王 焰

(中國鐵路廣州局集團有限公司， 廣東 廣州 510060)

0 引言

近年來，水下隧道的發(fā)展和修建步伐不斷加快，工程數(shù)量和規(guī)模均日趨增大，且工程地質條件的復雜性和施工難度也不斷攀升。當前水下隧道的施工方法基本可以分為鉆爆法、盾構法和沉管法，也可以將三者混合使用[1-2]。在3種施工方法中，盾構法因其機械化程度高、施工速度快、環(huán)境友好、施工安全等優(yōu)勢，成為水下隧道首選的施工方法。然而，在盾構法水下隧道施工中，存在大斷面、淺覆土、高水壓(≥0.55 MPa)、強透水、長距離、復合地層等施工難點，使得開挖面穩(wěn)定性控制極其困難，且頻繁遭遇停機開艙更換刀具等高難、高風險作業(yè)，給盾構法施工帶來了極大的安全風險[3]。

我國水下盾構隧道工程主要集中在長江及珠江水域。文獻[4]對南京過江盾構隧道工程的主要地質問題及其對策進行了分析，研究認為開艙作業(yè)是盾構長距離穿越高水壓、強透水復合地層的過程風險控制關鍵節(jié)點。文獻[5]結合盾構實際應用從泥漿成膜、帶壓開艙等方面對工程難點及關鍵技術進行了總結。文獻[6]對深穗中跨珠江口通道盾構法隧道方案風險及對策進行了研究。目前，基于復合地層條件下盾構法海底隧道工程實踐較少，應用研究也相對滯后[7]。相比于過江隧道，海底隧道開挖工作面地下水壓力受上覆水道波浪壓力變化的影響較大，鉆挖推進中如何及時、精確地調整掘進參數(shù)以維持工作面穩(wěn)定是研究重點[8-10]。另外，海底地勘資料有限，復雜海域水底潛在的全斷面軟土、全斷面基巖、軟硬不均及破碎帶等復雜地層增加了盾構適應性難度，該類隧道施工過程中極易出現(xiàn)刀具異常磨損、姿態(tài)難以控制、工期滯后等問題[11-12]。

當前水下盾構隧道在基巖中的合理埋置深度尚不明確，世界上不僅工程案例少，而且缺乏相應技術標準[9]。海底隧道工程由于水底通道資源有限，一次性投入高昂，隧道斷面往往較大，為此提出了大直徑盾構的需求[13-14]。但研究認為，盾構直徑小于12 m時相對經(jīng)濟、安全，施工風險小，而盾構直徑過大，其成本和安全風險也將成倍增加[15]。為此，大直徑盾構如何在高水壓水下隧道施工中規(guī)避設備風險、保障安全高效掘進是業(yè)內關注焦點[16]。

本文基于佛莞城際鐵路獅子洋大直徑盾構隧道工程，結合工程地質與水文地質特征，針對性地開展復雜地質條件下大直徑盾構掘進風險與對策研究，分析高水壓復雜工況條件下設備選型、掘進參數(shù)選取、軟硬不均和斷層破碎帶施工等風險及對策，總結出大埋深復合地層大直徑盾構施工風險控制對策，以期為今后類似工程施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程特點

佛莞城際鐵路獅子洋隧道是打通珠江東西兩岸的快速過江通道，是繼廣深港高鐵獅子洋隧道之后，第2條下穿獅子洋海域的水下盾構隧道，是目前國內最大水壓和最大直徑的鐵路盾構隧道。隧道全長6.15 km，盾構段長4.9 km，水域寬度約1.8 km(見圖1)，采用1臺具備常壓換刀功能的泥水平衡盾構獨頭掘進。該隧道具有開挖直徑大(13.61 m)、水壓高(最大水土壓力0.78 MPa)、地質條件復雜、獨頭掘進距離長等特點。

圖1佛莞城際鐵路獅子洋隧道地質剖面圖

Fig. 1 Geological profile of Shiziyang Tunnel on Foshan-Dongguan Intercity Railway

1.2 工程地質與水文地質

本工程區(qū)域內地層大致分為3層： 人工填土層、第四系海相沉積及沖積層和基巖層。盾構隧道穿越地質自上而下依次為淤泥層(部分為細砂和中砂)、強風化砂巖、泥巖及弱風化含礫砂巖、泥巖。其中，最大巖石飽和抗壓強度為75.7 MPa，最大石英含量達85%。隧道圍巖分級為Ⅳ—Ⅵ級。其中，Ⅵ級圍巖長3.49 km，占總長的56.8%；Ⅴ級圍巖長2.01 km，占總長的32.7%；Ⅳ級圍巖長0.5 km，占總長的8.1%。本標段地下水豐富，水位高，斷層破碎帶地層滲透性為中等透水—強透水。

