地质工程是超大直径盾构施工安全的基础

周嵩 刁志刚

近15 年超大直径盾构高速发展，从穿江越海的水下走到高楼林立的城区，从较单一的软弱地层进入到全断面岩层，埋深及独头掘进长度也逐步加大。随着盾构隧道向大直径、大埋深、长距离方向发展，绝大部分要遇到复合地层。地质是盾构施工的基础，地质工程的创新对超大直径盾构施工的影响更加直接和重大。在普遍关注盾构机自身技术进步的同时多关注地质工程同样是必需且有意义的。结合近年在超大直径盾构在繁华城区、洞身全断面岩层但上覆盖不良地层、滨海水域高度差异化地层掘进中出现的新问题，有必要回归地质工程的本身，从地质区域构造和岩土矿物组成两方面最原始的层面探寻影响超大盾构施工的创新方向和做法。本文结合普通地质学基础知识从更加基础的知识领域探求影响超大盾构施工安全的因素及提升施工功效的技术和方法。

截至2021 年初国内在建和已建的14 米直径以上的超大盾构隧道有35 座。每一座都有成功的经验，但过程中也是困难重重，有的也付出巨大代价。改造自然总是一个逐步探索的过程，从基础工作做起，从源头上辨识风险才是科学的、有效的。地质是盾构施工的基础，地质工程的创新对超大直径盾构施工的影响更加直接和重大。在普遍关注盾构机自身技术进步的同时多关注地质工程是同样有意义和必需的。竺维彬在复合地层盾构工程的技术创新与进展中提出地质是基础。地质学是科学，科学与工程与技术三者之间是互联互通的且互为首尾，互相影响的。其中的普通地质学是基础中的基础，原始性创新的起点和支点，是温故知新和守正创新的关键。王思敬提出地质工程创新的概念，他指出过去的工程建设要讲科学，现在的工程建设则追求智能化、精准化，既要保证安全、质量，又要高效、经济和环境友好；科学研究允许失败，但工程建设只能成功，因此做工程比进行科学研究更难。伍法权在第10 届全国工程地质大会学术总结中再次强调了原始性创新方向。李慕涵在沿海地区高度差异化地层中超大直径盾构施工技术探索中分析了超大直径盾构面临的现实地质差异化大的问题。杨志勇 等早在2012 年北京地铁盾构隧道安全风险组段划分方法研究中就提出了依据不同地层和环境特点进行组段划分，这对2020年轨道交通地质风险控制技术指南的推出有奠基作用。与此同时，尚彦军、李晓昭等对岩石工程中工程地质岩组与岩体质量进行了分级并对比研究、土体工程地质层组进行了划分，随着多项超级工程的建设，多项基础性的研究也再向前推进。吴福宝云母石英片岩片理面力学特征试验研究、解亚东隧道穿越绿泥石片岩地段施工方案优化比选，王全亮某石英云母片岩的矿物学特征及综合利用分析中已经开始对岩石中的矿物进行分析。李有兵大直径泥水平衡盾构穿越上软下硬地层的施工技术研究，邓金塘盾构隧道下穿海底黏土地层快速施工技术中的黏土就是对盾构影响很大的一种矿物。除了矿物影响盾构施工的就是区域地质构造。吕赟珊在构造地质与工程地质的基本关系中分析的较为全面，今后保证工程安全的重要研究方向也是地质构造。盾构隧道的控沉技术需要从地质科学中去寻找，按隧道上覆土厚度与隧道开挖直径的相互比例关系，浅层隧道基本在第四纪地层中，对地表的影响直接而快速，但随着隧道覆盖层的增厚，深层隧道进入了第四纪以前更早期形成的岩层，城区常常是岩层在下其上是覆盖的第四纪土层，这时深层隧道与地质关联变的更加复杂，因为地表的沉降反应不再那么直接和快速，沉降的范围和大小也变得更为复杂；另外对于超大直径且盾体无铰接设计的盾构机而言，刀盘开挖直径较盾尾外径大约250～300mm，若遇软硬不均层等无法快速掘进的地层时，单环掘进时间可达8～12h，15m左右长度盾体外部建筑空隙虽填充有与泥水仓同等压力大小的泥浆，也无法完全平衡上部土体垂直压力，盾体上部的土体沉降不易控制；同时，同步注浆、二次注浆实施的及时性与浆液固结效果也直接影响着盾尾沉降及工后沉降。谢彬在超大直径泥水盾构同步注浆浆液研究与应用，吴晓东、王华强 等对地质与隧道及其竖井施工技术的关系均进行了总结和分析。同步注浆材料的就地取材与渣土利用是新兴的课题，从目前取得的进展分析，快速推进仍需要回归原始基础知识，从岩土的矿物组成，三大岩形成过程中找创新出路。

