深圳市勘察测绘院（集团）有限公司 深圳 518028
摘要：作为地下隧道主要的施工方法之一，盾构方法在实际中运用越来越多，盾构的直径和埋深也越来越大，而对于复合地层，尤其是不均匀地层，盾构掘进过程中极易出现掘进困难、地层坍塌、设备损坏等事故，导致工程延误或停滞，严重的可能造成人员伤亡，所以如何在盾构工程的勘察中，有针对性的采取相应手段，查明关键问题，准确预见盾构设计与施工中可能遇到的问题，为设计与施工提供真正可靠、有效的依据和建议，是盾构工程最重要的环节之一。
关键词：隧道；盾构工程；勘察
Abstract：As one of the main construction methods of underground tunnels，shield tunneling method is used more and more in practice，and the diameter and depth of shield tunneling are also increasing.For composite strata，especially in non-uniform strata，accidents such as difficulties in tunneling，strata collapse and equipment damage are easy to occur in the process of shield tunneling，leading to delays or stops of the project.In the investigation of shield engineering，the most important link of shield engineering is how to take pertinent measures to identify key problems，accurately predict problems that may be encountered in shield design and construction.
Key words：Tunnel，shield engineering，survey
随着城市现代化建设的日益频繁，人们能够利用的地面空间越来越有限，为了能腾出更多的地面空间，越来越多的构筑物被放到地下，如停车场、商场等，尤其是线状构筑物，如管廊、市政道路、水渠等，不仅为城市建设创造了更多的空间，让城市环境更加优美，城市规划更加有秩序，还更大程度地减少了地面的交通压力，让城市人民的出行更加便利和顺畅。但是地下工程的实施，由于会对地下岩土体状态造成扰动和破坏，改变地下水的赋存环境、渗流形态，容易造成周边地表不同程度的沉降变形，从而导致地下管线破坏、建筑物开裂甚至地面塌陷等，尤其是在城市建成区或繁华地带，地面建筑密集、分布有交通要道或重要设施，相关活动不得终止，不具备开挖条件，此时就需要在完全不影响地面所有设施及人员活动的情况下进行施工，可采用的施工方法主要有暗挖法、盾构法、顶推法等，其中盾构法是地下隧道，尤其是大直径地下隧道的首选施工方法。
盾构法施工有很多优点，如在盾构支护下进行地下工程施工，能保证安全；不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能有效控制工期；盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低等。但是在岩土层分布不均匀、岩土层饱和松软情况下，盾构施工极易出现偏磨、仰头、前方土体塌陷等事故，所以查明岩土层的分布、均匀性以及土体的组成和性质，才能为盾构的设计和施工提供可靠依据，所以我们在盾构工程勘察的过程中，应充分了解不同的岩土层对盾构设计和施工可能产生的影响，才能有针对性的采用适当的手段查明岩土层相关的性质或规律，才能最终为盾构选型提供可靠的依据和建议，下面以某盾构工程勘察实例，就各岩土层对盾构工程的影响并提出有针对性的勘察方法及盾构设备的选型进行分析。
1、软硬不均地层的影响
该工程位于东南沿海珠江入海口，穿越部分海域的，由于受两端坡度、海域航道及区域景观要求的限制，只能以隧道的形式穿越，拟采用的隧道施工工法为盾构法。
根据该项目的工程物探及初勘，盾构洞身范围存在岩土层极不均匀的情况，盾构断面大部分位于岩土分界位置，软硬不均，上软下硬地质极为突出，多会导致盾构机掘进姿态控制困难，易发生盾构机向上偏移事故，同时由此会导致盾构工况的频繁转换，从而对土层产生更多的扰动，造成较大的地表变形，盾构施工施工难度大、技术要求高。
