地地质图与地与地质详勘勘报告的告的阅读同同济大学大学唐益群唐益群 地质图的阅读地质图的分类地质图的阅读要点地质图阅读方法盾构施工应特别注意的地质条件盾构施工的其他风险源及规避措施地质详勘报告的阅读岩土工程勘查盾构施工地质详勘工作内容详勘报告中的参数理解特别地层勘查重点参数地下水对盾构施工的影响主要内容主要内容第一部分地质图的阅读p把各种岩层和地质构造按照一定的比例投影在平面上，并用规定的颜色和符号来表示的图件，就是地质图。p从地质图上可以全面了解一个地区的地层顺序及时代、岩性特征、地质构造（褶皱、断层等）、矿产分布、区域地质特征等内容。因此地质图是指导生产实践，进行区域地质、地理、自然环境研究的重要资料。第一部分 地质图的阅读一 地质图的分类p地质图图面内容包括：平面图、剖面图、柱状图和图例。p根据生产或研究目的不同，地质图可分为：水文地质图、工程地质图、第四纪地质图、岩相-古地理图、矿产分布图、构造纲要图、大地构造图等等。p工程中应将平面图、剖面图（实测或从平面图上按指定方向绘制）以及柱状图综合阅读，以便更清楚地了解地下地质情况。对于盾构施工而言，工程范围为线状分布，因此隧道沿隧道沿线的剖面的剖面图应为主要分析主要分析图件件。一 地质图的分类平面图剖面图柱状图图例二 地质图的阅读要点p在盾构施工中，根据足够数量的可靠的地质柱状图绘制地质纵剖面图，可以最大限度地了解盾构穿越最多的有代表性的地层条件和最困难部分的土层工程特性和各种障碍。了解的要点是：1.隧道沿线地面下各土层的分类、各土层在垂直向及水平向的分布、各类土的工程特性和土层含沼气的情况；二 地质图的阅读要点2.盾构穿越地层的地下水位高度，穿越透水层和含水砂砾透镜体的水压力、岩土体渗透系数、以及土壤在动水压力作用下的流动性；3.盾构开挖可能碰到的各种障碍物的里程位置以及盾构穿越的各种地下水管线和地面建筑物的情况；4.在盾构隧道覆土较浅及穿越河道的地段特别要注意查清覆土层的工程特性。二 地质图的阅读要点三 地质图阅读方法1.看：图名、图幅代号、比例尺等。图名和图幅代号可以告诉我们图幅所在的地理位置。一幅地质图一般是选择图面所包含地区中最大居民点或主要河流、主要山岭等命名的。比例尺告诉我们缩小的程度和地质现象在图上能够表示出来的精确度。此外，还应注意图的出版时间、制图人等。三 地质图阅读方法图名比例尺2.看图例：通过图例可以了解制图地区出露哪些地层及其新老顺序等。图例一般放在图框右侧，地层一般用颜色或符号表示，按自上而下由新到老的顺序排列。每一图例为长方形，左方注明地质年代，右方注明岩性，方块中注明地层代号。岩浆岩的图例一般在沉积岩图例之下。构造符号放在岩石符号之下，一般顺序是褶曲、断层、节理、产状要素等。三 地质图阅读方法沉积岩岩浆岩构造符号3.剖面线：剖面线有时通过地质图相对图框上的两点画出黑色直线，两端注有A-A或I-I等字样，这样的直线称剖面线，表示沿此方向已经作了剖面图。三 地质图阅读方法AB4.分析图内的地形特征：如果是大比例尺地质图，往往带有等高线，可以据此分析一下山脉的一般走向、分水岭所在、最高点、最低点、相对高差等。如果是不带等高线的小比例尺地质图，一般只能根据水系的分布来分析地形的特点，如巨大河流的主流总是流经地势较低的地方，支流则分布在地势较高的地方；顺流而下地势越来越低，逆流而上越来越高；位于两条河流中间的分水岭地区总是比河谷地区要高，等等。了解地形特征，可以帮助了解地层分布规律、地貌发育与地质构造的关系等。三 地质图阅读方法山山顶顶鞍部鞍部山谷山谷河流河流5.分析地质内容应当按照从整体到局部再到整体的方法，首先了解图内一般地质情况，例如：（1）地层分布情况，老地层分布在哪些部位，新地层分布在哪些部位，地层之间有无不整合现象等；（2）地质构造总的特点是什么，如褶皱是连续的还是孤立的，断层的规模大小，它发育在什么地方，断层与褶皱的关系怎样，是与褶皱方向平行还是垂直或斜交等等；（3）火成岩分布情况，火成岩与褶皱、断层的关系怎样。三 地质图阅读方法6.在掌握全区地质轮廓的基础上，再对每一个局部构造进行分析：(1)开始时最好从图中老岩层着手，逐步向外扩展，以免茫无头绪；(2)对每一种构造形态，包括褶曲、断层、不整合、火成岩体等逐一详加分析。例如褶曲类型，断层类型，各构造组合关系等。三 地质图阅读方法向斜向斜向斜向斜断断层层背斜背斜7.把各个局部联系起来，进一步了解整个构造的内部联系及其发展规律，主要包括：(1)根据地层和构造分析，恢复全区的地质发展历史；(2)地质构造与矿产分布的关系；(3)地质构造与地貌发育的关系，等等。三 地质图阅读方法8.对于盾构施工项目，要通过地质剖面图了解隧道将要穿越的土层，结合地质勘察报告了解土层性质。如下图为上海地铁4号线浦东南路站南浦大桥站区间工程地质剖面图。图中可以看出，穿越黄浦江底时，隧道所在地层为第层(1层、2层)，该土层砂性重，透水性好，易液化。施工中应当注意防止突水、流沙现象。三 地质图阅读方法三 地质图阅读方法第层土层砂性重，透水性好，易液化。施工中应当注意防止突水、流沙现象。