地质、岩土基本知识

1、地质、岩土基本知识刘恒杰专业制造专业服务目录引言地质的基本知识TBM盾构专业制造专业服务引言盾构司机应该具备的一些能力：1、熟练掘进机各系统和主要操作。2、能读懂相关图纸和资料。3、能够根据相关地质情况制定初始掘进参数。4、能够预判刀盘刀具磨损情况。5、能够给一些设备故障给出一定的指导和建议。专业制造专业服务目前在建或已投产的TBM近两年拟上项目TBM需求各种类型盾构总保有量约30台约30多台约1000台辽西北7台、引松3台、西藏1台、内蒙1台、新疆伊梨河2台、引大济湟2台、兰州2台、引红济石1台、引汉济渭2台、重庆3台、青岛2台、洛阳1台、中部引黄工程等，含旧机改造和斜井。新疆引额工程约15

2、20台（含支洞）、西藏4台、高黎贡山2台（拟旧机改造一台）、鄂北1台、还有华能、黑龙江引水工程等随着一线城市的扩建、二线城市的陆续投建及共同管沟等市政建设的发展，瓶颈期将延期专业制造专业服务引言目前国内TBM/盾构数量统计引言从地质与掘进对应关系角度，可从宏观、微观两方面进行简单的阐述：宏观上微观上工程方案选择、设备选型的依据设备应具备的基本功能和针对性设计施工过程中掘进参数和应对措施的合理选择专业制造专业服务地质条件围岩类别和具体性状及分布决定着专业制造专业服务引言广州地铁某区间地质剖面图专业制造专业服务引言针对某一种岩土，如何识别它的岩性和类别?专业制造专业服务目录引言地质的基本知识TBM

3、盾构专业制造专业服务专业制造专业服务地质的基本知识专业制造专业服务一、产状要素确定岩层在空间分布的状态要素称岩层产状要素。一般用岩层面在空间的水平延伸方向、倾斜方向和倾斜程度进行描述，分别称为岩层的走向、倾向和倾角。 N45 30SE表示该岩层产状走向N45倾角30，倾向SE。图 岩层产状要素专业制造专业服务 风水罗盘与地质罗盘发育程度等级基本特征节理不发育节理12组，规则，为构造型，间距在1m以上，多为密闭节理，岩体切割成大块状节理较发育节理23，呈X形，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4m多为密闭节理部分为微张节理，少有充填物。岩体切割成块石状节理发育节理3组以上，不规则，呈X形或米

4、字形，以构造型会风化型为主，多数间距小于0.4m。大部分为张开节理，部分有充填物。岩体切割成块石状节理很发育节理3组以上，杂乱，以风化和构造型为主，多数间距小于0.2m，以张开节理为主，有个别宽张节理，一般均有充填物。岩体切割成碎裂状专业制造专业服务二、节理发育程度分级按节理的组数、密度、长度、张开及充填情况，将节理发育情况分级 。专业制造专业服务第二部分TBM专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系地质管理设备专业制造专业服务目的：是为了对隧道及地下建筑工程周围的地层进行工程地质的客观评价判断坑道或洞室的稳定性；确定支护的荷载和设计参数；确定施工方法；选择钻孔或开挖等施工机械；确定施工定

5、额和工程预算等。一、地质与设备选型的对应关系1、围岩分类专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类要素在围岩分类中，最有影响的要素有：围岩的构造。指围岩被各种地质结构面切割的程度以及被切割的岩块的尺寸和组合形态，在分类中它是一个起主导作用的因素。视裂缝间距，即被结构面切割的岩块的大小，可将围岩分成如表1“围岩类型”所示的几种类型：表1专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类要素在围岩分类中，最有影响的要素有：原岩或岩体的物理力学性质。包括单轴或三轴强度和变形特性，如抗压强度、抗剪强度以及弹性模量或变形模量等。一般说，在完整岩体中，原

