于 超 鄭東勝 田忠喜 張傳帥 邢 帥

Research 研究探討

盾構穿越突變地質文獻研究綜述

于 超1鄭東勝2田忠喜1張傳帥1邢 帥1

（1.聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000； 2.山東聊城第四建設有限公司，山東 聊城 252000）

為緩解城市發(fā)展帶來的交通堵塞問題，城市的地鐵建設進入了一個快速發(fā)展的時期。盾構作為地鐵修建技術中的一項重要的技術，在穿越突變地質時具有很大優(yōu)勢，但在盾構穿越突變地質的過程中，可能會造成地面的沉降或隆起、開挖面的失穩(wěn)破壞、基巖突起等工程問題，給周圍既有建筑物或市政管線帶來不利影響，甚至會造成嚴重的事故。本文從突變地層的穩(wěn)定性、開挖面的失穩(wěn)機理、地表沉降規(guī)律及盾構過程中所遇到的工程問題等方面出發(fā)，總結了在突變地質條件下進行盾構時所遇到的工程難題以及所運用的方法和技術，并對其進行了綜合的分析和系統(tǒng)的論述。

隧道施工；盾構法；突變地質

0 引言

盾構法是在隧道施工中以盾構為核心的施工方法，有效地減少了機械施工過程中產(chǎn)生的噪聲和振動、避免了地層的大幅沉降和對周圍環(huán)境造成的污染等不利因素。但是在突變地質環(huán)境下，由于地質條件的復雜性，在盾構過程中的推進阻力會發(fā)生劇變，如果不能及時平衡開挖面的支護壓力，可能會使盾構姿態(tài)發(fā)生偏移，導致掌子面前方土壓失穩(wěn)，引起圍巖或地層的較大變形，甚至會造成地表坍塌，嚴重影響著既有建筑物或管線的安全。

1 盾構穿越突變地層穩(wěn)定性分析

在突變地層進行盾構施工的過程中，如何有效的控制地層的穩(wěn)定性是工程界一直關注的焦點。竺維彬[1]指出，突變地層發(fā)生劇烈變形主要是因為穿越過程中掘進參數(shù)和開挖推力波動較大，導致掘進速度急劇下降，不得不通過出渣換取掘進速度，最終造成開挖面前方地層坍塌。為解決這個工程問題，胡鷹志[2]探尋了一種新的加固方式，在突變地質條件下可以安全、有效、快速的完成土體加固，有效地控制了地層的穩(wěn)定性，從而確保了盾構機常壓開倉修復中心回轉體的安全性和可靠性。田瑞忠[3]分析了突變地質環(huán)境下盾構姿態(tài)超限的原因，并且提出了姿態(tài)控制方法以及糾偏方案。史海波[4]分析了盾構穿越突變地層時的不良影響，并針對不良影響提出了上部砂性土加固，合理設置參數(shù)等技術措施。

上述研究成果對盾構穿越突變地層的穩(wěn)定性有著重要的指導意義，但是大多從盾構技術及隧道設計角度出發(fā)，并沒有進行地質界面破壞特征、界面失穩(wěn)機制以及參數(shù)敏感性等方面的研究。而國內現(xiàn)有的不同地質界面穩(wěn)定性的研究一般存在于礦山煤炭組合體之中，與突變地質界面的破壞機制差異較大。

2 盾構隧道開挖面穩(wěn)定性分析

開挖面失穩(wěn)是盾構施工中最常見的問題，也是危害最大的工程問題之一。當盾構穿越突變地層時，由于土壓力的平衡很難建立，導致掌子面上的土壓力過低，致使出土量增大，地層過度損失，最終引起地表坍塌。

為了分析開挖面的穩(wěn)定性，潘建立[5]采用了有限差分數(shù)值軟件進行了開挖過程中開挖面應力的釋放，并且分析了不同程度的應力釋放對開挖面的影響。李險峰[6]運用了有限拆分法對實驗模型進行了數(shù)值計算，用得到的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，揭示了開挖面的中心位移Y與地表變形累計值S之間的線性關系，為突變地層開挖面穩(wěn)定性的監(jiān)控提供了新的方法和思路。王國富[7]在筒倉理論的基礎上提出了一個關于曲面開挖面的極限平衡模型，并且推導了開挖面極限支護力的計算公式，為曲線隧道施工中支護以及開挖面的穩(wěn)定性提供了理論指導?？弟荹8]運用數(shù)值模擬技術，研究了地層變形的原因，最終確定了穩(wěn)定開挖的極限支護力。李奧[9]等基于數(shù)值模擬的失穩(wěn)形態(tài)和開挖面模型試驗，建立了新的棱柱鍥形體模型，優(yōu)化了開挖面穩(wěn)定性的分析方法。張孟喜[10]采用PFC2D模擬了盾構隧道的正交下穿施工，分析了開挖面塌陷失穩(wěn)的破壞模式，并探索了沿開挖縱向開挖塌陷失穩(wěn)的規(guī)律。何小輝[11]等通過建立數(shù)值分析模型，研究了突變地層的隧道變形特征，得出了拱底變形主要與基巖的力學性質有關。