三 地质图阅读方法下图为上海地区地铁隧道某局部线路穿越土层剖面图，可以看出，此局部线路隧道大部分区段基本上处于淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土层中三 地质图阅读方法 盾构施工，经过不同地层盾构施工，经过不同地层p盾构区间施工地质风险源通常可以包括: 区域断裂构造、特殊土层、特殊岩层、不利复合地质、有害气体、地下水、地下障碍物等。p在阅读地质剖面图时，应当注意找出施工范围内是否有上述这些风险源，这些风险源影响程度如何？是否对工程有较大影响等？四 盾构施工应特别注意的地质条件四 盾构施工应特别注意的地质条件盾构施工中，以下地质条件会对施工产生不利影响，包括：1.软硬土层交叠（复合地层），如广州，深圳等地；2.砂土、砂质粉土、粉细砂、粉质粘土，如上海,南京,杭州等地；3.地裂缝、软弱夹层、裂隙破碎带，如西安,青岛,厦门等地；4.砂砾粗砂夹大块卵石，如成都等地；5.涌水，涌泥；6.瓦斯沼气囊带，如上海，杭州等地;7.欠固结滨海（湖、河）新近沉积软土，如上海，广州，天津等地；8.潮汐水流冲刷（沿海地区），河床不稳（内地局部城市）;四 盾构施工应特别注意的地质条件对于采用盾构法施工的隧道，还有以下不良地质条件应该注意：1.膨胀性围岩区域;2.溶洞、采空区域;3.岩爆区域;4.滑坡区域;5.泥石流区域;6.盐渍土侵蚀性污染土区域;7.地震破坏区域。四 盾构施工应特别注意的地质条件剖面图中断层以一条线表示，一般断层两侧岩性或岩层产状不同。1区域断裂构造断裂对工程的影响，一方面要判断断裂是否活动，该地区是否有具备发生高震级地震的构造条件；另一方面要注意断裂带两侧岩体破碎对盾构施工的影响。1淤泥质土其特征是高含水量、高压缩性、高灵敏度、低-极低强度。当盾构全部置于该土层中时，常见的风险主要表现在如下方面: 2 特殊土层淤泥质粘土淤泥质粉质粘土淤泥(1)因其低强度和高压缩性,故工后沉降可能性很大，且沉降完成时间长，仅用螺栓紧固管片拼装成的隧道自身稳定性较差，可能造成线路纵坡的变化及管片的错台和损坏等。(2)盾构机机体的重量在轴向不均匀，其前部的1 /3（包括刀盘主轴承和螺旋输送机等）大约占盾构机总重的2 /3 以上。在这种流塑状的淤泥质地层推进不容易掌握盾构机姿态，尤其是出洞时，易出现盾构机的“叩头”现象，导致管片安装困难，线路纵断面超限。(3)在隧道的横通道施工时，主要问题是如何保证围护结构的施工质量及坑底隆起。(4)当隧道上方存在无桩浅基础多层建筑物时，隧道下穿前需要进行托换等加固措施。但往往托换施工难度大，沉降控制非常困难。2 特殊土层p以杭州地铁隧道盾构施工为例：p杭州市中西部有著名的西湖和西溪湿地国家公园（主要属西湖区），西南部有湘湖（属萧山区）。这些区域的地层中上部为巨厚层淤泥质土（1号线滨康路站-湘湖站区间最大厚度可达25 m），主要为海相沉积和湖沼相沉积层。杭州地区的淤泥质土可细分为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土和淤泥质粉质粘土夹粉土薄层等类型。p在实际施工过程中,主要采用调整液压千斤顶和增加配重来控制盾构机姿态,避免出现隧道“蛇形”和盾构机“叩头”现象。对于少量无桩浅基础多层建筑物主要采用拆除的办法来确保安全, 总体施工效果良好。2 特殊土层2粉土砂土通常情况下，粉土和砂土并不看作为特殊土，但对于盾构施工而言，粉砂性土因其粘聚力低、流塑性差、含水量高、渗透系数大等特征，使得盾构在该类土层中施工常遇到以下技术难题：2 特殊土层粉土：砂质粉土、粉质砂土；砂土：砾砂、粗砂、中砂、细砂。2 特殊土层(1)砂土液化主要原因是地震。结合该地区抗震要求进行砂土液化判别，对可能发生液化的土层进行处理；(2)由于砂性土摩擦阻力大，因而刀盘及千斤顶推力波动较大，对前方土体扰动过多，故地面沉降大而不容易控制，再加上砂性土具较好的渗透性，很容易导致流砂甚至液化发生; (3)盾构掘进时刀盘及主轴承扭矩、千斤顶推力太大，施工进展较慢，同时导致刀盘、主轴承过度磨损；由于砂性土流塑性太差，螺旋出土器出土困难，工作面形成“干饼”; (4)注浆压力及注浆量很大，进一步导致地面沉降失控。南京地铁二号线中和村元通站盾构隧道施工期间，盾构掘进达到元通站右线南端头接受井洞门时，发生突发性涌水涌砂，导致以下灾害发生：1.盾构隧道局部坍塌100m；2.盾构的再度下沉；3.周围地面下沉；4.车站端头井面临失稳。为此立即采取了以下措施：1.封堵了盾构出发和接收两井的洞门；2.在下沉区进行了大规模的充填注浆；3.向隧道内注水保持隧道内外水土压力平衡，控制隧道不再变形。2 特殊土层2圆砾圆砾层主要会有两个风险：(1)圆砾层为最主要的承压水含水层，盾构机会面临高水头承压水的威胁，一旦土压较大波动，就可能会造成过量砂粒和粘粒涌入密封舱，可能导致密封舱的失压，引发沉陷；(2)圆砾层上方若覆盖有粉砂、粉质粘土等较软弱的土层，盾构会出现上软下硬的不良地层组合，对施工带来一定的不利影响。2 特殊土层圆砾p以杭州地铁盾构施工为例：p杭州地层中有2 层- 3 层圆砾层，局部（钱塘江两岸）连续分布，形成厚度达20m以上的巨厚圆砾层，层面埋深30m左右。总体上圆砾层中大于2mm以上砾石颗粒占50% 65%，其中大于2cm 以上卵石颗粒占20% 30%左右。其中4号线富春路站以南区段范围颗粒稍大，但还未达到卵石类别，且埋深达35m以上。通常情况下，盾构区间底板埋深小于25 m，但1号线和2号线下穿钱塘江段最大埋深大于30m，其中其中1号号线揭露揭露圆砾层。