复合地层盾构隧道工程地质勘察方法研究

宗文博

(江苏省地质环境勘查院，江苏 南京 210000)

借助地质勘探技术能够了解未知地区的地层关系与组织结构，可以帮助盾构工程设计下一阶段的施工方案，提高盾构隧道施工的效率。砂卵石地质结构属于一种典型的力学不稳定地层结构，通常具有较为复杂的地层特征，会对盾构机刀盘等构件产生严重磨损。对此，本文将以某隧道掘进工程为例，对地质勘察方法在工程中应用效果进行研究，以期为类似复杂地层盾构施工提供参考帮助。

1 工程概况

案例工程参考兰州某盾构隧道工程，工程使用遥感勘探技术和地质雷达技术对隧道线路的地质情况进行勘探，该工程涉及地层主要包括第四系冲洪积层，按照岩石成分可分为全新统卵石层和下更新统卵石层。其中，全新统卵石层具有色质不均、局部存在透镜状砂层、泥质微胶结和结构紧密坚实等特点，该地层下的卵石含量(质量分数)可达到56.2%～64.8%，以粒径结构在3 cm～6.5 cm间的中小型卵石为主，并含有少量漂石，工程遇到最大粒径的漂石为55 cm；其中圆砾占比达到8%～23%。所含卵石和圆砾母岩等成分以燧石、砂岩、石英岩和花岗岩为主，存在较高磨圆度、级配不良和分选性较差等性质。而下更新统卵石层同样具有色质不均、局部夹薄层、泥质微胶结以及结构紧密坚实等特点，该地层段地质结构以卵石和漂石为主，占比可达到55%～61.7%，多数卵石粒径在2.6 cm～5.8 cm之间，漂石最大粒径可达到50 cm；其中圆砾占比可达到12%～29%；以中砂作为充填。圆砾母岩与卵石的组成成分以燧石、钙质泥岩、花岗岩、砂岩和石英岩等为主[1]。复杂的卵石地层结构对盾构机刀盘造成严重的磨损影响，阻碍盾构工程的正常进行。

2 地质勘探方法

2.1 遥感勘探技术

遥感技术是现阶段地质勘察中常用的技术之一，因该技术具有较高的勘察便捷性、多源性和广域性等优点，已经成为先导地质勘探选线工作的关键数据来源。

1)遥感技术的选择。在利用遥感技术勘探未知地层时，应当结合盾构隧道工程前期选线的基本要求配置遥感数据的组合模式，结合施工阶段可将遥感数据勘探和初测两个方向，按照信息类型可将其分为宏观、中观和微观三大类。其中，宏观信息以航空遥感技术为主，运用陆地资源卫星的方式取得遥感数据；中观信息以小比例尺航片数据为主；微观信息以大比例尺航片数据为主。勘探阶段的遥感数据涵盖卫星遥感和小比例尺航片，其中卫星遥感主要负责对勘探地区地质背景与主干断裂问题进行分析，而小比例尺航片主要负责对主干断裂进行解译和分析隐伏的断裂关系。初测阶段的遥感数据组合为小比例尺航片与大比例尺航片，其中小比例尺航片主要负责对重点区域的调查，搭建航片的解译标志，通过对全区域细分的方式对钻进线路的地质条件进行评价，而大比例尺航片主要负责判定地质断裂范围及影响，以此为基础为后续工作提供帮助[2]。

2)遥感数据的处理。隧道掘进工程所涉及复杂地质所采集的数据具有多元化特性，为有效提高对勘探数据的解译效果，施工人员可运用多种方法对遥感数据进行处理，以期评价出最适盾构工程的掘进方案。实现上述分析的路径如下，首先需要对采集到参与融合所有的单波段图像数据进行一次降噪处理，最大限度优化图像的清晰度。其次，可运用主成分分析法的方式完成对图像色彩的融合，并实现对多个波段进行全图像的融合处理。此过程可以保障图像融合后光谱信息的存留，并增加图像的空间信息分辨率。最后可借助傅里叶公式对融合图像进行转换，然后赋予转换后图像空间域的彩色，以此方式增加目标域的地质构造和岩性特征。