以上研究成果從數(shù)值模擬技術出發(fā)，為今后開挖面穩(wěn)定性的分析提供了大量的計算模型，而對土體穩(wěn)定性參數(shù)分析缺乏相應的試驗研究。程紅戰(zhàn)[12]考慮到了土體抗剪強度參數(shù)具有空間變異性，并在理論基礎上，運用了協(xié)方差矩陣分解法建立了一個三維隨機場模型，最后運用概率分析法進行了極限支護力特征值的選取。邱龑[13]利用數(shù)值模擬建立了富水砂層隧道三維模型，提出了一種新的關于穩(wěn)定系數(shù)開挖面失穩(wěn)風險的分析方法，可用來對富水砂層開挖面失穩(wěn)進行風險評估。胡欣雨[14]針對盾構開挖面穩(wěn)定性的問題，采用了數(shù)值仿真和試驗研究相結合的方法，并且考慮到了土體的力學性質和地層變位，揭示了復合地層開挖面失穩(wěn)的破壞機理。

上述研究成果多數(shù)存在于水平地層或單一地質條件下，對于有界面傾角的突變地質界面開挖面穩(wěn)定性的研究鮮有涉及，特別是對滲流條件下不同地質界面傾角的開挖面破壞機理缺乏相應的理論研究。

3 盾構穿越基巖突起地層施工對策

在盾構穿越突變地質施工工藝和施工方法方面，張亞洲[15]從盾構設計、隧道設計的角度，并結合工程實例，提出了特殊地層預處理、線性避讓等方法來處理突變地層中出現(xiàn)的問題。陳開端[16]利用了“微動探測加地質鉆機驗證”的方法來尋找孤石，然后用阿特拉斯地質鑿巖機進行間距密打孔，該方法處理巖石的速度快、占地小、效果明顯。

上述研究成果在盾構穿突變地層時有效地避免了基巖突起的問題，保證了在孤石區(qū)間施工時盾構機的順利推進。但是在一些無法避免的孤石地段施工時，只能采取爆破措施來降低孤石對盾構施工進度的影響。對此，繆明曉[17]針對基巖凸起及孤石的情況，對基巖突起部分采用爆破法進行預處理，此工藝提高了盾構掘進速度、降低了盾構施工風險。在盾構穿越基巖凸起時，周海波[18]采用了一種深孔松動爆破技術技術對硬巖進行松動處理，提高了盾構速度及效率。宋金峰[19]提出了在硬巖段采用微差爆破法進行施工，有效減弱了對周圍建筑物的影響。

通過深孔爆破技術，能夠有效處理在孤石地段的施工問題， 進而建立了土壓平衡，保證了孤石地段盾構施工的順利進行。然而大多爆破施工一味追求速度，并未檢查爆破封孔問題，若封堵不好，會導致地面冒漿、土倉失壓問題。

4 地層變形機理及地表沉降研究

研究盾構過程中地層的變形機理及地表沉降規(guī)律對于維持周邊環(huán)境的穩(wěn)定以及災害預防具有重要意義?？涤罒榌20]根據(jù)施工現(xiàn)場的土層情況，通過有限元分析軟件進行相應的數(shù)值模擬，最終得到了精準可靠的分析模型，高效準確的進行了地表沉降的預測。陳強[21]通過建立盾構隧道仿真模型，分析了隧道埋深不同和上軟地層參數(shù)不同的條件下，開挖面的支護壓力對地表變形產(chǎn)生的影響。何祥凡[22]等重點研究了軟硬不均地層交界段的地表沉降情況，得出了當盾構穿越軟硬不均勻的地層時，可以適當調整盾構姿態(tài)，而且面對地表沉降的增大，還可以適當增大土倉壓力。

上述研究成果得到的地表變形規(guī)律通常依靠數(shù)值模擬得到，然而對地表預測模型和地層變形機理往往缺乏理論依據(jù)，而且對開挖面失穩(wěn)造成的地層沉降機理認識不足。

5 結論

盾構穿越突變地質極易引發(fā)工程災害，而造成災害頻發(fā)的根本原因在于突變地層中存在大量軟硬不均勻地質體，在盾構擾動的作用下，產(chǎn)生了微觀損傷和細小形變，隨時間的累積不斷加劇，最終在宏觀上表現(xiàn)為突變地層滑移變形、開挖面失穩(wěn)破壞、基巖突起、地層變形及地表沉降等工程事故。本文總結了盾構穿越突變地質的施工過程中出現(xiàn)的部分問題及應對措施，并對下一步研究的方向提出展望，概括為以下幾點：