2 工程重難點分析

2.1 復雜多變地層設備適應性

在大埋深、強透水、高水壓等復雜地質條件下，大直徑盾構長距離穿越軟硬不均段、全斷面泥巖和斷層破碎帶等不良地質，沒有類似工程的成熟經(jīng)驗可借鑒。不同地層特性對盾構適應性及可靠性提出了相應的挑戰(zhàn)。在軟硬不均段，刀具易發(fā)生非正常磨損，掘進調向困難； 在高水壓工況下，如何開艙換刀及維修、如何保證掌子面穩(wěn)定是施工難點； 在全斷面泥巖地層，盾構掘進過程中易產(chǎn)生結泥餅、糊刀盤等現(xiàn)象，進而造成刀具磨損、掘進困難； 在破碎帶段存在強透水風險，并且掘進中易發(fā)生掉塊、滯排，進而出現(xiàn)堵艙現(xiàn)象，加之大直徑盾構掘進時對地層產(chǎn)生的擾動大，導致盾構隧道存在噴涌、塌陷的可能。

2.2 大直徑盾構長距離獨頭掘進

本工程盾構獨頭掘進距離長達4.9 km。其中，石英砂巖的飽和抗壓強度高，石英含量高，如表1所示。因此，對主軸承耐久性及刀盤、刀具、盾殼、環(huán)流系統(tǒng)等設備的耐磨性要求更高，同時長距離掘進時應對事故能力差，海底檢修和施工監(jiān)測難度增加。

表1 各地層石英含量

2.3 穿越高水壓、強透水地層

盾構下穿獅子洋水域長度達1 800 m，下穿部分基本處于10 m以上深水段，最大水深17 m，最大覆土厚度為64 m，最大水壓達0.78 MPa。盾構穿越3條斷裂破碎帶，透水性強(破碎帶和斷層的滲透系數(shù)可達50 m/d)且?guī)r層上覆土隔水層較薄，盾構施工期間存在與水體貫通、刀具更換、盾尾及主驅動密封失效等風險，風險辨別和針對性控制是施工控制的重點。

3 盾構施工風險及對策

結合本工程地質特性和施工重難點分析，盾構在大斷面、淺覆土、高水壓、強透水、長距離、復合地層等工況施工過程中，存在設備選型地質適應性差、掘進參數(shù)選取及控制難度大、軟硬不均地層和斷層破碎帶施工困難等風險。當掌子面壓力大于0.55 MPa時，刀具檢查及更換作業(yè)難度和風險極高，常規(guī)帶壓開艙作業(yè)無法實現(xiàn)，必須采取飽和帶壓開艙作業(yè)，且飽和帶壓作業(yè)技術一直被國外公司壟斷，技術難度和作業(yè)風險極高。以下對幾種主要風險及對策進行分析。

3.1 盾構設備選型風險及對策

盾構隧道需穿越軟硬不均段、全斷面泥巖和破碎帶等復雜地層，地層與江水直接相通，具有含水量豐富、透水性好、水壓高的特點。針對復雜地層條件的盾構選型正確與否是工程成敗的關鍵。

3.1.1 風險分析

1)設備性能與地質條件不匹配，導致盾構地質適應性差。

2)刀盤結構型式、刀具配置不當，刀具磨損嚴重，帶壓開艙作業(yè)風險極高。

3)泥水處理系統(tǒng)選型配置不當，導致泥漿參數(shù)異常，盾構掘進困難。

3.1.2 控制對策

1)根據(jù)工程地質詳勘和補勘資料，結合同類工程案例，選用泥水平衡式盾構，刀盤型式為常壓刀盤。常壓刀盤可實現(xiàn)滾刀在常壓環(huán)境下的檢查和更換，規(guī)避了超高壓環(huán)境下帶壓開艙作業(yè)帶來的安全風險。

2)做好盾構關鍵系統(tǒng)的設計選型，主驅動轉矩和推進系統(tǒng)設計有足夠的富余量，提高在復雜地質條件下的設備脫困和盾構掘進能力；盾尾密封刷選用知名品牌，提高盾尾密封的性能。

3)盾構刀盤上滾刀配置有先進的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測滾刀轉速和溫度，為滾刀刀具檢查和更換提供依據(jù)。

4)優(yōu)化常壓刀盤結構設計，選用抗沖擊和耐磨性能好的刀具，提高刀盤和刀具的地質適應性，并定期檢查刀盤和刀具，當掘進參數(shù)異常時立即停機分析原因，處理完成后再恢復掘進。

