盾构法施工隧道岩土工程勘察要点简述

盾构法是一种新型机械化开挖隧道的方法，与传统的工法相比，盾构法是一种地质适应能力很差的工法，其施工工艺的重点在于使机械与岩土能够很好地相互作用，即盾构机要做到“吃得下、排的出和稳得住”。因此，盾构机的选型设计和施工参数设定必须与地质条件相适应。这就给岩土工程勘察提出了较高的要求，岩土工程勘察不仅要针对盾构机选型、设计、盾构机掘进参数设定的专门要求，查明相关工程地质条件，还要对盾构法相关的岩土工程问题进行专门研究，并提出应对措施和建议。

1．工程场地条件调查要点

主要查明地上地下建构筑物，重点关注地下管线、人防工程，特别是线路隧道范围内可能出现的锚索、废弃的基础桩等障碍物，这些将严重影响隧道轴线和盾构始发、接收井位置的选择，对盾构法施工也会带来麻烦，要尽量避开。

对于地面上的建筑物，包括地表水体、街道和既有轨道线路（含铁路），要做详细的调查，并进行环境风险评估。这样施工单位能做好相应的施工组织。并为合理正确地选择盾构掘进参数提供依据。

2．岩土类型勘察要点

准确查明土层性质不仅决定了盾构机选型的和设计，还对对地铁工程选择合适的施工参数尤为重要。由于盾构隧道穿越的范围较大，要查明岩土的分布特征，尤其要认真分析岩土的成因，根据岩土的成因分析盾构施工过程中可能遇到的岩土工程问题。

2.1 粘性土地层

对于盾构法而言，粘性土是比较理想的岩土层，但是在勘察时需要注意以下几种粘性土：粘粒含量高的高塑性的粘性土地层，这种地层容易导致刀盘结泥饼；高灵敏度的软土，土层易扰动，上覆地层变形较大，如果超挖还会导致地面塌方。强度很低的软土，盾构机姿态不好控制，盾构机蛇形行走。

另外，需要特别指出的是，粘土地层要注意其是否含有膨胀性矿物。如果土层具有膨胀性，在盾构机开挖的过程中，地层遇水膨胀，易导致刀盘或盾体被卡住的问题。在南宁和合肥地铁建设勘察时就发现了膨胀性岩土。

2.2 砾砂类地层

这类地层的特点是细颗粒含量低，硬矿物含量高，渗透系数较大，自稳定性差。理论上应选用泥水平衡式盾构机掘进，但限于场地条件和考虑施工成本，一般选用土压平衡式盾构机掘进，重点是在施工过程中做好渣土改良和同步注浆，防止喷涌、刀盘刀具快速磨损以及地层失稳等的问题出现。

因此，对于这类地层勘察，要查明砾砂地层的密实程度，确定相关力学参数；加强颗粒分析试验，确定常见硬矿物如石英、长石和角闪石的含量；分析各粒组含量，为渣土改良方案提供依据；结合地下水条件，认真做好疑似地层的砂土液化可能性判别工作，确定可能引起涌水、涌砂和隧道渗漏的敏感地层区划。

2.3 砂卵石类地层

这类地层的特点是几乎没有细颗粒，硬矿物含量高，渗透系数大，自稳定性差。大多选用泥水平衡式盾构机掘进，但出于对场地条件和施工成本的考虑，也有选用土压平衡式盾构机掘进，重点是做好盾构机刀盘的结构设计、刀具选型布置、渣土改良装置设计以及排渣系统的设计，施工过程中做好渣土改良和同步注浆，防止刀盘和螺旋输送机卡死、刀盘刀具快速磨损以及地层失稳的问题出现。

这类地层的勘察重点在于查明卵石、漂石的粒径分布以及胶结情况，一般用钻探的手段比较难查清尺寸较大的漂石，应该结合区域地质条件，岩土的成因以及已有地质资料进行分析判断。粒径尺寸直接影响盾构机刀盘的开口率，排渣系统的尺寸。砂卵石地层的粒径分布和赋水情况也是泥浆浓度选择（泥水平衡盾构机）和渣土改良剂掺入比设定（土压平衡盾构机）的重要依据。