所以在详勘（施工图设计）阶段，应根据工程物探及初勘成果，针对岩土层的分布情况有针对性的进行详勘工作量的布置，在岩土层不均匀路段应加密勘察工作量布置，查清楚软硬分界面的分布情况，而在岩土层较均匀、变化不大的地段在满足规范要求基础上可以适当放宽，抓住工作重点，尽可能准确地、有效地查明岩土层的分布和均匀性，为盾构设计提供可靠依据。
2、黏性土地层的影响
由于黏性土土体强度低，主要由细粒土组成，黏性高，盾构在该地层中穿越时，易在刀箱内滞留土渣，结成泥饼，造成偏磨，造成掘进困难，速度降低，切削扭矩增大，影响施工进度，同时造成土舱内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏，同时螺旋输送机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口易产生喷涌，当黏性土为淤泥质时，由于其流变性强，易下陷，可能会造成开挖面失稳，引发地层坍塌。
所以在勘察过程中，针对所有的土层，应采取原装土样进行室内试验，除了进行常规的物理力学试验以外，对所有土层均应进行室内颗分试验，判别土层的岩土类别，并特定土层的黏粒含量（粒径小于0.005mm），为评价盾构在黏性土地层中掘进可行性及难易程度，为盾构机及盾构刀盘选型提供可靠依据。
3、硬岩地层的影响
盾构机在硬岩中掘进，由于岩质硬，盾构刀具磨损严重，换刀频率会加大，甚至有可能损坏刀盘，从而导致工期延误。
勘察期间除了要采用加密勘探点并结合物探的方法查清硬质基岩的分布和起伏，还应采取岩石样品进行室内试验，除了进行满足设计和规范要求的指标试验外，如岩石密度试验、剪切试验、弹性模量和泊松比等，还应重点测定盾构开挖断面范围内岩石的单轴抗压强度和耐磨率，对盾构经过时刀盘切削的难易程度进行评价，并对试验强度值高的地段进行警醒提示，提醒设计与施工，并提前采取相应的应对措施；同时还应对岩石进行岩矿鉴定，在对岩石进行正确定名的同时，测定岩石不同矿物的含量，尤其是石英等坚硬矿物的含量，并评价其可能对盾构掘进可能造成的不利影响。
4、盾构机选型
目前隧道施工应用最多的盾构机主要为闭胸式（密闭式）盾构机，包括泥水加压式盾构、土压平衡式盾构和复合盾构（即掘进地层复合、刀盘刀具复合等，实际上属于土压平衡盾构机的一种），现主要从以下几个方面对本工程盾构进行选型分析。
4.1、根据围岩类别选型
土压平衡式盾构是依靠推进油缸的推力给土舱内的开挖土渣加压，土压作用于开挖面从而保证开挖面的稳定，主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉砂层等黏稠细粒土的施工；掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土舱后由螺旋输送机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土舱压力稳定，使开挖面土层处于稳定状态。盾构机向前推进时，螺旋机排土，排土量等于开挖量，这样才能保证开挖面土层处于稳定状态。当土渣中的含砂量超过某一限度时，泥土的塑流性明显变差，土舱内的土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送，此时需向土舱内添加膨润土、泡沫或聚合物等添加剂，以改善土体的塑流性。而对于砂、卵石以及岩石地层，开挖后的渣土以砂砾为主，粉砂土及黏性土含量少，不利于土压平衡的形成，同时砂质地层开挖面的在刀盘的扰动下易坍塌，土压平衡式盾构将不能满足掌子面土体稳定的要求，此时需采用泥水平衡式盾构，否则必须采取辅助措施，注入足够量的添加剂，进行渣土改良。
根据对室内对各土层的颗粒分析结果统计，可得到各土层的各粒组含量建议见下表4.1-1：
图4.2-1 盾构机的适应范围
4.3渗透系数
当地层渗透系数小于10-7m/s时，可选用土压平衡式盾构；当渗透系数在10-7～10-4m/s时，可选用泥水平衡式盾构，此时在渣土改良的情况下，也可选择土压平衡式盾构；当渗透系数大于10-4m/s时，宜采用泥水平衡式盾构。对于渗透系数大的隧道，如果选用土压平衡式盾构施工，螺旋输送机“土塞效应”难以形成，螺旋输送机出渣发生大量“喷涌”现象，这样对施工是极为不利的，同时引起一个直接反应便是土舱压力波大，地面沉降不利于控制。反之对渗透系数小的隧道如果采用泥水平衡式盾构，则会增加排渣管道，需要昂贵的泥水处理，会大大增加造价。根据各地层渗透性，对各自适宜选用的盾构机型进行了简单的判别，具体如下表4.3-1：
由上表中可见，按地层渗透性对各自地层适合选用的盾构机型进行判别分析时，大部分地层更适宜选用泥水平衡式盾构，仅有黏土及淤泥质土适宜选用土压平衡式盾构。