一、普通地质学及成岩矿物

普通地质学是地质学、地球化学、地球物理学、水文学、地质工程学、地理学等学科的专业基础。工程地质学把地质学的理论、方法应用于工程实际，通过工程地质调查、勘察和研究建筑场地的地形地貌、地层岩性及其工程地质性质、地质构造、水文地质和物理地质作用等工程地质条件，预测和论证有关工程地质问题发生的可能性，并采取必要防治措施加以防治。固体地球的最外圈是地壳，它是地质学最直接的研究对象。地壳由岩石组成，岩石由矿物组成，矿物由元素组成。矿物是组成地壳的基本物质单元，用机械方法无法再划分；元素是构成矿物的基本物质单元，用通常的化学方法不能再分解。到2007 年为止，总共有118 种元素被发现，其中94 种存在于地球上，但最常见的仅十余种。黏土矿物（蒙脱石、高岭石）、变质矿物（绿泥石、滑石）、化合物矿物（正长石、云母、斜长石、角闪石、辉石）、自然元素矿物（石英、方解石、白云石、石膏、赤铁矿）均对刀具、地层稳定等均有影响。岩石风化后形成土。如石灰岩是由方解石组成的集合体；花岗岩是由石英、长石、云母等多种矿物组成的集合体；砾岩是由岩石碎屑所组成的集合体。按成因分为三类：沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，由母岩风化剥蚀的沉积物等经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。沉积岩约占地球表面岩石的75%左右，这些岩石大多是由海洋沉积物经过成岩作用形成的。沉积岩的构造：沉积岩组成物质的空间分布和排列方式。层理、层面、化石是沉积岩特有的构造特征。页岩、泥岩：强度低、软弱层、是水下的隔水层。岩浆岩（火成岩）：岩浆冷凝固结而形成的岩石。第三类是变质作用（引起岩石产生结构、构造和矿物成分改变的地质作用（高温、高压）），片状、千枚状、板状构造的岩石，力学强度低，易风化，沿片理面滑动。图1 地壳中的矿物含量，图2三大类岩石的转化。抗压强度是岩石力学性质中的一个重要指标。岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱的岩石差别较小。岩石的抗剪强度和抗压强度，是评价岩石（岩体）稳定性的指标，是对岩石（岩体）的稳定性进行定量分析的依据。如果从与盾构施工方面分析，密切相关的还有矿物硬度和解理及相对密度。

图1 地壳中的矿物含量

图2 三大类岩石的转化

泥水仓防止糊刀盘、刀具的异常磨损、渣土的利用、掌子面的稳定等这些都与矿物密切相关。仅仅从工程地质的层面分析和寻求解决方面仍是不够深入的。除粘剂、渗透剂、活性剂、分散剂、速凝剂、缓凝剂、减水剂、聚合物等是更深一层对地质的认识和解决方案，深入到化学分子结构的深度辩证施策。同步注浆是先渗透再填充还是先填充再渗透或是二者同步进行，这些都需要地质的基础知识。其中用采矿的思路和技术方法来分析矿物对盾构施工的影响也是可行的，如石英云母片岩主要由51.2%的石英、16.1%的黑云母、15.4%的白云母及6.3%的长石组成。云母矿物共生关系较为简单，云母嵌布粒度长轴方向0.1～20mm，短轴方向0.01～0.2mm；石英的嵌布粒度一般为0.05～12mm。

二、地质年代及构造

岩石的描述包括地质年代、名称、风化程度、颜色、主要矿物、结构、构造和岩石质量指标(RQD),对沉积岩应着重描述沉积物的颗粒大小、形状、胶结物成分和胶结程度;对岩浆岩和变质岩应着重描述矿物结晶大小和结晶程度。

岩体的描述包括结构面、结构体、岩层厚度和结构类型并应符合下列规定，结构面的描述包括类型、性质、产状、组合形式、发育程度、延展情况、闭合程度、粗糙程度、充填情况和充填物性质以及充水性质等。结构体的描述包括类型、形状、大小和结构体在围岩中的受力情况等。

