基于盾構工程特征的砂卵石地層分類方法

張晉勛，李 博,2，江玉生，周劉剛，江 華，殷明倫，孫正陽

（1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088；2.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083）

在城市地鐵隧道建設中，盾構因其掘進速度快、安全性高、環(huán)境影響小等優(yōu)勢得到普遍應用。砂卵石地層在我國北京、沈陽、蘭州、成都等地區(qū)廣泛分布，其地質(zhì)情況相當復雜，針對該地質(zhì)特征制定合理的盾構方案非常困難，無法將工程特性與對應的盾構掘進方法相匹配。

目前有關地層劃分的技術中，大多通過野外鉆孔試驗和原位測試等地質(zhì)勘查方法進行劃分[1]，這些方法只能粗略掌握盾構區(qū)間的地質(zhì)巖性，且只能進行定性的地理劃分，對砂卵石地層盾構方案的選擇沒有太多指導意義。另外，還可以根據(jù)相關規(guī)范進行地層劃分，如在《鐵路隧道設計規(guī)范》[2]中，只將砂卵石統(tǒng)一劃分為土體，此種方法無法指導具體的工程施工。還有很多設計者根據(jù)工程經(jīng)驗劃分盾構區(qū)間類型，但該手段受環(huán)境因素、人為因素影響，不具有普遍適用性[3-5]。綜上，目前尚無一種有效的技術手段將砂卵石地層工程特征與盾構施工需求相聯(lián)系。鑒于此，本文提出影響盾構高效掘進的砂卵石地層特征因素，并給出各因素特征指標，進而根據(jù)特征指標匹配合理的盾構施工方案，最終形成適用于盾構工程的砂卵石地層分類方法。

1 砂卵石地層工程特征影響因素

盾構施工作業(yè)受到多種安全因素的影響，工程事故時有發(fā)生。呂建樂等[6]和陳輝華等[7]通過相關文獻資料，統(tǒng)計了2007—2022 年的55 個盾構法施工事故案例，得到圖1 所示的盾構施工事故類型。

由圖1 可知，在55 個案例中，有26 例出現(xiàn)地面塌陷事故，25 例出現(xiàn)涌水涌砂事故，10 例出現(xiàn)盾構停機事故，9 例出現(xiàn)掘進困難事故，這幾類事故最為多發(fā)。其中，盾構停機事故主要包括盾構故障以及大顆粒卵漂石致使盾構卡死等問題。掘進困難包括因刀盤刀具磨損造成的切削效率降低，或是因“結泥餅”造成的進土不暢問題。其中部分事故可能在同一個案例中發(fā)生，如螺旋輸送機噴涌事故同時伴隨涌水涌砂事故，涌水涌砂事故絕大多數(shù)都伴隨著地面塌陷，超過半數(shù)的管片事故(管片錯臺、管片上浮及管片破裂)均伴隨地面塌陷，盾構停機事故及掘進困難事故中也有部分伴隨地面塌陷。

在上述盾構事故中，包括一些設計因素以及偶然因素，除此之外，大多是由于砂卵石地層自身特征帶來的盾構工程問題，主要包括：

1) 盾構開挖過程中，大顆粒卵漂石造成的盾構停機、掘進困難問題，例如刀具的沖擊損傷、基座變形、螺旋輸送機卡死等刀具破壞和刀盤故障問題，如圖2(a)所示。

圖2 砂卵石地層盾構常見問題Figure 2 Common problems of shield tunnelling in sandy pebble stratum

2) 當砂卵石土中含有大量粉粒、黏粒時，渣土流動性、和易性較差，容易形成“結泥餅”現(xiàn)象，如圖2(b)所示，造成掘進阻力過大、刀盤磨損嚴重等問題，進而引發(fā)盾構停機、掘進困難等風險。

3) 在高水壓、高滲透性砂卵石地層中，容易引發(fā)噴涌、管片上浮、涌水涌砂、地面坍塌問題，如圖2(c)所示。

4) 砂卵石地層中廣泛賦存石英、長石等磨蝕性較強的硬質(zhì)礦物顆粒，掘進過程中會對刀盤刀具帶來較大磨耗，如圖2(d)所示，損耗一定程度后就會造成地面塌陷、盾構停機、掘進困難等問題。

