盾构穿越突变地质文献研究综述

于 超 郑东胜 田忠喜 张传帅 邢 帅

Research 研究探讨

盾构穿越突变地质文献研究综述

于 超1郑东胜2田忠喜1张传帅1邢 帅1

（1.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000； 2.山东聊城第四建设有限公司，山东 聊城 252000）

为缓解城市发展带来的交通堵塞问题，城市的地铁建设进入了一个快速发展的时期。盾构作为地铁修建技术中的一项重要的技术，在穿越突变地质时具有很大优势，但在盾构穿越突变地质的过程中，可能会造成地面的沉降或隆起、开挖面的失稳破坏、基岩突起等工程问题，给周围既有建筑物或市政管线带来不利影响，甚至会造成严重的事故。本文从突变地层的稳定性、开挖面的失稳机理、地表沉降规律及盾构过程中所遇到的工程问题等方面出发，总结了在突变地质条件下进行盾构时所遇到的工程难题以及所运用的方法和技术，并对其进行了综合的分析和系统的论述。

隧道施工；盾构法；突变地质

0 引言

盾构法是在隧道施工中以盾构为核心的施工方法，有效地减少了机械施工过程中产生的噪声和振动、避免了地层的大幅沉降和对周围环境造成的污染等不利因素。但是在突变地质环境下，由于地质条件的复杂性，在盾构过程中的推进阻力会发生剧变，如果不能及时平衡开挖面的支护压力，可能会使盾构姿态发生偏移，导致掌子面前方土压失稳，引起围岩或地层的较大变形，甚至会造成地表坍塌，严重影响着既有建筑物或管线的安全。

1 盾构穿越突变地层稳定性分析

在突变地层进行盾构施工的过程中，如何有效的控制地层的稳定性是工程界一直关注的焦点。竺维彬[1]指出，突变地层发生剧烈变形主要是因为穿越过程中掘进参数和开挖推力波动较大，导致掘进速度急剧下降，不得不通过出渣换取掘进速度，最终造成开挖面前方地层坍塌。为解决这个工程问题，胡鹰志[2]探寻了一种新的加固方式，在突变地质条件下可以安全、有效、快速的完成土体加固，有效地控制了地层的稳定性，从而确保了盾构机常压开仓修复中心回转体的安全性和可靠性。田瑞忠[3]分析了突变地质环境下盾构姿态超限的原因，并且提出了姿态控制方法以及纠偏方案。史海波[4]分析了盾构穿越突变地层时的不良影响，并针对不良影响提出了上部砂性土加固，合理设置参数等技术措施。

上述研究成果对盾构穿越突变地层的稳定性有着重要的指导意义，但是大多从盾构技术及隧道设计角度出发，并没有进行地质界面破坏特征、界面失稳机制以及参数敏感性等方面的研究。而国内现有的不同地质界面稳定性的研究一般存在于矿山煤炭组合体之中，与突变地质界面的破坏机制差异较大。

2 盾构隧道开挖面稳定性分析

开挖面失稳是盾构施工中最常见的问题，也是危害最大的工程问题之一。当盾构穿越突变地层时，由于土压力的平衡很难建立，导致掌子面上的土压力过低，致使出土量增大，地层过度损失，最终引起地表坍塌。

为了分析开挖面的稳定性，潘建立[5]采用了有限差分数值软件进行了开挖过程中开挖面应力的释放，并且分析了不同程度的应力释放对开挖面的影响。李险峰[6]运用了有限拆分法对实验模型进行了数值计算，用得到的数值模拟数据，揭示了开挖面的中心位移Y与地表变形累计值S之间的线性关系，为突变地层开挖面稳定性的监控提供了新的方法和思路。王国富[7]在筒仓理论的基础上提出了一个关于曲面开挖面的极限平衡模型，并且推导了开挖面极限支护力的计算公式，为曲线隧道施工中支护以及开挖面的稳定性提供了理论指导。康芮[8]运用数值模拟技术，研究了地层变形的原因，最终确定了稳定开挖的极限支护力。李奥[9]等基于数值模拟的失稳形态和开挖面模型试验，建立了新的棱柱锲形体模型，优化了开挖面稳定性的分析方法。张孟喜[10]采用PFC2D模拟了盾构隧道的正交下穿施工，分析了开挖面塌陷失稳的破坏模式，并探索了沿开挖纵向开挖塌陷失稳的规律。何小辉[11]等通过建立数值分析模型，研究了突变地层的隧道变形特征，得出了拱底变形主要与基岩的力学性质有关。

