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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.复合地层与盾构施工技术竺维彬 鞠世健广州地铁总公司 摘 要:中国采采用盾构构法已有有45年年的历史史，但前前35年年国内只只有少数数承包商商掌握了了在均一一软土地地层中的的盾构施施工技术术。19995年年至今，广广州地铁铁业主率率先开放放盾构工工程市场场，培育育盾构施施工队伍伍。随着着大批盾盾构承包包商的成成长，随随着400台次盾盾构机在在广州和和深圳复复合地层层1000多公里里的实践践，复合合地层的的概念逐逐步形成成，复合合地层中中的盾构构施工技技术也有有
2、了突破破性的发发展。在在这种背背景下，亲亲历了1100多多公里复复合地层层施工过过程的作作者，有有义务对对复合地地层的概概念做出出定义，对对复合地地层盾构构施工技技术的进进展做出出概述，以以便与同同行一起起推动盾盾构工法法在全国国隧道施施工中更更广泛的的应用。关键词：均均一地层层 复复合地层层 盾盾构施工工技术盾构法施工工与其它它传统的的地下工工程施工工工法一一样，其其终极目目标是完完成一特特色的地地下工程程，比如如一条地地下隧道道或地下下车站，它它的不同同点在于于，盾构构法采用用了特殊殊的施工工工具盾盾构机。盾构机是根根据施工工对象而而“度身定定做”，正如如裁缝要要根据具具体的人人进行“量体
3、裁裁衣”一样，否否则缝制制的衣服服就不合合身。盾盾构机制制造所依依据的对对象，称称之为施施工环境境，它是是基础地地质、工工程地质质、水文文地质、地地貌、地地面建筑筑物及地地下管线线和构筑筑物等特特征的总总和。由由此可以以看出，如如果不详详细研究究施工环环境，也也就造不不出适应应性强的的盾构机机，也就就谈不上上顺利地地进行盾盾构施工工。在施工环境境的诸多多因素中中，基础础地质和和工程地地质特征征是最重重要的，因因为它们们是盾构构机选型型及采用用盾构施施工工艺艺最重要要的先决决条件。在在实践当当中，对对地质特特征的研研究往往往是一件件被忽视视的工作作。殊不不知，几几乎没有有哪一项项盾构施施工技术术
4、不是与与地质特特征有关关的，尤尤其是在在复合地地层中的的盾构施施工。1 复合合地层的的概念在盾构施工工的过程程中，围围岩岩土土力学、基基础地质质和工程程地质等等特征的的各向均均匀性直直接影响响盾构机机的选型型、盾构构施工工工艺的选选择等关关键性问问题。从从这个意意义上讲讲，可以以宏观地地将围岩岩地层区区分为两两类，一一是均一一地层，一一是复合合地层。1.1均一一地层1）均一地地层的概概念严格意义的的各向同同性的均均质地层层在自然然界是不不存在的的，本文文定义的的均一地地层是指指在开挖挖断面范范围内和和开挖延延伸方向向上，由由一种或或若干种种地层组组成的，但但其岩土土力学、工工程地质质和水文文地
5、质等等特性相相近的地地层或地地层组合合。均一地层有有两种情情况：单纯的软软土地层层：从地质图（图图1）中中可以看看出，地地铁隧道道穿越了了层，主主要为粉粉砂质土土和层为粉粉质粘土土。这两两种地层层的物质质组成，其其结构和和构造都都存在着着一定的的差异，但但它们的的岩土力力学性质质以及工工程地质质和水文文地质特特征就盾盾构机的的选型和和盾构施施工而言言，差别别并不大大。根据上述地地层特点点，南京京地铁选选用了适适应软土土地层的的盾构机机，其刀刀盘为平平面直角角型的，只只安装刮刮刀（见见图2）。类似的均一一地层，还还普遍存存在于上上海地铁铁、天津津地铁、北北京地铁铁以及过过长江隧隧道等的的施工当当