2.2 地质雷达技术

借助地质雷达技术能够帮助勘探人员明确地下不可见部分的地质组成，该技术主要利用电磁特性，依靠由设备探针发生的高频电磁波照射到不同物质反射波的不同，分析出地下地层的结构。上述过程中如果勘探地质存在复杂结构，高频电磁波返回传播会展现出不同形态，由地面接收装置检测返回电磁波的不同介电常数，地面勘探人员通过设备接收反射波参数判断地下地层结构形态。在案例工程中，因钻探工作已知勘探地层存在较多卵石，因此在使用地质雷达技术进行进一步勘探时，可通过加装滤波器的方式对反射波进行滤波，通过此方式剔除影响分析判断的无用干扰信号，增加有效信号的特征显示和图像的分辨率。另外，应用该技术需要考虑在数据监测期间对各反射波数据进行解释与判断，最后借助反射波的正演结果与辅助勘探参数绘制雷达勘探的地质图像，以作为判断勘探区地质复杂情况的最终标准[3]。

3 复杂地层盾构隧道工程的砂卵石地层勘察技术

3.1 卵石层全粒径颗粒分析

通过对案例地区复杂地层的实际情况进行分析，探究所应用地质勘察技术的应用效果。通常情况下，盾构隧道掘进工程获取粗粒土卵石粒径的方式以筛分法为主，同时还可获得各粒组的含量，利用勘探技术得出数据计算地层的曲率系数和不均匀系数，进而辨识出复杂地层卵石粒径的大小与级配情况，可以借助该计算分析为该地层的土壤进行分类与定名，以期为盾构掘进设计提供参考。但需要注意筛分法在隧道、公路以及建筑等工程中只适应对粒径大小高于0.075 mm～60 mm的粗粒土，超出该径级的筛分可能出现较大的粒级差异，尤其在对以卵石为主的复杂地层进行筛分工作中，极易出现径粒超过200 mm的颗粒，这类岩质颗粒会对正常的地质勘探与土质分析造成影响。同时，因由筛分法得出的颗分成果属于具有代表性的试样统计结果，其筛分取样的数量、卵石差异均可作为评价地质勘探结果的指标[4]。因此，当借助遥感技术或地质雷达技术获得未知区域的大致情况后，例如案例工程以卵石为主的复杂地层，在施工之间借助钻探方法获取掘进区域的地质特征，通过勘察与分析可获取复杂地层的走势、范围以及岩石的坚硬程度，为盾构掘进速度、刀盘以及润滑等设计提供参数。

表1中数据为案例地区以卵石为主复杂地层区间融合地质勘探与钻孔取样的分析结果统计。因该地层卵石分析属于钻孔岩芯内的取样，受到地质钻探技术的影响，由该方法得出的卵石颗分结果不能作为反映复杂地层卵石粒径的绝大部分组成[5]。因此，结合地质勘探、钻孔取样和实验室分析得出案例地区复杂地层卵石的现场筛分结果，详细数据汇总于表2。由上述操作得出案例地区复杂地层存在粒径大于200 mm的漂石，因此在对盾构机的选型、设计等层面需要重点注意路线下所遇漂石的最大粒径、规格以及水平或垂直分布等因素。由此可反映出地质勘察工作对盾构隧道掘进工程的重要性，以及如何通过融合相应地质取样方法获取更加详细的地质信息。

表1 案例地区地质勘探与钻孔取样得出的卵石颗分结果

表2 融合实验室分析的现场颗分结果

结合表1，表2数据，在全面分析卵石地层钻孔取样与地质勘察明确的复杂地层范围后认为，这种以点代线钻探得出地质情况参数存在较高的局限性[6]。因此，为能够获取更加精准广泛的盾构隧道沿线复杂地层卵石情况，还需要借助遥感技术或地质雷达技术对复杂地层近地表段进行勘察。通过案例地区轨道交通施工日志与一些公开数据可知，盾构沿线的试验钻孔、基坑得到的A，B卵石地层存在漂石均以大于20 cm径粒为主，已探明最大的漂石粒径约55 cm，并且得出漂石A卵石地层中的含量(质量分数)只占5.7%～6%，而在B卵石地层中含量只占3.8%～4%左右，具有较高的随机分布性，实地钻孔并与地质勘探数据存在明显契合，但局部钻孔采集数据与全范围地质勘探得出数据大致相同。

