复合地层中盾构施工技术样本

复合地层与盾构施工技术

竺维彬鞠世健

盾构法施工与其他老式地下工程施工工法同样，其终极目的是完毕一项特

色地下工程，例如一条地下隧道或地下车站，它不同点在于，盾构法采用了特殊

施工工具盾构机。

盾构机是依照施工对象“量身定做”，盾构机制造所根据对象，称之为施工环境,

它是基本地质、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

特性总和。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盾构

机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。

在施工环境诸多因素中，基本地质和工程地质特性是最重要，由于它们是盾构机

选型及采用盾构施工工艺最重要先决条件。在实践当中，对地质特性研究往往被

忽视。殊不知，没有什么盾构施工技术不是与地质特性关于，特别是在复合地层

中盾构施工。

1复合地层概念

在盾构施工过程中，围岩岩土力学、基本地质和工程地质等特性各向均匀性直接

影响盾构机选型、盾构施工工艺选取等核心性问题。从这个意义上讲，可以宏观

地将围岩地层区别为两类：均一地层和复合地层。

1.1均一地层

1.1.1均一地层概念

严格意义各向同性均质地层在自然界是不存在，本文定义均一地层是指在

开挖断面范畴内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层构成，或岩土力学、工

程地质和水文地质等特性相近地层或地层组合。均一地层有两种状况：

（i）单纯软土地层：从地质图（见图I）中可以看出，地铁隧道穿越了n层,

重要为粉砂质土和n［层为粉质粘土，这两种地层物质构成及其构造和构造都存

在着一定差别，但它们岩土力学性质以及工程地质和水文地质特性就盾构机选

型和盾构施工而言，差别并不大。

依照上述地层特点，南京地铁选用了适应软土地层盾构机，其刀盘为平面直

角型，只安装刮刀（见图2）。

类似均一地层，还普遍存在于上海地铁、天津地铁、北京地铁以及过长江隧

道等施工当中。

（2）单纯硬岩地层（如西安〜安康铁路秦岭I线隧道）。隧道断面范畴内以两种

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。

选用盾构机是典型硬岩掘进机，刀具所有安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。

1.1.2均一地层中盾构工程重要特点

（1）施工过程中盾构机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，普通无需变化成开胸模式；在硬岩地层，若采用开胸模式掘进，普

通无需变化成土压模式。

普通，在均一地层中盾构机，在设计和制造时，普通不考虑模式变化。

（2）盾构机构造不需受施工过程中进行变化。例如，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与否会遇到硬岩而增长滚刀问题。

