1）地层粒径分布

通过许多施工经验可得知，同段施工区间的粒径大小并不是一成不变的，粒径往往呈一定规律分布，如成都地铁4号线西延线总体上表现为从西向东漂石含量越来越低、漂石粒径从西向东越来越小、漂石粒径从浅到深越来越大的特征，成都地铁6号线土建3标施工段也有其类似的分布特征。

地层粒径分布不均，意味着盾构在每一处的状态并不是始终如一的，粒径的大小对盾构的地层适应性主要有以下几方面要求：

①刀盘开口率。刀盘的开口率必须保证大粒径卵石能顺利通过刀盘的开口。

②螺旋输送机的直径。从刀盘进入的卵石必须能很好地通过螺旋输送机。

③盾构各部件的耐磨性。土体粒径大小分布不均，导致在盾构掘进过程中地层与盾构之间的摩擦系数也随之发生改变。卵石粒径对摩擦系数的影响主要在于：大粒径卵石与盾构之间的摩擦主要为滑动摩擦，由于卵石粒径大，卵石在盾构的作用下无法实现很好的滚动；而小粒径颗粒在盾构的作用下实现滚动。如果卵石成分相同，那么卵石与盾构之间的滑动摩擦带来的阻力将会远大于滚动摩擦所带来的阻力，因此大粒径卵石地层相比于小粒径地层摩擦阻力更大，磨损量也随之增大。

④渣土改良。大粒径卵石的存在大大提高了渣土的改良难度，大粒径卵石由于空间条件限制，即使在渣土改良剂的润滑作用下减小摩擦系数，仍无法在渣土中实现很好的流动，因此渣土改良效果不明显。因此，存在大漂石的地层对渣土改良的方法及效果提出了较高的要求。

⑤掘进参数的匹配。由于粒径的大小分布会影响到盾构与地层之间的摩擦系数，进而影响盾构掘进的扭矩、阻力等；同时由于大粒径卵石所占空间较大，在盾构各种力作用下强制实现转动，将会在一定范围内对周围土体进行大范围扰动；再加上卵石地层本身较为松散，如果在盾构施工过程中，掘进参数的设置不能很好地匹配该地层的地质情况，将会发生一定范围的塌陷，增加施工难度。因此，赋予其合适的掘进参数，才能使盾构掘进更好地适应该地层。

以此针对地层的粒径分布提出其盾构适应性的分析过程如图2-6所示：

图2-6　盾构适应性分析过程

2）颗粒级配

土体颗粒的级配通常用级配曲线来表示，图2-7所示是两种土体级配曲线。

图2-7　土体的级配曲线

土体的级配曲线决定了土体粒径的一个大体分布：曲线越陡则表示土体在此部分粒径更为集中，所以土体较为均匀；而曲线平缓则表示此处的粒径含量较少甚至于缺失，土体不均匀。

在工程上，土体级配的均匀程度通常采用不均匀系数Cu来定量地分析。

另一个描述土体特征的量叫作土的曲率系数，用Cc来定量表示，描述的是整个土体颗粒粒径分布的一个指标。

式中　d10——累计百分含量为10%的粒径，也叫有效粒径（mm）；

d30——累计百分含量为30%的粒径（mm）；

d60——累计百分含量为60%的粒径，也叫限制粒径（mm）。

我国《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007）规定：对于细粒含量＜5%的砾石类土和砂类土，级配满足Cu≥5且1≤Cc≤3为级配良好，否则为级配不良。对于级配不良的土体，由于缺失某一粒径土体，大粒径土体孔隙不能很好地被小粒径土体所填充，因此该地层开挖时容易导致基坑坍塌或者成孔壁坍塌及漏浆。此种情况便是盾构对该地层的不适应性所造成的后果。因此，此种地层主要对盾构的适应性提出以下几点要求：

①开挖面需要得到很好的支护，因此对渣土改良的选择配比有较高要求。

②盾构掘进的扰动不宜太大，掘进参数需要控制平稳。

③由于级配不良，螺旋输送机处不能形成良好的土塞，容易发生喷涌，因此对防喷涌措施提出要求。

以此针对地层的颗粒级配提出其盾构适应性的分析过程如图2-8所示：

图2-8　盾构适应性分析过程

3）渗透系数

地下水在土的连通孔隙中流动并通过的特性称为土的渗透性。水在土中流动除因土孔隙连通外，还因为有水位差的存在。地下水在重力作用下，由高处向低处流动。例如，基坑开挖至地下水位以下，基坑周围地下水位较高，则地下水会源源不断地流向基坑。渗透性表明了水通过土孔隙的难易程度和快慢。

土孔隙中的自由水在水头差或压力梯度下流动时，由于土的孔隙通道很小，且很曲折，流动过程中载滞阻力很大，所以水在土中的流速缓慢，通常的情况下属于层流，即水流流线互相平行。因此，其流动规律符合层流渗透，并可以按照水力学中的达西定律来描述。如图2-9所示装置的试验，A、B是两根竖直测压管，两管的水平距离为l。水从左侧流经土样后从右端流出。由于水流过土样时受到土的阻力，能量有所损耗，因此，测压管B的水头高度较A的低，两者水头差Δh=h1-h2。实验证明，水在土中的渗透速度与Δh成正比而与l成反比，即：(www.daowen.com)

