廈門越海隧道盾構施工若干技術難題及對策

王 軍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 前言

近年來，我國地下空間高速發展，國內諸多城市開展地鐵隧道建設，其中盾構施工由于諸多優點被廣泛應用于隧道掘進[1-2]。雖然盾構施工更加高效、經濟，但遇到特殊地層時也存在諸多施工難題，嚴重耽誤施工工期、增加施工成本，因此針對復雜地層下的盾構施工技術和施工方法一直是學術界和工程界關注的熱點[3]。徐凱[4]研究了富水砂卵石地層盾構施工引起的空洞問題，分析了盾構施工過程空洞形成機理，提出了地表壓漿的方法來解決空洞環境下盾構施工難題。文濤[5]針對盾構掘進富水圓礫地層下存在的地表沉降、掘進噴涌問題，提出了渣土改良方案，有效解決了該地層下盾構掘進難題。王芳[6]以西安地鐵盾構隧道施工為例，對黃土隧道盾構施工風險及對策進行研究。馬云新[7]分析了盾構施工過程中地面塌陷引起的原因，認為通過回填或者控制掘進參數可有效避免地面塌陷。杜闖東[8]研究了破碎帶與軟硬不均等不良地層下盾構掘進技術，分析了不良地層下引起盾構掘進困難的內在原因。石舒[9]對盾構隧道下穿鐵路工程風險進行分析并提出對策。

上述研究成果為部分復雜地層下盾構施工提供了很好的參考，但目前研究主要集中于城市地表下盾構施工，而關于越海盾構施工過程中遇到的難題及相應解決措施鮮有報道[10-12]，沒有標準參照、沒有前車可鑒。本文圍繞廈門越海盾構施工，研究了盾構掘進破碎帶復雜地層時出現的具體施工難題，分析了造成施工難題的具體原因并提出了相應對策，最終使得盾構順利掘進，可為后續類似越海盾構施工提供參考。

2 工程概況

2.1 地質情況

該工程主要包括海滄大道站、東渡路站、海-東區間。區間分為盾構段、礦山段兩部分，區間總長2 800 m，盾構段長度2 540 m、礦山段長度260 m，其中跨海段海-東區間采用泥水盾構施工，見圖1。本區間線路穿越廈門西港海域，海域地形總體上向主航道傾斜，為侵蝕堆積地貌。海滄側為灘涂潮間帶，廈門西港主航道靠近廈門島側，寬度260 m，航道西側鏈狀分布火燒嶼、大兔嶼、小兔嶼、白兔嶼等島礁，線路從大兔嶼下穿過，其最高點約40.1 m。線位經過區海床標高-28.9～3.0 m，其中大兔嶼與火燒嶼之間海床及主航道海床為深凹地形，水深25～33 m。覆蓋層主要由人工填土、淤泥、粉質黏土、砂土及殘積土等組成；下伏基巖巖性種類較多。海滄側灘涂區主要為燕山期侵入的花崗巖；廈門側為侏羅系上統南園組第二段酸性陸相火山碎屑巖建造，巖性多為凝灰熔巖；其間為侏羅系下統梨山組陸相碎屑巖建造夾中酸、酸性火山巖，巖性主要為淺變質的泥巖、粉砂巖、細砂巖、石英砂巖等，局部為黑云母安山巖。覆蓋層總厚度0～27.9 m?；鶐r自西向東依次為花崗巖、淺變質砂巖及泥巖、石英砂巖、凝灰熔巖、花崗巖等。基巖風化界面起伏大，中等風化基巖頂板標高3.75～-73.13 m。根據鉆孔及物探資料，線路穿越兩條北東向風化凹槽，槽溝深-60～-80 m，寬200～450 m。區間隧道海滄陸域段主要穿越地層為淤泥、殘積土、散體狀強風化花崗巖。主航道以西海域段主要穿越地層為全風化變質砂巖、強風化變質砂巖、碎裂狀強風化變質砂巖；主航道及主航道以東段主要穿越地層為碎裂狀強風化石英砂巖、中等風化石英砂巖、中等風化凝灰熔巖及花崗巖等。