（1）在盾構穿越突變地層時，由于地層的復雜性，周圍巖土應力分布變化規(guī)律、盾構掘進的極限支護力并不明確，需要進一步的理論分析。在此基礎上進行數(shù)值模擬建模，并結合工程實驗，最終確定開挖面的極限支護力。

（2）突變地質界面問題也是需要考慮的重要因素，突變地質界面效應隨著前后粘聚力、巖土體剛度、內摩擦角的增大而更加顯著。

（3）針對施工過程中開挖面失穩(wěn)、地層形變以及地表坍塌等問題，監(jiān)測是預防失穩(wěn)的重要方法。開挖面的穩(wěn)定性隨著地質界面傾角的增大而降低，在同一傾角下，地質界面傾向于強地質體時，更容易發(fā)生開挖面的失穩(wěn)破壞。

（4）巖土體力學參數(shù)的差異、不同地質界面傾角對開挖面穩(wěn)定性的影響，是造成地表劇烈沉降的根本原因，因此，建立巖土地質界面力學參數(shù)與地表變形的相對關系，對盾構過程中開挖面穩(wěn)定性的控制及地表變形規(guī)律具有重要的指導意義。

[1]竺維彬，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M]. 北京：中國科學技術出版社，2006.

[2]胡鷹志.復雜地質條件下富水動壓砂層盾構開倉加固區(qū)施工技術[J].施工技術,2020,49(13):10-13.

[3]田瑞忠,宋曙光,張延歡.軟硬不均地層地鐵盾構姿態(tài)超限剖析及控制方法研究[J].中國高新科技,2019(18):102-104.

[4]史海波.土壓平衡盾構穿越軟硬交界地層時的施工技術[J].建筑施工,2017,39(02):208-211.

[5]潘建立.隧道掘進地層應力釋放對開挖面穩(wěn)定影響數(shù)值研究[J].土木工程學報,2015,48(S1):275-278.

[6]李險峰,秦亞斌,盧坤林.復雜地層環(huán)境下的盾構開挖面穩(wěn)定性研究[J].市政技術,2020,38(04):158-162.

[7]王國富,孫捷城,路林海,王渭明,王丹.突變地質界面盾構隧道開挖面極限支護壓力研究[J].中國鐵道科學,2016,37(06):50-59.

[8]康芮,舒東利.盾構隧道穿越軟硬不均地層時掌子面穩(wěn)定性分析[J].路基工程,2018(01):194-199.

[9]李奧,張頂立,孫振宇,曹利強,李然.黏性土地層中盾構隧道開挖面極限支護力理論解[J].鐵道建筑,2019,59(04):71-75.

[10]張孟喜,張梓升,王維,呂巖,韓佳堯,金琦.正交下穿盾構開挖面失穩(wěn)的離散元分析[J].上海交通大學學報,2018,52(12):1594-1602.

[11]何小輝,周純擇,王海波,王樹英.上軟下硬復合地層盾構隧道變形特征研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2019(02):49-52.

[12]程紅戰(zhàn),陳健,胡之鋒,黃玨皓.考慮砂土抗剪強度空間變異性的盾構開挖面穩(wěn)定性分析[J].巖土力學,2018,39(08):3047-3054.

[13]邱龑,楊新安,徐前衛(wèi),郭樂,唐卓華,李洲.富水砂層盾構隧道開挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風險的分析[J].中國鐵道科學,2015,36(06):55-62.

[14]胡欣雨,劉安洋.復合地層泥水盾構開挖面失穩(wěn)破壞宏微觀機理[J].上海交通大學學報,2015,49(07):1067-1074.

[15]張亞洲,溫竹茵,由廣明,劉念.上軟下硬復合地層盾構隧道設計施工難點及對策研究[J].隧道建設(中英文),2019,39(04):669-676.

[16]陳開端.復合土層中孤石探測及處理方案[J].城市軌道交通研究,2016,19(05):93-97.

[17]繆明曉.盾構區(qū)間基巖突起復雜地層處理技術研究[J].建筑安全,2019,34(02):72-75.

[18]周海波.地鐵盾構區(qū)間硬巖段深孔松動爆破施工技術[C]. 2015:44-47.

[19]宋金峰.淺談地鐵盾構基巖突起深孔爆破預處理技術[J].中國科技信息,2012(11):69-70.

[20]康永煒.上軟下硬地層盾構法施工技術研究[J].工程建設與設計,2018(24):216-217.

[21]陳強.上軟下硬地層中盾構隧道開挖面支護壓力研究[D].華中科技大學,2010.

[22]何祥凡,高鋒,申興柱,王帆.盾構隧道穿上軟下硬地層掌子面頂推力優(yōu)化研究[J].地下空間與工程學報,2018,14(06):1603-1610.

于超（1996- ），男，山東青島，漢，碩士研究生，聊城大學建筑工程學院 252000 巖土工程。

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