地质年代是地球（壳）形成、发展、变化的历史年代。常用地层的形成时代或年代来表示。按年代先后把地质历史进行系统性编年列表，称为地质年代表，反映了地壳中无机界（矿物、岩石）与有机界（动、植物）演化的顺序、过程和阶段。图3（见上页）国际地质年代图。

图3 国际地质年代图

构造作用主要表现为地壳或岩石圈的机械运动。通常构造作用速度缓慢，不易被人直接察觉；有时却极为快速而激烈，如引起地震的构造作用，它是引起各种规模和类型的地质构造与沉积作用发生，导致岩浆活动与变质作用的基本因素。按其运动方向主要分为水平运动和垂直运动。

风化作用是地表或接近地表的矿物和岩石，通过与大气、水以及生物的接触，发生物理或化学的变化，转变成松散的碎屑物甚至土壤的过程。风化产物很松散，易被流水、冰川、风以及重力等因素的作用而搬运走（剥蚀）。因此，风化作用往往是各种外力地质作用的先导，在外力地质作用中占有特殊的地位。风化作用按其作用的性质和方式，分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。见图4 风化壳垂直剖面。城市95%在土体上，做好第四纪地质基础工作，回归地质本源对超大直径施工同样意义重大。第四纪地层分为陆相沉积和海相沉积。

图4 风化壳垂直剖面

岩体结构控制论观点指导下的工程地质岩组划分和工程地质分区是大尺度范围上工程地质条件分析评价的重要内容和表现形式。岩体质量分级综合考虑了岩体本身结构和强度特征及环境条件，是设计和施工的重要依据。在复杂地质条件下对岩体结构的尺度分辨率不确定性和因素权重的均等性处理，使岩体分类应用要结合工程地质岩组，以便更好地区分不同地质要素对岩体稳定性的不同影响，认清变形破坏模式，便于工程类比设计和超前地质预报工作的开展。根据地质的构造特性在隧道里程方向上进行组段划分以便更有针对性的认识地质、预判风险，备足充分的措施，确保安全。

三、超大直径盾构技术难点

隧道地质情况隐蔽复杂，盾构施工出现隧道坍塌、地面塌陷、突水突泥等甚至人员伤亡事故并不少见，隧道衬砌管片错台甚至开裂、渗漏水等质量问题亦常见，施工过程风险防控仍十分重要。而海底隧道与陆地隧道相比有如下特点，通过深水进行海底地质勘测比在地面的地质勘测更困难、造价更高，而且准确性相对较低，所以遇到未预测到的不良地质情况风险更大，因此，在隧道施工时必须进行超前地质预报。海底隧道施工的主要困难是突然涌水，特别是断层破碎带的涌水.因此必须加强施工期间对不良地质段和涌水点的预测和预报，海底隧道不能自然排水，堵水技术是关键技术，先注浆加固围岩，堵住出水点，然后再开挖.在堵水的同时加强机械排水，以堵为主，堵抽结合。目前修建海底隧道的基本方法有:钻爆法、沉管法、盾构法和掘进机法，或这几种方法的组合。

盾构法一般限制在港湾下的浅水区和沿海地带，在深堆积层等软弱的不透水黏土中最为适用。该法对地面（或海底面）的影响很小。由于盾构掘进机的突出特点,所以在特长的海湾、海峡隧道建设中,有着其他施工手段往往不能代替的优势。盾构掘进机技术发展余地很大,设备性能日益完善,适用范围越来越广。从近年35 个在建和已建的14m 直径以上的超大盾构隧道分析，穿江越海的主要风险在地下水，而穿越城区的主要风险在地面沉降控制。盾构施工的风险，总是利用或寻找“地质环境条件的复杂性与不准确性”作为突破口，引发工程事故。为了有效防控地质及环境风险，必须详细掌握工程地质、水文地质及施工环境条件。主要技术要点是通过详勘和补勘，准确掌握地质情况；深化对地质条件、主要地质特点的认识；掌握地质对盾构设备的要求及盾构对该地质的适应性；了解主要地质与环境风险，做好不良地质的处理，并制定针对性的专项施工方案；针对性进行渣土改良；施工中注意地质的变化，及时采取专项技术措施；了解施工中地质变化对盾构的影响。超大直径盾构的技术难点几乎全部与地质有关。必须特别注意以下这些集中典型的地质：上软下硬复合地层；地层分界断面；特别坚硬地层；砂卵石地层；有大漂石的地层；全断面砂层；含有溶洞、瓦斯地层；含水量高、承载力低、可压缩性大的淤泥质地层。