以上研究成果从数值模拟技术出发，为今后开挖面稳定性的分析提供了大量的计算模型，而对土体稳定性参数分析缺乏相应的试验研究。程红战[12]考虑到了土体抗剪强度参数具有空间变异性，并在理论基础上，运用了协方差矩阵分解法建立了一个三维随机场模型，最后运用概率分析法进行了极限支护力特征值的选取。邱龑[13]利用数值模拟建立了富水砂层隧道三维模型，提出了一种新的关于稳定系数开挖面失稳风险的分析方法，可用来对富水砂层开挖面失稳进行风险评估。胡欣雨[14]针对盾构开挖面稳定性的问题，采用了数值仿真和试验研究相结合的方法，并且考虑到了土体的力学性质和地层变位，揭示了复合地层开挖面失稳的破坏机理。

上述研究成果多数存在于水平地层或单一地质条件下，对于有界面倾角的突变地质界面开挖面稳定性的研究鲜有涉及，特别是对渗流条件下不同地质界面倾角的开挖面破坏机理缺乏相应的理论研究。

3 盾构穿越基岩突起地层施工对策

在盾构穿越突变地质施工工艺和施工方法方面，张亚洲[15]从盾构设计、隧道设计的角度，并结合工程实例，提出了特殊地层预处理、线性避让等方法来处理突变地层中出现的问题。陈开端[16]利用了“微动探测加地质钻机验证”的方法来寻找孤石，然后用阿特拉斯地质凿岩机进行间距密打孔，该方法处理岩石的速度快、占地小、效果明显。

上述研究成果在盾构穿突变地层时有效地避免了基岩突起的问题，保证了在孤石区间施工时盾构机的顺利推进。但是在一些无法避免的孤石地段施工时，只能采取爆破措施来降低孤石对盾构施工进度的影响。对此，缪明晓[17]针对基岩凸起及孤石的情况，对基岩突起部分采用爆破法进行预处理，此工艺提高了盾构掘进速度、降低了盾构施工风险。在盾构穿越基岩凸起时，周海波[18]采用了一种深孔松动爆破技术技术对硬岩进行松动处理，提高了盾构速度及效率。宋金峰[19]提出了在硬岩段采用微差爆破法进行施工，有效减弱了对周围建筑物的影响。

通过深孔爆破技术，能够有效处理在孤石地段的施工问题， 进而建立了土压平衡，保证了孤石地段盾构施工的顺利进行。然而大多爆破施工一味追求速度，并未检查爆破封孔问题，若封堵不好，会导致地面冒浆、土仓失压问题。

4 地层变形机理及地表沉降研究

研究盾构过程中地层的变形机理及地表沉降规律对于维持周边环境的稳定以及灾害预防具有重要意义。康永炜[20]根据施工现场的土层情况，通过有限元分析软件进行相应的数值模拟，最终得到了精准可靠的分析模型，高效准确的进行了地表沉降的预测。陈强[21]通过建立盾构隧道仿真模型，分析了隧道埋深不同和上软地层参数不同的条件下，开挖面的支护压力对地表变形产生的影响。何祥凡[22]等重点研究了软硬不均地层交界段的地表沉降情况，得出了当盾构穿越软硬不均匀的地层时，可以适当调整盾构姿态，而且面对地表沉降的增大，还可以适当增大土仓压力。