（3）尽管均一地层中其物性也会有较大变化，但只需在施工工艺上作出调节。

均一地层上述两特点阐明，在施工过程中盾构机做出构造型式上任何变化，但是,

正如前面提到，均一地层并不是绝对均质地层，这样，在地层特性变化之后，必

须在施工工艺或施工参数上采用相应办法。例如：同是在软土地层中施工，本地

层是以砂层或砂粒层为主时，以土压平衡盾构机为例，则应恰当添加膨润土或聚

合物。若地层以粘性土为主时.，则需添加适量泡沫。如此等等，这一类工艺或施

工参数上调节并不因均一地层就可避免。

1.2复合地层

1.2.1复合地层概念

将开挖断面范畴内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层构成，且

这些地层岩土力学、工程地质和水文地质等特性相差悬殊地层组合，定义为复合

地层。

复合地层组合方式是非常复杂多样，但总来说可分为三大类：一类是在断面垂直

方向上不同地层组合；一类是在水平方向上地层不同组合；另一类是上述两者兼

而有之。

（1）复合地层在垂直方向上变化。最典型垂直方向上复合地层就是所谓“上软

下硬”地层。即隧道断面上部是第四系松软土层，而下部是坚硬岩石地层；或者

上部是软弱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）。

£3硬岩掘进机刀盘图，I上软下硬地质剖面示意朝

（2）复合地层在水平方向上变化。在一施工段当中，也许分布着不同步代、不

同岩性或不同风化限度，从而体现出不同岩土性质地层。例如广州地铁五号线

草〜陶区间地层（见图5）。

（4）某些特殊复合地层，也许需要某些辅助工法。采用辅助工法重要因素是由

于盾构机自身设计功能局限性导致，而这种局限性在当前技术发展阶段还较难

以克服。例如，广州地区白垩系红层粉砂岩、砂岩普通单轴抗压强度最大为

30〜45MPa,但有时在这些区间会遇到几十米或几百米长坚硬花岗岩，或花岗岩

球状风化体，其强度普通达到80MPa以上，甚至会超过120MPa。在这种条件下，

以软岩为主设计刀盘和刀具，显然不能适应硬岩规定，在无法更换新刀盘状况下,

采用其他可行辅助工法，例如先采用矿山法，开挖通过坚硬岩石段，之后，用盾

构机拼装管片完毕隧道，事实证明，这将是一种比较好辅助选取。

2复合地层分类及其对盾构施工技术影响

复合地层组合是极其复杂，仅以在广州、深圳地区常用儿种形式阐明其对盾构施

工影响。

2.1以第四系淤泥质土层（工程地层编号为＜2＞）或易液化粉细砂层为主与其他松

散地层组合

广州地铁一号线黄沙〜长寿路区间最北端约80m地段，盾构机全断面通过＜2＞地

层（见图6）,这是广州地铁已建和在建盾构工程中唯一一段盾构隧道下部有淤

泥层地质剖面。隧道建成后不久，下沉了近100mm。

2.1.1在类似地层盾构施工过程中应密切注意和防止重要问题有：

（1）建筑物和构筑物沉降。隧道断面上部为＜2＞地层时，应注意土仓中土（水）

压平衡问题，由于＜2＞地层大某些呈软塑或流塑状态，有些还具备液化特性，对

盾构机密封仓内土压反映非常敏捷，而土仓内压力与否保持动态平衡，直接关系

到地面及其建筑物与否发生沉降问题。

（2）隧道后期沉降。盾构隧道下部如果有一定厚度淤泥或液化层＜2＞,一旦由于

某种因素导致失水发生淤泥层重固结或液化，就会使已建好隧道浮现沉降，位移

或变形。

2.2以第四系砂层（工程地层编号为＜3＞）为主与风化岩层组合

第四系砂层有二种成因，一是陆相冲洪积形成，一种是海陆交互相沉积形成,

其特点是在河床及河漫滩内十分发育，其形态多呈透镜状，有些地段厚度大。此

层粉粒和粘粒成分低，渗入系数大，是盾构施工过程中也应十分注重地层。

以隧道上部断面或隧道上方为＜3＞砂层问题为例，此类围岩状况在广州地区盾构

施工过程中经常遇到，特别是下部为较硬岩石状况下会给施工导致较多问题。典

型例子是广地铁一号线盾构施

工在长寿路〜中山七路区间横通道地段时，干砂量变化发生异常，由于砂层流失

不久，导致了较大地面沉降，使三幢三层楼塌方（见图7、8）。

£8华武路12kl32号房倒塌

同样问题也出当前三号线大塘〜沥浮区间（见图9）。

009地面场方现场

2.3以第四系残积层（工程地质编号为＜5＞）为主与其他地层组合

残积层是其下伏基岩通过长期风化之后，其构造构造已所有消失了，某些岩石成

分又通过风化和水化作用产生了新物质，并在原地残积下来而形成。对盾构施工

也许导致严重影响有二种类型即残积粘土层和残积砂质或砂砾质粘性土。

2.3.1残积粘土层

母岩大多为沉积岩系列中泥岩和粉砂质泥岩，其全风化后来形成残积粘土层。

广州地铁二号线海珠广场站一市二宫区间采用土压平衡盾构机刀盘（见图10）,41

把滚刀。而地层是白垩系上统三水组东湖段泥岩和粉砂质泥岩。工程地层为残积

粘性土层＜5＞,全风化和强风化＜6＞和＜7＞地层。由于过江施工时多次严重结泥饼

