沿海復合地層泥水盾構施工適應性分析

王 焰

(中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510060)

大直徑泥水盾構已經廣泛應用于水下隧道施工過程中。文獻[1]從虎門港沙田港區地層破碎段盾構掘進施工中掌子面的穩定、環流系統、刀盤刀具損壞等方面，分析了掘進參數選擇、泥漿質量、同步注漿和二次注漿等盾構掘進關鍵技術。文獻[2]在自制的室內泥膜氣密性測試系統中，通過改變膨潤土的添加量，開展泥漿成膜試驗及泥膜閉氣試驗，確定了南京緯三路過江通道泥水盾構在江底帶壓開艙時泥漿配制參數。文獻[3]以北京鐵路地下直徑線泥水盾構施工為例，從穿越段的地質情況、盾構設備選型、泥漿指標、盾構施工過程控制等方面對刀盤結泥餅的形成機理進行了分析，并提出了預防和清除措施。文獻[4]分析了泥水平衡盾構穿越軟弱地層掘進速度的影響因素，給出了改善出渣和壓力波動的技術措施，并通過不斷調整刀盤轉速、掘進速度、推力、扭矩等參數順利通過砂礫層。文獻[5]通過采用泥水壓力平衡開挖面水土壓力的方式以及飽和潛水技術，解決了泥水盾構施工條件下帶壓進艙作業難題。文獻[6]通過對杭州慶春路過江隧道施工中泥水盾構掘進參數及地面沉降的分析，討論了泥水盾構掘進參數對地面沉降的影響。

文獻[7]針對軟硬不均地層,從防止開挖面涌水、保持開挖面穩定、土倉加壓等方面,研究了開倉換刀時極限支護壓力和氣壓值的確定方法,給出了合理的氣壓值;采用土倉加壓與增強開挖面穩定性相結合的技術,確保了盾構開倉換刀狀態下開挖面的穩定,帶壓進倉作業順利,工程效果好。文獻[8]以南昌市軌道交通1號線秋水廣場站—中山西路站區間隧道工程為背景,對泥水盾構穿越贛江F5斷裂破碎帶施工難點進行分析,從掘進開挖控制、出渣量與泥水質量控制、同步注漿和二次注漿4個方面研究高水壓條件下破碎帶開挖面穩定施工技術,并通過對施工記錄資料的統計分析,給出泥水盾構掘進參數、泥水參數、同步注漿和二次注漿參數建議值,最后針對穿越破碎帶可能出現的施工風險提出建議措施。文獻[9]在詳細分析斷層破碎帶不同特征對圍巖穩定性影響的基礎上,全面綜合斷層特征信息,建立一套完整的隧道穿越斷層破碎帶的施工風險評價體系，從實用、易于操作的角度出發,將各評價指標進行了詳細分級,可為盾構在穿越斷層破碎帶中實時評價災害風險提供參考。

國內大直徑泥水盾構在沿海復合地層中應用較少。廣深港客運專線獅子洋隧道是國內首條采用大直徑泥水盾構穿越復合地層的水下隧道，具有建設規模大、技術標準高、修建難度大、建設周期長、質量要求高、技術風險大等特點。本文結合該隧道修建中的重難點，開展泥水盾構在沿海復合地層的適應性分析，并給出施工建議。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

獅子洋隧道在廣東虎門大橋上游10 km處穿越珠江，隧道全長10.8 km。越江段長 9 340 m，采用泥水盾構法施工。隧道兩端穿越淤泥質黏土、粉質黏土和粉細砂土層，越江段穿越弱風化砂巖、泥質粉砂巖、泥質細砂巖等，局部含有淤泥質黏土與粉質黏土。獅子洋盾構隧道施工斷面如圖1所示。

通過室內試驗對穿越距離最長的弱風化砂巖段進行力學參數測試，得到弱風化砂巖的最大單軸抗壓強度為82.8 MPa，滲透系數為6.4×10-4m/s，石英含量最高達55.2%，黏粉粒(≤75 μm)含量為26.1%～55.3%。

圖1 獅子洋盾構隧道施工斷面示意(單位：m)