5)加強泥漿環(huán)流系統(tǒng)耐磨設計，提高環(huán)流系統(tǒng)在惡劣工況下的適應性。勤測量進排漿泵管壁和泥漿泵泵殼厚度，避免磨穿爆管和噴漿。結合沿線地質特性和同類工程施工案例，優(yōu)化泥水處理系統(tǒng)設計和配置，提高泥水處理系統(tǒng)的處理能力，增設2～3臺離心機，有效控制泥漿密度和黏度，提高盾構掘進效率。

3.2 盾構掘進參數(shù)選取風險及對策

3.2.1 風險分析

1)切口環(huán)壓力設置不當，易出現(xiàn)江底冒漿、掌子面失穩(wěn)。

2)當掘進參數(shù)與地層不匹配時，易出現(xiàn)刀具非正常損壞、掘進效率低等問題。

3)在高壓、富水地層中掘進時，盾尾密封存在失效的風險，易發(fā)生突泥、涌水等災害性事故。

4)泥巖地層掘進中的開挖管理和泥漿管理需要緊密協(xié)調。泥漿參數(shù)的選取尤為重要，泥漿指標不合格則刀盤易結餅，進而導致掘進參數(shù)惡化。

3.2.2 控制對策

制定開挖管理與泥漿管理并重的盾構掘進控制方法,如圖2所示。掘進過程中嚴格控制盾構掘進參數(shù)，不斷優(yōu)化掘進參數(shù)，控制盾構掘進方向。設置盾構掘進參數(shù)如表2所示，并進行動態(tài)調整以保證盾構的順利掘進。

1)合理選取切口水壓。根據(jù)地層特性和隧道埋深，確保盾構掘進時的切口泥水壓力介于理論計算值上下限之間，盾構推進、逆洗和旁路3狀態(tài)切換時的切口水壓偏差值均控制在±20 kPa。

圖2 掘進管理步驟

2)動態(tài)調整掘進速度。結合同類工程施工經(jīng)驗，以及本工程試驗段地層滲透系數(shù)及地層完整性相關參數(shù)，在正常掘進條件下，掘進速度設定為8～15 mm/min。同時，根據(jù)泥漿指標，及時調整掘進速度和進、排漿量，防止出現(xiàn)刀盤結泥餅和掘進參數(shù)惡化。

3)泥漿參數(shù)優(yōu)化設置。泥漿監(jiān)控實現(xiàn)動態(tài)過程控制，在盾構掘進過程中，每環(huán)掘進時應進行泥漿指標測試和記錄。當泥漿密度>1.25 g/cm3或漏斗黏度>40 s時，應立即停止掘進，通過離心機進行泥漿質量調整后恢復掘進，防止發(fā)生刀盤結泥餅、刀盤轉矩升高、掘進速度下降。泥漿各項指標值見表3。

表3 泥漿指標

注： API為測定30 min時的泥漿失水量。

4)掘進過程中合理設置油脂注入量和注入壓力，同時加強對油脂注入設備的檢查，確保油脂腔始終處于飽滿狀態(tài)，確保盾尾刷安全。

5)加強管片拼裝質量控制，避免出現(xiàn)較大的錯臺。

6)加強同步注漿和二次注漿，及時、足量注入保水性良好的水泥砂漿，在盾尾刷與地層間形成良好的隔離層，避免水壓力直接作用在盾尾刷上；同時，控制好注漿壓力，避免漿液擊穿盾尾。

3.3 軟硬不均地層盾構施工風險及對策

3.3.1 風險分析

1)由于巖層強度不一，容易造成局部刀具受力超載，致使?jié)L刀軸承或密封損壞，出現(xiàn)非正常磨損。

2)刀盤轉矩波動大，掘進速度慢。

3)盾構姿態(tài)不易控制。盾構在上軟下硬地層施工時，有向軟巖方向偏移的慣性，盾構姿態(tài)容易發(fā)生偏移。當盾構姿態(tài)偏差過大時，管片拼裝困難，易出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象，且管片的受力不均勻，嚴重時管片出現(xiàn)破損，從而影響隧道防水效果。

3.3.2 控制對策

1)加強對滾刀刀具在線監(jiān)測裝置的監(jiān)控，出現(xiàn)故障時及時進行檢修或更換，確保滾刀在線監(jiān)測效果，防止出現(xiàn)監(jiān)測裝置損壞引起刀具過度磨損。

2)加強對盾構掘進速度與環(huán)流系統(tǒng)出渣量的監(jiān)控和分析，確保盾構掘進速度與出渣量相匹配，減少地層中大顆粒在開挖艙中的堆積，避免刀具出現(xiàn)二次磨損。