6、岩的指标是基本的；在非完整（裂隙）岩体中，岩体的指标是主要的。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类要素在围岩分类中，最有影响的要素有： 地下水。地下水的水量和水压等对分类有重大影响，尤其是对软岩和破碎、松散围岩，它们导致岩质软化、降低强度。在有软弱结构面的围岩中，地下水会冲走充填物或使夹层液化等。因而在一些分类法中，都考虑了它的定性的或定量的影响。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系在围岩分类中，最有影响的要素有： 分类要素 围岩的初应力场。在现代围岩分类中，尤其是对于深埋隧道和软弱围岩而言，这一要素占有重要的地位。初应力场通常以上覆岩（土）体的重力来决定，并视为静水应力

7、场；也可通过实地量测大致判定原岩应力场的大小及其方向。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类依据单一岩性指标。主要还是按照传统钻爆法进行分类，如岩石抗压强度和弹性模量等物性指标，以及诸如抗钻性、抗爆性、开挖难易度等工艺指标。在为某些特定目的的分类中，如确定钻孔工效、炸药消耗量等，可采用相应的工艺指标（钻孔速度等）进行分类。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类依据综合岩性指标。指标是单一的，但反映的因素是综合的。如岩体弹性波速度，既可反映围岩的软硬程度，又可反映围岩的破碎程度。岩芯复原率是在反映岩体破碎程度的同时，还表示围岩软、硬分级的一个指标。这类指标，还有修正后的普

8、氏系数、坑道自稳时间、围岩强度等。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系 分类依据复合岩性指标。是用两个或两个以上的单一岩性指标或综合岩性指标表示。例如，已确定分类要素为A 、B、C ,则复合岩性指标可用下述方法之一来确定：和差法 A B C积商法 然后用“f ” 进行分类。目前,许多分类都采用了这个方法。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系掘进机的选型原则一般来说，地下工程具有地质复杂多变的特点，因此，对于复杂的地层要选定较为经济的掘进机是工艺设计的关键和难点所在。掘进机选型依据（按其重要性排列）如下： 1.地质条件、岩性（岩石的抗压、抗拉强度、节理、裂隙、耐磨指数和土质地层的

9、粒径、成分等参数）； 2.开挖面的自稳情况； 3.隧道埋深、地下水位； 4.设计隧道的断面； 5.环境条件、沿线场地； 6.衬砌类型； 7.工期； 8.造价； 9.适宜的辅助工艺； 10.隧道平面、纵断面形式； 11.电气等其它设备条件。TBM类型适应地质条件备注开敞式级（非极硬岩）级级（非破碎带，能自稳、变形小）级及断层破碎带可采取提前钻爆处理或超前支护后掘进通过。单护盾级（非极硬岩）级级（非破碎带，能自稳、变形小）级（掌子面能自稳，掘进后洞壁自稳时间不小于4小时变形小）一般适用于自稳条件较好的软岩，双护盾级（非极硬岩）级级（非破碎带，能自稳、变形小）级（掌子面能自稳，掘进后洞壁无坍塌，洞壁

10、自稳时间不小于5小时，变形小）一般适用于自稳条件较好的硬岩、较软岩专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系设备选型结论一般适用于硬岩；、专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系1、西康铁路秦岭线隧道：全长18.456km，是我国首次采用TBM施工的铁路隧道。采用两台直径8.8m的敞开式TBM相向施工。其中北口岩性主要以混合片麻岩、花岗岩为主。该工程地质复杂，软弱破碎围岩709米，、级坚硬围岩1505米，断层24个。、级混合片麻岩段完整性好，节理极不发育， TBM掘进异常困难，掘进时间一般为3h/1.8m以上，最长达5.75h/1.8m。开工日期：1997.12.18；竣工日期：2000

11、.8.30。掘进长度5253.5m，最高日进尺40.5m，最高月进尺528.1m。秦岭隧道全长18456m专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系2、西安南京铁路磨沟岭隧道：在软弱地质段施工情况下TBM掘进施工过程中主要存在以下问题：（1）出现有拱部围岩大范围松动、下沉、掉块、剥落现象严重，拱部松动围岩紧压护盾，一出护盾即出现自然滑落、掉块现象。（2）个别地段使已支护的拱架曾三次发生过大的突然扭曲失稳、严重变形现象，局部拱架下沉最大达167mm。（3）围岩承载力不足，不能给撑靴提供正常的支撑反力，或在掘进过程中撑靴打滑，且围岩受撑靴大压力二次扰动，沿光滑结构面滑塌严重，并随着临空面的增大，