由此，施工施工过程中面程中面临前述两个前述两个风险。2 特殊土层特殊岩层对盾构施工的影响主要包括：(1)岩层自上而下风化程度不同，导致岩体软硬程度不同，出现上软下硬的不良地层组合；(2)岩层受到地质构造作用，不同部位破碎程度不同；(3)在较硬的岩层中夹薄层软岩。以上这些问题对施工方法、刀具选择都提出了较高的要求。3 特殊岩层p对于盾构构施工工艺而言，不利复合地层主要为上软下硬的地层组合。p地层的软硬是相对的，如可塑以上粘性土、粉砂性土、砾石层、基岩等均可以看作相对于淤泥质土的硬土层。p而上部为砂层、下部为基岩是典型的上软下硬土层。4不利复合地层p以杭州地铁某区间隧道盾构施工为例：p典型的上软下硬不利复合地层：如1 号线某区间中深埋的区段盾构上部2 /3左右为软塑- 可塑状的含砂粉质粘土，下中部1 /3为细砂或圆砾层。圆砾层呈中密- 密实状。本地层组合的区间长度约330 m，占整个区间总长度的11. 8% ，主要分布在江中埋深最深的部分。盾构在推进过程中，刀盘上下所受阻力不同，造成控制盾构机姿态困难，刀具磨损严重等问题。4不利复合地层软硬盾构p盾构施工中常见的有害气体为沼气，其主要成分为甲烷。甲烷是无色无味的气体，对人基本无毒，但在通风不良的情况下，浓度过高时，可使人窒息死亡。其浓度达到5%时，遇高温或明火具有气爆性。因此在存在沼气的区间施工过程中存在一定风险。p盾构区间施工中应采取有效防范措施：配备瓦斯报警仪、加大通风、禁止使用明火等。5 有害气体5 有害气体静探孔中喷发气水、气砂混合物地下突然喷出沼气火焰5 有害气体p上海地区某隧道推进过程中遇到的含沼气地层剖面示意图p以杭州地铁盾构施工为例：p地铁1号线下沙段某车站在施工过程中出现底板翻砂翻水和冒气的现象，危及地下连续墙的稳定性。在马上采取应急措施后，进行了系统的排气处理措施。p排气主要采取了竖向隔断和水平隔断，有效地解决了沼气对车站施工的危害。竖向隔断是指采用高压旋喷桩隔断车站外侧与内侧的储气层，使外侧气流不能进入内侧，孤立基坑内气层。水平隔断是采取对底板下部土体进行旋喷桩加固或者注浆加固，同时也起到加基底土层的效果，有效控制了有害气体冒出时带出水、泥沙现象。p应该要注意的是虽隔断法的功效较为明显，但并不能保证完全隔断储气层，所以还要进行前期前期有效地排气，并设坑外有害气体释放孔，将基坑内气压力控制在0. 1 MPa 下。同时，基坑内气压力减小后，水位会上升，所以应加强基坑内降水。5 有害气体p地下障碍物主要指地下管线、已有桩基、原有隧道、废弃构筑物、抛石等，虽然在隧道选线时已尽力避开这些障碍物，但隧道某些区间距离管线等较近，在施工时就应当特别注意，做好盾构推进方向的控制，避免由于隧道轴线偏移而造成的管线、桩基的破坏。6 地下障碍物五 盾构施工的其他风险源及规避措施p除之前提到地质风险源外，盾构施工中可能遇到的其他风险源还有：五 盾构施工的其他风险源及规避措施1.水文条件调查不清，包括：(1)水的腐蚀性; (2)水的补给来源; (3)岩土的渗透性、含水量；(4)水位、水压力的确定。2.地面构筑物的类型和基本特征调查不清：(1)构筑物的使用年限; (2)框架结构、砖混结构、砖结构; (3)是否被列人文物保护单位; (4)基础结构类型，如条基、桩基等; (5)基础与隧道的空间关系。3.3.盾构机盾构机选型的不合理，即盾构机与水文、地型的不合理，即盾构机与水文、地质、边界条界条件不匹配，也会件不匹配，也会为施工施工带来来风险，应当当认真确定以下方真确定以下方面：面：(1)刀盘、刀具的适用性（对地层强度的适用性）；(2)主轴承（对地层反力的适用性）；(3)推力和扭矩（对地层反力的适用性）；(4)螺旋输送器（对弃碴状态和进度要求的适用）；(5)系统压力（对地层压力的适用性）；(6)使用寿命（经济性）。五 盾构施工的其他风险源及规避措施4.施工管理、决策、操作、换刀不当引起地层变形过大, 易造成地下管线和地面构筑物损坏等事故，因此在施工中应当注意以下方面：(1)始发安全（防止始发方向失控、掌子面土体失稳）；(2)管片选型（防止盾尾卡死，保证衬砌质量）；(3)压力控制和出土量控制（防止地表下沉或隆起，造成建筑物损坏）；(4)根据掘进地层的稳定区段情况，有计划地对刀盘进行检查和刀具更换（前方若有异物，则应防止刀盘、刀具损坏）； (5)做好盾构机施工状态过程监测（防止机械系统故障和损坏）。 五 盾构施工的其他风险源及规避措施p盾构施工的风险规避措施有：五 盾构施工的其他风险源及规避措施1.盾构施工项目策划必须到位，对项目的各种风险要有充分认识，确定符合实际的参数，而且要留有一定的安全系数，否则，实际施工中一旦出现突破原策划的参数整个工程的损失是很大的。2.人始终是施工的第一要素，盾构施工更是如此。要想把盾构产业发展壮大，培养一批高素质的既懂机械又懂土木，又有应变能力的技术、管理、技工队伍是非常必要的。3.必须详细进行地质及边界条件调查, 复杂地带按5m 10m一个钻孔进行勘探，这是盾构机选型、采购的前提条件。要在目前地下工程调查的基础上增加一些有针对性的项目，如岩土在破碎、搅拌条件下的流动性和粘性分析、管线位置的探测、超前地质预报或在特殊地段加密钻孔等。五 盾构施工的其他风险源及规避措施4.