復合地層盾構工程的技術創新與進展

文｜竺維彬

復合地層盾構工程的技術創新與進展

文｜竺維彬

竺維彬，教授級高工，現任廣州地鐵集團有限公司副總經理。國務院特殊津貼專家、住建部城軌質量安全專家委員會專家、全國軌道交通協會工程建設專業委員會副主任委員，提出和定義了一系列復合地層盾構施工技術的新概念、新觀點、新方法，創立了“復合地層盾構技術理論體系”，發表地鐵建設、盾構技術方面論文50余篇，主編著作5本，獲國家科技進步獎、第四屆詹天佑土木工程大獎等獎項，獲“全國建設系統勞動模范”、“全國勞動模范”等榮譽稱號。

長期分管地鐵建設，我逐漸形成和堅定一個理念：就是把所有的工地當作新理論、新觀點、新技術的“產學研”試驗田，這樣檢驗最有效，成果轉化最快，盡可能在不花一分錢的情況下總結再創新。創新的目的就是給全國提供經驗和教訓，以降低工程風險，提高生產效率和工程質量。

復合地層

以前，盾構只是在上海的軟土、均一地層里面掘進，接下來是廣州3臺盾構，盾構是在上半斷面是砂或淤泥、下半斷面是紅層的地層里面掘進，這個地層怎么掘進？所以說必須像馬克思研究哲學一樣，要給你所研究的對象（地層）定一個名字。

這套地層，國外叫mix-ground，翻譯即“混合地層”，但我認為地層是客觀存在的東西，不能人為“混合”，且人類歷史短暫，跟地層年代是沒法比的，名字應反映客觀實際，最后花了半年時間，給出了“復合地層”這個名字。學術界對這個名字有兩種聲音：一種是認同的，大多是從事過這套地層盾構掘進的工程技術人員；另一種是責疑的，大多是研究土且沒有從事過盾構工程的人。復合地層，即在斷面范圍內在開挖延伸三維方向上有兩種或兩種以上的不同地層組成，而且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質特征相差懸殊。去年標準化制定單位把這種地層中掘進的盾構機也定名為“復合盾構”，“復合地層”的概念得到進一步認可，如今從事盾構技術研究的人都認同這個概念，大家有了“共同的語言”和共同認知，為進一步發展盾構技術打下了良好的基礎，這應該說是最新的研究成果及進展。

復合地層的特點：一、地史不同。現在大部分城市，上部都存在第四紀的地層，包括諸如黃土地層，大多也是新生代第三、四紀的地層，底下有老黃土，老黃土和新黃土不一樣，盡管都叫黃土，但對盾構來說不一樣，新老黃土組合也是復合地層，所以說復合地層是一個工程學的概念。二、巖性不同。這里面可以分成幾大類（表1）。隨著線路延伸、范圍擴大、地層埋深加大，隧道斷面內地層至少會有兩種以上組合，目前我國1500臺盾構中，統計復合盾構已有800～900臺。例如廣州、深圳、珠海、廈門、青島，上面是殘積層，底下是花崗巖，在這樣的斷面中盾構掘進是非常困難的，若你還是用以前均一地層的思路去指導工程，那只能以 “失敗”或“巨大代價”告終。

表1 復合地層分類

風險源之間的易理關系

還有一些不良地質，諸如廣州、深圳、東莞、珠海、廈門經常碰到的孤石，臺北的流木，還有古墓、古井等特殊地質，今年有一個基坑里面挖出來的解放以前的炸彈，這些都可歸入到特殊的復合地層，需有相應的應對措施。

風險管控理論

對風險及其控制的核心理念，考慮了有十幾年。受《易經》啟發，基于盾構的工程風險和事故特征，又結合馬克思著作歸納為：表面上，盾構工程施工風險像幽靈一樣游趟在天地之間、黑白之間，總是利用或尋找“地質復雜性”、“盾構機的不適應性”、“人認知的局限性、責任性、方案和措施的不合理性”等薄弱環節或漏洞作為突破口，擴張盾構工程的風險概率和級別，制造盾構工程事故；實際上，在自然風險與人為風險之間，人為風險是主要的，地質風險和盾構機風險是通過人的過失體現的，因此首先要建立地下工程“以風險管控為核心”的理念，重點“控制人為”風險。按照《易經》來說盾構機是“陽”的，地質是“陰”的，但人有兩面性，所以演繹出一個科學理念：地質是基礎，盾構機是關鍵，人是根本。人有兩面性，責任心強、技能高的為“陽”，責任心差、技能差的為“陰”。眾所周知，地下工程講究平衡，不平衡就要出事，這是提升到一個哲學的理念，方便理解和掌控。