12、还有向更大范围发展的趋势，因而必须及时加强支护、封闭、回填处理。（4）支护工作量加大：在此情况下，由于地质软弱、掘进后剥落严重，支护主导掘进施工进度： 因刀盘后滑塌严重，为防止坍塌更进一步发展，只能每掘0.30.9m即停机支护，造成多次工序转换。（5）清碴量大，制约其它工序：因石质破碎，掘进中滑塌严重，平均坍塌量25m3/延米，需人工清碴。为保证人员安全，掘进过程中无法清碴，清碴时间严重制约了其它工序时间。（6）同时因石质破碎，拱架载荷大， 造成拱部围岩下沉严重，影响主机室、后配套正常通过。软弱围岩出护盾后的坍塌情况撑靴二次扰动后的坍塌情况序号工程名称工程地点长度及埋深开挖直径TBM数量地层岩

13、性施工情况施工时间工程地质问题3云南上公山隧洞云南禄劝县掌鸠河引水工程长度：13769m埋深：30350m开挖直径3.655m,成洞直径3m1台罗宾斯公司生产、直径3.655m双护盾TBM下元古界黑山头组泥质、砂质板岩，石英砂岩，震旦系灯影组白云岩和白云质灰岩2003年4月开始掘进，掘进处被迫改线，掘进处被迫放弃TBM，采用。钻爆法。2002年6月2005年9月，之后改为钻爆法，于2006年11月28日建成通水。8次大工程事故，TBM卡机，突水,流沙,大变形，管片破裂和护盾被压坏,停工210个月不等。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系序号工程名称工程地点长度及埋深开挖直径TBM数量地

14、层岩性施工情况施工时间工程地质问题4引大济湟调水工程输水隧洞青海省大通县长度：24.17km埋深：501028m平均埋深约，480m埋深大于600m的隧洞长约10km，埋深大于900m隧洞长2.7km，开挖直径5.93m,成洞直径5m1台维尔特公司生产直径5.93双护盾TBM第三系、侏罗系、三叠系上统第二段、三叠系上统第一段、二叠系、志留系下统、奥、陶系上统、下元古界。分布大小断层20余条,破碎带及影响带宽者达100余米,少数断层影响带宽度达到300余米以上。2006年10月TBM开始掘进，截至，累计完成隧洞开挖，进入大坂山南缘断裂带（F5、F4、F19断层组）以来，TBM经历9次卡机脱困，至

15、今仍采用半断面人工开挖配合TBM掘进方式进行掘进。工程于2005年3月10日开工，计划竣工日期为2008年12月15日，工期至2015年6月30日贯通。9次卡机，高地应力软岩变形大，盾壳被压坏，管片压变形侵入隧洞净空，底板隆起等不良地质问题。下步施工面仍断层、涌水、煤系地层、软岩变形等不良地质问题。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系国内外典型TBM工程项目简介、断层、设备无法通过，临着高地应力、专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系地域性特殊地质（或地质灾害）1.西北地区1）秦岭隧道完整性极好的混合片麻岩、花岗岩特硬岩；2）磨沟岭隧道与隧道轴线近于平行的区域性F2大断层；3）青

16、海引大济湟项目断层破碎带中高地应力（新疆）；4）甘肃引洮含水疏松砂岩；5）陕西引红济石项目断层破碎带及富水冰渍层。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系地域性特殊地质（或地质灾害）2.西南地区1）贵州南盘江天生桥二级(坝索)水电站天生桥因溶洞等，TBM改钻爆法；2）昆明掌鸠河上公山隧道因断层、膨胀岩卡机退出；3）四川锦屏二级水电站因断层、强岩爆、高水压等改钻爆法；4）云南高黎贡山深埋和导热断层造成的高地应力和高地温和溶洞、长大范围围岩破碎等可能造成TBM施工风险高。专业制造专业服务一、地质与设备选型的对应关系地域性特殊地质（或地质灾害）3.东北地区1）辽西北出口、进口长距离硬岩；2）吉林