盾构选型(1)盾构选型、设计、制造必须以工程为依托，以施工单位为主体，在充分考虑盾构生产厂家建议的基础上进行； (2)充分了解不同地区各种盾构项目的经验教训； (3)建立适应不同水文、地质条件的自己的刀盘、刀具、主轴承选型的技术平台； (4)对不同刀具切削不同岩土的机理进行研究。五 盾构施工的其他风险源及规避措施第二部分 地质详勘报告的阅读p地铁隧道盾构法施工岩土工程勘察工作主要执行的标准有：地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999）岩土工程勘察规范（GB50021-2001）（2009年版）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）建筑抗震设计规程（GB50011-2001）p并可参考以下规范中有关隧道工程勘察的条目：铁路工程地质勘察规范（TB10012-2007J124-2007）公路工程地质勘察规范（JTGC20-2011）p以及施工所在地区的地区标准等。第二部分第二部分 地地质详质详勘勘报报告的告的阅读阅读一岩土工程勘查p岩土工程勘察 是指根据建设工程的要求，查明、分析、评价建设场地的地质、环境特征和岩土工程条件，编制勘察文件的活动。p工程建设的不同阶段，对岩土工程勘察的详尽程度和岩土工程评价的内容有着不同的要求。划分勘察阶段是为了明确对应于工程建设不同阶段的勘察目的和任务。根据工程建设周期中不同阶段的划分。相应的勘察阶段通常可分为可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察和施工勘察。一岩土工程勘查(1)(1)可行性研究勘察可行性研究勘察的目的是为可行性研究及场址选择提供依据，其主要任务是对一个或若干个拟建场地的稳定性和适宜性作出评价。(2)(2)初步勘察初步勘察的目的是为初步设计或扩大初步设计提供依据，对于房屋建筑，其主要任务是对场地内建筑地段的稳定性作出评价，为确定建筑总平面布置、主要建筑物地基基础方案及对不良地质作用的防治方案等提供必要的资料。一岩土工程勘查(3)(3)详细勘察勘察的目的是为施工图设计和施工提供依据，对于房屋建筑，其主要任务是对建筑地基作出评价，为地基基础设计、地基处理、不良地质作用的防治、施工方法的选择等提供必要的资料。(4)(4)施工勘察施工勘察是施工期间因设计、施工需要而进行的勘察。p勘察工作宜分阶段进行，这是根据我国工程建设的实际情况和数十年勘察工作的经验提出的，勘察规范中对于各个勘察阶段的勘察工作量、勘察技术要求及勘察成果均有明确的规定。但是，由于不同行业工程的规模和对勘察要求各不相同，场地和地基的复杂程度差别很大，地区工程经验的成熟程度也不一致，要求每个工程都分阶段勘察，是不实际也是不必要的。一岩土工程勘查二 盾构施工地质详勘工作内容p根据地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999），盾构法施工隧道的勘察，应为解决下列工程问题提供勘察资料：1.选定隧道轴线位置。2.确定隧道在陆地及江、河、湖、海大水体下的最小覆盖层厚度及其纵断面。3.盾构类型及盾构正面支撑开挖。4.盾构施工方法及连通道等附属建筑的施工方法。5.衬砌结构及竖井等地下结构的设计。6.不良地质条件下施工阶段和运营中的工程问题预测。7.辅助施工方法。8.环境保护。二 盾构施工地质详勘工作内容p盾构法施工隧道的勘察，应查明以下复杂地层：1.灵敏度高的软土层。2.透水性强的松散砂土层。3.高塑性的粘性土层。4.含有承压水的砂土层。5.含漂石或卵石的地层。6.开挖面的软、硬地层。二 盾构施工地质详勘工作内容p盾构法施工的隧道，应根据实际情况，从右表中选择需要进行的勘察项目。二 盾构施工地质详勘工作内容p对于详细勘察阶段，应包括下列内容：1.对工程地质、水文地质复杂地段、特殊地段或有施工特殊要求的区段，应进行重点勘察，并应提出评价及处理方案。2.对车站出入口、通风道、水源井、车辆段等应进行单独详细勘察。3.车站横剖面图不得少于3个。在地质条件复杂地段的区间应布置横剖面。二 盾构施工地质详勘工作内容4.依据工程地质和水文地质条件，结合设计及施工方法的要求，按车站、区间综合各项指标以数理统计的方法分层，提出设计所需要的技术参数。5.查明水文地质条件，补充初步勘察的不足。进一步查明地下水的性质，并做出评价。需要降水施工时，应分车站、区间提出降水方法及有关计算参数。二 盾构施工地质详勘工作内容 三 详勘报告中的参数理解 三 详勘报告中的参数理解p勘察报告中的正文所包括的内容有：1.拟建工程概述。2.勘察目的、任务和要求。3.勘察工作量及工作方法。4.区域地质概况。5.勘察场地的地形、地貌、水文、气象概况。6.场地环境，包括拟保留的和拟拆除的各种地面工程、地下工程、道路、管线等。7.勘察场地的地质构造及地层的年代、成因、产状、性质及分布。8.岩土的物理力学性质、围岩分类、岩土设计参数。9.地下水的类型、赋存、补给、径流、排泄条件、水位及其变化，地层的透水和隔水性质。10.不良地质现象及其发展趋势，特殊地质条件分析评价。11.岩土工程分析评价并提出相应的建议。 