根據(jù)上述施工風險確定的砂卵石地層影響因素包括顆粒粒徑、細粒含量、地下水以及磨蝕性礦物。其中，顆粒粒徑影響盾構機選型、刀盤開口率、破巖方式等；細粒含量及地下水壓影響掘進方式、渣土改良措施；地層磨蝕性影響盾構刀盤結構選型以及刀具的配置模式。

2 各因素特征指標及指標測定方法

針對上述4 種影響盾構掘進的地層特征影響因素，提出對應的特征指標及測定方法，進而對盾構區(qū)間的砂卵石地層進行分類。

2.1 砂卵石地層粒徑大小

砂卵石土級配較差，顆粒粒徑大小不一。區(qū)別于傳統(tǒng)土力學中的土顆粒粒徑劃分標準，砂卵石地層盾構粒徑大小劃分的特征指標包括顆粒最大粒徑dmax、螺旋輸送機最大輸排能力dp。開挖地層中的dmax根據(jù)實際地勘報告獲得，dp可通過圖3 確定。圖中，D為螺旋機輸送內(nèi)徑。

圖3 螺旋輸送機輸排能力Figure 3 Through capacity of screw conveyor

從圖3 的螺旋輸送機輸排能力可以看出，帶式螺旋機相對軸式螺旋機有更好的輸排能力，通常情況下，2 種螺旋輸送機的輸排能力dp的計算式分別為[8]：

式中，d1p、dp2分別為軸式和帶式螺旋機的輸排能力，mm。表1 給出了不同尺寸螺旋輸送機的最大輸排能力dp[9]。

表1 螺旋輸送機最大輸排能力dpTable 1 Maximum conveying and discharging capacity of screw conveyor mm

根據(jù)顆粒最大粒徑dmax與輸送機最大輸排能力dp之間的相互關系，即可將砂卵石地層分為不可輸排砂卵石地層和可輸排砂卵石地層2 類，如表2 所示。

表2 粒徑大小分類標準Table 2 Classification standard of particle sizes

對于不可輸排砂卵石地層，其基本原則是將地層中的大顆粒卵漂石破碎為小于螺旋機最大輸排能力的中小顆粒卵礫石，應采用“楔擊-破碎-輸排”的開挖方案。因此，在刀具配置上，應選擇能夠破碎的大顆粒卵漂石的撕裂刀等破巖刀具，刀頭堆焊大塊高強度合金。刀盤設計方面應選取面板式或輻條式刀盤，并滿足35%以上的刀盤開口率。掘進參數(shù)上宜采用“低貫高轉(zhuǎn)”模式，增大刀盤扭矩，以“抗沖降損”為主。

對于可輸排砂卵石地層，中小粒徑的卵、礫石顆粒直接通過螺旋輸送機輸排，無需破碎。整體掘進模式應采用“楔犁-松動-輸排”的開挖方案。選用大開口率輻條式刀盤，保證犁松土快速入倉輸排，防止土顆粒堆積在刀盤前方，產(chǎn)生額外扭矩，增加刀具的摩擦磨耗。掘進參數(shù)上宜采用“低速高扭”的驅(qū)動模式。

值得注意的是，實際施工中地層卵石顆粒粒徑與地勘報告測定的最大粒徑dmax有一定出入，設計施工人員可根據(jù)本文的粒徑大小分類方法，對地層輸排類型做出基本判斷，實際設計時，應在設計允許范圍內(nèi)盡量增大螺旋機的通過能力，如適當增大螺旋機套筒筒徑、螺間距，或者縮小軸徑來擴大dp允許值，提高盾構機輸排能力，保證盾構正常掘進。