（见图II）,平均日进局限性2m,掘进速度仅达到0-5.0mm/min。地铁四号线

琶〜仑区间过涌段与海〜江区间是同一时代地层，盾构施工过程中遇到了与

海〜江区间相似问题。

囹海YE区间盾构刀也图“滚刀在泥忸中的印模

2.3.2残积砂质或砂砾质粘性土

残枳层中存在坚硬砂质或砂砾质颗粒，Si02质坚硬颗粒在施工过程中会对刀具导致严重磨

损。例如，花岗岩形成残积层，其原岩中长石大某些都高岭土化了，而原岩中石英颗粒，依然

保存卜来，这种残积层中粉粒和粘粒含量比较高，而同步非常坚硬石英颗粒又较多，因而在

盾构机推动过程中若解决不好会同步发生二种问题：在结泥饼同步，对刀盘导致严重磨损,

刀具发生单边或多边严重偏磨（见图12）。

与花卤岩残积层较类似地层有各时代粗砂岩，含砾砂岩和砾岩层残积地层。

2.4以全风化和强风化＜6＞和＜7＞地层为主组合

全风化和强风化地层原岩可以是各时代沉积岩以及变质岩和花岗岩，由于原岩

不同，它们反映出来围岩特性稍有不同，但总来说，盾构在此类地层中施工时特

别重要是刀具选取。举例如下：

2.4.1刀具严重偏磨

深圳地铁一号线某工地，其地质断面示意图（见图13）0

当时采用是全断面滚刀。由于风化后岩层和额定内总推力无法提供使滚刀滚动摩

擦力，滚刀无法转动而发生偏磨，在掘进局限性10m状况下，致使25把滚刀损坏

（见图14）o

图13地放断面不怠连船1425把滚刀在<6>V7A地层中全部的磨

通过对偏磨刀具仔细观测发现，刀刃某些都变成明显暗蓝色“淬火现象”（见图15）。阐明当

时由于滚刀不转产生磨擦将动能大量转化为热能。这样，在高温和不断研磨双重作用下，进

一步制造了在刀盘面上形成泥饼条件。若不设法防止这种恶性循环，最后会损坏大轴承密封

而停机。事实上，广州地铁三号线天〜华区间也遇到了类似问题，从盾构机密封仓渗出滴水,

居然能烫伤工人皮肤。由于•刀具选取不适应，以及施工参数选取不合理，此类滚刀偏磨问题

在广州地铁三号线是较常用。

2.4.2工作面稳定性问题

由于岩性变化较大，因此在盾构推动过程中依照不同围岩特性及时换刀是

必要程序。在常温常压条件下换刀是人们最但愿，由于这样可以简化诸多复杂工

序，问题是工作面与否能自稳。总来说，此问题要依照

特定地层分布状况，依照不同岩性进行详细分析，否//\

则就会浮现预想不到事故。（聋风化镰4

深圳地铁一号线某盾构段一种剖面示意图（见图中、微风化花岗岩

图16深圳地铁某虻质副画

16)o

在换刀前曾对开挖面进行过旋喷加固，但加固效果未达规定，地下水仍比较大,

开仓后来发现隧道工作面前上方有小塌方空洞，但仅用某些木条做了简朴支撑。

在清仓换刀过程中，剩最后几把刀更换时，前方掌子面突然塌方，导致了1人死

亡、伤3人事故。广州地铁三号线没有发生过上述严重事故，但类似问题经常可

见。

2.4.3关于花岗岩中球状风化问题（见图17）

图17坚硬的花岗岩球状风化体夹在

软弱的全风化和强风化地援

球状风化是发生在花岗岩＜5＞、＜6＞和＜7＞地层中一种较常用地质现象，这在广州地铁三号线

天〜华区间、大石〜番禺广场区段和深圳一号线盾构区间花岗岩中都曾经多次遇到。由于球

状风化体体量并不很大，普通只在1.0〜5.0m左右，且是包裹在软＜5＞、＜6＞、＜7＞号地层中

间，事前对其存在也许性及确切位置较难预测.因此在施工过程中特别要引起注意。遇到重

要问题有三种：一是开挖面在水作用下不久失稳，无法进入仓内换刀；二是既便可以在短时

间内换刀，但未换完前，围岩一下子又失稳了；三是突然从软地层中遇到坚硬花岗岩球状体

时，容易卡住刀盘，甚至导致刀盘变形（见图18）。对前两种状况，必要在地层加固或气压下

进仓换刀。

2.5以＜8＞和＜9＞地层岩石地层为主在水平方向上组合

与前面讨论同样，由于围岩不同，虽然都是中风化和微风化岩层，其特性也不同

样。例如，广州地铁一号线中山七路〜西门口区间，盾构在白垩系三水组康乐段

＜8＞砂岩中通过，岩石强度为20〜44Mpa。在80m范畴内，盾构机损坏了58%滚

刀，51%刮刀。地铁三号线天〜华区间在中〜微风化花岗岩掘进时，其强度超过

lOOMpa,盾构机仅迈进了4环(6.0m)就将滚刀大某些磨损了，不得不断机换刀。

3复合地层盾构施工技术突破性进展

中华人民共和国盾构施工技术人员重要在广东(广州、深圳)，在复合地层类型

繁多并且极其复杂施工环境下，通过、40台次、掘进隧道长达100多公里摸索。

已充分结识到复合地层超前系统研究是盾构选型基本，全过程跟踪研究和及时

预报各地层在垂向上、纵向上变化并采用相应对策，是盾构能否顺利施工核心。

在统一结识基本上，通过艰难困苦实践，施工技术有了突破性进展，概述如下：

3.1拟定了什么类型复合地层，选取什么样盾构机模式

这，广东广州、深圳几乎遇到了所有类型复合地层，使用了国际上许多知名盾构

厂家盾构机，诸如海瑞克、维尔