6、中。图1 南南京A区区间某段段隧道地地质剖面面图图2 软土土盾构机机刀盘图3 硬岩岩掘进机机刀盘 单纯的的硬岩地地层。比比如：西安安康康铁路秦秦岭I线线隧道。隧道断面范范围内以以两种岩岩石为主主，一种种是混合合片麻岩岩，干抗抗压强度度为7881337MPPa，整整体性较较好，裂裂隙较少少。另一一种是混混合花岗岗岩，干干抗压强强度为11221622MPaa，节理理较发育育，裂隙隙较多。选用的盾构构机（广广义）是是典型的的硬岩掘掘进机，刀刀具全部部安装滚滚刀，无无需任何何刮刀（见见图3）。2）均一地地层中盾盾构工程程的主要要特点 施工过过程中盾盾构机的的模式基基本上不不需变化化。在软土地层层中，若
7、若采用土土压平衡衡模式，则则一般无无需变化化成开胸胸模式；在硬岩岩地层，若若采用开开胸模式式掘进，则则一般无无需变化化成土压压平衡模模式。通常，在均均一地层层中的盾盾构机，在在设计和和制造时时，也没没有考虑虑模式的的变化。 盾构机机的结构构不需在在施工过过程中进进行改变变。比如，在软软土均一一地层中中，刀盘盘采用软软土刀具具，在施施工过程程中根本本不需考考虑是否否会碰到到硬岩而而增加滚滚刀的问问题。反反之亦然然。 尽管均均一地层层中其物物性也会会有较大大变化，但但只需在在施工工工艺上做做出调整整。均一地层上上述两特特点说明明，在施施工过程程中盾构构机无需需或无法法做出结结构型式式上的任任何改变
8、变，但是是，正如如前面提提到的，均均一地层层并不是是绝对的的均质地地层，这这样，在在地层特特性改变变之后，必必需在施施工工艺艺或施工工参数上上采取相相应的措措施。比比如：同是在软土土地层中中施工，当当地层是是以砂层层或砂砾砾层为主主时，以以土压平平衡盾构构机为例例，则应应适当添添加膨润润土或聚聚合物。若若地层以以粘性土土为主时时，则需需添加适适量的泡泡沫。如如此等等等，这一一类的工工艺或施施工参数数上的调调整并不不因均一一地层而而避免。1.2 复复合地层层1）复合地地层的概概念图4 上软软下硬地地质剖面面示意图图将开挖断面面范围内内和开挖挖延伸方方向上，由由两种或或两种以以上不同同地层组组成，
9、且且这些地地层的岩岩土力学学、工程程地质和和水文地地质等特特征相差差悬殊的的组合地地层，定定义为复复合地层层。复合地层的的组合方方式是非非常复杂杂多样的的，但总总的来说说可分为为三大类类，一类类是在断断面垂直直方向上上不同地地层的组组合，一一类是在在水平方方向上地地层的不不同组合合，另一一类是上上述两者者兼而有有之。 复合地地层在垂垂直方向向上的变变化。最典型的垂垂直方向向上的复复合地层层就是所所谓“上软下下硬”地层。即即隧道断断面上部部是第四四系的松松软土层层，而下下部是坚坚硬的岩岩石地层层；或者者上部是是软弱的的岩层而而下部是是硬岩层层；或者者是在硬硬岩层中中夹软岩岩层，或或软岩层层夹硬岩
10、岩层，等等等。比比如图44所示的的地层。 复合地地层在水水平方向向上的变变化。在一施工段段当中，可可能分布布着不同同时代、不不同岩性性或不同同风化程程度，从从而表现现出不同同岩土性性质的地地层。比比如广州州地铁五五号线草草陶区区间的地地层（见见图5）。图5 广州州地铁五五号线草草陶区区间（局局部）地地质剖面面图 图中白垩系系红层的的粉砂岩岩为软岩岩，单轴轴抗压强强度一般般30MMpa；花岗岩岩和石炭炭系石灰灰岩是硬硬岩，单单轴抗压压强度一一般会60MMpa。 在水平平方向和和垂直方方向两者者兼而有有之的更更为复杂杂的变化化。2）复合地地层盾构构施工的的主要特特点。 经常变变换盾构构施工模模式。