2.4复合地层

复合地层是针对盾构法而提出的一个概念，它是一种在三维方向上，围岩主要由岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差较大的几种地层的组合。复合地层盾构法施工面临的最大问题是“上软下硬”带来的一系列问题：盾构机姿态难控制、易喷涌、刀具快速磨损（滚刀偏磨）和地面变形大甚至塌陷。

因此，对于此类地层首先要查明以下几种界面和层面：（1）上软下硬的硬地层层面，不同程度的岩石风化界面；（2）砂土地层和风化岩层界面；（3）软土层和风化岩层界面。

对于岩石地层，要查明岩石的类型、风化程度、硬矿物含量、完整性系数和岩体质量，这些地质特征直接影响盾构机设计和施工参数的设定。

2.5 不良地质条件勘察

对于盾构法而言，不良的地质条件主要有：膨胀性岩土、土洞、岩溶、断层破碎带、孤石、球状风化体和有害气体。这些不良地质条件容易导致严重的工程地质问题，甚至造成重大事故，要通过专项勘察查明，并分析其对盾构法施工可能造成的影响。

3．水文地质条件勘察要点

地下水位和地下水类型影响盾构机密封系统的设计，特别是盾尾密封刷的设计，施工过程中密封油脂的压力设定、注浆压力的设定、土仓内压力设定、渣土改良剂浓度和掺入比的选择也与地下水位有直接的关系。因此，勘察时必须查明地下水类型、水质、埋藏条件、相关土层的渗透性和承压水头等地下含水层的分布、边界条件、补给条件及地下水的活动特征。并分析饱和砂土地层中可能导致砂土液化、涌水涌沙和地面塌陷等工程地质问题。

盾构穿越地表水体时，应调查地表水与地表水之间的水力联系，分析地表水体对盾构法施工可能造成的危害。

4．岩土试验要点

与其它工法相比，盾构法施工隧道岩土试验成果有着更为广泛的用途，盾构设备选型、设计、施工和岩土工程问题分析都需要相关的岩土参数。

盾构设备选型设计所需的岩土试验成果有：地下水位、孔隙水压力、渗透系数、土的粘聚力、内摩擦角、标贯击数、颗粒分布曲线、岩石风化程度、岩石单轴抗压强度、岩石抗拉强度、岩石RQD、完整性系数、岩石结构构造和矿物成分。

盾构设备施工参数设定所需的岩土试验成果有：地下水位、孔隙水压力、渗透系数、土的粘聚力、内摩擦角、土的重度、孔隙比、含水量、颗粒分布曲线、。

岩土工程问题分析所需的试验成果有：地下水位、孔隙水压力、渗透系数、标贯击数、颗粒分布曲线、液限、塑限、土的粘聚力、内摩擦角、土的无侧限抗压强度、变形系数、泊松比和基床系数。

5．工程地质条件分析和评价及建议

《城市轨道交通岩土工程勘察规范》明确提出，盾构法施工隧道勘察报告中应包含地质条件分析和评价，预测可能发生的岩土工程问题，并提出相应的建议。如：

（1）对盾构始发（接收）井及联络通道加固范围和方法的建议；

（2）对设备选型及刀盘刀具的选择以及辅助工法的确定提出建议；

（3）对不良地质体处理和环境保护提出建议；

（4）对隧道下伏的淤泥层及易发生液化的饱和粉土层、砂层提出处理措施的建议；

（5）对不良地质作用及特殊性岩土可能引起的盾构法施工风险提出控制措施的建议。

以上工作对岩土工程勘察工作者带来了一定的难度，但这项工作必须由岩土勘察单位做好，因为盾构机选型设计和施工人员，特别是盾构机设计人员对工程地质条件的理解十分有限，很难进行相关的岩土工程问题分析和评价。因此，岩土工程勘察工作者应该加强对盾构法施工这一新工法的学习和理解，结合工程地质条件，应用工程地质类比法和岩土力学分析法做好这项工作，为盾构法施工隧道的建设提供资料完整、数据可靠、评价正确、建议合理的勘察报告。