基于盾构工程特征的砂卵石地层分类方法

张晋勋，李 博,2，江玉生，周刘刚，江 华，殷明伦，孙正阳

（1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088；2.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083）

在城市地铁隧道建设中，盾构因其掘进速度快、安全性高、环境影响小等优势得到普遍应用。砂卵石地层在我国北京、沈阳、兰州、成都等地区广泛分布，其地质情况相当复杂，针对该地质特征制定合理的盾构方案非常困难，无法将工程特性与对应的盾构掘进方法相匹配。

目前有关地层划分的技术中，大多通过野外钻孔试验和原位测试等地质勘查方法进行划分[1]，这些方法只能粗略掌握盾构区间的地质岩性，且只能进行定性的地理划分，对砂卵石地层盾构方案的选择没有太多指导意义。另外，还可以根据相关规范进行地层划分，如在《铁路隧道设计规范》[2]中，只将砂卵石统一划分为土体，此种方法无法指导具体的工程施工。还有很多设计者根据工程经验划分盾构区间类型，但该手段受环境因素、人为因素影响，不具有普遍适用性[3-5]。综上，目前尚无一种有效的技术手段将砂卵石地层工程特征与盾构施工需求相联系。鉴于此，本文提出影响盾构高效掘进的砂卵石地层特征因素，并给出各因素特征指标，进而根据特征指标匹配合理的盾构施工方案，最终形成适用于盾构工程的砂卵石地层分类方法。

1 砂卵石地层工程特征影响因素

盾构施工作业受到多种安全因素的影响，工程事故时有发生。吕建乐等[6]和陈辉华等[7]通过相关文献资料，统计了2007—2022 年的55 个盾构法施工事故案例，得到图1 所示的盾构施工事故类型。

由图1 可知，在55 个案例中，有26 例出现地面塌陷事故，25 例出现涌水涌砂事故，10 例出现盾构停机事故，9 例出现掘进困难事故，这几类事故最为多发。其中，盾构停机事故主要包括盾构故障以及大颗粒卵漂石致使盾构卡死等问题。掘进困难包括因刀盘刀具磨损造成的切削效率降低，或是因“结泥饼”造成的进土不畅问题。其中部分事故可能在同一个案例中发生，如螺旋输送机喷涌事故同时伴随涌水涌砂事故，涌水涌砂事故绝大多数都伴随着地面塌陷，超过半数的管片事故(管片错台、管片上浮及管片破裂)均伴随地面塌陷，盾构停机事故及掘进困难事故中也有部分伴随地面塌陷。

在上述盾构事故中，包括一些设计因素以及偶然因素，除此之外，大多是由于砂卵石地层自身特征带来的盾构工程问题，主要包括：

1) 盾构开挖过程中，大颗粒卵漂石造成的盾构停机、掘进困难问题，例如刀具的冲击损伤、基座变形、螺旋输送机卡死等刀具破坏和刀盘故障问题，如图2(a)所示。

图2 砂卵石地层盾构常见问题Figure 2 Common problems of shield tunnelling in sandy pebble stratum

2) 当砂卵石土中含有大量粉粒、黏粒时，渣土流动性、和易性较差，容易形成“结泥饼”现象，如图2(b)所示，造成掘进阻力过大、刀盘磨损严重等问题，进而引发盾构停机、掘进困难等风险。

3) 在高水压、高渗透性砂卵石地层中，容易引发喷涌、管片上浮、涌水涌砂、地面坍塌问题，如图2(c)所示。

4) 砂卵石地层中广泛赋存石英、长石等磨蚀性较强的硬质矿物颗粒，掘进过程中会对刀盘刀具带来较大磨耗，如图2(d)所示，损耗一定程度后就会造成地面塌陷、盾构停机、掘进困难等问题。

根据上述施工风险确定的砂卵石地层影响因素包括颗粒粒径、细粒含量、地下水以及磨蚀性矿物。其中，颗粒粒径影响盾构机选型、刀盘开口率、破岩方式等；细粒含量及地下水压影响掘进方式、渣土改良措施；地层磨蚀性影响盾构刀盘结构选型以及刀具的配置模式。

2 各因素特征指标及指标测定方法

针对上述4 种影响盾构掘进的地层特征影响因素，提出对应的特征指标及测定方法，进而对盾构区间的砂卵石地层进行分类。

2.1 砂卵石地层粒径大小

砂卵石土级配较差，颗粒粒径大小不一。区别于传统土力学中的土颗粒粒径划分标准，砂卵石地层盾构粒径大小划分的特征指标包括颗粒最大粒径dmax、螺旋输送机最大输排能力dp。开挖地层中的dmax根据实际地勘报告获得，dp可通过图3 确定。图中，D为螺旋机输送内径。