三 详勘报告中的参数理解p地层物理性质主要包括表中所列的项目：1 地层的物理性质参数 物物 理理 性性 质1 比重、含水量、重力密度、孔隙比2 颗粒分析（即含砾石量、含砂量、含粉砂量、含粘土量；d60、d10及不均匀系数；最大粒径；砾石形状、尺寸、硬度）及颗分曲线3 液限、塑限4 波速1.比重、含水量、重力密度、孔隙比是岩土体最基本的物理性质参数。其中，含水量对于盾构的选型有着较重要的影响。含水量是指水的质量与岩土固体质量之比。对砂砾等土层，含水量较大时，盾构施工中会面临突水等问题。对于粘性土，含水量与液限、塑限结合，可以得出土层的状态。1 地层的物理性质参数2.液限与塑限土从流动状态转变为可塑状态的界限含水率称为液限；土从可塑状态过渡到半固体状态时的界限含水率称为塑限。两者可用液、塑限联合测定法测定。液、塑限联合测定仪包括（如下图所示）：带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。圆锥质量为76g；锥角为30读数显示宜采用光电式、游标式和百分表式。试样杯内径为40mm，高度为30mm。1 地层的物理性质参数1 地层的物理性质参数1-显示屏；2-电磁铁；3-带标尺的圆锥仪；4-试样杯；5-控制开关；6-升降座。液性指数IL是指黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比，即：液性指数可以确定粘性土的状态：1 地层的物理性质参数若黏性土含水率大于液限，即液性指数大于1，则处于流塑状态。当黏性土保持天然结构时，其仍具有一定的强度，并不呈流动的性质（为潜流状态），但天然结构一旦遭到破坏，其强度立即丧失而呈现流动状态，切削面难以自立，因而需选用适合的封闭型盾构机。盾构施工中，若穿越此种土层，应当对其进行加固，避免施工扰动使土层流动而引发周边大规模的地面沉降，造成周边建筑物的倾斜、开裂等。1 地层的物理性质参数3.通过颗粒分析可以得到土的颗粒级配。由土的累积曲线，可确定两个描述土的级配的指标：不均匀系数：Cu=d60/d10曲率系数：Cc=(d30)2/(d60d10)工程中，当同时满足Cu5和Cc=13时，土的级配良好。1 地层的物理性质参数级配曲线反映了土壤的粒度分布，是盾构选型的影响因素之一（见下图）。例如：在盾构施工中，级配不良的砂土往往密实度差，较为松散，渗透系数大，易产生塌陷，流沙等。可以采用泥水盾构，防止切削面坍塌。一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒总量达到40%以上时，宜选用土压平衡盾构。反之选择泥水盾构比较合适。1 地层的物理性质参数1 地层的物理性质参数p地层力学性质主要包括表中所列的项目：p下面介绍其中较为重要的几个参数。2 地层的力学性质参数 力力 学学 性性 质1 无侧限抗压强度2 粘聚力、内摩擦角3 压缩模量、压缩系数4 泊松比5 静止侧压力系数6 标贯击数1.无侧限抗压强度与灵敏度（St）灵敏度用来定量描述黏性土的灵敏性，其值为无侧限抗压试验测定的原状土峰值强度与重塑土峰值强度之比。工程实践中，根据灵敏度大小常把黏性土分成如下三类：2 地层的力学性质参数一般黏性土St=24灵敏性黏性土St=48高灵敏性黏性土St8无侧限抗压强度主要采用应变控制式无侧限压缩仪测量。该仪器由测力计、加压框架、升降设备等组成，如图所示。2 地层的力学性质参数1-轴向加荷架 2-轴向测力计3-试样 4-上下传压板5-手轮6-升降板7-轴向位移计在高灵敏性黏性土中施工时，土体受到扰动后强度降低，与高含水率的黏性土相似，应当对此种土层进行加固，避免引起地面沉降，使周围建筑产生安全隐患。2 地层的力学性质参数2.粘聚力、内摩擦角p粘聚力和内摩擦角是土的抗剪强度指标。前者主要由土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力以及土中化合物的胶结作用而形成；后者主要是由土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的连锁作用而产生的咬合力所引起。2 地层的力学性质参数土的抗剪强度试验有多种方法室内试验常用的有直接剪切试验、三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验等。其中：直接剪切试验只能控制加荷速率，不能控制排水条件，土样的排水状况主要取决于土类。三轴剪切试验除了测定土的抗剪强度指标外，由于试验结果同时还反映土的应力应变关系，即可用以测定土的其他力学性质指标，甚至包括土的非线性特性指标。无侧限抗压强度试验的结果只能作一个极限应力圆，主要用于测定饱和粘性土的黏聚力（内摩擦角为0）。2 地层的力学性质参数可见，三轴试验是应用较多的一种试验方法。它的主要仪器为应变控制式三轴仪（如图所示）。2 地层的力学性质参数2 地层的力学性质参数此外，其他原位原位测试也可以间接得到土层的强度指标，例如：载荷试验可以估算土体不排水抗剪强度；静力触探、标准贯入试验可以估算黏性土的不排水强度和砂土的内摩擦角；十字板剪切试验可以量测饱和软粘土的不排水抗剪强度。2 地层的力学性质参数土的强度特性是非常复杂的，即使对于同一种土，强度指标除了与试验方法、试验条件等有关，还受许多其他因素影响，如土的各向异性、应力历史、蠕变等的影响。