中国城市盾构地层及刀盘配置

中国城市盾构地层及刀盘配置在新一轮的隧道及地下工程建设中，盾构法将发挥更重要的作用，但同时也面临着诸多问题和挑战，中国应用盾构的特点可以归纳为以下几个方面：1.地质条件多样化我国隧道及地下工程建设地域分布十分广泛，地质条件差异打，东有以上海、杭州等地区为代表的软土地层；南有以广州、深圳为代表的软硬不均复合地层；北有以北京地区为代表的典型沙卵石地层；西有以成都为代表的富水砂卵石地层。加之我国东北哈尔滨地区等地的冻土、云南昆明面临的泥炭质土，中部地区如西安、兰州等地的老黄土，武汉、南京等地越江地铁中的高磨耗卵砾石地层，重庆、青岛等地面临的高硬度岩层等。目前，盾构施工中还有很多的问题没有有效解决，例如，软土地层隧道施工的稳定性问题，隧道结构的振陷问题，砂卵石、卵砾石等地层面临的高磨耗问题，大粒径漂石、孤石的通过问题，以及老黄土地层导致的遇水塌陷、地裂缝等，既是未来有待解决的典型问题，也是我国盾构隧道修建技术的研究方向。同时，当穿越高强度地层、完好坚硬岩石时，盾构法技术受到了极大的挑战，如何考虑TBM法、钻爆法等与盾构法相结合，甚至多工法的有机融合，是未来建设中需要面对的普遍问题。根据地质勘察资料，我国的地层磨损性共分4个区，即极易磨损区、易磨损区、中等磨损区和低磨损区。（1）极易磨损区将砂卵石含量很高、上软下硬、极硬岩和花岗岩球状风化体岩层等复杂地层划分为极易磨损区。极易磨损区土体物理力学参数特征：卵石含量高于50%、内摩擦角大于或等于35度、石英含量很高；地层中孤石粒径大、强度高、分不多；基岩岩石饱和单轴抗压极限强度大于150MP.极易磨损区常发生的刀具失效类型有滚刀裂缝、刀圈断裂，切刀和周边刮刀磨损、脱落和崩断，贝壳刀磨损等。盾构选型方面，应配置滚刀、切刀、周边刮刀和超前刀，并增大刀盘开口率，允许破碎后的卵石通过刀盘面，以降低刀具磨损。极易磨损区的城市分布、地层情况及建议配置刀具类型见表极易磨损区城市分布、地层情况及配置刀具地层城市建议刀具配置砂卵石地层北京广州成都上软下硬地层广州、深圳滚刀+切刀+周边刮刀+超前刀极硬岩地层广州、深圳花岗岩球状风化体岩层深圳（2）易磨损区易磨损区特点包括：砾石、圆砾石广泛分布，卵石含量低于50%，内摩擦角30-50度，石英含量高，地层中含孤石，基岩岩石饱和单轴抗压极限强度较大（大于或等于100MP）。易磨损区常发生的刀具失效类型有滚刀磨损、切刀、周边刮刀磨损、齿刀磨损和中心刀磨损等。盾构选型方面，可适当配置滚刀或切刀，增大刀盘开口率，允许破碎后的卵石通过刀盘面，以降低刀具磨损。易磨损区的城市分布、地层情况及建议配置刀具类型见表易磨损区城市分布、地层情况及配置刀具城市地层描述刀具配置建议沈阳粉质黏土，中粗砂，砾砂和圆砾地层切刀+周边刮刀+贝壳刀粉质黏土，砂质、砾质黏性土，下伏微风滚刀+切刀+先行刀+中心厦门化基岩岩石饱和单轴抗压强度最大值接近刀+周边刮刀150MP黏性土，细沙，中细砂混砾、卵石。含砂滚刀+切刀+中心刀+周边武汉粘土内摩擦角最大值30度左右，砾石主要刮刀成分为石英、长石，且砾石含量最高。