基于盾构影响的长江砾石层工程地质研究

时间：2024-09-03

郑军，杨旭，王宁，施烨辉，马强，张德军

(1.南京地铁科技咨询有限公司，江苏南京 210012;2.解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007;3.江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏淮安 223005;4.南京地铁建设分公司，江苏南京 210012)

0 引言

南京已建长江公路隧道和拟建的2条地铁过江隧道皆选用水泥盾构工法施工，该盾构工法适用于砂砾、砂、粉土、黏土等固结度低的含水软弱地层及软硬相间的地层，且适用于上述地层中上部有河流、湖泊、海洋等高水压的情况。但在南京长江公路隧道盾构掘进过程中，由于盾构刀具磨损严重，一度甚至使掘进工作停止。究其原因主要是盾构刀盘设计、刀具配置和盾构掘进参数的选择与掘进所遇砾石层不甚匹配，且刀具磨损监测系统失效所致(夏晓中，2010)。目前，国内地铁盾构隧道在建城市也常遇到大面积砂卵砾石地层(乐贵平等，2001;李海峰，2009)，其工程地质特性对施工和设备的影响主要体现在切削料难以排出，或因被切削头带动而扰动地层，宜造成超挖和土体变形、下沉，刀具合金破损严重导致刀具失效，刀座变形损坏导致刀具缺失，刀盘框架磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀圈变形，严重时会导致刀圈断裂，致使盾构掘进受阻或偏离线路，加大了施工风险和工程费用，成为制约盾构工法广泛使用的一个重要因素(张明富等，2008)。

目前，大多数学者主要集中于考虑在砾石地层中对盾构隧道的掘进影响研究，取得了一些重要的研究成果。其中乐贵平等(2001)在国内首次介绍了盾构机成功穿越全断面砾石地层的有关技术参数和工程实测成果，并给出了成功施工的关键在于配置性能适宜的泥浆的结论;宋克志(2004)指出了无水砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，对盾构存在较大的不良影响，根据无水砂卵石地层的特点及盾构机的适应性保证盾构的准确选型;王国义(2008)和李海峰(2009)结合成都高富水、高卵砾石含量的地质条件研究成都地铁的盾构设备配置;管会生(2008)指出了大漂石对盾构机选型的影响;张明富(2008)等主要是针对砂卵石地层研究采用最新盾构刀具动态磨损监测装置，提出刀具磨损与掘进距离的回归公式，为工程实际中减少刀具磨损提供了理论依据及预测盾构在此地层条件下的最长掘进距离;陈鹏(2009)介绍了影响盾构刀具磨损的主要因素，并以南京长江隧道掘进砾石地层为例进行计算;张颖(2011)总结了行之有效的大漂石处理措施和“破大放小”的成功处理经验。

部分学者进行了基于盾构掘进影响的砾石地层工程地质特性研究，如陈正勋等(2007)指出，卵砾石盾构隧道施工应通过地质调查的方法详细研究卵砾石的性质作为盾构机切刃盘的设计依据，降低施工风险，并结合台湾与日本施工案例，提出盾构机设计的基本原则;马秉务等(2009)采用多种手段综合分析提供更为接近实际的含大粒径卵砾石地层描述，为地铁盾构隧道及基坑围护桩设计和施工提供依据。因此，基于盾构掘进影响的砾石地层的工程特性研究是长江盾构隧道岩土工程勘察的重点研究课题。可见，有必要基于盾构掘进影响对南京地铁10号线长江段盾构隧道穿越的砾石层进行深入探讨，系统分析所含卵、砾石的工程地质特性对盾构掘进的影响，并对长江底部砾石层的地质成因、砾石层对地铁隧道盾构机刀盘磨损影响的机理进行分析讨论。

1 地铁10号线过江大盾构隧道工程概况

南京地铁10号线过江盾构隧道主要由绿博园站—江心洲站、江心洲站—中间风井和中间风井—滨江大道站3段组成，其中江心洲站—中间风井区间(里程为CK11+252—CK14+850)为单洞双线大盾构区间，隧道外径为11.2 m，长约3 600 m。

该区间大盾构隧道结构与概化工程地质剖面图见图1。大盾构隧道在里程CK12+175—CK13+945 间穿越砾石层，层厚约1.10 ～19.95 m。

图1 过江盾构隧道结构与概化工程地质剖面关系示意图

2 长江南京段砾石层的地质成因

长江河谷的第四系为全新世、更新世以来的最新堆积物，以河床相的砂砾石沉积占主导地位。圆砾、砂砾石成分以石英岩、硅质岩、脉石英为主，灰岩、燧石次之，分选性和磨圆度良好。