1.2 工程重難點

1)泥水盾構施工穿越的弱風化砂巖，其巖石單軸抗壓強度和石英含量相對較高，且局部處于淤泥質黏土與粉質黏土中。施工過程中高強度的砂巖對刀具要求較高，如遇到大塊砂巖，盾構掘進參數控制難度增大，掘進出的砂巖嚴重磨損泥水循環系統管道，尤其對刀盤和刀具的磨損非常嚴重。

2)盾構在軟硬不均地層掘進姿態控制難度大。

3)全斷面硬巖地層中盾構掘進距離長，對設備性能提出了嚴峻挑戰。盾構刀盤存在磨損嚴重、變形等風險。施工最深地段處于獅子洋隧道底，在高水壓復雜地層條件下帶壓換刀維修作業風險極高。采用的泥水盾構施工設計水壓達0.67 MPa，對盾構性能要求較高。

4)采用泥水平衡盾構施工，遇強透水斷層破碎帶時泥膜難以形成，泥水壓力難以平衡掌子面前方水土壓力，容易造成掌子面及頂部的塊石脫落、掉塊直至塌方，掘進施工難度大。

2 盾構選型

盾構選型是盾構法施工的關鍵環節，直接影響盾構隧道的施工安全、施工質量、施工工藝及成本。按照適用性第一、先進性第二、經濟性第三的原則，選擇最佳的施工方法和最適宜的盾構。

獅子洋隧道選用氣墊式泥水平衡盾構，該盾構開挖直徑11.182 m，隧道內徑9.8 m，襯砌外徑10.8 m，開口率31%。刀盤上布置278把雙層碳鎢合金切刀、50把單刃滾刀、10把雙刃滾刀。隧道采用4臺泥水平衡盾構分別從進出口工作井相向掘進，在左右線隧道中兩兩地中對接，洞內解體。

3 泥水盾構施工適應性分析

3.1 施工問題

在獅子洋隧道盾構掘進過程中，出現以下問題：

1)刀盤刀具系統適應性差，如邊刀的刀間距大，磨損嚴重；滾刀與刮刀高差小，刮刀參與破巖。

2)刀盤設計不合理，施工過程中磨損嚴重。

3)刀盤沖刷系統設計不合理，在泥巖地層中掘進時刀盤結泥餅現象嚴重。

針對以上問題，在施工過程中對盾構刀盤進行了改造優化。具體措施為：

1)將邊滾刀改為雙刃滾刀，增加滾刀與巖層接觸范圍，同時改造刀軸以提高滾刀與刮刀的高差。

2)采用HADX400耐磨鋼板修復刀盤周邊及切口環，增加刀盤外圈梁保護刀長度。

3)從泥漿系統進漿管路引出沖刷系統管路，分別從主軸承隔板、氣墊艙左側進入開挖艙，沖刷泵采用變頻控制，分別對刀盤中心及周邊進行沖刷，降低刀盤結泥餅的概率。

3.2 在4種典型工況中的適應性

3.2.1 軟土地層

在軟土地層中施工盾構各設備都能正常運行，刀盤、主軸承、驅動系統、環流系統等各設備及系統工作正常，施工順利，特別是在下穿小虎瀝的淺覆土地段，采用合理施工參數后順利通過。

在軟土地層中施工時盾構掘進推力為(3～4)×107kN，刀盤轉速0.8～1.0 r/min，掘進速度3～4 cm/min，刀盤扭矩2 000～5 000 kN·m，各項參數遠低于設計值，實現了快速掘進，且刀盤刀具磨損小。泥水環流順暢，出渣穩定，進排漿流量 1 400～1 500 m3/h，進漿相對密度1.1～1.15，排漿相對密度1.25～1.35。破碎機很少使用，切口壓力設定值略大于地層實際壓力，環流系統工作穩定。從現場情況看，掌子面泥膜形成較好，泥水壓力能有效保證掌子面的穩定。