黏性土、含碎石黏性土地层，含孤石，中福州风化基岩岩石饱和单轴抗压极限强度最大滚刀+切刀+周边刮刀值接近100MP粉砂、中砂、砾石内摩擦角接近35度，颗滚刀+切刀+中心刀+周边哈尔滨粒成分为石英、长石刮刀卵石（透镜体状）+含碎石粉质黏土（厚层状）+碎石，下伏基岩为板岩、石英岩和凝大连灰岩。卵石含量高、粒径大，成分为石英岩。粗砂+圆砾+卵石（含砂、砾石），石英质，长沙滚刀+切刀+先行刀+中心砾石粒径大刀+周边刮刀圆砾（厚层状）+砾砂，圆砾层中砾石颗粒南宁较大、含量高，以石英岩、硅质岩为主圆砾，碎石含量高（50%以上），粒径较大，昆明卵石、砾石成分主要为砂岩、石英等；下伏基岩灰岩为次坚石砂土+含砾粉质黏土（内摩擦角接近30南京度），砾石含量较高，磨圆度差，主要成分滚刀+切刀+周边刮刀为石英黏性土+风化岩，上软下硬，地面以下滚刀+切刀+先行刀+周边东莞5-25m范围内微风化，岩石饱和单轴抗压刮刀极限强度101MP，局部含球状风化体乌鲁木切刀+先行刀+中心刀+周粉土+砾石土齐边刮刀（3）中等磨损区中等磨损区的地层为局部含卵石的中粗砂且卵石含量较高（20%-30%），粉质黏土层中黏粒含量高，极易在刀盘中心结泥饼，进而造成刀具偏磨。中等磨损区常发生的刀具失效类型有滚刀偏磨，刀圈断裂、刮刀脱落等。盾构选型方面，以切刀和刮刀为主，部分配置滚刀，调整刀盘开口率，允许存在的大粒径卵石通过刀盘面，以降低刀具磨损。中等磨损区城市分布、地城情况及建议配置刀具类型见表易磨损区城市分布、地层情况及配置刀具城市地层描述刀具配置建议黄土为主，局部为含卵石的中、粗砂滚刀+切刀+周边刮刀粉土（局部夹中砂透镜体）+中粗砂（矿物太原质成分主要为石英、长石、云母等，级配切刀+周边刮刀不良）宁波砂质粘土+淤泥质（粉质）黏土+粉质黏土切刀+周边刮刀砾砂+粗砂（内摩擦角醉倒36.5度）+砾砂切刀+周边刮刀+周边保夹圆砾，母岩成分以石英岩、砂岩为主，径刀+撕裂刀+鱼尾刀+滚南昌圆砾含量较高，粒径较大，中粗砂填充，刀砂成分以石英、长石为主辐条式刀盘：切刀+撕裂粉质黏土+黏土+全~中风化泥质砂岩（极软刀+鱼尾刀+周边刮刀+保合肥岩）径刀+圆环保护刀+超挖刀+贝壳刀卵石层厚度大，为砂土充填，充填程度高，兰州滚刀+切刀+周边刮刀母岩以石英岩长石砂岩为主（4）低磨损区低磨损区的软土地层以黏性土为主，地层均匀、单一，很少或不含粗粒土，或者砾石埋深较深，几乎不在盾构掘进范围内。盾构在此类地层中施工时受力均匀，能顺利运转和前进。低磨损区常发生的刀盘刀具失效类型有刀盘中心结泥饼、刀具偏磨等。盾构选型方面，以挂刀为主，盾构施工中添加土体改良材料，避免发生结泥饼或开挖面失稳，以降低刀具的损坏率。低磨损区的城市分布、地层情况及建议配置刀具类型见表低磨损区分布、地层情况及建议配置刀具城市地层描述刀具配置建议上海黏性土（软土层）天津黏性土郑州厚层砂质黄土、黏性土长春地层以粉质黏土、黏土、粗砂为主苏州粉质黏土+粉土+粉砂+碎石土（埋深较深）黏性土+淤泥质（粉质黏土），粉细砂、砾杭州砂和圆砾埋深较深黏性土+含卵砾石中砂+卵石层内摩擦角局中心鱼尾刀+切刀+周边石家庄部达40度，但埋深较深（地面以下40米）刮刀无锡黏性土贵阳黏土+强~中风化泥岩（软岩）常州黏性土+粉砂温州粉细砂+黏土+淤泥质黏土徐州粉砂+粉土+黏土济南黏性土+粉砂西宁黏性土西安