复合地层对盾构施工的影响

复合地层对盾构施工的影响

【摘要】

目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，国内40多座百万人口以上的特大城市均开展了城市快速轨道的建设或建设前期工作。其次在越江道路、输气和市政排水隧洞、核电站取水隧洞等工程中广泛采用盾构法施工。

通过本文的介绍，使读者对盾构施工在复合地层施工有一个简单的了解。【关键字】

施工环境盾构机复合地层孤石刀盘

一、施工环境的定义

盾构机是根据施工对象“度身定做”的，正如裁缝要根据具体的人进行“量体裁衣”一样；否则缝制的衣服就不合身。制造盾构机所依据的对象（即“身”）称之为施工环境。它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌（统称地质环境）、及既有（或在建）的房屋、管线、桥梁、隧道、道路、轨道交通等建（构）筑物和设施，以及文物、地表水体（统称周边环境）等特征的总和。

二、施工环境在盾构施工中的地位

就目前的科技水平，盾构机在很长一段时间内仍不是一种万能的掘进设备。若施工环境变了，盾构机设计就会不同。在软土地层中掘进的盾构机与在岩石地层中的盾构机有很大区别。浅埋的过江的盾构机或深埋的开挖岩石为主的盾构机就需要一些特殊的配置。准确判别施工环境就是盾构施工工法的基础。

图2-1 软土盾构机

图2-2硬岩盾构机（TBM）

三、复合地层

3.1复合地层的概念

开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种以上在岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的不同地层组成的地层，定义为复合地层。

复合地层是相对于单一地层来说的。均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，或岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。比如单纯软土地层或单纯的硬岩地层等。

复合地层的组合方式为：在断面垂直方向、水平方向上和二者兼而有之的不同地层的组合。

⑴复合地层在垂直方向上的变化。

最典型的垂直方向上的复合地层就是“上软下硬”地层。即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层；或者上部是软弱的岩层而下部是硬岩层；或者是在硬岩层中夹软岩层，或软岩层夹硬岩层等。如图3-1所示的地层。

图3-1 复合地层垂直方向变化剖面图

⑵复合地层在水平方向上的变化。

在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性或不同风化程度，从而表现出不同岩土性质的地层。比如广州地铁五号线草～陶区间的地层（见图3-2）

<1>--人工填土层<3>细砂土层<4-2>河湖相淤泥质土层<5-1>可塑或稍密状残积土层<5-2>硬塑或中密状残积土层<6>岩层全风化带<7>岩层强风化带<8>岩层中风化带<6c-1>石灰岩全风化带<8c-2>石灰岩中风化带<9c-2>相对完整的石灰岩微风化带<9H>--微风化花岗岩

图中白垩系红层的粉砂岩为软岩，单轴抗压强度一般≦30Mpa；花岗岩和石炭系石灰岩是硬岩，单轴抗压强度一般会≧60Mpa。

图3-2 广州地铁某区间的地层

⑶水平方向和垂直方向两者兼而有之的更为复杂的变化。

3.2复合地层盾构施工的特点

⑴经常变换盾构施工模式

在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，在以相对自稳残积土层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式，在岩石地层，特别是比较完整的岩石地层中施工时，可采用开胸式；在以富水砂层或以富水砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式，如此等等。需经常根据地层的变换来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。

⑵盾构机的配置需要做出适当的调整

在硬岩地段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率也会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。

⑶采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化

这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。

⑷在围岩强度变化及其悬殊的地段及石英含量高或高强度硬岩地段等地层中掘进时，需要较频繁的换刀。

⑸某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法。

见下节<8>和<9>地层的岩石地层为主在水平方向上的组合。

四、复合地层分类及对盾构工程的影响

复合地层的组合是极其复杂的，仅以在广州、佛山地区常见的几种形式说明其对盾构施工的影响。

⑴第四系淤泥层（工程地层编号为<2>）或易液化的粉细砂层为主与其它松散地层的组合。

〈1〉人工填土层〈2〉淤泥层〈3-2〉砾砂

图4-1黄沙～长寿路区间地质剖面图

广州地铁某区间，盾构机全断面通过<2>地层，盾构隧道下部有淤泥层。隧道建成后不久，下沉了近100 毫米。这主要是淤泥质土层在掘进过程中被扰动，随后淤泥质土层失水重新固结的结果。

在广州、佛山等区域的部分区间隧道及底部，存在一定厚度的液化地层，如海陆交互相沉积淤泥质粉细砂<2-2>、轻微液化趋势的饱和粉细砂层<3-1>，河湖相淤泥<4-2A>、河湖相淤泥质土<4-2B>。

在类似地层的盾构施工过程中应密切注意和预防的主要问题有：

①建筑物和构筑物的沉降

图4-2 某工地地面沉降

隧道断面上部为<2>地层时，应注意土仓中土（水）压平衡的问题，因为<2>地层大部分呈软塑或流塑状态，有些还具有液化特性，对盾构机密封仓内的土压反映非常灵敏，而土仓内主被动土压是否保持动态平衡，直接关系到地面及其建筑物是否发生沉降和开裂的问题。

②盾构机到达井和始发井施工的稳定性和安全性

广州地铁某区间的盾构机始发井采用钻孔桩做围护结构，采用明挖法施工。在施工过程中，由于桩间止水效果不好，当基坑挖至15～16m时，发生围护结构外的淤泥层<2>瞬时从桩间大规模地涌入现象（见图4-3、图4-4），所幸没有人员伤亡。

图4-3 第三道钢围檩被冲跨（围护结构内侧）