從施工進度看，盾構掘進速度較快，泥水平衡盾構適合軟土地層施工。進口段軟土地層盾構施工進度見表1。

表1 進口段軟土地層盾構施工進度

1)從軟土地層進入基巖地層，盾構需穿越一段上軟下硬地層。進出口段盾構穿越的上軟下硬地層主要為粉質黏土、泥質粉砂巖和泥質細砂巖，為典型的上軟下硬地層，且粉質黏土黏度較高。未見斷裂，下部泥質粉砂巖和泥質細砂巖為強透水地層。洞頂埋深18.32～18.72 m，對掘進極為不利。出口段軟硬不均地層地質剖面如圖2所示。

圖2 出口段軟硬不均地層地質剖面

2)盾構在軟硬不均地層中施工時沿掘進方向受力不均，姿態很難控制。盾構掘進推力(4.0～5.5)×107kN，刀盤轉速1.2～1.5 r/min，掘進速度2～4 mm/min，刀盤扭矩 7 000～10 000 kN·m。施工時刀盤、主軸承、驅動系統、環流系統等各設備及系統滿負荷工作，掘進時間長，對設備及系統損傷大。

3)刀具切削、破巖困難。基巖抗壓強度較高，須采用滾刀切割破巖，而粉質黏土無法給滾刀提供足夠的摩擦扭矩，造成刀具偏磨。軟硬不均地層掘進速度很慢，大部分巖石已被磨成粉末時仍有少數剝落巖石沒有切碎，沒有切碎的巖石容易堵塞進漿管路及破碎機。進排漿流量 1 300～1 500 m3/h，進漿相對密度1.10～1.15，排漿相對密度1.25～1.30，破碎機常開不能停止。渣石粒徑不均，大塊巖石極易堵塞破碎機、安全門、格柵，導致出漿管路負壓，環流中斷。頻繁負壓會給管路帶來極大傷害，減少使用壽命。破碎機需要始終工作，對破碎機破巖能力提出考驗。長時間高壓破巖使得破碎機液壓系統和電機系統承受過大負載，電氣及控制元件容易損壞。

在軟硬不均地層中施工時，盾構各系統處在滿負荷工作狀態，運行參數接近設計值，掘進速度緩慢。進口段軟硬不均地層中施工進度見表2。

表2 進口段軟硬不均地層中施工進度

在軟硬不均地層掘進時可實現常壓下滾刀和齒刀的互換、滾刀和刮刀的互換，以提高換刀效率及降低換刀風險。能夠建立穩定的泥水平衡，盾構對軟硬不均地層基本適應。

3.2.3 全斷面硬巖地層

隧道經過上軟下硬地層后，進入全斷面硬巖地層。隧道洞身主要通過弱風化砂巖、泥質粉砂巖、泥質細砂巖，局部裂隙發育，存在破碎帶和風化槽。

在全斷面硬巖地層中掘進時刀盤、主軸承、驅動系統、環流系統等各設備和系統可以正常工作，但需要經常維護保養，隨著掘進距離變長，維護保養時間不斷加長，部分配件需要多次更換。

“‘把經濟特區辦得更快些更好些。’鄧小平同志這個題詞是1984年題給廈門的。”習近平看著圖片，思緒回到了30多年前，“我是1985年去廈門工作的，倍感時間緊迫啊！其他經濟特區都跑起來了，廈門要趕緊追上去。”

在全斷面硬巖地層中盾構掘進推力(4.5～6.0)×107kN，刀盤轉速1.8～2.0 r/min，掘進速度1.2～1.6 cm/min，刀盤扭矩 2 000～5 000 kN·m，全斷面硬巖地層中掘進刀盤推力明顯大于軟硬不均地層中，扭矩明顯小于軟硬不均地層中，造成刀具磨損比較嚴重，換刀頻率一般每20～50環開倉更換1次。全斷面硬巖地層刀具磨損見圖3。

圖3 全斷面硬巖地層刀具磨損

在全斷面硬巖地層掘進時切口壓力設定值略小于地層實際壓力，環流基本順暢，出渣穩定。進排漿流量 1 500～1 700 m3/h，進漿相對密度1.15～1.20，排漿相對密度1.25～1.30，破碎機需要經常使用。

