Analysis and Countermeasures of Key and Difficult Points in the Investigation of a Super Large Diameter Shield Project
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摘要: 超大直径盾构隧道技术正在向大深度、大断面、长距离的方向发展。由于隧道断面尺寸大、隧道埋深起伏大，工程地质条件、水文地质条件复杂，会面临复杂的岩土工程问题。以北京东六环改造隧道工程为依托，总结了该大直径盾构工程具有勘察等级高、工程地质水文地质复杂、超深基坑支护及地下水控制难度大等特点，针对勘察重难点采取了标准贯入原位测试，颗粒分析、静止侧压力系数、基床系数等室内物理力学试验查明了场地土层的物理力学性质；进行了水文地质专项勘察，分层观测地下水位、黏性土层孔隙水压力测试、抽水试验及注水试验等提供水文地质参数，为超大直径盾构机选型、刀盘、刀具配置，超大盾构掘进过程中各种施工参数匹配、盾构井支护设计以及地下水控制方案设计提供依据，供同类工程借鉴。Abstract: With the continuous development of urban municipal construction to ultra deep underground space, super large diameter tunnel construction technology is gradually adopted. At present, the technology of super large diameter shield tunnel is developing in the direction of large depth, large section and long distance. Due to the large cross-section size, large fluctuation of buried depth, complex engineering geological and hydrogeological conditions, complex geotechnical engineering problems will be encountered. Based on the reconstruction tunnel project of Beijing East Sixth Ring Road, the characteristics of the large-diameter shield project, such as high survey level, complex engineering geology and hydrogeology, and great difficulty in ultra deep foundation pit support and groundwater control were summarized. Standard penetration in situ test and indoor physical and mechanical tests such as particle analysis, static lateral pressure coefficient and subgrade bed coefficient have been carried out. A special hydrogeological survey such as layered observation of groundwater level, pore water pressure test of cohesive soil layer, pumping test and water injection test was carried out to provide hydrogeological parameters. All these provided a basis for the selection of super large diameter shield machine, cutter head and cutter configuration, the matching of various construction parameters in the process of super large shield tunneling, the support design of shield shaft and the design of groundwater control scheme. It also provides reference for similar projects.
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表 1 隧道穿越部位地层百分比统计
% 岩性名称 LYK8+800—LYK10+100 YK10+100—LYK11+050 砂土 66.0 40.3 粉质黏土 23.4 41.5 粉土 10.6 18.3 
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表 2 不同砂层粒径、不均匀系数、曲率系数平均值
土层编号 地层岩性 有效粒径d10/mm 限制粒径d30/mm 平均粒径d50/mm 限制粒径d60/mm 不均匀系数Cu 曲率系数Cc ②5 粉细砂 0.071 0.111 0.157 0.189 2.67 0.93 ③ 粉细砂 0.070 0.110 0.150 0.170 2.32 0.92 ③4 中粗砂 0.298 2.68 10.799 13.001 43.63 1.95 ④ 粉细砂 0.070 0.110 0.160 0.190 2.73 0.90 ④4 中粗砂 0.084 0.254 0.329 0.360 4.29 2.13 ⑤2 粉细砂 0.080 0.123 0.171 0.206 2.58 0.92 ⑥5 细砂 0.028 0.057 0.093 0.119 7.07 1.02 ⑦ 粉细砂 0.080 0.160 0.210 0.240 3.05 1.35 ⑧ 细砂 0.101 0.183 0.249 0.297 4.41 1.14