所以综上分析，本项目盾构开挖断面内，主要为岩石地层，其次是黏性土和粉砂类地层，只有极少数经过砂质地层，其中岩石及砂层分布比例超过了64%，穿越地层多，且呈现明显的上软下硬特点，根据各土层比例及前述盾构选型原则分析结果，本项目事宜选择复合泥水平衡式盾构机作为本工程的盾构机型。
5、刀盘选型
一般来说，对于软土层及黏性土层，只需配置齿刀和刮刀等切削刀具；对于硬质地层，刀盘一般主要配置盘型滚刀。如果在硬质地层中使用切削刀具，则刀具很容易被损坏，发生刀刃断裂或崩刀现象，甚至会把整个刀盘卡住，影响工作进度。
如果在软土及黏性土地层中滚刀先行，由于前方地层强度较低，不能提供给滚刀足够的旋转扭矩，滚刀可能不旋转，同时由于土体黏性较高，滚刀刀箱内堆满了渣土，不易塌落，在盾构机推进过程中产生的大量热量会使刀箱内土体水分越来越少，而逐渐变硬，在刀盘中心位置结成泥饼，造成滚刀偏磨，不仅会影响进度，还会大大降低滚刀的寿命。具体从以下几个方面论述各种特殊地层可能出现的刀具问题及相关建议。
5.1黏性土地层条件下
由于黏性土土体强度低，黏性高，易在刀箱内滞留土渣，结成泥饼，造成偏磨，影响施工进度，严重时影响盾构机寿命。本项目勘察对各土层进行了黏粒含量的测定可见表4.1-3，通过对比可知，以黏性土的黏粒含量最高，最大可达75.8%，对盾构施工极为不利。
建议在刀盘的中心区和正面区尽可能多配置齿刀，中心位置宜少配或不配滚刀，可将中心滚刀换成齿刀和鱼尾形中心刀，既保证了刀具切削黏土的有效性，又增加了刀盘的开口率，大大降低了刀具结泥饼的可能性。
5.2砂质地层条件下
由于砂质地层透水性好，切削下来的砂土不易被搅拌成均匀的塑流体，会导致排渣困难；且开挖面易坍塌，土压力大，不易平衡；同时摩阻力大，石英含量高，会造成刀具磨损严重。
建议可选用面板式刀盘，也可选用辐条式刀盘。采用辐条式刀盘时土 压平衡更易于控制，土砂流动顺畅，不易堵塞刀盘开口，且刀盘扭矩阻力小，既能满足工程施工 需要，保证有较好的掘进性能，又能节省设备投资。在刀具配置时，需设置切刀、周边刮刀、先行刀、中心刀、超挖刀等刀具。切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮刀也称保径刀，用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩；同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用；仿形刀用于曲线开挖和纠偏；滚刀用于破碎粒径较大的砾石。
5.3硬岩地层条件下
盾构隧道穿越岩质地层时，岩质硬，切削困难，会造成刀具磨损严重。本项目针对岩石地层，在盾构开挖断面内采取了很多的岩石试样进行了岩石单轴抗压强度试验、岩石耐磨率试验、岩矿鉴定等，用以评价岩石的强度，可以绘制岩石单轴抗压强度值随线路里程的变化曲线如下图5.3-1：
图5.4-1 隧道全线盾构岩土分布占比图
由上图可知，整个隧道超过一半属于半岩半土的情况，上软下硬地质极为突出，将会大大增加盾构掘进的难度。
建议同时配置破碎硬岩的滚刀和适应于软土地层的切削刀具。首先通过滚刀进行破岩，然后切刀将初步破碎的岩土刮削下来，达到配合破岩的效果。滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。
6、结语
盾构作为现代地下隧道工程的主要施工方法之一，运用越来越普遍，盾构的直径和埋深也越来越大。在盾构工程的勘察中，应首先要了解盾构工作的原理、盾构设备的分类、盾构适应的地质环境，然后才能有针对性地采用对应的手段查明关键问题，才能准确预见盾构设计与施工中可能遇到的问题，才能为设计与施工提供真正可靠、有效的依据和建议。
参考文献
[1]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.
[2]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册（修订版）[M].北京：中国铁道出版社，2015.
[3]高大钊.土力学与基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.
[4]袁聚云.土质学与土力学（第三版）[M].上海：上海交通出版社，2006.
[5]刘建国.深圳地铁盾构隧道技术研究与实践[M].人民交通出版社，2011.
论文作者:王翔
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年15期
论文发表时间:2019/10/28
标签：盾构论文; 地层论文; 黏性论文; 岩土论文; 土层论文; 岩石论文; 刀具论文; 《建筑学研究前沿》2019年15期论文;