有關盾構工程風險管控的理論是在廣州等城市100多公里的盾構施工經驗和教訓的基礎上總結出來的，2006年我們出版了全世界第一本盾構工程風險管控的著作《地鐵盾構施工風險源及典型事故的研究》。廣州地鐵有個好的傳統，地鐵設計院、監理公司、建設總部等都堅持實事求是的原則，一旦發生事故，一定要找到真相，如今看來實踐難得，卻十分值得。社會上報道的許多事故原因，其實有很多水分，往往把“人為因素”去掉，都強調客觀因素，這或許是許多風險評估準確率不到50%的主要原因。

風險的管控模式

風險的管控模式，也是十幾年前提出的。流程中最重要的一個環節，即當風險演變成危險時如何處理？目前許多城市出的事故，原來是可以控制的，問題是行政干預很多，又需開許多論證會，還是診斷不出主要原因來，浪費了時間，忽視了工程的“時空效應”，錯失了決策良機。每當此時，當事人必須找到風險真相，分析清楚主要風險和次生風險，果斷決策，因為地層時刻在變化。地鐵建設風險管控是要建立以風險管控為核心的一個全過程管控。

盾構掘進仿生圖

盾構掘進仿生圖是受多年的腸胃病困擾啟發，覺得把盾構跟自己的身體結合在一起來考慮會永生難忘。人和盾構一樣，人的口腔和牙跟盾構的刀盤相對應，刀盤能“啃下”巖土嗎？吃進去以后到土倉里面能不能“消化”？“消化”了以后，能“排”的出來嗎？國內許多盾構機選型，包括南京長江四條隧道，都出了“滯排”問題。人要是排不出來就憋死，盾構機同樣的道理，排不出來就憋死，這個概念早在2004年提出來的叫“滯排。

復合地層創新成果

在二十年來復合地層的盾構技術創新發展基本成果中，一個核心點是廣州地質太復雜，有花崗巖、溶洞、煤層氣、淤泥、粉細砂層，廣州地鐵9號線70%見洞率，可以說整條線盾構都在溶洞里掘進。因此在掘進方面要創新，碰到工程難題，既是挑戰又是機遇，只要大膽探索，勇于創新嘗試，一定能夠找到解決方法。這系列復合地層盾構的創新成果都是從克服工程實際困難中誕生的。

盾構掘進仿生圖

二十年來復合地層的盾構技術創新發展基本成果

廣州地鐵5號線建設時，全國第一臺雙螺旋盾構機過珠江

串聯雙模盾構原理圖

我這一輩子很有幸全程經歷廣州地鐵519臺次盾構施工，經歷了無數險境，值得欣慰的是定義了幾大概念，諸如泥餅、噴涌、有效推力、滯排等。泥餅、噴涌現象不是我最早經歷的，國外早已有發現，但在國外尚未研究清楚它的機理時，我們基本研究清楚了。在復合地層里面，影響進度50%的原因都是“泥餅”“噴涌”“滯排”這幾個詞，事故的50%，也是這幾個詞理解不透，沒有能力控制造成的。

廣州地鐵5號線時，采用了全國第一臺雙螺旋盾構機過珠江。后來為更好地解決噴涌和滯排問題，建議海瑞克試制6臺串聯式雙模盾構，以應對馬來西亞吉隆坡灰巖地層，提議華隧試制兩臺并聯式雙模盾構，以應對廣州地鐵9號線斷裂破碎帶地層，其機理是：泥水盾構掘進的時候，許多大的顆粒管道排不出來，可以用土壓盾構的螺旋輸送機把它排出，并且平衡不會被打破。

展望

我這一輩子只做了一件事，就是“研究清楚地下地質特征，把地下的土搬到地面，再把本來屬于地上的混凝土鋼筋又放到地下形成結構空間”。長期以來，我們堅持“創新引領，一線創新”的方針，創新取得許多突破和效益，概括為：創新需要勇氣，創新無止境，創新有風險，但是創新能贏得質量和安全，創新能贏得效益，創新贏得市場，創新贏得尊重。隨著超大直徑、超深埋深、超長距離盾構機的使用，挑戰和希望并存，現在還有許多諸如大盾構常壓換刀刀盤結泥餅等問題尚未解決，希望同仁們共同繼續創新，共同分享創新的成果和喜悅。

本文為竺維彬在2017年第三屆城市軌道交通工程建設發展研討會中的發言，根據錄音整理后授權刊登。