实际工程问题的情况是千变万化的，用实验室的试验条件去模拟现场条件并非容易的事。因此，对于某个具体工程问题，如何确定土的抗剪强度指标，需要进行多方面综合考虑分析。2 地层的力学性质参数首先要根据工程问题的性质确定分析方法，即采用总应力法还是有效应力法，然后选择抗剪强度指标的试验方法。一般认为由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度指标宜用于分析土体的长期稳定性，而对于饱和软黏土的短期稳定问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标，以总应力法进行分析。此外，在选择土的抗剪强度指标时还应结合工程经验。2 地层的力学性质参数p土的抗剪强度指标的工程数值范围大致为：2 地层的力学性质参数砂土的内摩擦角变化范围不是很大，中砂、粗砂、砾砂一般为3240；粉砂、细砂一般为2836。孔隙比越小，内摩擦角越大，但含水饱和的粉砂、细砂很容易失稳，因此对其内摩擦角的取值应当慎重。砂土有时也有很小的粘聚力（约10kPa以内），这可能是砂土内夹有一些粘土颗粒，也可能是由于粘聚力的缘故。黏性土的抗剪强度指标的变化范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。内摩擦角的变化范围大致为030；粘聚力的则可从小于10kPa变化到200kPa以上。2 地层的力学性质参数3.压缩模量Es、压缩系数a土层压缩模量、压缩系数由压缩-固结试验测定，试验仪器如图所示。2 地层的力学性质参数1-水槽2-护环3-环刀4-导环5-透水板6-加压上盖7-位移计导杆8-位移计架9-试样压缩固结仪实物图2 地层的力学性质参数试验中分级加压，得到e-p曲线，或e-log p曲线。2 地层的力学性质参数p压缩模量和压缩系数均为描述土体压缩性的指标，它们的关系为：其中，e1为ep曲线上100kPa压力对应的孔隙比。2 地层的力学性质参数p工程中，一般采用为ep曲线上100200kPa压力区间内对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性。2 地层的力学性质参数低压缩性土中压缩性土高压缩性土p对于高压缩性土应当特别注意，避免由于盾构施工引起的地层扰动产生较大的土层变形。必要的时候应当对土层进行加固处理。2 地层力学性质参数4.标贯击数p标准贯入试验是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm的落距，将标准规格的贯入器，自钻孔底部预打15cm，记录再打入30cm锤击数，判定土的力学特性。p标贯试验作为一种传统的原位测试方法，其应用具有较成熟的经验，如判定粘性土的状态，砂土的密实度，判别砂土液化，确定土层的承载力及变形参数等。标准贯入试验主要从三个方面进行了标准化：锤击能量标准化；贯入器标准化（称为标准贯入器）；试验方法标准化。2 地层的力学性质参数标准贯入试验的设备规格见下表。2 地层的力学性质参数落 锤锤的质量(kg)63.5落 距(cm)76贯入器对开管长 度(mm)500外 径(mm)51内 径(mm)35管 靴长 度(mm)5076刃口角度()1820刃口单刃厚度(mm)2.5钻 杆直 径(mm)42相 对 弯曲1/10002 地层的力学性质参数p工程地质钻机。贯入器打入土中15cm后，开始记录每打入10cm的锤击数，累计打入30cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N。当锤击数已达50击，而贯入深度未达30cm时，可记录50击的实际贯入深度，按下式换算成相当于30cm的标准贯入试验锤击数N，并终止试验。式中： 换算成相当于30cm的标准贯入试验锤击数; 50击时的贯入度(cm)。2 地层的力学性质参数p岩土工程勘察规范（GB50021-2001）规定砂土的密实度应根据标准贯入锤击数划分为密实、中密、稍密和松散四种状态，见下表。2 地层力学性质参数p标贯击数作为地层力学性质参数，在盾构施工中具有重要的意义，它是盾构选型的关键参数之一。2 地层力学性质参数3 地下水相关参数 地下水 1 地下水位2 孔隙水压力3 渗透系数4 流速、流量5 水质分析p地层与地下水相关的性质主要包括表中所列的项目：水文地质参数测定方法如下表所示：3 地下水相关参数参数参数测定方法定方法水位钻孔、探井或测压管观测渗透系数、导水系数注水试验、压水试验、室内渗透试验给水度、释水系数稳定流抽水试验、非稳定流抽水试验、地下水位长期观测、室内试验越流系数、越流因数多孔抽水试验（稳定流或非稳定流）单位吸水率注水试验、压水试验毛细水上升高度试坑观测、室内试验1.地下水位的高低决定了施工环境是否有地下水存在。盾构施工中地下水是一把双刃剑，利用好可以为施工提供便利，而稍有不慎也会引起重大的工程事故。这一部分的讨论将在之后进行。3 地下水相关参数2.孔隙水压力对于潜水而言，孔隙水压力主要是由地下水位的高低决定；而对于承压水，孔隙水压力要比同样深度的潜水大得多。当水压大于0.3MPa时，宜采用泥水盾构。