经典网文分享: 盾构法施工隧道可能会遇到哪些地质灾害？

至2017年底，我国大陆地区已建和在建地铁的城市有56座，运营和在建里程规模分别达5033km、6246.3km，在我国城市地铁建设中不可避免的遭遇各类复杂多变的地质条件，其中，盾构法施工所面临的的主要地质灾害，可归纳为以下几类具有代表的性的不良地质条件：

复合地层

复合地层是地铁建设中面临的重要挑战之一，如广州、深圳、长沙等10余座城市地铁隧道施工都曾面临复合地层而导致工期延误，甚至塌陷等事故。复合地层广泛分布于我国华南、东南及华北沿海地区，其中以珠三角广州、深圳等城市地铁最为典型。

复合地层主要造成的问题：刀盘刀具磨损严重，掘进工效低，掘进参数选择困难等。

沼气地层

城市地下空间地质构造相当复杂，在若干万年的地质运动过程中，岩土层中的有机质经厌氧茵等生物物质的生物化学作用会产生沼气，经过运动、转移、聚集、存储在特定的岩土层中，逐渐形成了许多岩土层气藏。沼气的存在会严重威胁地铁隧道的施工安全和后续地铁系统的运营安全。当地铁隧道施工过程中接近或开挖含有沼气的岩土层时，沼气就会以较高速度扩散并涌入地铁隧道，一旦发生沼气燃烧或者爆炸，后果将难以设想。

中国属浅层沼气分布较广的地区，其中东南沿海和长江、珠江、闽江水系的江河两岸及河口共计近30万km2的区域有浅层沼气分布。

沼气地层主要造成的问题：

近年来，随着中国基础设施建设的快速发展，特别是东南沿海和长江中下游经济的迅猛增长，在沿海软土地区开发利用地下空间的过程中，陆续遇到浅层气（甲烷）释放引起基坑、沉井、隧道施工的恶性工程事故，造成了重大的经济损失和社会影响。如杭州湾大桥在建设前期的勘察过程中曾经出现过浅层气喷发燃烧而导致船毁人伤的事故，并在建设过程中，因为浅层高压沼气，不得不将原钻孔灌注桩改为钢管桩，为此大幅增加了工程建设投资；上海长江口一过江排水盾构隧道在过江推进过程中，因浅层沼气发生隧道断裂下沉，造成重大经济损失；上海某工程基坑开挖至地下7m时，在坑底约10m长、7～8m宽的范围内，突然向上隆起3m，又发生喷爆声。在沼气喷发后，土体产生扰动、蠕动，基坑边坡及坡顶在8.50m范围内产生滑塌，使基坑失稳。杭州地铁1号线工程地质初勘及详勘过程中，发现在地面下15～30m左右以下遇到气压高的有害气体，多次发生触探孔气体喷发并燃烧的现象，使勘探作业受阻，并严重影响工程施工和周边建筑的安全。在地铁站及区间工程的设计与施工中，如何考虑有害气体对工程施工带来的困难、危害以及对工程后期运营不利影响，是含沼气地层地铁工程面临的主要问题之一。

沼气处置：

针对沼气地层的主要处置难点是对其进行有效的勘探，最大程度上避免沼气对施工期和运营期的危害；针对以勘探的沼气可采用多种方法避免灾难的发生，如施工前地面排放沼气、施工期间通风。

高水压地层

高承压水作为一种不利地质环境因素，从地层来看，易出现于地层交界处、断裂褶皱发育处、节理裂隙发育的围岩中；从岩性来说，易出现于砂岩地层等透水性比较好的地层；从于地表的联系来看，易出现于浅埋、与地表有联通、地表水补给及时的通道。城市轨道交通隧道一般位于地下，经常处在有压地下水的环境中，容易受到高承压水的不利影响。

对于盾构隧道而言，虽然常规施工技术日趋成熟，但在高承压水砂质地层中，仍可能发生一系列不良灾害。比如盾构始发与接收过程中产生流砂、涌水，正常掘进过程中发生喷涌。喷涌的发生不但影响正常施工排土和土仓压力的控制，严重时会过多地将开挖面和管片四周的土、砂带出，造成地表沉降、塌陷、管片漏水等施工事故。隧道不良状态反过来又会加剧渗漏，形成恶性循环，严重的会导致隧道产生破坏性变形。俄罗斯圣彼得堡一段穿越高承压水砂层古河道的地铁开始运营就漏水不断，抢险中不得已采取了从内部大量排水的措施，从而导致持续发生水土流失使隧道产生过大沉降，运营20年后最终报废。

当盾构下穿大型江河湖泊易遭遇潮汐涨落、承压水层等，前述因素会导致水下隧道施工多面临高水头压力环境，最高的接近0.6MPa。

高水头压力对盾构机的掘进施工和建成之后的隧道均存在影响。在施工期面临盾构机主轴承密封、螺旋输送机防碰涌和盾尾刷防水等技术难题。隧道建成后，管片接头在高水压作用下的防水是保障隧道正常使用的关键。高水头击穿盾构机薄弱区域示意如图所示，而高水压隧道运营期则可能面临大幅度渗漏水、冒泥。

长距离穿越砂层

盾构法隧道施工长距离下穿砂层时。因砂性土的内摩擦角大，盾构机的面板、刀盘以及出土区与砂性土长期接触、挤压作用下，刀盘、刀具、螺旋输送机等盾构掘进系统部件易发生过度磨耗，若渣土改良处置不当易形成铁板砂。掘进过程可能面临螺旋输送机喷涌，甚至造成地表塌陷。

穿高强度砂卵石、圆砾地层

成都、北京、兰州等城市地铁建设中遭遇该类地层较常见。盾构掘进长距离大漂石、高透水富水地层、局部地层自稳性差；由大漂石粒径大、单体强度高、磨阻系数大、含量高且沿线及掘进断面的不均匀分布，刀具短时间多度磨损、刀座变位、刀具更换困难、刀盘强度和刚度降低、刀盘变形、主轴承受损或主轴承密封被破坏、盾构掘进受阻或偏离设计线路、开挖面超挖、扰动量过大、成型隧道周边填充不佳甚至地层塌陷等困难，施工风险较大、经济成本较高。

膨胀岩地层

下伏膨胀泥岩地层中，盾构机有着向地层较软一侧偏移的惯性，掘进姿态难以控制，甚至会出现盾构机整体漂移现象。施工期隧道管片过度上浮、管片错台、漏水较严重。

含孤石地层

在含孤石地层掘进时常导致刀具非正常磨损、刀盘体磨损，个别恶劣的情况下刀盘体发生整体变形，甚至由于掌子面岩石坍塌,砸落在刀具上,造成刀具的破坏；掘进中遇到花岗岩的球状风化体(孤石，大1.0m～3.0m)时,造成刀具严重破坏，若处理不当极易发生卡机问题，导致盾构掘进掘进效率低。

孤石常用处理方法为加密勘测钻孔、采用深孔爆破进行预处理。针对较多离散性较高的大块坚硬孤石，盾构掘进沿线孤石探测和处理带来以下两方面困难：①孤石探测遗漏。由于孤石埋藏分布及大小是随机的，尽管详勘勘察钻孔间距加密，仍不排除其它地段存在球状风化（孤石）的可能，如何采取合理的勘测手段和勘测方法，提高探明孤石分布的效率，面临较大困难；特殊环境下孤石勘探处理困难，如房屋下的孤石无法勘探，更无法预处理。

处理措施：地表加密勘探，可至5m钻探孔勘探，但勘探成本较高。也可采用物探、地表钻探、洞内物探相结合的手段。