圖1 盾構施工跨海區域段

2.2 盾構機結構與工作參數

該越海工程所用泥水盾構機開挖直徑為7.043 m，整機總長約105 m，額定扭矩5 113 kN·m，脫困扭矩7 158 kN·m，刀盤轉速在0～3.75rpm之間，采用復合式刀盤(面板＋輻條)。刀盤上布有不同形式的刀具，包括中心雙刃滾刀4把、單刃滾刀39把(正面29把、邊緣10把)、正面刮刀38把、周邊刮刀12組(6組3連、6組4連，共42把)。刀盤開口率30%，可通過最大粒徑巖渣尺寸為29 cm。刀盤面板上焊接耐磨板，周邊焊接鑲嵌合金耐磨塊，以提升刀盤整體耐磨性。

3 施工難點分析

盾構機在掘進到右線1 522環破碎帶區域，里程YDK20＋822.8，盾構推進表現異常，具體表現為以下幾個方面。

(1)掘進參數異常

盾構在前期掘進過程中，推力基本維持在21 000～22 000 kN之間，推力變化相對穩定，波動不明顯。而在進入該施工問題段后，推力發生明顯變化，上下波動顯著，最大超過25 000 kN，最小低于20 000 kN，波動區間遠大于前期正常推力范疇，表明盾構在推進過程中忽而遭遇強硬地層、忽而遭遇塌陷松散地層，導致推力波動劇烈。

采集該區段的刀盤推進速度，也呈現忽大忽小的變化趨勢，振動幅度很大，其最大值達到23 mm/min，均值保持在3 mm/min，波動幅度超過20 mm/min。而刀盤在前期正常推進過程中的掘進速度波動幅度一般不超過5 mm/min。這反映出在該施工異常段刀盤前端地質變化大、軟硬不均，地層極有可能存在孤石或者破碎帶復雜工況，需進一步開倉或者地質勘查檢驗。

(2)刀盤易卡死

刀盤在該異常段區域出現多次卡機，導致施工停滯不前。讀取該段刀盤扭矩可以發現，該段區域的扭矩幅度也呈現劇烈波動，其最大值超過6 000 kN·m，逼近脫困扭矩，因此該地段容易造成刀盤卡死。開倉后發現，在刀盤開口處存在大量大塊巖渣，大塊巖渣尺寸普遍超過50 cm，由于巖渣尺寸過大而無法穿過刀盤開口，甚至部分巖渣嵌卡在刀盤開口處，使得刀盤在轉動過程中遭受巨大阻力，進而引起刀盤卡死(見圖2)。為解決刀盤卡死現象，施工人員多次帶壓進倉進行大塊巖渣清理，嚴重耽誤了施工工期并加大了施工成本。

圖2 刀盤卡死

(3)刀具異常失效加劇

統計該區域施工地段的刀具失效情況可以發現，刀盤上的刀具失效數量顯著增加，相比較正常施工情況，刀具損耗量增加2倍以上。其中刮刀以嚴重磨損為主，而滾刀出現大量異常失效現象，存在刀圈弦磨、刀圈斷裂以及刀轂斷裂等，見圖3。滾刀刀圈弦磨，只在刀圈的一側單獨發生磨損，刀圈其它部分磨損正常，說明在該地層下滾刀破巖過程中無法正常轉動；滾刀刀圈斷裂，刀圈不發生磨損失效，直接發生脆斷，刀圈橫截面斷裂，表明該刀圈韌性過低，遭遇強沖擊載荷后發生脆斷；滾刀刀轂斷裂，在不均勻、交變載荷作用下刀轂結構失效開裂。

(4)泥漿泵及泥水管道堵塞

該異常區域段掘進過程中頻繁出現堵泵和堵管現象。由于此段區域掘進過程中產生大塊巖渣，且由于巖渣過多，二次破碎不足，使得巖渣的尺寸普遍超過管道直徑，進而堵塞泥水環流系統，嚴重制約了盾構機排渣性能，多次迫使盾構機停機清渣。