17、引松工程长距离灰岩。专业制造专业服务三、地质与掘进施工方面的对应关系4 目前存在的问题就设计和施工方面目前建设部没有统一的规范或指南，主要是以不同行业内的内部标准为主。在设备选型和施工过程中，目前对围岩的变形收敛速率缺少直观、量化的判定依据和方法，一般只能靠经验，因此目前设备选型的依据仍以是掌子面或洞室稳定性为关键主要依据。对于合理刀间距的确定问题，刀具贯入度、刀圈合金比和工艺要求等与岩石物理性能指标的对应关系问题？如何达到高效破岩效果等方面的研究目前国内尚无系统化的研究成果，设计多延袭类比法。超前地质方面技术有待提升。专业制造专业服务第三部分盾构部分专业制造专业服务地层简介中国地质相对复杂，

18、各个城市的地层情况各有其独特的地域特点：重庆郑州西安成都沈阳砂岩、砂质泥岩(基岩)粉细沙、粉土层、粉质粘土层（扭矩大）饱和软黄土，中粗砂地层砂层、卵石、泥岩、粘土及复合地层砂卵石、砾石、粘土地层专业制造专业服务北京深圳南宁厦门广州合肥粉质粘土，粉细砂，砾岩，泥质胶结层，卵石，圆砾卵石地层砾质粘性土、全风化岩、强风化岩，微风化岩层泥岩，粉砂，泥质粉砂岩，圆砾(动水)可塑状粉质黏土，全风化、散体状强风化花岗(孤石,上软下硬)全强风化层中、微风化混合岩地层 (孤石,复合)粘土，粉质粘土，粉细砂，强风化泥质砂岩地层专业制造专业服务南京天津石家庄中风化砂岩，硬塑粉质粘土,可塑粉质粘土地层粉质粘土、粉砂粉

19、细砂、粉质粘土层、粉土、细中砂层、中粗砂层；专业制造专业服务三.盾构设备选型地层渗透系数与盾构机的选型项目土压平衡盾构泥水平衡盾构盾构推力土层对盾壳的阻力大，盾构推进力比泥水盾构大。由于泥浆的作用，土层对盾壳的阻力小，盾构推进力比土压盾构小。刀盘及刀具寿命刀盘扭矩刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土碴与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘的寿命比泥水盾构要短，刀盘驱动扭矩比泥水盾构大。切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到一定的润滑作用，摩擦阻力与土压盾构相比要小，泥浆搅拌阻力刀盘的寿命要长，刀盘驱动扭矩小。推进效率开挖土的输送随着掘进距离的增加，其施工效率也降低，辅助工作多。掘削下来的碴土转换

20、成泥水通过管道输送，并且施工性能良好，辅助工作少，故效率比土压盾构高。隧道内环境需矿车运送碴土，碴土有可能散落，相对而言，环境较差。由于采用封闭管道输送废土，没有出碴矿车，无碴土散落，环境良好施工场地碴土呈泥状，无需进行任何处理即可运送，所以占地面积较小。由于在施工地面需配置必要的泥水处理设备，所以占地面积较大。经济性整套设备购置费用低。整套设备购置费用高。专业服务专业制造46三.盾构设备选型盾构类型特点对比表小，因而相对土压盾构而言，其刀具、专业服务专业制造47风化作用物理作用：岩石产生量的变化化学作用岩石产生质的变化生物作用土层概述环境 自然力土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱专业服务专业

21、制造48一、土的工程分类一般土粗粒土细粒土砂类土：0.0752mm粉土：0.075mm粘性土：60mm砾类土：260mm特殊土：软土、黄土、膨胀土等工程用土专业服务专业制造491岩石 按坚硬程度划分：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。 按完整程度划分：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。2.碎石土粒径大于2mm的颗粒含量大于50%的土属碎石土。根据粒组含量及颗粒形状，可细分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。专业服务专业制造503.砂土粒径大于2mm的颗粒含量在50%以内，同时粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土属砂土。砂土根据粒组含量不同又分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类

22、。4.粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于50%且塑性指数小于或等于10的土属粉土。该类土的工程性质较差，如抗剪强度低，防水性差，粘聚力小等。5.粘性土粒径大于0.075mm的颗粒含量在50%以内，塑性指数大于10的土属粘性土。根据塑性指数的大小可细分为粘土和粉质粘土。专业服务专业制造516.人工填土人工填土根据其组成和成因，可分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土。素填土为由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。7.特殊土包括软土、红粘土、黄土、膨胀土、多年冻土、盐渍