3.2 卵石颗粒饱和单轴抗压强度

由上述可知地质勘察技术能够为精细化钻探取样工作提供参考，并帮助施工分析沿线复杂地层的区域性卵石组成。基于此对案例中地质勘察与盾构设备间的关系进行分析，以判断进行地质勘察是否可以提高盾构效率，提高盾构质量。

由我国其他盾构工程现状可知，以卵石为主的复杂地层盾构施工会对刀具产生较高的磨损和刀片脱落，是阻碍盾构施工效率的主要问题。为提高盾构机掘进能力需要保障刀片具有较高的剪切能力，受设备设计影响当盾构机刀片出现过量磨损或脱落问题时，只能够通过更换刀片的方式给予解决，在案例工程中此方法会极大增加施工成本，并提高盾构施工的安全风险[7]。因此，借助科学适合的地质勘探技术，可实现对复杂地层组成成分和分布进行明确，进而提前定制具有特殊能力的刀片与刀盘加固设计。

以案例地区实地勘察室内试验结果得知，其复杂地层卵石的组成成分以灰岩、砾岩、石英岩、花岗岩和砂岩为主，详细卵石颗粒的应力抗性数据如表3所示。

表3 案例某区间段卵石颗粒的岩性构成与应力抗性

由表3中数据能够得出，处于干燥地区即地质勘探未探出地下水存在区域的卵石单轴抗压强度在57 MPa～162 MPa之间，其饱和状态下的单轴抗压强度在40 MPa～131 MPa之间。由此可看出，两种地层环境下的卵石岩性存在一定差异，通过地质勘探可明确不同卵石依存环境的范围与分布，可帮助盾构工程设计各阶段的刀盘使用设计。

3.3 卵石颗粒石英含量

借助地质勘探与实验室分析得出，案例工程下卵石复杂地层存在卵石颗粒的矿物成分涵盖斜长石与石英。其中沿线卵石的石英含量(质量分数)均在51%～97.6%之间浮动，而沿线卵石的斜长石含量(质量分数)均在2%～26%之间浮动。介于卵石颗粒的石英含量检测数据与上述分析得出，当明确复杂地层组成成分和卵石坚硬程度之后，应当在选择合适的盾构刀盘与刀片的基础上注意不同规格型号刀具间的配置设计，避免刀盘旋转过快导致刀片崩坏现象发生，同时还要避免刀盘旋转过慢影响盾构施工效率。因此，应当结合地质勘探数据与实验室分析数据对盾构刀具尺寸与配置选择进行设计，以期搭配出最佳的刀具组合比与旋转参数。此外，借助地质勘探技术还可为盾构刀盘提供更加科学的开口尺寸与开口率设计，方便掘进之前使用各种辅助措施提高盾构刀盘的抗磨耗能力，例如当遇到案例工程的复杂地质结构时，便可通过改良碴土、加注泡沫剂和泥浆等方式，降低盾构前方地层的结构强度并增加刀盘润滑能力。

4 结语

本文通过借助兰州某盾构工程对遥感技术和地质雷达技术的勘察应用进行探究，分析勘察技术在以卵石为主复杂地层中的勘探应用效果。由实际工程钻探数据和实验室分析数据可知，遥感技术与地质雷达技术具有较高的地质勘探能力，能够与其他钻探技术、岩性分析共同丰富未知地层的详细参数，为盾构设备刀盘、刀片、钻进速率和辅助润滑等工作提供参考。由此可知，地质勘探技术具有一定的科学性与实用性，可为盾构隧道掘进工程提供准确的地质参数，协助设计人员进行盾构掘进方案。