11、在软土地层层或以软软土地层层为主的的“上软下下硬”地层施施工时，一一般要采采用“闭胸模模式”，而在在以岩石石地层，特特别是自自稳性较较好的（包包括风化化程度不不一）岩岩石地层层施工时时则可采采用半开开胸式（欠欠土压平平衡模式式）或开开胸模式式；在以以砂层或或以砂层层为主的的“上软下下硬”地层中中采用土土压平衡衡模式施施工时，可可能需要要通过加加注膨润润土等工工艺转化化为“泥水平平衡”模式 ，如此此等等。需需经常根根据地层层的变换换来转换换盾构机机模式，是是在复合合地层中中施工的的一大特特点。 盾构机机的配置置需要做做出适当当的调整整。在硬岩的段段施工时时，通常常要采用用全断面面滚刀破破岩模式式
12、，采用用的刀盘盘开口率率也会较较小；当当掘进在在软岩或或软土地地段时，通通常都要要将部分分或全部部滚刀换换成适应应软岩或或软土的的刮刀，此此时的开开口率也也相应增增大。 采用的的施工工工艺和施施工参数数也要根根据地层层的变化化而变化化。这些变化主主要表现现在不同同地层需需要的添添加剂的的种类和和数量的的不同；需要的的辅助设设备（比比如破岩岩机、超超前钻机机）的不不同；盾盾构机姿姿态控制制的不同同等等。 某些特特殊的复复合地层层，可能能需要一一些辅助助工法。采用辅助工工法的主主要原因因是由于于盾构机机本身的的设计功功能的局局限性造造成的，而而这种局局限性在在目前的的技术发发展阶段段还较难难以克服
13、服。比如如，广州州地区白白垩系红红层的粉粉砂岩、砂砂岩一般般的单轴轴抗压强强度最大大为300455MPaa，但有有时在这这些区间间会碰到到几十米米或几百百米长的的坚硬的的花岗岩岩，或花花岗岩的的球状风风化体，其其强度一一般达到到80MMPa以以上，甚甚至会超超过1220MPPa。在在这种条条件下，以以软岩为为主设计计的刀盘盘和刀具具，显然然不能适适应硬岩岩的要求求，在无无法更换换新刀盘盘的情况况下，采采用其它它可行的的辅助工工法，比比如先采采用矿山山法，开开挖通过过坚硬岩岩石段，之之后，用用盾构机机拼装管管片完成成隧道，事事实证明明，这将将是一种种比较好好的辅助助选择。2 复合合地层的的分类及
14、及其对盾盾构施工工技术的的影响复合地层的的组合是是极其复复杂的，仅仅以在广广州、深深圳地区区常见的的几种形形式说明明其对盾盾构施工工的影响响。1）以第四四系淤泥泥质土层层（工程程地层编编号为）或或易液化化的粉细细砂层为为主杂填土淤泥粉细砂砾砂淤泥2m2m2.2m6.4m8.8m隧道断面图6 黄长区间地质断面示意图与其其它松散散地层的的组合。广州地铁一一号线黄黄沙长长寿路区区间最北北端约880米地地段，盾盾构机全全断面通通过地层层（见66），这这是广州州地铁已已建和在在建盾构构工程中中唯一的的一段盾盾构隧道道下部有有淤泥层层的地质质剖面。隧隧道建成成后不久久，下沉沉了近1100 毫米。在类似地层
15、层的盾构构施工过过程中应应密切注注意和预预防的主主要问题题有： 建筑物物和构筑筑物的沉沉降：杂填土淤泥粘土粗砂强风化中风化砂岩1.9m4.6m4.0m5.65m1.7m8.95m隧道断面图7 长中区间塌方地区地质断面示意图隧道断面上上部为地地层时，应应注意土土仓中土土（水）压压平衡的的问题，因因为地层层大部分分呈软塑塑或流塑塑状态，有有些还具具有液化化特性，对对盾构机机密封仓仓内的土土压反映映非常灵灵敏，而而土仓内内压力是是否保持持动态平平衡，直直接关系系到地面面及其建建筑物是是否发生生沉降的的问题。 隧道的的后期沉沉降盾构隧道下下部如果果有一定定厚度的的淤泥或或液化层层2，一旦旦由于某某种原因因造成失失水发生生淤泥层层的重固固结或液液化，就就会使已已建好的的隧道出出现沉降降，位移移或变形形。2）以第四四系砂层层（工程程地层编编号为）为主主与风化化岩层的的组合。第四系砂层层有二种种成因，一一是陆相相冲洪积积形成的的，一种种是海陆陆交互相相沉积形形成的，其其特点是是在河床床及河漫漫滩内十十分发育育，其形形态多呈呈透镜状状，有些些地段厚厚度大。此此层粉粒粒和粘粒粒成份低低，渗透透系数大大，是盾盾构施工工过程中中也应十十