2.2 砂卵石地層細粒含量

砂卵石地層細顆粒含量是決定砂卵石地層黏性及滲透性的關鍵指標，在《土的分類標準》(GBJ 145—90)[10]中以粒徑0.075 mm 來劃分粗細顆粒。但在北京、成都的深部砂卵石地層中測定細顆粒含量難度較大。根據(jù)施工經(jīng)驗，盾構區(qū)間含有的細粒透鏡體層是產(chǎn)生結泥餅的重要原因，透鏡層中富含細顆粒粉砂巖以及黏土礦物顆粒。以北京深部地層為例，卵石⑤層、卵石⑦層之間賦存粉細砂⑤3層和粉質(zhì)黏土⑥層，卵石⑦層、⑨層之間賦存粉細砂⑦3層，卵石⑨層、卵石層之間賦存粉細砂⑨3層，成都地鐵4 號線二期西延線卵漂石地層之間富集砂層透鏡體。文獻[11-12]指出，當盾構區(qū)間地層中的細顆粒透鏡體層與區(qū)間總地層占比超過25%時，地層黏性高，滲透性弱，塑流性差，盾構推力及扭矩較大，刀盤中心易出現(xiàn)“結泥餅”現(xiàn)象。

因此，可通過地勘報告獲得細粒透鏡層同區(qū)間總地層的占比λ，將砂卵石地層分為2 類，如表3 所示。

表3 細粒透鏡體含量分類標準Table 3 Classification standard of fine particle content

在高黏性低滲透砂卵石地層中，顆粒黏聚力強，滲透性弱，渣土塑流性差，盾構推力及扭矩較大，刀盤中心區(qū)域容易出現(xiàn)“結泥餅”現(xiàn)象。通常采用渣土改良方法，達到正常的盾構掘進條件。改良劑宜采用“泡沫劑+水”，以提高渣土流動性，減少黏著性，并避免渣土與盾構機刀盤、土倉壁黏結。

在低黏性高滲透砂卵石地層中，顆粒間通常無黏聚力，地層滲透性強。渣土改良時，需要添加膠質(zhì)減摩劑或潤滑劑來增大渣土的流塑性，并利用高吸水性材料達到止水的效果。因此，改良劑宜采用“膨潤土+泡沫劑+吸水樹脂”，調(diào)整開挖土級配，增加土體流動性并改善滲透性。

2.3 砂卵石地層水壓高低

低黏性高滲透砂卵石地層中，可通過地下水位高度hw和界限水位高度h0的相互關系對地層進行分類。

圖4 給出了水壓高低特征指標的判定方法。界限水位高度h0位于螺旋輸送機下出口上方1 m 處。當?shù)叵滤籬w高于界限水位h0時，將地層定義為高水壓地層，反之為低水壓地層，水壓高低分類標準見表4。

表4 水壓高低分類標準Table 4 Water pressure classification standard

圖4 水壓高低判定示意Figure 4 Indication of water pressure determination

在高水壓砂卵石地層中，渣土具有明顯的觸變性和流動性，在一定的動水壓力作用下，容易形成流土或管涌，盾構開挖過程中會引發(fā)“噴涌”現(xiàn)象，需消耗大量時間清理盾尾渣土，嚴重影響施工進度。預防噴涌的措施主要是在刀盤前注入泥漿和高效聚合物(膨潤土)，并添加高吸水性樹脂材料，使刀盤前或土倉內(nèi)渣土變?yōu)槟z凝狀態(tài)，阻斷與地下水的連通，改善渣土和易性。另外，采用雙節(jié)螺旋輸送機是防止管涌的重要措施之一[13]。當水壓力過大或土體流塑性不佳時，可以采用雙節(jié)串聯(lián)螺旋輸送機來平衡來自地層的水土壓力，通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速，使二級輸送機轉(zhuǎn)速小于一級輸送機，速度差的產(chǎn)生使土體在連接處堆積，形成土塞效應，防止噴涌。

在低水壓砂卵石地層中，一般不會發(fā)生“噴涌”現(xiàn)象，改良手段應以提高渣土塑流性，降低刀盤扭矩為主。改良劑宜選用泥質(zhì)材料或發(fā)泡劑，以提高渣土的塑流性和黏聚性，降低刀盤扭矩，減少摩阻力。