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表 3 不同砂层耐磨矿物成分X射线衍射物相分析
% 地层编号 地层岩性 云母 角闪石 绿泥石 石英 长石 方解石 白云石 ②5 粉细砂 1.0 1.1 0.0 43.0 54.7 0.2 0.0 ③ 粉细砂 2.7 0.0 0.0 39.5 57.8 0.0 0.0 ③4 中粗砂 1.0 1.1 0.2 44.6 52.3 0.2 0.7 ④ 粉细砂 1.4 0.8 0.0 41.4 56.2 0.2 0.0 ④4 中粗砂 1.0 0.0 1.4 51.2 38.2 2.7 5.5 ⑤5 粉细砂 1.5 1.3 1.0 44.3 52.0 0.2 0.0 ⑥5 细砂 1.0 1.2 0.0 35.6 59.4 0.0 0.0 ⑦ 粉细砂 0.6 1.6 0.0 39.6 57.7 0.5 0.0 ⑧ 细砂 0.0 1.7 0.0 37.0 61.3 0.0 0.0
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表 4 盾构穿越部位粉土和黏性土黏粒含量平均值
% 土层编号 地层岩性 粒径范围/mm 0.25～0.075 0.075～0.05 0.05～0.025 0.025～0.005 <0.005 ② 粉土 21.6 18.4 19.8 30.9 9.3 ②2 粉质黏土 5.3 10.9 20.5 35.0 28.3 ③2 粉质黏土 4.3 15.3 15.1 23.8 41.5 ③3 粉土 26.5 18.0 17.1 30.8 7.7 ④2 粉质黏土 5.0 13.0 20.0 32.3 29.8 ④3 粉土 18.8 18.7 19.6 32.1 18.8 ⑤ 粉质黏土 4.9 11.2 20.0 31.7 32.2 ⑤3 粉土 16.1 19.6 20.8 32.0 9.8 ⑥ 粉土 22.3 17.8 18.6 31.7 9.6 ⑥2 粉质黏土 6.5 11.7 19.7 31.0 31.0 ⑦2 粉质黏土 5.3 11.8 21.6 29.5 31.7 ⑦3 粉土 21.7 17.5 19.5 31.8 9.5 ⑧2 粉质黏土 4.9 9.1 19.9 28.9 37.2 ⑧3 粉土 22.1 18.0 18.6 31.1 10.3
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表 5 隧道穿越部位地层标贯击数统计值
土层编号 地层岩性 标贯击数
最大值/击标贯击数
最小值/击标贯击数
平均值/击② 粉土 18 6 13 ②2 粉质黏土 11 4 7 ②5 粉细砂 26 12 19 ③ 粉细砂 43 18 29 ③2 粉质黏土 11 8 9 ③3 粉土 22 11 17 ③4 中粗砂 44 36 40 ④ 粉细砂 60 29 43 ④2 粉质黏土 14 9 11 ④3 粉土 33 17 23 ④4 中粗砂 62 32 45 ⑤ 粉质黏土 25 12 18 ⑤2 粉细砂 79 31 53 ⑤3 粉土 32 18 25 ⑥ 粉土 43 21 30 ⑥2 粉质黏土 31 11 21 ⑥5 细砂 85 34 61 ⑦ 粉细砂 90 40 72 ⑦2 粉质黏土 34 17 25 ⑦3 粉土 45 23 33 ⑧ 细砂 100 43 80 ⑧2 粉质黏土 38 19 28 ⑧3 粉土 47 31 36 注：表中标贯击数未经过修正。
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表 6 盾构施工岩土参数表
类别 参数 类别 参数 物理
性质1. 比重、含水量、密度、孔隙比2. 颗粒级配颗粒分析、提供粒径级配、特征粒径（D60、D50、D30、D10）、不均匀系数d60/d10、曲率系数及土名、黏粒含量百分比ρc、砂的物质组成及石英含量3. 液限、塑限 力学
性质1. 无侧限抗压强度2. 黏聚力、内摩擦角3. 压缩模量、压缩系数4. 静止侧压力系数5. 标准贯入锤击数6. 基床系数7. 热物理
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表 7 盾构穿越部位黏性土、粉土层特殊指标参数
土层编号 地层岩性 无侧限
抗压强度/kPa静止侧
压力系数基床系数 三轴试验 比热容C
/(kJ·kg−1·K−1)导热系数λ
/(W·m−1·K−1)导温系数α
/(m2·h−1)Kx
/(MPa·m−1)Kv
/(MPa·m−1)ccu/kPa φcu/(°) ③2 粉质黏土 42.6 0.50 19.9 20.9 30.7 14.3 1.50 1.50 0.00179 ③3 粉土 51.5 0.43 23.0 24.1 18.0 26.7 1.60 1.70 0.00200 ④2 粉质黏土 83.8 0.49 25.6 25.2 34.7 16.3 1.60 1.36 0.00159 ⑤ 粉质黏土 75.8 0.44 30.5 28.9 31.3 19.9 1.59 1.53 0.00177 ⑤3 粉土 90.2 0.43 33.4 32.7 21.4 27.6 1.50 1.30 0.00155 ⑥ 粉质黏土 113.4 0.41 32.8 29.7 24.3 30.1 1.30 1.81 0.00247 ⑦2 粉质黏土 100.1 0.42 35.1 34.6 36.1 18.3 1.54 1.64 0.00199 ⑦3 粉土 92.4 0.39 40.5 38.7 26.3 32.2 1.43 1.58 0.00200 ⑧2 粉质黏土 119.2 0.42 38.7 35.6 35.2 19.4 1.44 1.70 0.00218 ⑧3 粉土 125.1 0.38 43.3 41.4 24.4 33.5 1.41 1.73 0.00221
