摘要：随着盾构技术的广泛应用，其建设和运营期的安全性问题越来越受到社会关注。盾构施工环境的诸多因素中，工程地质特征是决定盾构机选型及施工工艺的最重要的条件，分析盾构开挖面稳定性对盾构安全掘进的重要性。济南市区南部多山丘陵，北临黄河，中部为山前冲积平原，地层呈东西向带状分布，主要为南部无水中风化灰岩地层，北部冲积富水粉质粘土地层，中部碎石土地层[1]。本文通过论述济南地质环境，讨论了盾构隧道开挖面与选型相互关系，从穿越地层等方面讨论对盾构开挖面稳定等问题。
关键词：盾构隧道；济南地铁；复合地层；开挖面稳定
0引言
济南市位于华北平原南部，南依泰山山脉余脉，地势南高北低，黄河流经城区北部，这使济南拥有山地、平原、河川、湿地等多种多样的地貌。济南是连接华东与华北的口户，山东省重要的交通枢纽，济南位于北纬 36° 40′，东经 117° 00′，南依泰山，北跨黄河，地处鲁东南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，地势南高北低、东高西低，地形标高变化显著，最高海拔1108m，最低海拔约 5m[2]。南部山地丘陵3000多平方公里，北部平原5000多平方公里。
1济南市区的地形和地层
1.1地形和地貌
济南市区地形可分为三带，即南部低山丘陵带，中部山前平原带，北部临黄冲积带。南部为低山丘陵，基岩裸露，近东西走向，最高点为千佛山，海拔285m；中部为山前倾斜平原；北部为小清河-黄河冲积平原。地貌形态可分为三种类型：小清河以北为冲积平原，小清河以南至低山区为山前倾斜平原，南部山区为低山丘陵。
1.2济南市区的地层情况
针对济南市即将开展的地下轨道交通建设，为了收集准确详细的地层结构和地质资料，相关单位对济南市各个交通干道沿线进行了包括工程地质钻孔，水文地质试验等方法在内的现场地质勘探，主要揭示的地层及岩石产状情况为：济南市地层分布呈现南老北新的特点，由老到新依次有太古界泰山群，古生界寒武系、奥陶系，新生界新近系、第四系，燕山期火成岩体，属华北地层区鲁西分区泰安小区[3]。市区南部由太古界泰山群变质岩系组成基底，由南往北依次展布寒武系、奥陶系石灰岩，岩层一般为单斜产状，褶皱不显，断裂发育，至山前逐渐隐伏于第四系之下；市区北部下伏中生代燕山期辉长岩、闪长岩。
2不同地层的盾构开挖面稳定性
中国地域辽阔，各个地区的地层条件存在着很大的差异，例如北京主要为砂卵石地层，上海为软黏土地层，广州、深圳多为上软下硬地层。不同土层性质的上软下硬地层对盾构开挖面稳定控制提出了更高的要求。
（1）砂土地层
砂土地层相对于黏土地层稳定性更差，开挖面稳定更难控制。据最新的勘探资料，中国拟建的琼州海峡隧道，在其线路上不但需要面对200m水头的挑战，而且其地层条件为300m的巨厚砂层，地层的稳定性极差，开挖面稳定极难控制，亟需成熟的高水压砂土地层中泥水劈裂及主动失稳机理研究成果给予理论支撑。目前开挖面失稳的研究主要针对黏土地层，在砂土地层中失稳机理尚不明确。
（2）上软下硬地层
盾构穿越上部砂层、下部硬岩典型的上软下硬地层时，盾构掘进时受下部硬岩的影响，掘进速度较慢，上部砂层在长时间的扰动下可能发生主动坍塌、劈裂失稳等事故。武汉地铁８号线越江盾构隧道工程遇到此种地层，为了减少盾构在上软下硬地层的开挖面失稳风险，需对上部砂层进行注浆加固后再掘进通过[4]。如何在上软下硬地层中保证开挖面稳定前提下盾构安全快速通过仍需进行深入的研究。
3地铁隧道穿越的地层
济南轨道交通现有R1、R3线已进入运营阶段，后续有环线、M线等7条线路已初步完成规划。
地铁隧道穿越地层可分为以下5类：①中风化石灰岩地层，常伴随大量碎裂区块，一般不含地下水；②强风化/全风化闪长岩地层，一般不含地下水或地下水埋深较大；③胶结砾岩/碎石土地层，赋存少量孔隙水，地下水埋深一般在10m以上；④富水卵石地层，平均粒径20~50cm，最大70cm以上；⑤富水粉质粘土地层。
3.1地铁隧道盾构选型
目前在地铁区间施工中，常用的盾构机为土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机，因此在进行盾构机类型选择时，主要比选这2种盾构机的性能以及适用性。
1）渗水性的影响
根据国内外的施工经验，土压平衡盾构机适用于渗透系数小于10-7 cm/s的地层，泥水平衡盾构机适用于渗透系数大于10-4 cm/s 的地层，当地层渗透系数介于10-7~10-4 cm/s之间时，2 种盾构机都适用。该济南黏土地层渗透系数异常大，区间隧道穿越地层的粉质黏土透水系数高达10-3～10-2 cm/s，承压水水头近20 m，宜采用泥水平衡盾构机，可有效地应对高水压、大渗透性的涌水地层[5]。
2）地层颗粒级配的影响
土压平衡盾构机适用于细颗粒地层，如黏土、粉土， 泥水平衡盾构机适用于粗颗粒地层，如卵石、砾石，当 掘进地层为粗砂、细砂时，加泥式（土质改良）土压平 衡盾构机与泥水平衡盾构机均适用。针对济南地铁隧道穿越的5类典型地层，该工程盾构掘进地层以细颗粒为主，同时存在粗细相间、软硬不均土层，宜采用土压平衡盾构机。
3）环境及经济的影响
泥水平衡盾构机施工时必须建立泥浆处理系统以 实现泥浆循环使用和处理渣土，施工占地大、施工能 耗高，每延米综合价格相对较高；土压平衡盾构机不需要进行泥浆处理，施工占地小，对环境影响较小，每延米综合价格相对较低[6]。因此，该工程宜采用土压平衡盾构机。
综合考虑施工效率、经济效益以及环保要求等，确定采用土压平衡盾构机。
3.2开挖面稳定性与盾构选型
盾构的直径、刀盘的开口率和厚度与开挖面的稳定密切相关。盾构直径的选择会影响覆径比，不同的覆径比和土体强度所需的土压力存在显著差异[7]。刀盘对开挖面有一定的支护效应，不同的开口率对开挖面的支护作用也不同。刀盘的厚度决定了刀盘前端与盾壳前端的距离，该参数是判断开挖面发生失稳的重要参数。目前在盾构选型过程中未将开挖面稳定作为主要的设计依据，而盾构的直径、刀盘的开口率和厚度３个参数相互制约的关系又和盾构掘进过程中的开挖面稳定密切相关，进行合理的盾构选型可以在很大程度上降低开挖面失稳概率[8]。
4结语
在以粉质黏土为主、局部含有卵石的富水地层中，选择适宜的加泥式土压平衡盾构机，并辅以同步注浆、渣土改良等措施[9]，可提高掘进连续性，节约施工时间，有效降低施工成本。目前与开挖面稳定控制相关的理论仅适用于中低水压的工程环境，未来的盾构隧道将会面临更高水压、更长距离、更复杂地层条件的挑战。并且盾构开挖面稳定问题涉及多个学科邻域，探明此交叉学科难题需各个领域的专家学者的共同努力，从而保证盾构在实际工程中的安全掘进，进一步推动中国盾构隧道技术的不断发展。
参考文献
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