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        復合地層的概念


          盾構法施工與其它傳統的地下工程施工工法一樣,其終極目標是完成一項特色的地下工程,比如一條地下隧道或地下車站,它的不同點在于,盾構法采用了特殊的施工工具盾構機。

          盾構機是根據施工對象“量身定做”的,盾構機制造所依據的對象,稱之為施工環境,它是基礎地質、工程地質、水文地質、地貌、地面建筑物及地下管線和構筑物等特征的總和。由此可以看出,如果不詳細研究施工環境,也就造不出適應性強的盾構機,也就談不上順利地進行盾構施工。

          在施工環境的諸多因素中,基礎地質和工程地質特征是最重要的,因為它們是盾構機選型及采用盾構施工工藝最重要的先決條件。在實踐當中,對地質特征的研究往往被忽視。殊不知,沒有什么盾構施工技術不是與地質特征有關的,尤其是在復合地層中的盾構施工。

          1復合地層的概念

          在盾構施工的過程中,圍巖巖土力學、基礎地質和工程地質等特征的各向均勻性直接影響盾構機的選型、盾構施工工藝的選擇等關鍵性問題。從這個意義上講,可以宏觀地將圍巖地層區分為兩類:均一地層和復合地層。

          1.1均一地層

          1.1.1均一地層的概念

          嚴格意義的各向同性的均質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、工程地質和水文地質等特性相近的地層或地層組合。均一地層有兩種情況:

         ?。?)單純的軟土地層:從地質圖(見圖1)中可以看出,地鐵隧道穿越了Ⅱ層,主要為粉砂質土和Ⅲ層為粉質粘土,這兩種地層的物質組成及其結構和構造都存在著一定的差異,但它們的巖土力學性質以及工程地質和水文地質特征就盾構機的選型和盾構施工而言,差別并不大。

          根據上述地層特點,南京地鐵選用了適應軟土地層的盾構機,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)。隧道斷面范圍內以兩種巖石為主,一種是混合片麻巖,單軸抗壓強度為78~137MPa,整體性較好,裂隙較少。另一種是混合花崗巖,單軸抗壓強度為122~162Mpa,節理較發育,裂隙較多。

          選用的盾構機是典型的硬巖掘進機,刀具全部安裝滾刀,無需任何刮刀(見圖3)。

          1.1.2均一地層中盾構工程的主要特點

         ?。?)施工過程中盾構機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,一般無需變化成土壓模式。

          通常,在均一地層中的盾構機,在設計和制造時,一般不考慮模式的變化。

         ?。?)盾構機的結構不需愛施工過程中進行改變。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碰到硬巖而增加滾刀的問題。

         ?。?)盡管均一地層中其物性也會有較大的變化,但只需在施工工藝上作出調整。均一地層上述兩特點說明,在施工過程中盾構機做出結構型式上的任何改變,但是,正如前面提到的,均一地層并不是絕對的均質地層,這樣,在地層特性改變之后,必需在施工工藝或施工參數上采取相應的措施。比如:同是在軟土地層中施工,當地層是以砂層或砂粒層為主時,以土壓平衡盾構機為例,則應適當添加膨潤土或聚合物。若地層以粘性土為主時,則需添加適量的泡沫。如此等等,這一類工藝或施工參數上的調整并不因均一地層就可避免。

          1.2復合地層

          1.2.1復合地層的概念

          將開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上,由兩種或兩種以上不同地層組成,且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊的地層組合,定義為復合地層。

          復合地層的組合方式是非常復雜多樣的,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。

         ?。?)復合地層在垂直方向上的變化。最典型的垂直方向上的復合地層就是所謂“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)。

         ?。?)復合地層在水平方向上的變化。在一施工段當中,可能分布著不同時代、不同巖性或不同風化程度,從而表現出不同巖土性質的地層。比如廣州地鐵五號線草~陶區間的地層(見圖5)。

          圖中白堊系紅層的粉砂巖為軟巖,單軸抗壓強度一般≤30MPa;花崗巖和石炭系石灰巖是硬巖,單軸抗壓強度一般會≥60UPa。

         ?。?)在水平方向和垂直方向兩者兼而有之的更為復雜的變化。

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