内容发布更新时间 : 2025/1/24 13:12:52星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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:中国采用盾构法已有45年历史，但前35年国内只有少数承包商掌握了在均一软土地层中盾构施工技术。1995年至今，广州地铁业主率先开放盾构工程市场，培育盾构施工队伍。随着大批盾构承包商成长，随着40台次盾构机在广州和深圳复合地层100多公里实践，复合地层概念逐步形成，复合地层中盾构施工技术也有了突破性发展。在这种背景下，亲历了100多公里复合地层施工过程作者，有义务对复合地层概念做出定义，对复合地层盾构施工技术进展做出概述，以便与同行一起推动盾构工法在全国隧道施工中更广泛应用。

关键词：均一地层 复合地层 盾构施工技术

盾构法施工与其它传统地下工程施工工法一样，其终极目标是完成一特色地下工程，比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。

盾构机是根据施工对象而“度身定做”，正如裁缝要根据具体人进行“量体裁衣”一样，否则缝制衣服就不合身。盾构机制造所依据对象，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，基础地质和工程地质特征是最重要，因为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，对地质特征研究往往是一件被忽视工作。殊不知，几乎没有哪一项盾构施工技术不是与地质特征有关，尤其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、基础地质和工程地质等特征各向均匀性直接影响盾构机选型、盾构施工工艺选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类，一是均一地层，一是复合地层。 1.1均一地层

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围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近地层或地层组合。

均一地层有两种情况： ①单纯软土地层：

从地质图（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。这两种地层物质组成，其结构和构造都存在着一定差异，但它们岩土力学性质以及工程地质和水文地质特征就盾构机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。

图1 南京A区间某段隧道地质剖面图 图3 硬岩掘进机刀盘

图2 软土盾构机刀盘

② 单纯硬岩地层。比如： 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，干抗压强度为78~137MPa，整体性较好，裂隙较少。另一种是混合花岗岩，干抗压强度为122~162MPa，节理较发育，裂隙较多。

选用盾构机（广义）是典型硬岩掘进机，刀具全部安装滚刀，无需任何刮刀（见图3）。 2）均一地层中盾构工程主要特点

① 施工过程中盾构机模式基本上不需变化。

在软土地层中，若采用土压平衡模式，则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，则一般无需变化成土压平衡模式。

通常，在均一地层中盾构机，在设计和制造时，也没有考虑模式变化。

② 盾构机结构不需在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，在施工过程中根本不需考虑是否会碰到硬岩而增加滚刀问题。反之亦然。

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做出调整。

均一地层上述两特点说明，在施工过程中盾构机无需或无法做出结构型式上任何改变，但是，正如前面提到，均一地层并不是绝对均质地层，这样，在地层特性改变之后，必需在施工工艺或施工参数上采取相应措施。比如：

同是在软土地层中施工，当地层是以砂层或砂砾层为主时，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，则需添加适量泡沫。如此等等，这一类工艺或施工参数上调整并不因均一地层而避免。 1.2 复合地层

1）复合地层概念

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，且这些地层岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊组合地层，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。图4 上软下硬地质剖面示意图 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。比如图4所示地层。

② 复合地层在水平方向上变化。

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地层。比如广州地铁五号线草~陶区间地层（见图5）。