,廣州地鐵發(fā)布消息稱,廣州地鐵四號線南延段、九號線一期、十三號線一期和十四號線知識城支線等四條新線開通后,地鐵線網(wǎng)線路長度增加81.6 km,達到了390.6 km,穩(wěn)居全國第三、世界前十。截至2020-12-31,廣州市運營軌道線路16條,運營里程553.2 km。按照2017年3月國家發(fā)改委批復(fù)的《廣州市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃(2017—2023 年)》,到2023 年,廣州將形成18 條線路、總長800 km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)[2-3]。

廣州地區(qū)普遍發(fā)育有花崗巖,在以往的地鐵工程建設(shè)中,由于花崗巖殘積土的工程特性造成的工程事故較多,給地鐵施工帶來極大的困難,并給周邊環(huán)境造成了很大影響。如廣州地鐵2號線越秀公園站圍護結(jié)構(gòu)人工挖孔樁開挖過程中,由于花崗巖殘積土的崩解軟化特性,造成挖孔樁翻漿冒泥,引起周邊房屋沉降開裂,最后不得不改變工法,增加了工期和造價;3號線天河客運站由于花崗巖殘積土的影響,基坑基底軟化造成開挖極其困難,并造成圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)墻變形、開裂,引發(fā)很大的工程風(fēng)險;3號線北延段燕塘站位于花崗巖殘積土地區(qū),由于基坑開挖引起周邊房屋沉降、開裂,嚴重影響了周邊居民的生活,造成巨額賠償?shù)萚4]。

廣州地鐵4號線南延、6號線、6號線二期、13號線東部、14號線及支線、16號線、21號線和22號線等大部分線路穿越花崗巖地層及殘積土分布區(qū)域,且沿線地下水豐富,對線路的走向、敷設(shè)方式和施工工法的選擇造成極大困難,增加了工程設(shè)計、施工的難度和費用。在花崗巖殘積土分布地區(qū)修建地鐵成為廣州地鐵工程建設(shè)的難題之一[4-6]。

注漿技術(shù)是將一種或幾種材料配制成漿液,用壓送設(shè)備將其壓入裂隙性含水層或軟弱松散地層中凝固膠結(jié),起堵水或加固作用的技術(shù)。該技術(shù)主要應(yīng)用于地下工程和地面工程[7]。近年來,定向鉆孔注漿技術(shù)在礦山軟巖和含水層改造中得到了長足的發(fā)展,取得了較好的應(yīng)用效果[8-14],并在土層地鐵隧道預(yù)注漿工程中進行了試驗性的研究,取得了初步的效果[15-16]。為了確保廣州地鐵工程施工安全,采用注漿法堵水和加固地層是廣州地鐵施工的必然選擇。由于強風(fēng)化花崗巖殘積土地層是廣州地鐵工程事故多發(fā)的重要影響因素之一,本文通過研究廣州地鐵典型強風(fēng)化花崗巖殘積土地層土樣的物理力學(xué)特性,為廣州地鐵花崗巖殘積土地層重塑和開展地層注漿堵水、加固模擬試驗提供科學(xué)依據(jù),從而為廣州地鐵工程設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 工程概況與土樣選取

1.1 廣州地鐵22號線下穿3號線工程概況[17]

廣州市地鐵22號線番祈中間風(fēng)井—番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間(區(qū)間長2.513 km),在光明北路與東環(huán)路交匯處下穿既有運營地鐵3號線(漢溪長隆站—市橋站)。地鐵22號線隧頂距既有地鐵3號線隧底凈距約5.5 m,地層主要為6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)、7Z(強風(fēng)化混合花崗巖)和8Z(中風(fēng)化混合花崗巖),地鐵22號線左線隧頂埋深26.5 m,右線隧頂埋深26.5～26.9 m,既有地鐵3號線隧頂埋深約15.1 m。盾構(gòu)通過時,先下穿地鐵3號線右線,再下穿左線。

地鐵3號線處于5Z-2(砂質(zhì)黏土)和6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)地層中,為盾構(gòu)法隧道,管片外徑6 m,左、右線間距5.4 m;地鐵22號線盾構(gòu)機刀盤開挖直徑8.84 m,管片外徑8.5 m,左、右線間距7.5 m。

地鐵22 號盾構(gòu)下穿地鐵3 號線長度為19.2～20.8 m,對應(yīng)在建地鐵22號線左線(297～309環(huán))、右線(291～303環(huán))。2019 年10 月,當(dāng)?shù)罔F22號線左線已掘進至273環(huán)、刀盤距離3號線邊線約30 m,右線掘進至220環(huán)、距離3號線約113 m 時,由于地鐵3號線局部沉降嚴重,被迫停工。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