图3 螺旋输送机输排能力Figure 3 Through capacity of screw conveyor

从图3 的螺旋输送机输排能力可以看出，带式螺旋机相对轴式螺旋机有更好的输排能力，通常情况下，2 种螺旋输送机的输排能力dp的计算式分别为[8]：

式中，d1p、dp2分别为轴式和带式螺旋机的输排能力，mm。表1 给出了不同尺寸螺旋输送机的最大输排能力dp[9]。

表1 螺旋输送机最大输排能力dpTable 1 Maximum conveying and discharging capacity of screw conveyor mm

根据颗粒最大粒径dmax与输送机最大输排能力dp之间的相互关系，即可将砂卵石地层分为不可输排砂卵石地层和可输排砂卵石地层2 类，如表2 所示。

表2 粒径大小分类标准Table 2 Classification standard of particle sizes

对于不可输排砂卵石地层，其基本原则是将地层中的大颗粒卵漂石破碎为小于螺旋机最大输排能力的中小颗粒卵砾石，应采用“楔击-破碎-输排”的开挖方案。因此，在刀具配置上，应选择能够破碎的大颗粒卵漂石的撕裂刀等破岩刀具，刀头堆焊大块高强度合金。刀盘设计方面应选取面板式或辐条式刀盘，并满足35%以上的刀盘开口率。掘进参数上宜采用“低贯高转”模式，增大刀盘扭矩，以“抗冲降损”为主。

对于可输排砂卵石地层，中小粒径的卵、砾石颗粒直接通过螺旋输送机输排，无需破碎。整体掘进模式应采用“楔犁-松动-输排”的开挖方案。选用大开口率辐条式刀盘，保证犁松土快速入仓输排，防止土颗粒堆积在刀盘前方，产生额外扭矩，增加刀具的摩擦磨耗。掘进参数上宜采用“低速高扭”的驱动模式。

值得注意的是，实际施工中地层卵石颗粒粒径与地勘报告测定的最大粒径dmax有一定出入，设计施工人员可根据本文的粒径大小分类方法，对地层输排类型做出基本判断，实际设计时，应在设计允许范围内尽量增大螺旋机的通过能力，如适当增大螺旋机套筒筒径、螺间距，或者缩小轴径来扩大dp允许值，提高盾构机输排能力，保证盾构正常掘进。

2.2 砂卵石地层细粒含量

砂卵石地层细颗粒含量是决定砂卵石地层黏性及渗透性的关键指标，在《土的分类标准》(GBJ 145—90)[10]中以粒径0.075 mm 来划分粗细颗粒。但在北京、成都的深部砂卵石地层中测定细颗粒含量难度较大。根据施工经验，盾构区间含有的细粒透镜体层是产生结泥饼的重要原因，透镜层中富含细颗粒粉砂岩以及黏土矿物颗粒。以北京深部地层为例，卵石⑤层、卵石⑦层之间赋存粉细砂⑤3层和粉质黏土⑥层，卵石⑦层、⑨层之间赋存粉细砂⑦3层，卵石⑨层、卵石层之间赋存粉细砂⑨3层，成都地铁4 号线二期西延线卵漂石地层之间富集砂层透镜体。文献[11-12]指出，当盾构区间地层中的细颗粒透镜体层与区间总地层占比超过25%时，地层黏性高，渗透性弱，塑流性差，盾构推力及扭矩较大，刀盘中心易出现“结泥饼”现象。

因此，可通过地勘报告获得细粒透镜层同区间总地层的占比λ，将砂卵石地层分为2 类，如表3 所示。

表3 细粒透镜体含量分类标准Table 3 Classification standard of fine particle content

在高黏性低渗透砂卵石地层中，颗粒黏聚力强，渗透性弱，渣土塑流性差，盾构推力及扭矩较大，刀盘中心区域容易出现“结泥饼”现象。通常采用渣土改良方法，达到正常的盾构掘进条件。改良剂宜采用“泡沫剂+水”，以提高渣土流动性，减少黏着性，并避免渣土与盾构机刀盘、土仓壁黏结。

在低黏性高渗透砂卵石地层中，颗粒间通常无黏聚力，地层渗透性强。渣土改良时，需要添加胶质减摩剂或润滑剂来增大渣土的流塑性，并利用高吸水性材料达到止水的效果。因此，改良剂宜采用“膨润土+泡沫剂+吸水树脂”，调整开挖土级配，增加土体流动性并改善渗透性。