四、案例与针对性措施

把科学严谨化，让科技为国家的建设为经济发展服务，因此要鼓励原始性创新。原始性创新不只是少量数学家、物理学家、科学家的事情。实际上，各个层次，各个方面都有它的原始性创新的问题，都有一个源头的问题，探索的问题。不仅在理论上、科学上是这样，技术上也是这样。技术上的属于技术创新，学术上则是智识创新,建设上有工程创新。

认识地质的特性，从基础做起，开展原始性创新。例如某工程盾构段从万顷沙始发，始发段约300m 位于陆地外，其余全部位于珠江水域，盾构下穿太平水道，川鼻水道及龙穴南水道，海底高程-23.5～-0.5m，地形起伏较大。隧道洞身主要从全强风化基岩中穿过。基岩为震旦系片岩，受断裂影响，风化层总体较厚，最厚处达百米以上。局部有基岩凸起现象，弱风化岩面埋深约48m,高程约－51.3m。见图5(a)(b)地质剖面图。全风化片岩岩土施工工程分级为皿级，强风化片岩岩土施工工程分级为V 级，弱风化片岩岩土施工工程分级为V 级，微风化片岩岩土施工工程分级为I 级。围岩综合分级为V～Ⅵ级。地下水为主要为弱～微风化片岩中的基岩裂隙水，以及全强风化片岩中的孔隙裂隙水，除强风化片岩水量较丰富外，其余地段水量小。围岩综合分级为Ⅲ～Ⅳ级。

图5 (a)区域地质剖面图

片岩是具有典型的片状构造的变质岩的一种，是区域变质的产物。变质岩系是在一定大地构造环境下形成不同成因类型的原岩建造，在地壳演化过程中经受多期构造变形、变质作用改造的产物。其特征是片理构造，由片状，板状，纤维状矿物相互平行排列，粒度较粗，肉眼可辨别。主要矿物为云母，石英，角闪石，绿泥石等。强度较低，极易风化，抗冻性差。通过宏观和微观的地质分析，从盾构机选型阶段即进行针对性设计。

另一隧道穿越地层自西向东依次为花岗岩、凝灰质砂岩、碎裂岩、片岩和变质砂岩，主要为上软下硬及硬岩地层，单轴抗压强度值最大为173.7MPa。全线共分布有9 条断层破碎带和2 条次生断裂带，断裂带主要为扭挤成因，表现为黏性颗粒含量高达67.5%的糜棱岩和构造角砾岩。软硬不均、糜棱岩等特殊地层对盾构掘进参数、效率的影响极其显著，易出现刀具异常磨损、刀盘刀具结泥、掘进参数急剧恶化、超挖等问题，稍有不慎易出现地表沉降过大甚至坍塌的风险。盾构段沿线影响范围内桥梁共9 座，河流2 条，建筑物106栋，修建于20 世纪八九十年代的占比达95%。桥梁桩基距离隧道水平距离最近为1.3m，垂直方向已进入隧道开挖断面投影内；地表建筑物多为1～7 层低矮砌体、砖混框架结构，地基多为条形基础、预应力管桩、锤击沉管灌注桩或人工挖孔桩，桩端持力层多为黏土、卵石或中风化岩层。盾构隧道正穿或侧穿，泥水压力不足引起的超挖或失水会导致地层拱落沉降或固结沉降，对以摩擦桩为主要基础形式的建（构）筑物安全影响较大。超大直径盾构壳体与开挖轮廓间存在建筑间隙，为地表沉降提供了必要条件。地质纵断面见图6(a)、(b)。

图6 （a）地质剖面图

穿越地层有细砂、砾砂、卵石、砂质黏性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、强风化碎裂岩、中风化碎裂岩、微风化碎裂岩、强风化凝灰质砂岩、中风化凝灰质砂岩、微风化凝灰质砂岩，先后穿越8 条糜棱岩、构造角砾岩断层破碎带，地层破碎、软硬不均、风化岩层黏性矿物平均含量67.5%，刀盘刀具结泥饼、刀盘开口堵塞概率极高。