在全斷面硬巖地層中掘進時掘進速度較慢，但能正常施工。進口段全斷面硬巖地層中施工進度見表3。在全斷面硬巖地層中施工時盾構各系統可以正常工作，掘進參數在設計范圍之內，設備故障可控，掘進速度穩定，能夠建立正常的泥水平衡。

表3 進口段全斷面硬巖地層中施工進度

3.2.4 斷層破碎帶

獅子洋隧道穿越地段大部分為巖石，局部裂隙發育，掌子面或洞頂巖石呈塊狀。地下水豐富。盾構在斷層破碎帶中掘進時難以形成泥水平衡，泥水在塊狀巖石中難以形成泥膜，掌子面塊狀巖石在刀盤刀具作用下容易脫落、掉塊甚至塌方。

在斷層破碎帶中施工時盾構掘進推力(5～8)×107kN，刀盤轉速1.2～1.5 r/min，掘進速度2～5 mm/min，刀盤扭矩 4 000～10 000 kN·m。刀盤、主軸承、驅動系統、環流系統等均在滿負荷工作，在斷層破碎帶施工刀具磨損非常快，周邊滾刀和中心滾刀極易偏磨，換刀頻繁，通常每5～15環就需更換刀具。刀盤切口及外圈磨損尤其嚴重，每經過一段斷層破碎帶，刀盤就要進行1次補焊維修。刀具及刀盤損壞情況見圖4。

圖4 刀具及刀盤損壞情況

此外，環流帶渣不暢，出渣量時大時小，泥漿管路磨損嚴重，極易出現堵泵、堵管、出漿管負壓現象。進排漿流量 1 500～1 700 m3/h，進漿相對密度1.10～1.15，排漿相對密度1.15～1.20，破碎機常開不能停止，切口壓力不斷波動，環流系統工作極不正常。

出渣巖塊大小不均。大巖塊極易堵塞破碎機、安全門、格柵，導致出漿管路負壓，環流中斷。頻繁負壓給管路帶來極大傷害，減少使用壽命。巖塊堵塞泥漿泵會使其排漿能力減弱，出現大的振動，影響環流帶渣能力，同時對泵自身產生嚴重損傷。

破碎機始終需要工作，對破碎機破巖能力提出極大挑戰。由于巖塊大小不一、軟硬各異，破碎機液壓油缸滿負荷工作才能提供破碎巖石所需要的力，多次出現卡死和漲缸現象，每次都需要開倉進入氣墊倉底部維修，占用大量施工時間。液壓部分，特別是作為動力源的驅動電機，由于長時間滿負荷工作，電機線圈經常燒壞，需要頻繁更換電機。

盾構在斷層破碎帶掘進時掘進速度較慢，且需要較多時間更換刀具。進口段斷層破碎帶施工進度見表4。

表4 進口段斷層破碎帶施工進度

盾構在斷層破碎帶中掘進時泥水平衡機理發生變化，基巖破碎，泥膜難以形成，掌子面巖體易脫落掉塊，盾構各系統處在極限工作狀態，運行參數接近或已超過設計值，設備故障頻發，掘進速度緩慢。通過采取各種施工措施、投入更多配件維護，可以勉強繼續施工，但很難建立穩定的泥水平衡，施工存在一定的不適應性。獅子洋隧道進出口段在該地層中均出現地表塌陷情況，對地表安全和盾構掘進產生較大影響。

4 結論

1)復合地層大直徑泥水盾構水下施工過程中，需要控制好邊刀的刀間距，適當提高滾刀與刮刀的高差，根據不同地質情況做好相應的設計，可減少刀具磨損，提高掘進效率。

2)泥水盾構開挖軟硬不均地層，刀具偏磨和管路磨損比較嚴重，常壓下采用刀具滾齒互換技術，可提高換刀效率，降低換刀風險。

3)盾構在軟硬不均、斷層破碎帶等地層施工時，需要加強刀盤驅動系統和推進系統的最大承受荷載，根據地層變化不斷優化掘進參數，維持掌子面的泥水壓力，保證復雜地質條件及惡劣工況下盾構的掘進。