為了查清廣州地鐵22號下穿3號線區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況,在該區(qū)域布置了10個鉆孔進行補充勘查,其中,Z1和Z2孔位于22號線左線的中線兩側(cè),距離3號線右線隧道東墻均為3.0 m;Z3孔位于22號線左線的中線與3號線中線的交點;Z4和Z5孔位于22號線左線的中線兩側(cè),距離3號線左線隧道西墻均為3.0 m。Y1和Y2孔位于22號線右線的中線兩側(cè),距離3號線右線隧道東墻均為3.0 m;Y3孔位于22號線右線的中線與3號線中線的交點;Y4和Y5孔位于22號線右線的中線兩側(cè),距離3號線左線隧道西墻均為3.0 m(見圖1)。

圖1 廣州地鐵22號線下穿3號線平面及補勘鉆孔布置

根據(jù)補勘資料,在補勘范圍內(nèi)地層由上而下依次為1-2(素填土,厚度3.7～5.5 m)、4N-2(粉質(zhì)黏土,厚度1.0～3.1 m)、4-2B(淤泥質(zhì)土,厚度0～1.3 m)、5Z-2(砂質(zhì)黏土,厚度5.9～11.2 m)、6Z(全風(fēng)化混合花崗巖,厚度4.4～10.9 m)、7Z(強風(fēng)化混合花崗巖,厚度0.9～5.4 m)和8Z(中風(fēng)化混合花崗巖,鉆孔均未穿透),局部區(qū)域在4-2B和5Z-2地層之間含有3-1(粉細砂,厚度0～3.6 m)和4N-2(粉質(zhì)黏土,厚度0～1.3 m)夾層。

上述地層除8Z(中風(fēng)化混合花崗巖)地層為巖石地層外,其余均為軟土地層。其中,8Z地層巖體裂隙發(fā)育,巖芯呈短柱狀、碎塊狀,少量長柱狀,巖質(zhì)稍硬,局部夾微風(fēng)化巖塊,RQD值為20%～40%?？箟簭姸葹?3.6～42.7 MPa,平均為24.2 MPa。穩(wěn)定地下水位深度約3 m。

1.3 土樣選取

試驗土樣取自廣州地鐵22號線番祈中間風(fēng)井—番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間左線6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)地層。

2 花崗巖殘積土的物理力學(xué)試驗

2.1 顆粒級配試驗

2.1.1 試驗?zāi)康?/p>

通過篩分法測定土的顆粒級配,判定土的級配情況是否良好,為土的重塑提供依據(jù)。

2.1.2 試驗原理

一般土的粒徑小于60 mm 大于0.075 mm,采用篩分法。通過篩分,稱出留在各篩上的土重,算出各篩的篩余率,以及各篩的累積篩余率,描繪出顆粒級配曲線。

2.1.3 儀器設(shè)備

(1)圓孔篩:篩孔徑為0.075、0.250、0.500、1.000、2.000、5.000、10.000、20.00、40.00、60.00 mm 的圓孔篩,并附有篩底和篩蓋;

(2)物理天平:量程為2 kg,最小分度值0.01 g;(3)烘箱、淺盤、毛刷和鏟子等。

2.1.4 試驗步驟

(1)試樣用四分法縮分至每份不少于550 g的試樣4份,放在105±50 ℃烘箱中烘至恒重,冷卻至室溫。

(2)準(zhǔn)確稱取試樣500 g。將篩子按孔徑由大到小疊合起來,附上篩底,將土樣倒入最上層篩中。

(3)將整套圓孔篩進行手篩,時間不少于10 min。

(4)整套圓孔篩手篩完畢后,逐個在清潔的淺盤中進行手篩,篩至每分鐘通過量小于試樣總量的0.1%為止。通過的砂土粒并入下號篩中,并和下號篩中的試樣一起過篩,按此順序進行,直至各號篩全部篩完為止。

(5)稱取各號篩上的篩余量。試樣在各號篩上的篩余量不得超過200 g,超過時應(yīng)將該篩余試樣分成兩份,再進行篩分,并以兩次篩余量之和作為該號篩的篩余量。

2.1.5 試驗結(jié)果分析

將各篩的篩余量計入相關(guān)統(tǒng)計表,并計算出各篩的分計篩余百分率和累計篩余百分率。根據(jù)篩分試驗成果,采用對數(shù)坐標(biāo)表示,橫坐標(biāo)為粒徑,縱坐標(biāo)為小于(或大于)某粒徑的土重(累計百分比)含量,繪制成顆粒級配曲線(見圖2)。

圖2 土樣的顆粒級配曲線

由試驗計算得,土樣中粒徑≥2 mm 的圓礫(卵石)占土樣重量的38.08%。土樣的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別由式(1)和式(2)表示:

式中:d60、d30和d10分別相當(dāng)于小于某粒徑土重量為60%、30%和10%對應(yīng)的粒徑,分別稱為限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑[18],mm。