2.3 砂卵石地层水压高低

低黏性高渗透砂卵石地层中，可通过地下水位高度hw和界限水位高度h0的相互关系对地层进行分类。

图4 给出了水压高低特征指标的判定方法。界限水位高度h0位于螺旋输送机下出口上方1 m 处。当地下水位hw高于界限水位h0时，将地层定义为高水压地层，反之为低水压地层，水压高低分类标准见表4。

表4 水压高低分类标准Table 4 Water pressure classification standard

图4 水压高低判定示意Figure 4 Indication of water pressure determination

在高水压砂卵石地层中，渣土具有明显的触变性和流动性，在一定的动水压力作用下，容易形成流土或管涌，盾构开挖过程中会引发“喷涌”现象，需消耗大量时间清理盾尾渣土，严重影响施工进度。预防喷涌的措施主要是在刀盘前注入泥浆和高效聚合物(膨润土)，并添加高吸水性树脂材料，使刀盘前或土仓内渣土变为胶凝状态，阻断与地下水的连通，改善渣土和易性。另外，采用双节螺旋输送机是防止管涌的重要措施之一[13]。当水压力过大或土体流塑性不佳时，可以采用双节串联螺旋输送机来平衡来自地层的水土压力，通过调节螺旋输送机转速，使二级输送机转速小于一级输送机，速度差的产生使土体在连接处堆积，形成土塞效应，防止喷涌。

在低水压砂卵石地层中，一般不会发生“喷涌”现象，改良手段应以提高渣土塑流性，降低刀盘扭矩为主。改良剂宜选用泥质材料或发泡剂，以提高渣土的塑流性和黏聚性，降低刀盘扭矩，减少摩阻力。

2.4 砂卵石地层磨蚀性能

目前主要采用Cerchar 实验测试结果CAI 值判断岩石磨蚀性。CAI 值一般采用地层中的等效石英含量来计算[14-15]。等效石英含量方法是对岩石进行微观成分分析，并考虑卵石每个矿物成分的磨蚀性，这种方法能够更加准确、方便地判断砂卵石土体的磨蚀性。

等效石英含量的计算方法为

式中，Qe为所掘地层的等效石英含量，%；Ai为第i种矿物的百分含量；Ri为第i种矿物与石英Rosival 硬度的比值；n为各种矿物的总数量。

对盾构区间地层进行钻孔取样，样本中各矿物的百分比Ai通过XRD 衍射试验获得，方法是将样本研磨至粒径小于40 µm，将镀上导电膜的样本放在x射线衍射仪上观测，通过建立图谱中的特征峰强度与样品中该矿物的含量之间的正相关系来确定矿物含量。各种矿物的Rosival 硬度如表5 所示。

表5 矿物Rosival 硬度值Table 5 Mineral rosival hardness values

根据杨志勇等[14]、Yaral 等[15]给出的试验数据，绘制出等效石英含量与CAI 值的关系，如图5 所示。等

图5 Qe 与CAI 值的关系Figure 5 Relationship between Qe and CAI

效石英含量越高，CAI 值越大，地层磨蚀性越强。拟合数据点得到二者之间的线性关系为

表6 为Cerchar 试验中给出的CAI 值与岩体磨蚀性的指标分级，以CAI=2.0 为临界值将磨蚀性分为强、弱两级，可结合式(4)中给出的Qe与CAI 的相互关系，将待掘进盾构区间分成强磨蚀性砂卵石地层和弱磨蚀性砂卵石地层2 类，如表7 所示。

表6 CAI 磨蚀性分级Table 6 CAI abrasion classification

表7 磨蚀性能分类标准Table 7 Standard for classification of abrasive properties

对于强磨蚀砂卵石地层，在施工掘进参数方面，应该遵循“高贯入度、低转速”的掘进模式，“防冲降磨”的磨损控制理念；刀盘应设计大开口率，防止土石与刀盘刀具长时间作用；刀具设计应采用长短刀具配置模式，实现对砂卵石地层的有效切削，克服刀盘各区域刀具不均匀磨损现象；适当增加螺旋机输排能力，防止卵砾石颗粒对土仓及筒壁的磨损；渣土改良材料采用泡沫和膨润土泥浆相结合，在刀盘前方分区注入土体，形成泥膜，降低刀土之间的摩擦力，减小刀盘刀具磨损。

弱磨蚀砂卵石地层应以高效掘进为主要目标，宜适当提高盾构掘进速度与刀盘转速，保证掘进效率。

3 组合指标下的盾构工程实例

原状砂卵石土经过多年沉积后，往往呈现粒径大小、细粒含量、水压高低、磨蚀性能4 个特征指标的组合状态，因此，为方便工程设计人员划分砂卵石地层类别，将4 个特征指标进行组合，建立组合指标下的地层四位数编码。编码由4 个数位组成，第1 至第4 数位分别代表粒径大小、细粒含量、水压高低、磨蚀性能，各数位上按照强弱程度将各特征指标分为1(弱)、2(强)两个等极。以高渗透-高水压-强磨蚀-可输排地层为例，其组合指标下的地层四位数编码为2221。建立国内6 个典型的砂卵石地层盾构工程实例的地层编码，如表8 所示。通过分析施工方案，验证本文提出的地层分类方法的适用性。