若因其他地质原因需要采用土压平衡盾构，应增大螺旋输送机的长度或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。3 地下水相关参数孔隙水压力测定方法和适用条件如下表所示：3 地下水相关参数3.土层渗透系数与地下水流量、流速土层渗透系数也是与盾构施工紧密相关的参数之一，其值可由室内渗透室内渗透试验或或现场抽水抽水试验测定定。不同土类的渗透系数参考值见下表。3 地下水相关参数在在详细勘察勘察阶段，要准确段，要准确测定含水定含水层的参数，如渗透系的参数，如渗透系数等，数等，应采用采用带观测孔的抽水孔的抽水试验。试验中绘制降深随时间的变化曲线，通过公式计算土层的渗透系数、导水系数等。也可通过室内试验测定土样渗透系数。其中：常水头渗透试验适用于粗粒土，渗透系数的计算公式直接采用达西定律。变水头渗透试验适用于细粒土，渗透系数的计算公式通过积分推导出来。3 地下水相关参数地地层渗透系数渗透系数对于盾构于盾构选型是一个很重要的因素。型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层渗透系数在10-710-4m/s时，既可以选用土压平衡盾构，也可以选用泥水式盾构；当地层渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。室内室内渗透渗透试验或或现场抽水抽水试验测定渗透系数，定渗透系数，应该注意的注意的问题！ 3 地下水相关参数p地地层渗透系数与盾构渗透系数与盾构类型的型的关系关系p若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构，如右图所示。3 地下水相关参数水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水对渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力即为渗透力。渗透系数一定时，土层中地下水流速越大，单位长度水力梯度越大，由于土体单位渗透力为：可见，流速越大，土骨架受到的渗透力越大，使得土体（尤其是砂土中）很容易发生流沙、管涌现象。3 地下水相关参数若在地下水动水压力作用下，由隧道下卧土层向隧道内漏入的水土越多，则隧道因之而产生的纵向弯曲越严重，隧道底部环向裂缝越大，水土流失的增加与裂缝的加宽，恶性循环地发展，便导致隧道塌陷。在工程中，要对隧道穿过或部分穿过的每个含水层的水压、土颗粒组成做出可靠的试验结果。存在水存在水土流失条件的地方，要土流失条件的地方，要对隧道防水措施以及防止内隧道防水措施以及防止内衬收收缩裂裂缝提出提出严格限制。格限制。3 地下水相关参数 三 详勘报告中的参数理解p不同地质条件下盾构施工所关注的重点参数是不同的。盾构施工中，应当根据实际情况，有针对性地重点关注岩土体的某些参数，并将其综合考虑，提提出最合适的施工工法。出最合适的施工工法。四特别地层勘察重点参数崩塌性砂崩塌性砂层层高水高水压压的的混有巨石混有巨石的的砾层砾层软软淤泥黏淤泥黏土土层层缺氧、含缺氧、含有毒气体有毒气体的地的地层层四特别地层勘察重点参数结结合初步勘合初步勘合初步勘合初步勘查查的的的的结结果，果，果，果，对对于于于于盾构工程而言，盾构工程而言，盾构工程而言，盾构工程而言，详细详细勘察勘察勘察勘察的的的的重重重重点点点点是盾构施工是盾构施工是盾构施工是盾构施工线线址上的特殊址上的特殊址上的特殊址上的特殊地地地地层层的定性的定性的定性的定性勘勘勘勘察。察。察。察。包括：包括：包括：包括：p土层特点：不均匀系数小密实性差渗水系数大稳定性差1 崩塌性砂层p带来问题：土压稍有失衡就会发生崩塌，当盾尾离开后注入浆液尚未填充到位之前的短暂时间间隔内，地层中将会出现空洞，砂层中出现崩塌直至地表出现沉陷。p重要勘察参数：土层颗粒级配构成渗透系数地下水位1 崩塌性砂层p采取措施：设计出与地层条件匹配的泥水（泥土）参数。在采用泥水盾构情形下，应恰当地选择泥水的密度、颗粒级配、泥水的粘度等参数；同时，应恰当地选择泥土的配比、添加材料的注入量等参数。p常见问题：1.未勘察清楚土层参数，导致盾构设计不合理。2.竖井井底粘土层下方存在砾石而未勘察出，或勘察到的土层参数有误，在开挖井底时因承压水的作用可能会出现井底隆起。2 高水压砾石层p重要勘察参数：1.砾石层颗粒级配、硬度；2.地下水流速、流量；3.承压水压力大小。p常见问题：由于土层含水率大于液限，处于流动状态，稍受到外力作用就会发生扰动，强度显著下降。就这种土而言，不仅盾构掘进中保持土压平衡极为困难，而且往往会出现下图所示的引动前期沉降，及盾构通过后沉降长期不收敛，即沉降持续时间特别长。3 软淤泥粘土层p采取措施通过勘察掌握土体的灵敏度和变形特性；提出合理的加固设计依据。3 软淤泥粘土层盾构穿越软淤泥粘土层时的沉降状况p盾构穿越地下水枯竭的砂砾层和过多含有未分解有机物的黏土层，及缺氧和有毒气的土层之前，应先分析水质，测定气体浓度，了解其含量。为了防范未然，盾构机上应配备各种监测装置及报警装置，以此确保作业安全。