1）粒径分布规律

根据成都地铁6号线土建3标地质勘查报告可得知，盾构施工主要穿越的地层为＜2-9-3＞卵石地层（图2-14）。下面主要分析卵石在该地层中的分布规律。

图2-14　隧道岩层地质情况

①卵石粒径纵向分布规律。

根据该地段地质勘查报告结合钻孔情况，沿线路3个区间段的卵石平均粒径沿深度分布情况见图2-15。从图2-15可以直观地看出各区间的卵石平均粒径分布与深度的关系情况，可以看出3个区段的卵石粒径沿深度方向是逐步增大的，且3个区段在盾构埋深的深度主要分布着300～400 mm的大粒径卵石，最大粒径可达600 mm。盾构在向更大埋深的方向驶进时，应充分考虑到粒径增大的现象，并采取相应的应对措施。由于粒径大于300 mm的卵石对盾构掘进会产生较大影响，设计施工时应充分考虑不同区域大粒径漂石的深度范围对施工的影响。

图2-15　纵向粒径分布图

②卵石粒径横向分布规律。

根据详细勘查资料结合钻孔情况，我们对卵石平均粒径沿线路分布的规律进行了分析，沿线路各段的漂石最大粒径分布情况见图2-16。由图2-16可知，卵石平均粒径沿线路分布不均匀，根据檬梓向天宇站卵石粒径呈逐步下降的特征，使用其数据点用二次多项式拟合结果为y=4×10-7x2-0.0051x+44.837，根据此拟合曲线可对沿途的卵石粒径进行预测，并随时更改盾构掘进参数以适应地层的变化。盾构掘进方向是由红高站向两侧掘进，由于卵石粒径分布呈一定的规律，所以可在盾构掘进过程中不断改变掘进参数以适应不同的地层环境。

图2-16　横向粒径分布规律

根据以上数据的统计分析，大致可得出6号线土建3标卵石粒径分布的一个总体趋势：总体上表现为从檬梓站到天宇站＜2-9-3＞卵石平均粒径越来越大，卵漂石粒径从浅到深越来越大。

根据以上地层粒径分布规律分析，充分考虑盾构对地层的适应性，我们对盾构的选型提出了如下适应性要求：

①刀盘开口，刀盘的开口需要保证大粒径卵石能顺利通过刀盘，刀盘开口的设置应该能让大部分卵石顺利通过，而一些过大卵石则不能让其通过，以免影响螺旋输送机的运输。

②刀盘刀具的选择，由于存在大粒径漂石，应适当配置能破碎大漂石的刀具，如撕裂刀。

③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。

④盾构各部件的耐磨性，由于该地层粒径的大小会随着掘进的进行而发生改变，因此在不同地段对盾构各部分的耐磨性提出不同的要求。

⑤掘进参数的匹配，由于粒径的大小分布会影响到盾构掘进的扭矩、阻力等，因此赋予其合适的掘进参数，才能使盾构掘进能更好地适应该地层。

2）砂卵石的颗粒级配

根据成都地铁6号线土建3标檬尚区间地质勘查数据，针对某一有代表性数据（表2-1）做出分析。

表2-1　粒径统计表

其中求得：有效粒径d10=0.25 mm，平均粒径d50=42 mm，界限粒径d60=47 mm，不均匀系数Cu=174.1，曲率系数Cc=5.0。

画级配曲线（图2-17）：

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图2-17　级配曲线

根据上述粒径分布表以及其级配曲线可知，成都地铁6号线地层的颗粒级配曲线大致呈“L”形，不均匀系数根据式（2-1）求得Cu=d60/d10=174.1，曲率系数Cc=5.0。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。

成都地铁6号线地层土体级配曲线反映出的不均匀系数虽然较大，但是由于缺少中间颗粒，造成曲率系数较大，综合评判为粒径级配不良，同时小粒径卵石含量也比较少，大卵石孔隙不能很好地被小卵石所填充，因此该卵石地层开挖时容易导致基坑坍塌或者成孔壁坍塌及漏浆。成都地铁6号线土建3标所采用的复合式土压平衡盾构由于开口率较大，掌子面无法很好地支撑开挖面，容易造成开挖面坍塌，此为该盾构对该地层的不适应性所造成的后果。