式中　i——水头梯度，即土中两点间的水头差Δh与渗流长度l之比：

v——端面平均渗流速度（cm/s或m/d）；

k——反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数（cm/s或m/d），它相当于水头梯度i=1时的渗流速度，故其量纲与流速相同。渗透系数与土的性质有关，可以在室验室内或在野外测定。

图2-9　水在土中的渗透

由以上的达西定律可知地层的渗透速度与渗透系数成正比。地层的渗透性对于盾构是否适应地层起着非常重要的作用，根据经验可知，当地层的渗透系数小于10- 7m/s 时，选择土压平衡盾构可以较好地适应该地层，选用泥水平衡盾构会出现不适应的现象，具体表现为土体流动性差，盾构运渣效率低。当地层的渗透参数大于10-4m/s 时，选用土压平衡盾构便不能很好地适应该地层，选用泥水盾构更为合适，如若坚持选用土压平衡盾构，除了容易出现刀盘、螺旋输送机扭矩过高，磨损严重等现象外，还极易造成螺旋输送机喷涌，酿成工程事故，因此，需要对砂卵石层进行改良以保证盾构施工的安全，提高土压平衡对地层的适应性。地层渗透性与盾构适应性关系如图2-10所示。

图2-10　地层渗透性与盾构适应性关系

4）地下水压

地下水压的大小往往与地层水的渗透性紧密相关。对于富水地层，当水压大于0.3 MPa时，如若选用土压平衡盾构，螺旋输送机往往难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生渣土喷涌现象，引起土舱中土压力下降，导致开挖面坍塌。因此，在水压大于0.3 MPa时，适宜采用泥水平衡盾构。

当水压大于0.3 MPa时，显然土压平衡盾构不适应该地层，如因其他各种原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵提高盾构对地层的适应性等措施防止盾构喷涌和造成安全事故及经济损失。

5）单轴饱和抗压强度

单轴抗压强度是指岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所能承受的荷载，简称抗压强度，据其含水状态按压坏标准试件测得，又有干燥抗压强度、天然抗压强度与饱和抗压强度之分。单轴抗压强度的测定一般使用单轴抗压强度仪器进行。将岩石试样放在压力机的上下压板之间进行加压，直至试样被压坏时测得的压力强度值即为单轴抗压强度。

岩石的坚硬程度的定量指标，通常采用岩石单轴饱和抗压强度Rc来衡量。Rc应采用实测值。当不具备条件获得实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数IS（50）的换算值，按下列公式进行换算：

卵石单轴抗压强度反映的是卵石抗破坏的能力，而大粒径卵石如果不能被破坏碾碎，将会对盾构的正常掘进造成很大的影响。对于盾构施工来说，岩石单轴抗压强度若是在50 MPa以上，便难以破坏。因此，盾构应当根据对应的单轴抗压强度采取相应的对策，从而能很好地破碎大卵石，增强盾构对地层的适应性。

6）密实度

密实度通常用动力触探试验来测量（图2-11），动力触探试验具有勘察与测试的双重功能。根据穿心锤质量和提升高度的不同，国内常用的落锤质量为10 kg、63.5 kg和120 kg，分别称为轻型、重型和超重型动力触探。轻型动力触探适用于黏性土和粉土，常用来检测浅基础地基承载力和基坑验槽；重型动力触探适用于砂土和砾卵石；超重型动力触探适用于砾卵石；标准贯入试验适用于黏性土、粉土和砂土。

图2-11　密实度测量试验示意

动力触探的锤击能量（重锤重量与落距的乘积），一部分用于克服土对探头的贯入阻力，称为有效能；另一部分消耗于锤与触探杆的碰撞、探杆的弹性变形、克服探杆与孔壁土的摩擦，以及触探器贯入时地基土产生塑性变形、贯入时土的弹性变形等。假设锤击效率为η，有效锤击能量可表示为ηMgH，则：

式中　Rd——探头单位贯入阻力（N/m3）；

e——每击贯入度（m）；

M——锤的质量（kg）；

H——重锤落距（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

A——探头截面积（m2）。

我国多采用贯入一定深度的锤击数N63.5（击/10 cm）与土的力学指标建立经验相关关系来确定地基土的力学性质。N63.5一般用来衡量碎石土的密实度，以超重型动力触探为例：N63.5≤5则为松散；5＜N63.5≤10则为稍密；10＜N63.5≤20则为中密；N63.5＞20则为密实。

密实的土体地层未经扰动时具有较强的自稳性，当盾构施工参数控制合理且隧道埋深满足一定要求时，地层不会下落成拱，地表沉降控制相对较为容易，同时后续沉降较小；不密实地层经过盾构掘进作业对地层的扰动后，土体迅速松散。但是随着密实度值增大，盾构的推进阻力会增大，刀盘磨损也会变严重。因此，不同密实度的地层对盾构提出了不同的适应性要求。当盾构通过密实度较低的土体时，可能造成土体塌陷从而造成地表沉降，因此在盾构掘进该地层时应充分做好相应的准备。盾构在高密实度地层中掘进时，由于阻力会增大，只有提供更大的推力，才能使盾构适应当前的地质情况。