復(fù)合地層的概念
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2023-01-14 14:30
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盾構(gòu)法施工與其它傳統(tǒng)的地下工程施工工法一樣，其終極目標(biāo)是完成一項(xiàng)特色的地下工程，比如一條地下隧道或地下車站，它的不同點(diǎn)在于，盾構(gòu)法采用了特殊的施工工具盾構(gòu)機(jī)。
盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)施工對(duì)象“量身定做”的，盾構(gòu)機(jī)制造所依據(jù)的對(duì)象，稱之為施工環(huán)境，它是基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細(xì)研究施工環(huán)境，也就造不出適應(yīng)性強(qiáng)的盾構(gòu)機(jī)，也就談不上順利地進(jìn)行盾構(gòu)施工。
在施工環(huán)境的諸多因素中，基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特征是最重要的，因?yàn)樗鼈兪嵌軜?gòu)機(jī)選型及采用盾構(gòu)施工工藝最重要的先決條件。在實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)地質(zhì)特征的研究往往被忽視。殊不知，沒有什么盾構(gòu)施工技術(shù)不是與地質(zhì)特征有關(guān)的，尤其是在復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工。
1復(fù)合地層的概念
在盾構(gòu)施工的過程中，圍巖巖土力學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)等特征的各向均勻性直接影響盾構(gòu)機(jī)的選型、盾構(gòu)施工工藝的選擇等關(guān)鍵性問題。從這個(gè)意義上講，可以宏觀地將圍巖地層區(qū)分為兩類：均一地層和復(fù)合地層。
1.1均一地層
1.1.1均一地層的概念
嚴(yán)格意義的各向同性的均質(zhì)地層在自然界是不存在的，本文定義的均一地層是指在開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由一種或若干種地層組成的，或巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特性相近的地層或地層組合。均一地層有兩種情況：
（1）單純的軟土地層：從地質(zhì)圖（見圖1）中可以看出，地鐵隧道穿越了Ⅱ?qū)?，主要為粉砂質(zhì)土和Ⅲ層為粉質(zhì)粘土，這兩種地層的物質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造都存在著一定的差異，但它們的巖土力學(xué)性質(zhì)以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征就盾構(gòu)機(jī)的選型和盾構(gòu)施工而言，差別并不大。
根據(jù)上述地層特點(diǎn)，南京地鐵選用了適應(yīng)軟土地層的盾構(gòu)機(jī)，其刀盤為平面直角型的，只安裝刮刀（見圖2）。
類似的均一地層，還普遍存在于上海地鐵、天津地鐵、北京地鐵以及過長江隧道等的施工當(dāng)中。
?。?）單純的硬巖地層（如西安~安康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道）。隧道斷面范圍內(nèi)以兩種巖石為主，一種是混合片麻巖，單軸抗壓強(qiáng)度為78~137MPa，整體性較好，裂隙較少。另一種是混合花崗巖，單軸抗壓強(qiáng)度為122~162Mpa，節(jié)理較發(fā)育，裂隙較多。
選用的盾構(gòu)機(jī)是典型的硬巖掘進(jìn)機(jī)，刀具全部安裝滾刀，無需任何刮刀（見圖3）。
1.1.2均一地層中盾構(gòu)工程的主要特點(diǎn)
（1）施工過程中盾構(gòu)機(jī)的模式基本上不需要變化。在軟土地層中，若采用土壓平衡模式，一般無需變化成開胸模式；在硬巖地層，若采用開胸模式掘進(jìn)，一般無需變化成土壓模式。
通常，在均一地層中的盾構(gòu)機(jī)，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，一般不考慮模式的變化。
?。?）盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)不需愛施工過程中進(jìn)行改變。比如，在軟土均一地層中，刀盤采用軟土刀具，在施工過程中不需考慮是否會(huì)碰到硬巖而增加滾刀的問題。
（3）盡管均一地層中其物性也會(huì)有較大的變化，但只需在施工工藝上作出調(diào)整。均一地層上述兩特點(diǎn)說明，在施工過程中盾構(gòu)機(jī)做出結(jié)構(gòu)型式上的任何改變，但是，正如前面提到的，均一地層并不是絕對(duì)的均質(zhì)地層，這樣，在地層特性改變之后，必需在施工工藝或施工參數(shù)上采取相應(yīng)的措施。比如：同是在軟土地層中施工，當(dāng)?shù)貙邮且陨皩踊蛏傲訛橹鲿r(shí)，以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，則應(yīng)適當(dāng)添加膨潤土或聚合物。若地層以粘性土為主時(shí)，則需添加適量的泡沫。如此等等，這一類工藝或施工參數(shù)上的調(diào)整并不因均一地層就可避免。
1.2復(fù)合地層
1.2.1復(fù)合地層的概念
將開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊的地層組合，定義為復(fù)合地層。
復(fù)合地層的組合方式是非常復(fù)雜多樣的，但總的來說可分為三大類：一類是在斷面垂直方向上不同地層的組合；一類是在水平方向上地層的不同組合；另一類是上述兩者兼而有之。
?。?）復(fù)合地層在垂直方向上的變化。最典型的垂直方向上的復(fù)合地層就是所謂“上軟下硬”地層。即隧道斷面上部是第四系的松軟土層，而下部是堅(jiān)硬的巖石地層；或者上部是軟弱的巖層而下部是硬巖層；或者是在硬巖層中夾軟巖層，或軟巖層夾硬巖層等等（見圖4）。
?。?）復(fù)合地層在水平方向上的變化。在一施工段當(dāng)中，可能分布著不同時(shí)代、不同巖性或不同風(fēng)化程度，從而表現(xiàn)出不同巖土性質(zhì)的地層。比如廣州地鐵五號(hào)線草～陶區(qū)間的地層（見圖5）。
圖中白堊系紅層的粉砂巖為軟巖，單軸抗壓強(qiáng)度一般≤30MPa；花崗巖和石炭系石灰?guī)r是硬巖，單軸抗壓強(qiáng)度一般會(huì)≥60UPa。
?。?）在水平方向和垂直方向兩者兼而有之的更為復(fù)雜的變化。
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