2.4 砂卵石地層磨蝕性能

目前主要采用Cerchar 實驗測試結果CAI 值判斷巖石磨蝕性。CAI 值一般采用地層中的等效石英含量來計算[14-15]。等效石英含量方法是對巖石進行微觀成分分析，并考慮卵石每個礦物成分的磨蝕性，這種方法能夠更加準確、方便地判斷砂卵石土體的磨蝕性。

等效石英含量的計算方法為

式中，Qe為所掘地層的等效石英含量，%；Ai為第i種礦物的百分含量；Ri為第i種礦物與石英Rosival 硬度的比值；n為各種礦物的總數(shù)量。

對盾構區(qū)間地層進行鉆孔取樣，樣本中各礦物的百分比Ai通過XRD 衍射試驗獲得，方法是將樣本研磨至粒徑小于40 μm，將鍍上導電膜的樣本放在x射線衍射儀上觀測，通過建立圖譜中的特征峰強度與樣品中該礦物的含量之間的正相關系來確定礦物含量。各種礦物的Rosival 硬度如表5 所示。

表5 礦物Rosival 硬度值Table 5 Mineral rosival hardness values

根據(jù)楊志勇等[14]、Yaral 等[15]給出的試驗數(shù)據(jù)，繪制出等效石英含量與CAI 值的關系，如圖5 所示。等

圖5 Qe 與CAI 值的關系Figure 5 Relationship between Qe and CAI

效石英含量越高，CAI 值越大，地層磨蝕性越強。擬合數(shù)據(jù)點得到二者之間的線性關系為

表6 為Cerchar 試驗中給出的CAI 值與巖體磨蝕性的指標分級，以CAI=2.0 為臨界值將磨蝕性分為強、弱兩級，可結合式(4)中給出的Qe與CAI 的相互關系，將待掘進盾構區(qū)間分成強磨蝕性砂卵石地層和弱磨蝕性砂卵石地層2 類，如表7 所示。

表6 CAI 磨蝕性分級Table 6 CAI abrasion classification

表7 磨蝕性能分類標準Table 7 Standard for classification of abrasive properties

對于強磨蝕砂卵石地層，在施工掘進參數(shù)方面，應該遵循“高貫入度、低轉(zhuǎn)速”的掘進模式，“防沖降磨”的磨損控制理念；刀盤應設計大開口率，防止土石與刀盤刀具長時間作用；刀具設計應采用長短刀具配置模式，實現(xiàn)對砂卵石地層的有效切削，克服刀盤各區(qū)域刀具不均勻磨損現(xiàn)象；適當增加螺旋機輸排能力，防止卵礫石顆粒對土倉及筒壁的磨損；渣土改良材料采用泡沫和膨潤土泥漿相結合，在刀盤前方分區(qū)注入土體，形成泥膜，降低刀土之間的摩擦力，減小刀盤刀具磨損。

弱磨蝕砂卵石地層應以高效掘進為主要目標，宜適當提高盾構掘進速度與刀盤轉(zhuǎn)速，保證掘進效率。

3 組合指標下的盾構工程實例

原狀砂卵石土經(jīng)過多年沉積后，往往呈現(xiàn)粒徑大小、細粒含量、水壓高低、磨蝕性能4 個特征指標的組合狀態(tài)，因此，為方便工程設計人員劃分砂卵石地層類別，將4 個特征指標進行組合，建立組合指標下的地層四位數(shù)編碼。編碼由4 個數(shù)位組成，第1 至第4 數(shù)位分別代表粒徑大小、細粒含量、水壓高低、磨蝕性能，各數(shù)位上按照強弱程度將各特征指標分為1(弱)、2(強)兩個等極。以高滲透-高水壓-強磨蝕-可輸排地層為例，其組合指標下的地層四位數(shù)編碼為2221。建立國內(nèi)6 個典型的砂卵石地層盾構工程實例的地層編碼，如表8 所示。通過分析施工方案，驗證本文提出的地層分類方法的適用性。

表8 盾構工程實例及其特征編碼Table 8 Shield engineering example and its feature coding

實例1 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：采取“楔擊-破碎-輸排”的開挖模式；刀盤選用了復合式刀盤，開口率45%；刀具選擇“中心刀-貝殼刀-刮刀”的梯次化刀高配置；螺旋輸送機形式為無軸的帶式輸送機，外徑為900 mm，最大輸排能力可達640 mm；渣土改良以提高渣土流動性、降低磨損為主，改良劑采用“泡沫劑+水”。