3)當盾構即將掘進至軟硬不均段時，提前對刀具進行全面檢查，及時更換損壞的刀具，防止刀具帶傷作業(yè)。

4)合理控制掘進速度，以刀具貫入度為控制基準，避免因貫入度過大對刀具產(chǎn)生沖擊，致使刀圈崩裂。

5)加強掘進參數(shù)監(jiān)測，當掘進速度、刀盤轉矩等主要參數(shù)發(fā)生突變或不在正常范圍時，應立即停機分析原因，檢查刀具情況，不可盲目掘進。

6)在盾構掘進操作過程中，需根據(jù)盾構姿態(tài)的變化，通過合理控制推進系統(tǒng)各區(qū)域推進油缸的使用數(shù)量、推進油壓及速度、刀盤正轉或反轉等手段來調整盾構姿態(tài)。

7)當盾構姿態(tài)出現(xiàn)較大偏差時，應遵循“少糾、勤糾”的原則，必要時可利用盾構的超挖刀來糾正盾構姿態(tài)，避免糾偏過猛，引起盾構蛇形前進，進而引起刀具磨損和管片拼裝困難。

8)加強對推進油缸油壓的調整控制，避免因推進油缸壓力分布不均造成管片局部破損甚至開裂。

3.4 斷層破碎帶盾構施工風險及對策

3.4.1 風險分析

1)盾構開挖艙內壓力設置不合理，受斷層破碎帶和高水壓的影響，易出現(xiàn)刀盤艙與江水連通，造成開挖艙壓力突變，易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)。破碎帶巖芯取樣如圖3所示。

圖3破碎帶巖芯取樣情況

Fig. 3 Core sampling at fracture zones

2)刀具磨損嚴重，且易出現(xiàn)非正常磨損。

3)掌子面泥膜效果難以有效保證，易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)和排漿口堵塞。

3.4.2 控制對策

1)嚴格控制刀盤艙壓力，一般壓力設定為1.1～1.2倍靜止水土壓力。

2)做好盾構姿態(tài)控制，結合盾尾間隙合理選擇管片拼裝點位，防止出現(xiàn)盾尾間隙過大，進而引起盾尾密封失效，并參照3.3節(jié)盾構姿態(tài)控制措施。

3)在盾構掘進至斷層破碎帶前，及時檢查和更換刀具，確保刀具完好。

4)合理選取泥漿參數(shù)，控制進漿密度為1.05～1.15 g/cm3，漏斗黏度為25～30 s。

5)調整同步注漿漿液配比，及時在斷層破碎帶區(qū)域形成有效的隔離層，并在盾尾后部5～10環(huán)及時進行雙液漿注漿。同步注漿配比參數(shù)見表4。

表4 同步注漿配比

6)加強隧道內的施工監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況及時采取措施。

4 結論與討論

1)通過對設備選型風險分析與風險控制研究，結合工程地質特性，完善盾構與泥漿環(huán)流系統(tǒng)設備選型與優(yōu)化，有效地規(guī)避了盾構在高水壓、大埋深、斷層破碎帶等復雜環(huán)境下施工的設備選型風險，提高了設備的地質適應性，保障了盾構施工的安全，提高了施工效率。

2)在不良地質條件隧道施工過程中，運用科學的盾構刀具管理與控制技術，以及相應的風險應對措施，延長了刀具的使用壽命，提高了掘進施工效率。

3)結合地質條件的變化合理選取掘進參數(shù)，加強過程控制和參數(shù)優(yōu)化，有效降低了刀盤結泥餅的概率，避免了掘進參數(shù)惡化，并提出一套開挖管理和泥漿管理并重的盾構掘進控制方法。

4)通過掘進參數(shù)、泥漿參數(shù)調整的動態(tài)過程管理及監(jiān)控量測、注漿技術的綜合運用，保證了盾構在不良地質條件下施工的順利推進。

佛莞城際鐵路獅子洋隧道具有大斷面、淺覆土、高水壓、強透水、長距離、復合地層等工程特點，施工難度大、風險極高，采用常壓換刀刀盤，成功解決了大直徑盾構在高水壓、強透水、復合地層中的刀具檢查和更換難題。目前，在常壓換刀施工工藝研究方面的成果相對較少，尤其是高水壓、強透水等環(huán)境條件下，常壓換刀施工過程同樣存在一定的風險。如何保證在高水壓條件下常壓換刀時換刀閘門和刀筒的密封性能，以及連接螺栓的耐久性，是下一步大直徑泥水盾構常壓換刀作業(yè)設計和施工研究的重點和方向。