3）卵石的单轴饱和抗压强度

卵石的单轴饱和抗压强度分布见表2-2。

表2-2　单轴饱和抗压强度分布（MPa）

根据表2-2可知各个区间的卵石单轴饱和抗压强度Rc存在差异。其中：檬尚区间最小抗压强度为61.86 MPa，最大抗压强度为80.05 MPa，平均抗压强度为70.04 MPa；尚红区间最小抗压强度为54.21 MPa，最大抗压强度为63.94 MPa，平均抗压强度为58.74 MPa；红天区间最小抗压强度为60.88 MPa，最大抗压强度为73.08 MPa，平均抗压强度为69.19 MPa。

根据以上数据分析，成都地铁6号线土建3标富水砂卵石地层卵石的抗压强度大致分布在50～70 MPa，其中尚红区间卵石抗压强度相比于其他两区间较小，总体上呈先下降后上升的趋势。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，单轴抗压强度在50～70 MPa，较难被破坏，因此盾构应当根据对应的单轴抗压强度做出相应的对策，从而能很好地破碎大卵石，增强盾构对地层的适应性。

4）密实度

表2-3是根据成都地铁6号线土建3标各区间＜2-9-3＞地层的超重型动力触探试验得到的实测击数的试验数据：

表2-3　超重型动力触探试验数据

根据表2-3可知6号线3标施工区间穿越的＜2-9-3＞地层为中密地层，密实的砂卵石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，砂卵石会下落成拱，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。由分析可知6号线3标施工段在盾构施工时，由于该地层属于中密地层，如果对地层扰动较小，该地层具有一定自稳性；如果对地层扰动较大，则会造成卵石迅速松散，从而造成掌子面塌陷以及地表沉降，对施工以及地表活动造成很大的影响。因此，在盾构施工时应尽量减少盾构对地层的扰动，合理地控制盾构掘进参数，提高盾构对地层的适应性。

但是随着密实度值的增大，盾构的推进阻力会增大，刀盘磨损也会变严重。因此需要对各区间的密实度进行统计。勘探点密实度实测数据见表2-4。

表2-4　勘探点试验数据

根据图2-18可知，檬尚区间整体密实度在平均值附近波动，但在M6XZ-MS-007探测点附近盾构穿过地层的土的密实度急剧下降又急剧上升。如若仍按前面的掘进模式掘进，很有可能造成土体塌陷，从而造成地表沉降；从低密实度区域向高密实度区域掘进时，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。因此，盾构在经过此段时应先降低盾构推力，做好掌子面崩塌的防护措施，随后应适当增加盾构机推力，使盾构掘进充分适应该部分地层。

图2-18　密实度分布

由数据可知尚红区间与红天区间密实度波动不大，较为平稳，地层较为密实，盾构阻力更大，刀盘刀具磨损更为严重，此为盾构对该地层的一种不适应性，设置适当的掘进参数以及控制好刀具更换时间，能有效地提高盾构对地层的适应性。

5）渗透性

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。成都地铁6号线土建3标采用的是两台土压平衡盾构机，根据施工经验，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参数。当地层的渗透系数大于10-4m/s 时，选用土压平衡盾构便不能很好地适应该地层，具体表现为除容易出现刀盘、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渣土改良以保证盾构施工的安全，提高土压平衡盾构对地层的适应性。

根据该施工段的地质勘测报告得知其渗透系数为22 m/d，换算成米每秒为22÷24÷3600=2.55×10-4m/s，可知该地层渗透系数大于10-4m/s，因此，土压平衡盾构不能很好地适应该地层，容易发生以上螺旋输送机喷涌等一些问题及事故，此为土压平衡盾构对该地层的一种不适应性。所以对土压平衡盾构进行适应性改造是必不可少的，特别是螺旋输送机喷涌问题以及砂卵石渣土改良问题成了研究的关键问题。