實例2 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：利用“楔犁-輸排”開挖原則；采取6 000 kN·m 大扭矩，保證掘進速度；選用開口率40%的復合式盾構刀盤，保證渣土快速排出；選用dp=670 mm 的帶式螺旋輸送機，保證地層中450 mm 的大粒徑漂石順利排出；改良劑選用“膨潤土泥漿+發(fā)泡劑+水”，提高渣土塑流性，降低磨蝕性。

實例3 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：采取“楔犁-輸排”的開挖原則；刀盤選用開口率63%的大開口率輻條式刀盤；刀具配置以先行刀、刮刀為主，不配置重型撕裂刀。選用dp=300 mm 的軸式螺旋輸送機，保證地層中dmax=110 mm 土顆?？梢皂樌懦?；渣土改良以防止發(fā)生噴涌為主，改良劑選用膨潤土泥漿。

實例4 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：采取“楔犁-輸排”的開挖原則；選用開口率34%的復合式刀盤，刀盤堆焊高強度的耐磨層，并在刀盤外圍設置硬質(zhì)合金；刀具配置選用“中心撕裂刀+滾刀+刮刀”，刀頭堆焊硬質(zhì)合金，增強刀具耐磨性；選用dp=520 mm的帶式螺旋輸送機，保證地層中dmax=60 mm 的卵礫石顆粒順利入倉輸排；渣土改良以防止螺旋機噴涌和降低地層磨蝕性能為主，改良劑選用添加CMC 黏性劑的膨潤土泥漿。

實例5 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：采取“楔擊-破碎-輸排”的土壓平衡盾構開挖模式；刀盤選用開口率35%的輻板復合式刀盤；刀具以寬刃滾刀為主，并配置高強合金的切刀、刮刀，增強刀具耐磨性；采取1.1～1.3 r/min 低刀盤轉(zhuǎn)速克服地層強磨蝕性；渣土改良以降低地層磨蝕性、提高渣土塑流性為主，改良劑選用“膨潤土+泡沫劑”。

實例6 中，根據(jù)地層編碼確定的掘進措施為：采取“楔擊-破碎-輸排”的開挖模式；選用開口率35%的復合式刀盤，并在刀盤面板設置耐磨板；刀具配置選用“中心魚尾刀+重型撕裂刀+貝殼刀+刮刀”，刀高采取三維大體次設計，提高切削效率；選用dp=300 mm的軸式螺旋輸送機，對于地層中最大粒徑800 mm 的漂石，將其破碎后再輸排；渣土改良材料選用“膨潤土泥漿+泡沫”，避免了噴涌現(xiàn)象的產(chǎn)生。

從上述砂卵石盾構工程案例中可以看出，各實例的刀盤選型、開口率設計、刀具配置、渣土改良方案、掘進參數(shù)控制等施工措施，與根據(jù)地層特征確定的掘進方案相符合，驗證了地層分類方法的適用性。

4 結論

1) 提出了影響盾構高效掘進的砂卵石地層特征因素，包括粒徑大小、細粒含量、水壓高低、磨蝕性能，分別給出了各影響因素的特征指標、指標確定方法，并量化了特征指標范圍。

2) 根據(jù)特征指標范圍劃分了砂卵石地層類型。通過地層最大粒徑dmax、螺旋輸送機最大輸排能力dp的相互關系將砂卵石地層分為可輸排、不可輸排地層；根據(jù)地層中細粒透鏡體含量占比，將砂卵石地層分為高黏性低滲透、低黏性高滲透地層；根據(jù)地下水位高度hw、界限水位高度h0的相互關系將砂卵石地層分為高水壓、低水壓地層；根據(jù)地層中等效石英含量Qe將砂卵石地層分為強磨蝕、弱磨蝕地層。

3) 根據(jù)地層分類標準，匹配施工方案。通過組合指標下的盾構工程實例，驗證了分類方法的適用性。