上述研究成果得到的地表变形规律通常依靠数值模拟得到，然而对地表预测模型和地层变形机理往往缺乏理论依据，而且对开挖面失稳造成的地层沉降机理认识不足。

5 结论

盾构穿越突变地质极易引发工程灾害，而造成灾害频发的根本原因在于突变地层中存在大量软硬不均匀地质体，在盾构扰动的作用下，产生了微观损伤和细小形变，随时间的累积不断加剧，最终在宏观上表现为突变地层滑移变形、开挖面失稳破坏、基岩突起、地层变形及地表沉降等工程事故。本文总结了盾构穿越突变地质的施工过程中出现的部分问题及应对措施，并对下一步研究的方向提出展望，概括为以下几点：

（1）在盾构穿越突变地层时，由于地层的复杂性，周围岩土应力分布变化规律、盾构掘进的极限支护力并不明确，需要进一步的理论分析。在此基础上进行数值模拟建模，并结合工程实验，最终确定开挖面的极限支护力。

（2）突变地质界面问题也是需要考虑的重要因素，突变地质界面效应随着前后粘聚力、岩土体刚度、内摩擦角的增大而更加显著。

（3）针对施工过程中开挖面失稳、地层形变以及地表坍塌等问题，监测是预防失稳的重要方法。开挖面的稳定性随着地质界面倾角的增大而降低，在同一倾角下，地质界面倾向于强地质体时，更容易发生开挖面的失稳破坏。

（4）岩土体力学参数的差异、不同地质界面倾角对开挖面稳定性的影响，是造成地表剧烈沉降的根本原因，因此，建立岩土地质界面力学参数与地表变形的相对关系，对盾构过程中开挖面稳定性的控制及地表变形规律具有重要的指导意义。

[1]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M]. 北京：中国科学技术出版社，2006.

[2]胡鹰志.复杂地质条件下富水动压砂层盾构开仓加固区施工技术[J].施工技术,2020,49(13):10-13.

[3]田瑞忠,宋曙光,张延欢.软硬不均地层地铁盾构姿态超限剖析及控制方法研究[J].中国高新科技,2019(18):102-104.

[4]史海波.土压平衡盾构穿越软硬交界地层时的施工技术[J].建筑施工,2017,39(02):208-211.

[5]潘建立.隧道掘进地层应力释放对开挖面稳定影响数值研究[J].土木工程学报,2015,48(S1):275-278.

[6]李险峰,秦亚斌,卢坤林.复杂地层环境下的盾构开挖面稳定性研究[J].市政技术,2020,38(04):158-162.

[7]王国富,孙捷城,路林海,王渭明,王丹.突变地质界面盾构隧道开挖面极限支护压力研究[J].中国铁道科学,2016,37(06):50-59.

[8]康芮,舒东利.盾构隧道穿越软硬不均地层时掌子面稳定性分析[J].路基工程,2018(01):194-199.

[9]李奥,张顶立,孙振宇,曹利强,李然.黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解[J].铁道建筑,2019,59(04):71-75.

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[11]何小辉,周纯择,王海波,王树英.上软下硬复合地层盾构隧道变形特征研究[J].现代城市轨道交通,2019(02):49-52.

[12]程红战,陈健,胡之锋,黄珏皓.考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析[J].岩土力学,2018,39(08):3047-3054.

[13]邱龑,杨新安,徐前卫,郭乐,唐卓华,李洲.富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析[J].中国铁道科学,2015,36(06):55-62.

[14]胡欣雨,刘安洋.复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理[J].上海交通大学学报,2015,49(07):1067-1074.

[15]张亚洲,温竹茵,由广明,刘念.上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究[J].隧道建设(中英文),2019,39(04):669-676.

[16]陈开端.复合土层中孤石探测及处理方案[J].城市轨道交通研究,2016,19(05):93-97.

[17]缪明晓.盾构区间基岩突起复杂地层处理技术研究[J].建筑安全,2019,34(02):72-75.

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[19]宋金峰.浅谈地铁盾构基岩突起深孔爆破预处理技术[J].中国科技信息,2012(11):69-70.

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[21]陈强.上软下硬地层中盾构隧道开挖面支护压力研究[D].华中科技大学,2010.

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于超（1996- ），男，山东青岛，汉，硕士研究生，聊城大学建筑工程学院 252000 岩土工程。

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