长江中下游河床堆积物的主要特点为上层细下层粗，砾石层覆盖于基岩之上，被压在砂层下面，不能运动(江苏省地质矿产局，1984)。究其原因，主要是因为第四纪自然界的最大特点是具有轮回性变化的现象，即冰期与间冰期，海退与海侵，地壳抬升与下降，剥蚀与堆积等交替出现。

2.5 ～1.5 万年前的主玉木冰期海平面下降过程中，长江中下游产生强烈的溯源侵蚀，包括卵砾石的晚更新统沉积物曾被冲刷一空，成为东海水下长江三角洲的固体物质来源的一部分，致使长江基岩裸露甚至被下切。

距今1.5万年后，气候转暖，河川径流增大，海平面又开始回升。据赵希涛等(1992)研究，距今约6 200年前海平面到达现在水平，6 200～5 000年前又高于现海平面2～4 m，为全新世最大海侵，长江口在扬州、镇江一带，此后在现海平面上下波动。

约1万年海平面上升过程中，长江比降逐渐变缓，泥沙随之在长江河床中淤积。卵砾石推移质在回水末端沉积，随着海平面的逐渐上升，回水末端也逐渐上移，卵砾石推移质淤积起点不断向上游后退，直至全新世海侵结束，卵砾石淤积洲头后退到距河口最远点。在这一过程中，卵砾石淤积物始终覆盖于基岩之上并留下了断续后退的轨迹。悬移质输沙量远远大于推移质，其淤积洲头远在推移质下游，从而始终覆盖在卵砾石沉积物之上，形成长江中下游床沙垂直分布呈上部为砂、下部为卵砾石的规律(朱鉴远，2000)。

3 砾石层的工程地质分析

3.1 卵石、砾石的粒径大小与分布、最大粒径及含量

鉴于地铁10号线过江大盾构隧道掘进范围内卵砾石的粒径大小对盾构刀盘选型与盾构掘进有直接影响，因此需详细查明卵石、砾石的粒径大小与分布，最大粒径及含量。

已有探井法、既有基坑调查法、全套管取样法等(陈正勋等，2007;马秉务等，2009)在长江勘察时都无法得到有效应用，因此仍采用水上钻探法选取一定数量的勘探孔取样统计砾石层中卵石、砾石的粒径大小与分布。

本次过江大盾构所穿越含卵砾石砂层的里程范围内勘探孔数量为115个，具体地层的颗粒粒径分析及相关结果见表1、表2。

根据表1及各勘探孔取样统计分析结果，同时依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)应定名为砾石层。其中，所含卵石的粒径20～100 mm，个别大于100 mm，质量分数20%左右;所含砾石的粒径2～20 mm，质量分数30%左右。

根据表2可知，砾石层的不均匀系数大于5，曲率系数在1～3间，满足级配良好的条件。

根据周边既有工程资料进行类比，该砾石层中所含卵石的粒径基本在20～100 mm之间，少量大于100 mm。

表1 砾石层的颗粒分析统计

表2 砾石层的颗粒分析统计

3.2 砾石层中卵石、砾石的强度指标

江心洲站—中间风井区间砾石层是过江大盾构穿越的主要地层。本次对砾石层中所含卵、砾石进行了点荷载强度试验。试验根据《工程岩体试验方法标准》对不同尺寸的试验值进行修正，求出最终岩石的点荷载强度指数Is(50)，并根据《工程岩体分级标准》(GB 50218—1994)，按以下公式计算岩石饱和单轴抗压强度:

式(1)中，Rc为岩石饱和单轴抗压强度(MPa);Is(50)为点荷载强度指数

点荷载试验计算所得饱和单轴抗压强度见表3。

表3 砾石层中卵、砾石的点荷载推算单轴抗压强度

所推算的单轴抗压强度为54～252 MPa，仅个别小于115 MPa，平均值为148 MPa。

卵石、砾石的矿物成分主要以石英、长石为主，因石英含量较高，因此卵、砾石的单轴抗压强度也较高。根据已有文献(陈鹏，2009)，影响盾构掘进的主要问题是砾石层中卵石、砾石中石英含量高，强度高，易撞击导致刀具硬质合金崩裂，造成刮刀初次磨损。同时，渣土中的石英又易造成刀具的二次磨损。