4 缺氧、含有毒气的地层5 特殊地层勘察重点应注意的地注意的地层勘察重点勘察重点特特别需要需要调查的的项目目崩塌性砂层地层强度（抗剪强度）、细颗粒含量（百分率）、均匀系数、曲率系数、透水系数现场透水试验、渗透系数、孔隙水压力测定高水压区含卵石砾层卵石及砾石形状、尺寸、数量、硬度、均匀系数、透水系数、地下水流量、流速、孔隙水压力大直径钻孔、深基础试掘、抽水试验、渗透试验、测定孔隙水压力软弱粉质粘土层灵敏度、粘度、地层强度（抗剪强度）、变形特性（变形系数）、e-logp曲线、压实系数单轴抗压强度试验（包括重塑土）含缺氧气体和有害气体的地层含氧浓度、气体浓度、有机成分含量、有害物质（硫化氢）含量水质分析、气体浓度测量、烧失量试验五 地下水对盾构施工的影响五 地下水对盾构施工的影响p在地下工程的勘察、在地下工程的勘察、设计、施工、施工过程中，地下水程中，地下水问题始始终是一个极是一个极为重要的重要的问题。地下水既作为岩土体的组成部分直接影响岩土的性状与行为，又作为地下建筑工程的环境，影响地下建筑工程的稳定性和耐久性。在盾构施工隧道设计时，必须充分考虑地下水对岩土及工程的各种作用。p地下水的存在，很多时候会给施工带来诸多隐患，由此引起的工程事故也有不少。施工时应充分重视地下水对地下工程施工可能带来的各种环境工程地质问题，进而采取相应的防治措施。p当然，在某些条件下，地下水的存在也为盾构施工提供了便利。p适量地下水存在时，会对盾构施工带来不少便利：地下水使得砂性土和砂砾土内摩阻力减小，使其具有一定的流动性，切削下的土体较容易传输，开挖排土能顺利进行，且不易使刀盘过热；若土体含水量适宜，刀盘切削下的土体经螺旋输送机运出至皮带运输机时，螺旋输送机不会发生由于工作扭矩过大而发热；砂卵石地层中适量地下水的存在，改善了地层的流塑性，避免大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构四周移动，使得盾构位置和姿态控制变得困难；通常，地下水的存在会使得岩土体硬度降低，从而使刀盘切削工作更容易进行，缩短施工周期。1 水对盾构施工的有利方面p虽然地下水会为盾构施工带来诸多好处，但是其带来的不利影响也不能忽视，许多工程事故就是由于地下水所引起，并造成了极大的损失。2 地下水引起的工程事故p上海地铁4号线事故2 水对盾构施工的不利影响时间：2003年7月1日凌晨地点：浦东南路站至南浦大桥站区间事件：该工程正在使用冻结法进行地地铁隧道旁通道的施工隧道旁通道的施工，施工单位在用于冷冻法施工的制冷设备发生故障、险情征兆出现、工程已经停工的情况下，没有及时采取有效措施，排除险情，导致程中承压水冲破土层，而发生流砂，流砂的产生带动土层扰动、移位，造成隧道结构破坏，引起地面土体沉陷，继而发生地面建筑物倾斜、部分倒塌，防汛墙沉陷、坍塌等险情。隧道联络通道流 沙塌方塌方p上海地铁4号线事故现场照片2 水对盾构施工的不利影响2 水对盾构施工的不利影响p上海地铁4号线事故现场照片p宜万铁路马鹿菁隧道透水事故（下面实例虽然是铁路隧道，但是有借鉴意义）2 水对盾构施工的不利影响时间：2006年1月21日地点：湖北利州事件：宜万铁路马鹿菁隧道出口段平导开挖至DK255+978时发生突水、突泥，突水总量约18万方。在抢险抽水时又多次发生突水。这次事故除多人逃生外，共造成2人死亡，9人失踪，直接经济损失7913万元。p宜万铁路马鹿菁隧道透水事故现场照片2 水对盾构施工的不利影响p宜万铁路马鹿菁隧道透水事故现场照片2 水对盾构施工的不利影响p宜万铁路野三关隧道透水事故2 水对盾构施工的不利影响时间：2007年8月5日凌晨1：00地点：湖北巴东事件：宜万铁路野三关隧道线斜井向进口方向DK124+602掌子面爆破后，右侧下部发生突水、突泥，总突水量约15万方，突泥量5.4万方。斜井工区线距掌子面约220米填满淤泥和石块。事故共造成3人死亡，7人失踪。p宜万铁路野三关隧道透水事故现场照片2 水对盾构施工的不利影响向斜向斜向斜向斜断断层层背斜背斜背斜背斜向斜向斜断断层层向斜构造如果向斜构造如果下部有隔水下部有隔水层，上部地，上部地层裂隙裂隙发育或岩溶育或岩溶发育，向斜构造将形成育，向斜构造将形成储水构造，隧水构造，隧道推道推进过程中将程中将发生透水事故生透水事故正断正断层一般是一般是储水构造水构造p目前松散层中地下水的运动以及对地下工程的影响，研究成果比较多。但是对基岩裂隙水和岩溶水的研究由于难度比较大，研究程度相对比较薄弱。p基岩裂隙水和岩溶水是我国分布最为普遍的地下水类型之一。p在隧道、大坝等大型地下工程建设中，基岩裂隙水、岩溶水的富集直接对施工及建成后的运营管理构成威胁，并引起许多特殊的工程问题，如塌方、冒顶、涌水突水、甚至地下泥石流、隧道大变形等。p据统计，南昆铁路的415座隧道中，15%的洞段发生塌方，93.5%发生涌水；青藏铁路关角隧道通过11条断层带，修建过程中，发生塌方达60余次；p大瑶山隧道穿过九号断层时基岩裂隙水短期最大涌水量达38000 t/d，在隧道修建过程中，发生大规模塌方达29次。p隧道施工中应当引起充分重视，进行监测。3 正确看待水对盾构施工的影响p盾构施工中，应正确看待地下水（特别是基岩裂隙水和岩溶水）的利弊。p通过详细勘察、全面分析、合理选择施工工法，并在施工中做好监测工作，杜绝工程事故。p随着中国西部地铁隧道的大规模开发，基岩裂隙水和岩溶水对地下工程的利弊影响将成为越来越重要的课题。3 正确看待水对盾构施工的影响谢谢！