表8 盾构工程实例及其特征编码Table 8 Shield engineering example and its feature coding

实例1 中，根据地层编码确定的掘进措施为：采取“楔击-破碎-输排”的开挖模式；刀盘选用了复合式刀盘，开口率45%；刀具选择“中心刀-贝壳刀-刮刀”的梯次化刀高配置；螺旋输送机形式为无轴的带式输送机，外径为900 mm，最大输排能力可达640 mm；渣土改良以提高渣土流动性、降低磨损为主，改良剂采用“泡沫剂+水”。

实例2 中，根据地层编码确定的掘进措施为：利用“楔犁-输排”开挖原则；采取6 000 kN·m 大扭矩，保证掘进速度；选用开口率40%的复合式盾构刀盘，保证渣土快速排出；选用dp=670 mm 的带式螺旋输送机，保证地层中450 mm 的大粒径漂石顺利排出；改良剂选用“膨润土泥浆+发泡剂+水”，提高渣土塑流性，降低磨蚀性。

实例3 中，根据地层编码确定的掘进措施为：采取“楔犁-输排”的开挖原则；刀盘选用开口率63%的大开口率辐条式刀盘；刀具配置以先行刀、刮刀为主，不配置重型撕裂刀。选用dp=300 mm 的轴式螺旋输送机，保证地层中dmax=110 mm 土颗粒可以顺利排出；渣土改良以防止发生喷涌为主，改良剂选用膨润土泥浆。

实例4 中，根据地层编码确定的掘进措施为：采取“楔犁-输排”的开挖原则；选用开口率34%的复合式刀盘，刀盘堆焊高强度的耐磨层，并在刀盘外围设置硬质合金；刀具配置选用“中心撕裂刀+滚刀+刮刀”，刀头堆焊硬质合金，增强刀具耐磨性；选用dp=520 mm的带式螺旋输送机，保证地层中dmax=60 mm 的卵砾石颗粒顺利入仓输排；渣土改良以防止螺旋机喷涌和降低地层磨蚀性能为主，改良剂选用添加CMC 黏性剂的膨润土泥浆。

实例5 中，根据地层编码确定的掘进措施为：采取“楔击-破碎-输排”的土压平衡盾构开挖模式；刀盘选用开口率35%的辐板复合式刀盘；刀具以宽刃滚刀为主，并配置高强合金的切刀、刮刀，增强刀具耐磨性；采取1.1～1.3 r/min 低刀盘转速克服地层强磨蚀性；渣土改良以降低地层磨蚀性、提高渣土塑流性为主，改良剂选用“膨润土+泡沫剂”。

实例6 中，根据地层编码确定的掘进措施为：采取“楔击-破碎-输排”的开挖模式；选用开口率35%的复合式刀盘，并在刀盘面板设置耐磨板；刀具配置选用“中心鱼尾刀+重型撕裂刀+贝壳刀+刮刀”，刀高采取三维大体次设计，提高切削效率；选用dp=300 mm的轴式螺旋输送机，对于地层中最大粒径800 mm 的漂石，将其破碎后再输排；渣土改良材料选用“膨润土泥浆+泡沫”，避免了喷涌现象的产生。

从上述砂卵石盾构工程案例中可以看出，各实例的刀盘选型、开口率设计、刀具配置、渣土改良方案、掘进参数控制等施工措施，与根据地层特征确定的掘进方案相符合，验证了地层分类方法的适用性。

4 结论

1) 提出了影响盾构高效掘进的砂卵石地层特征因素，包括粒径大小、细粒含量、水压高低、磨蚀性能，分别给出了各影响因素的特征指标、指标确定方法，并量化了特征指标范围。

2) 根据特征指标范围划分了砂卵石地层类型。通过地层最大粒径dmax、螺旋输送机最大输排能力dp的相互关系将砂卵石地层分为可输排、不可输排地层；根据地层中细粒透镜体含量占比，将砂卵石地层分为高黏性低渗透、低黏性高渗透地层；根据地下水位高度hw、界限水位高度h0的相互关系将砂卵石地层分为高水压、低水压地层；根据地层中等效石英含量Qe将砂卵石地层分为强磨蚀、弱磨蚀地层。

3) 根据地层分类标准，匹配施工方案。通过组合指标下的盾构工程实例，验证了分类方法的适用性。