3.3 砾石层的密实度与磨圆度

盾构刀具锥入掌子面后，刀盘旋转的难易程度通常受砾石层的密实度影响。

根据表2可知，砾石层属于级配良好的地层，结合表4中的标贯值和动探值，可知级配良好的地层标贯值和动探值均较高，该砾石层属于密实砾石层。

密实的砾石层，盾构刀具锥入后，刀盘旋转难度增大，盾构刀盘扭矩增大，刀具易受磨损。

表4 砾石层的标贯与动探试验指标

4 长江砾石层对盾构选型与掘进的影响分析

江心洲站—中间风井过江大盾构隧道所穿越的长江段砾石层中卵石、砾石等颗粒间无胶结，分类属软弱地层。但砾石层中由于石英含量高，卵石、砾石的单轴抗压强度高，属柔中带刚、软中带硬的地层。卵石的粒径多在20～100 mm之间，少量大于100 mm，质量分数在20%左右，砾石的粒径多在20～2 mm，质量分数在30%左右，同时夹杂砂，颗粒级配良好，承载强度高，密实度高，且位于长江底部，富水量大。

为确保盾构刀盘在砾石层中平稳推进，应尽量遵循排小碎大的掘进原则，即考虑含量较多的卵石、砾石直接排出，而含量较少的大直径卵石可采用滚刀破碎后排出。考虑到少量卵石的最大粒径大于100 mm，但基本小于200 mm，因此盾构刀盘滚刀的刃间距应根据少量最大直径的卵石尺寸确定，使得小直径卵石、砾石极少被滚刀切到就可进入土舱排出，而输不出去的大卵石一定会被滚刀切碎在刀盘之外，再进入土舱内排出。这样，既减少了滚刀的用量，降低成本，也大大降低了滚刀做无用功。

考虑到砾石层富水易失稳，因此在盾构机上需设有防止高水压下的喷涌设备。同时砾石层中掌子面支撑若单纯采用辐条式，开舱较为危险，而采用大面板则影响了开口率，使得面板和掌子面上卵、砾石之间的接触面积过大，易加大磨损，增大刀盘的摩擦阻力，从而增加刀盘扭矩。因此，综合采用辐条与面板支撑，合理确定开口尺寸和开口率，在刀盘开口处加设网格，以限制大直径卵石未经滚刀切碎就进入土舱内。

由于砾石层中石英含量较高，对盾构设备的磨损非常大。为保证刀盘磨损较小，应在刀盘面板上加设其他耐磨材料的面板和网格，到刀盘刀刃处加设耐磨材料的部件，同时还应采取各种辅助措施来降低磨耗，如改良渣土、增加流动性、加注泡沫剂或泥浆等，以增加刀盘润滑，降低磨耗等。

在砾石层盾构推进过程中，应注意控制好盾构刀盘的的推进速度、转速和锥入度，并彼此协调，以防止高速运转和大锥入度导致的初次磨损。防止高速运转主要是因为高转速必然使刀盘上的刀具产生更大的线速度，线速度增大，刀头上耐磨但脆性大的合金刀头容易崩裂，导致刀具的初次磨损增大，另一方面，刀具总的运转历程增大，也会增大刀具的二次磨损。防止大锥入度是由于锥入度增大，刀具受力增大，刀盘扭矩变大，也易导致刀头的初次磨损。

5 结论

(1)过江大盾构段长江砾石层的工程地质特性为:卵石的粒径多在20～100 mm之间，少量大于100 mm，质量分数在20%左右，砾石的粒径多在2～20 mm之间，质量分数在30%左右，同时夹杂砂，颗粒级配良好，承载强度高，密实度高，且位于长江底部，富水量大。

(2)盾构刀盘应注意设置合理的开口尺寸和开口率，刀盘上注意加设网格。同时由于砾石层中石英含量较高，对盾构设备的磨损非常大。为保证刀盘磨损较小，应在刀盘面板上加设采用耐磨材料的面板和网格，在刀刃处加设耐磨材料的部件，同时还应采取各种辅助措施来降低磨耗，如改良渣土、增加流动性、加注泡沫剂或泥浆等，以增加刀盘润滑，降低磨耗等。

(3)盾构施工阶段中，应注意控制好盾构刀盘的的推进速度、转速和锥入度，并彼此协调，以防止高速运转和大锥入度导致的初次磨损和二次磨损。

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