板岩是具有板状构造，基本没有重结晶的变质岩。原岩为泥质、粉质或中性凝灰岩，沿板理方向可以剥成薄片。断层是指岩石在构造应力作用下发生断裂，沿着断裂面两侧的岩块发生明显相对位移的构造现象。断层岩石破碎若重新胶结，能形成一种特殊的角砾状岩石，叫作断层角砾岩；那些很细的则称为糜棱岩，其未胶结者称为断层泥。糜棱岩在形成过程中很重要的一点就是伴有重结晶的发生。

措施一，用压缩空气置换泥浆后，使冲刷管路可以直接对刀盘背部进行冲洗，有助于延缓泥饼的胶结；但由于刀盘转动时可能直接冲刷到掌子面，影响泥膜的形成，在地层变换时及时改变掘进模式及管路切换，防止出现掌子面坍塌。泥水盾构采用辅助气压掘进是将压缩空气填充前仓上半部与下半部的泥浆以平衡掌子面、盾构三大密封系统的油脂。压缩空气除了与泥浆能共同维持掌子面稳定外，压缩空气进入盾体与开挖轮廓间隙，平衡盾体与地下水，同时也平衡盾构机密封系统。

措施二，分散剂：在接泥浆管时停机的大约1 小时时间内，向前仓注入1 方分散剂，10min 转动一次刀盘。在设备检修或倒班或其他原因长时间停机时，向前仓注入1 方分散剂，气垫仓注入0.5 方分散剂。根据泥水盾构必须有2 小时的停止循环接管时间，针对本工程地质情况调制原液配比，最终调制好的分散剂2小时可达80%的效果。

措施三，以“微超压”掘进模式，实现刀盘上浮及前方地层的“微隆起”。根据地质、水文、埋深及地表建（构）筑物情况计算获取掘进泥水压力的理论值，并适当调高0.1～0.3bar，配合较高性能指标的循环泥浆，避免掌子面土体超挖，使刀盘上方与前方地表呈现1～3mm 的隆起，控制地表沉降5 阶段之先行沉降、掌子面前方沉降。

措施四，盾壳外注泥，填充建筑空隙。可根据同步注浆压力、管片开孔检查效果，通过盾尾径向注浆孔或超前注浆孔对开挖轮廓上半部按一环一注或多环一注，注泥压力应高于泥水仓压力3bar，抵抗上部土体和地下水压力，控制地表沉降5 阶段之盾体上方沉降。

措施五，刀具管理，盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中。切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般情况下，β（前角）与α（后角）值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20 度之间，黏土地层稍大，砂卵石地层稍小。

措施六，同步注浆，水灰比和粉灰比对浆液凝结时间影响最大。通过对影响因子进行了多元二次多项式的分线性回归分析，得到了浆液配比与浆液各个工程性质之间的关系函数，从而可以根据设定的浆液工程性质通过以上关系函数很快得到浆液配比，减少了工程上浆液配比随意性、大大减少浆液优化调配的时间。如某隧道穿越的地层80%均为粉细砂地层，这种砂具有质地均匀、工程性能优良等特点。对废弃的粉细砂通过过筛除去大于2mm 粒径砾石后，用于浆液的配比试验，得到了新的浆液配方，能够达到盾构壁后的浆液工程性质，但却省下了粉细砂的购买和运输、以及膨润土的用量也可以大大减少（废弃的粉细砂中含有一定量黏性颗粒，起到了膨润土的润滑作用）。经过计算分析，如采用现有的浆液配方，一方浆液的材料价格为48.2 元，而原配方的浆液一方价格高达111.7 元，采用废弃砂再利用后的配方成本可以节约原来的56%。经过以上分析表明：地层中的废弃砂能够适用于盾构壁后注浆浆液，能够大大节约成本。在硬岩组段，同步注浆与管片上浮关系密切，优化配比是非常重要的。

五、结语

从矿物到岩石，从区域到组段，从形成到风化,从微观到宏观，从地质形成、风化程度、区域构造、岩土矿物组成这些最原始的层面探寻影响超大盾构施工的创新方向和做法是基础中的基础。也是解决近年超大直径盾构在繁华城区、洞身全断面岩层但上覆盖不良地层、滨海水域高度差异化地层掘进中出现的新问题的必经之路，提前对地质区段进行组段划分，保护刀具和控制上浮，围绕掌子面等多个部位的动态平衡，适时切换模式和调整配置。在预控基础上加强过程分析与管理。现在有必要回归地质工程的本身，夯实基础，守正创新。