將圖2中4條曲線的d60、d30和d10分別取平均值,分別代入公式(1)和(2)中,得:

這里Cu＞5、Cc＞1,為級配良好土。

2.2 含水量試驗

土的含水量是指土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比[18],即:

式中:ω為土的含水量,%;mw為土中水的質(zhì)量,g;ms為土粒質(zhì)量,g。

2.2.1 試驗?zāi)康?/p>

測定土體的天然含水量,為砂卵土地層重塑提供依據(jù)。

2.2.2 基本原理

土體中的自由水和弱結(jié)合水在105～110 ℃的溫度下全部變成水蒸氣揮發(fā),土體土粒質(zhì)量不再發(fā)生變化,此時的土重為土顆粒質(zhì)量加上強結(jié)合水質(zhì)量,將揮發(fā)掉的水份質(zhì)量與干土質(zhì)量之比稱為土體含水率。即土體含水率是指土顆粒在105～110 ℃的溫度下烘干至恒重時所失去的水份質(zhì)量與烘干土質(zhì)量的比值,用百分數(shù)表示。

2.2.3 儀器設(shè)備

(1)恒溫烘箱:恒溫范圍在105～110℃,溫度控制精度高于±2 ℃;(2)天平:量程為200 g,最小分度值0.01 g;(3)其它工具:鋁盒(稱量盒)、開土刀、干燥器、溫度計等。

2.2.4 試驗步驟

(1)用感量0.01 g的天平稱取鋁盒重量,記錄鋁盒編號和重量;

(2)取具有代表性的試樣15～30 g放入鋁盒內(nèi),(有機質(zhì)土、砂類土和整體狀構(gòu)造凍土為50 g),迅速蓋好盒蓋,稱鋁盒加濕土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g,并記錄鋁盒號和盒加濕土質(zhì)量;

(3)揭開盒蓋,將試樣和鋁盒一起放入恒溫烘箱,在溫度105～110 ℃下烘至恒重(烘干時間不得少于6 h);

(4)將鋁盒從烘箱中取出,蓋好鋁盒蓋,放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后,稱鋁盒加干土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g,并記錄鋁盒號和盒加干土質(zhì)量。

2.2.5 試驗結(jié)果

共進行5組試驗,試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知,土樣的平均含水量為9.02%。

表1 砂土含水量試驗結(jié)果

2.3 固結(jié)試驗

2.3.1 試驗?zāi)康?/p>

測定土的壓縮性指標(biāo),主要包括土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

2.3.2 試驗原理

固結(jié)試驗是將天然狀態(tài)下原狀土樣或人工制備的擾動土制備成一定規(guī)格的試件,然后置于固結(jié)儀中(見圖3),在不同荷載、有側(cè)限和軸向排水條件下測定其壓縮變形。

圖3 固結(jié)儀

2.3.3 試驗記錄與計算(1)孔隙比孔隙比是孔隙體積與土顆粒體積之比[18],即:

式中:e為土的孔隙比;VV為孔隙體積,cm3;VS為土顆粒體積,cm3;ds為土粒相對密度,g/cm3;ω為土的含水量,%;ρw為水的密度,g/cm3;ρ為土的密度,g/cm3。

(2)土的壓縮系數(shù)

土的壓縮系數(shù)是土體在側(cè)限條件下,孔隙比(e)減小量與有效應(yīng)力(p)增量的比值,即e-p曲線中某一壓力段的割線斜率,即:

式中:α為土的壓縮系數(shù),MPa-1;p1是地基某深度處土中(豎向)自重應(yīng)力,是指土中某點的“原始壓力”(p0),MPa;p2是地基某深度處土中(豎向)自重應(yīng)力與(豎向)附加應(yīng)力之和,MPa;e1、e2相當(dāng)于p1、p2作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比[18]。

(3)壓縮模量

土的壓縮模量是土體在側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值[18],即:

式中:ES為土的壓縮模量,MPa。

本次試驗固結(jié)試驗共3組,試驗結(jié)果如表2所示,砂土的孔隙比-應(yīng)力關(guān)系(e-p)曲線如圖4所示。

表2 砂土固結(jié)試驗成果

圖4 e-p 曲線

3 結(jié)論

通過系列試驗,研究了廣州典型強風(fēng)化花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì),主要結(jié)論如下:

(1)卵石(粒徑大于2 mm)含量占殘積土重量的38.08%,土的不均勻系數(shù)Cu≈5.76、曲率系數(shù)Cc≈1.06,為級配良好土。

(2)砂土(粒徑小于2 mm)含量占殘積土重量的61.92%,土的含水量為9.02%。

(3)在12.5～800 kPa壓力作用下,殘積土的孔隙比為0.124～0.010,壓縮模量為1.21～67.73 MPa。