23、土等。专业服务专业制造52 土颗粒的级配指标：不均匀系数Cu= d60/ d10曲率系数2Cu5Cc=13级配良好砾类土或砂类土专业服务专业制造53土的物理性质指标土液相（水）土是三相体。固相（土颗粒）气相（气）为了对土的基本物理性质有所了解，需要对土的三相的组成情况进行定量研究。表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括：含水量w、密度、土粒比重ds、孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr等。专业服务专业制造54理论土仓土压力计算盾构土仓土压力Pa=（p+*H）*Ka式中：Pa土仓中部理论土压力（Bar）；H盾构机上覆土各类土层的厚度；P地面荷载；上覆土土体容重；Ka土体侧压力系数。

24、掘进过程中根据需要可以不断转化控制模式，以保证开挖面的稳定。具体掘进时按照理论土压力+0.2Bar来控制。专业服务专业制造55二.与盾构施工相关的地质工作1.工程场地条件勘察要点(管线、建构筑物调查)主要查明地上、地下建构筑物 严重影响隧道轴线、盾构工作井位置的选择。地表：包括地表水体、街道和既有轨道线路（含铁路）、重要建构筑物，需进行环境风险评估、房屋鉴定等式，为安全通过提供依据。地下：地下管线、人防工程等，特别是线路范围内可能出现的锚索、废弃的基础桩等障碍物；埋置深度、变形控制要求等。专业服务专业制造56二.与盾构施工相关的地质工作2.岩土类型勘察要点准确查明土层性质，不仅决定了盾构机的选

25、型和设计，也对施工过程中措施、掘进参数的合理选择尤为重要。由于盾构隧道线路为带状构筑物，穿越的范围、地域较广，要查明沿线岩土的分布特征，尤其要认真分析岩土的成因，根据其成因分析盾构施工过程中可能遇到的岩土工程问题，为施工提供依据。专业服务专业制造57二.与盾构施工相关的地质工作2.1粘性土地层对于盾构法而言，粘性土是比较理想的地层。但需注意以下几种粘性土：粘粒含量高的高塑性的粘土地层易结泥饼；高灵敏的软土，土层易扰动上覆地层变形较大，若超挖还会导致塌方；强度很低的软土姿态不好控制；是否含有膨胀性矿物遇水膨胀，易导致刀盘、盾体被卡。（南宁、合肥）。专业制造专业服务专业服务专业制造59二.与盾构施

26、工相关的地质工作2.2砾砂类地层地层特点：细颗粒含量低，硬矿物质含量高，渗透系数较大，自稳性差。理论上应选用泥水盾构，但一般因出于场地和成本考虑，选用土压平衡盾构。易发生的问题：喷涌、刀盘、刀具磨损较大和地层失稳等。一般对策：渣土改良，二次补充注浆封堵后部来水等。勘察要点：要查明：砾砂地层的密实程度，确定相关力学参数，加强颗粒分析试验，确定常见硬质矿物如石英、长石和角闪石的含量；分析各粒组含量，为渣土改良提供依据；结合地下水条件，认真做好疑似地层的砂土液化可能性判别工作，确定可能引起涌水、涌砂和隧道渗漏的敏感地层区划。专业制造专业服务刀具的正常磨损刀具的异常磨损专业服务专业制造61二.与盾构施

27、工相关的地质工作2.3砂卵石地层地层特点：几乎没有细颗粒，硬矿物质含量高，渗透系数较大，自稳性差。大多选用泥水盾构，但一般因出于场地和成本考虑，选用土压平衡盾构。易发生的问题：刀盘、刀具快速磨损，刀盘和螺机被卡和地层失稳等。对策：盾构机刀盘的结构设计、刀具选择及布置、渣土改良装置设计、排渣系统的设计，施工过程中做好渣土改良和二次补充注浆封堵后部来水等。勘察要点：要查明：卵石、漂石的粒径分布及胶结情况，较大尺寸的漂石很难用钻探查清，应结合区域场地条件，岩土成因及已有资料进行分析判断，粒径尺寸直接影响刀盘开口率、排渣系统的尺寸等。粒径分布和赋水情况也是泥浆浓度选择（泥水）和渣土改良（土压）的重要依