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表 8 地下水特征表
地下水
类型水位或水头埋深 /m 水位或水头标高 /m 含水层 潜水
（二）、层间潜水（三）9.82～14.35 7.15～10.56 粉细砂③层、中粗砂③4层、圆砾③7层、粉细砂④层、中粗砂④4层 承压水（四） 10.63～13.56 8.02～9.47 粉细砂⑤2层、粉土⑤3层、圆砾⑤5层 承压水（五） 13.49～15.34 6.24～6.61 粉土⑥层、细砂⑥5层 承压水（六） 19.98～20.35 0.12～1.23 粉细砂⑦层、细砂⑧层、细砂⑨5层
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表 9 盾构区间地下水位长期观测孔与孔隙水压力计监测情况
监测方式 试验
井编号地下水
类型观测
深度/m水位或水头
埋深 /m水位或水头
标高/m地下水位长
期观测孔G1 承压水（六） 53~70 21.67 1.23 G2 承压水（五） 43~47 15.68 7.24 G3 承压水（四） 33~40 14.90 8.02 G4 层间潜水（三） 19~30 14.77 8.15 G5 潜水（二） 8~16 14.37 8.56 孔隙水
压力计K1 层间潜水（三） 26 16.17 6.80 K2 粉质黏土⑤层 31.5 16.48 6.44 K3 粉质黏土⑥2层 41.5 17.80 5.12 K4 粉质黏土⑦2层 51 23.04 −0.19
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表 10 水文地质试验设计参数
试验组号 钻孔性质 钻孔编号 孔深/m 孔径/mm 管径/mm 过滤器长度/m 试验试段（埋深） 第一组抽水试验 抽水井 S1 30 600 300 23 目标含水层为潜水（二）和层间潜水（三），
过滤器埋深位置约为7～29 m观测孔 G1-1 30 130 50 23 G1-2 30 130 50 23 G1-3 30 130 50 23 第二组抽水试验 抽水井 S2 40 600 300 9 目标含水层为承压水（四），过滤器位置约为31～40 m 观测孔 G2-1 40 130 50 9 G2-2 40 130 50 9 G2-3 40 130 50 9 第一组注水试验 注水井 Z2 52 130 50 2 目标含水层承压水（五），含水层粉土⑥层，
过滤器埋深位置约为50～52 m第三组抽水试验 抽水井 S4 80 600 300 20 目标含水层为承压水（六），过滤器埋深位置约为60～80 m 观测孔 G4-1 80 600 300 20 G4-2 80 600 300 20
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表 11 抽水试验渗透系数计算结果
地下水类型 试验编号 试验井编号 Q/（m3·h−1） H/m i k/（m·d−1） 潜水（二）、层间潜水（三） S1-1 抽水孔S1 25.86 18.6 0.0561 46.58 观测孔G1-1 25.86 18.6 0.0485 53.88 观测孔G1-2 25.86 18.6 0.0464 56.32 观测孔G1-3 25.86 18.6 0.0422 61.92 S1-2 抽水孔S1 49.83 18.6 0.1107 45.48 观测孔G1-1 49.83 18.6 0.0897 56.14 观测孔G1-2 49.83 18.6 0.0886 56.83 观测孔G1-3 49.83 18.6 0.0736 68.42 承压水（四） S2-1 抽水孔S2 22.36 6.5 0.1371 47.92 观测孔G2-1 22.36 6.5 0.1316 49.92 观测孔G2-2 22.36 6.5 0.1326 49.55 观测孔G2-3 22.36 6.5 0.1233 53.28 S2-2 抽水孔S2 46.01 6.5 0.2779 48.65 观测孔G2-1 46.01 6.5 0.2712 49.85 观测孔G2-2 46.01 6.5 0.2526 53.52 观测孔G2-3 46.01 6.5 0.2548 53.06 承压水（六） S3-1 抽水孔S4 60.37 20 0.7948 7.23 观测孔G4-1 60.37 20 0.7453 7.71 观测孔G4-2 60.37 20 0.7388 7.78 S3-2 抽水孔S4 34.23 20 0.3683 8.88 观测孔G4-1 34.23 20 0.3327 9.82 观测孔G4-2 34.23 20 0.4308 7.59 S3-3 抽水孔S4 39.53 20 0.4582 8.24 观测孔G4-1 39.53 20 0.3716 10.16 观测孔G4-2 39.53 20 0.4154 9.09
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表 12 注水试验计算渗透系数计算结果
试验井编号 滤水管长度L/m 井套管半径r/m 形状系数A/m 特征时间TL/min 渗透系数k/（m·d−1） 地层 Z2 2 0.025 2.476 2.27 0.503 粉土⑥层
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表 13 不同含水层渗透系数取值
地下水类型 含水层 k/（m·d−1） k平均值/（m·d−1） 潜水（二）和层间潜水（三） 粉细砂③层、中粗砂③4层、圆砾③7层、粉细砂④层 45.48～68.42 57.05 承压水（四） 粉细砂⑤2层、圆砾⑤5层 47.92～53.52 50.72 承压水（五） 粉土⑥层 0.503 0.503 承压水（六） 粉细砂⑦层、细砂⑧层 7.23～10.16 8.5
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图(7) / 表(13)
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