复合地层与盾构施工技术

复合地层与盾构施工技术

竺维彬鞠世健

盾构法施工与其它传统的地下工程施工工法一样，其终极目标是完成一项特色的地下工程，比如一条地下隧道或地下车站，它的不同点在于，盾构法采用了特殊的施工工具盾构机。

盾构机是根据施工对象“量身定做”的，盾构机制造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。

在施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征是最重要的，因为它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺最重要的先决条件。在实践当中，对地质特征的研究往往被忽视。殊不知，没有什么盾构施工技术不是与地质特征有关的，尤其是在复合地层中的盾构施工。

1复合地层的概念

在盾构施工的过程中，围岩岩土力学、基础地质和工程地质等特征的各向均匀性直接影响盾构机的选型、盾构施工工艺的选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类：均一地层和复合地层。

1.1均一地层

1.1.1均一地层的概念

严格意义的各向同性的均质地层在自然界是不存在的，本文定义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。均一地层有两种情况：

（1）单纯的软土地层：从地质图（见

图1）中可以看出，地铁隧道穿越了Ⅱ层，

主要为粉砂质土和Ⅲ层为粉质粘土，这两

种地层的物质组成及其结构和构造都存在

着一定的差异，但它们的岩土力学性质以

及工程地质和水文地质特征就盾构机的选

型和盾构施工而言，差别并不大。

根据上述地层特点，南京地铁选用了适

应软土地层的盾构机，其刀盘为平面直角型

的，只安装刮刀（见图2）。

类似的均一地层，还普遍存在于上海地

铁、天津地铁、北京地铁以及过长江隧道等

的施工当中。

（2）单纯的硬岩地层（如西安~安康铁路秦岭Ⅰ线隧道）。隧道断面范围内以两种岩石为主，一种是混合片麻岩，单轴抗压强度为78~137MPa，整体性较好，裂隙较少。另一种是混合花岗岩，单轴抗压强度为122~162Mpa，节理较发育，裂隙较多。

选用的盾构机是典型的硬岩掘进机，刀具全部安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。

1.1.2均一地层中盾构工程的主要特点

（1）施工过程中盾构机的模式基本上不需要变化。在软土地层中，若采用土压平衡模式，一般无需变化成开胸模式；在硬岩地层，若采用开胸模式掘进，一般无需变化成土压模式。

通常，在均一地层中的盾构机，在设计和制造时，一般不考虑模式的变化。

（2）盾构机的结构不需爱施工过程中进行改变。比如，在软土均一地层中，刀盘采用软土刀具，在施工过程中不需考虑是否会碰到硬岩而增加滚刀的问题。

（3）尽管均一地层中其物性也会有较大的变化，但只需在施工工艺上作出调整。均一地层上述两特点说明，在施工过程中盾构机做出结构型式上的任何改变，但是，正如前面提到的，均一地层并不是绝对的均质地层，这样，在地层特性改变之后，必需在施工工艺或施工参数上采取相应的措施。比如：同是在软土地层中施工，当地层是以砂层或砂粒层为主时，以土压平衡盾构机为例，则应适当添加膨润土或聚合物。若地层以粘性土为主时，则需添加适量的泡沫。如此等

等，这一类工艺或施工参数上的调整并不因均一地层就可避免。

1.2复合地层

1.2.1复合地层的概念

将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合，定义为复合地层。

复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说可分为三大类：一类是在断面垂直方向上不同地层的组合；一类是在水平方向上地层的不同组合；另一类是上述两者兼而有之。

（1）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所谓“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等（见图4）。

（2）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5）。

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≥60UPa。

（3）在水平方向和垂直方向两者兼而有之的更为复杂的变化。

1.2.2复合地层盾构施工的主要特点

（1）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”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“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”模式等等。经常根据地层结构来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。

（2）盾构机的配置需要做出适当的调整。在硬岩段施工时，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。

（3）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。

（4）某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法。采用辅助工法的主要原因是由于盾构机本身的设计功能的局限性造成的，而这种局限性在目前的技术