4 施工難點誘因及相應對策

4.1 施工難點誘因分析

為了分析此次施工故障的原因，對該段施工區間的地層進行補勘，發現該地層下的巖石為石英砂巖，且巖石成疊摞狀，單軸抗壓強度為90～186 MPa，呈現出局部極硬而多裂隙的破碎帶特征，地層斷面形貌如圖4所示。盾構掘進該種地層滾刀切割巖石過程中，疊摞狀巖石容易在其裂隙處脫落掌子面，進而產生大塊巖渣。由于存在大量裂隙，刀具切割過程中會時而接觸巖石時而空切，使得盾構刀盤的推力忽大忽小，掘進速度忽大忽小，波動幅度顯著高于正常掘進工況。由于所產生的巖渣過多，大量巖渣無法通過刀盤開口，堆積在刀盤前端，迫使刀盤上刀具對大塊巖渣進行二次破碎，增加了刀具切割負擔。當巖渣堆積過大，刀盤易出現卡死。

圖4 掘進地層特征

同時，由于滾刀時而切割時而空切以及大量大塊碎石巖渣作用，致使滾刀產生劇烈沖擊，發生非正常失效，出現“刀碎而石不碎”現象。部分疊摞狀的細小巖石或者二次破碎的巖石可以通過刀盤開口，但由于其尺寸依然較大，加大了泥水環流出渣負擔，進而頻繁出現堵泵和堵管現象。

4.2 施工對策

通過4.1節施工難題誘因分析可知，引起該區域施工故障的主要原因是由疊摞狀巖石復雜地層所致，且富含裂隙海水，該地層表現出明顯的局部極硬而多裂隙的破碎帶特征。解決問題的關鍵在于改變該種地層的松散特征，避免疊摞狀巖石在裂隙處破碎形成大塊巖渣，因此考慮采用注漿方式，填補疊摞狀巖石之間的裂隙，使得該松散地層粘結為一個較為完整的巖石地層。

為了能有效固定并粘結住疊摞狀巖石地層，海域段從海面采用袖閥管進行注漿。海域段砂層袖閥管注漿時先周邊實施雙液漿約束，再進行水泥漿注漿以保證注漿效果。注漿采用袖閥管注漿工藝，水泥漿單液漿注入(水灰比0.8～1)，孔間距為(0.8×0.8)m，梅花形布置。水深9～15 m，覆土20 m，加固縱向長度91 m，注漿加固范圍為隧道頂部以上5 m至疊摞狀巖石地層以下0.5 m。注漿完成后，對注漿區域抽芯檢測，比例1%，無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。海上總計注漿隧道軸向長度為91 m。

由于該地層區域巖石強度較大，為了減少刀具損耗，對滾刀結構進行了重新設計。新改進的滾刀刀刃寬度由22 mm增加到27 mm；刀圈根部厚度由23 mm增加至27 mm；刀圈刃部厚度由76 mm增加到80 mm，極大提升了滾刀的結構強度。同時為了提升滾刀的抗沖擊性能，刀圈硬度由原來的56～58 HRC降低到54～56 HRC。

4.3 改進后掘進效果

通過海上注漿以及刀具重新設計后，盾構正常恢復掘進，刀盤推力恢復至21 000～22 000 kN之間，達到正常掘進水平，且刀盤推力波動幅度較小，遠小于未注漿時的刀盤推力波動幅度；刀盤掘進速度維持在2～4 mm/min，其波動幅度也顯著降低。說明采用海上注漿工藝后，有效粘結了松散的疊摞狀巖石地層。改進后刀具整體以正常磨損失效為主，刀具損耗量下降45%，同時不再出現卡死刀盤以及堵塞環流系統輸送現象，盾構基本穩定順利掘進，驗證了海面注漿以及刀具重新設計改造的合理性。右線盾構隧道于2019年1月實現貫通。

5 總結

針對廈門2號線一期工程中盾構越海段施工難題，分析了盾構穿越破碎帶過程中的施工具體難題，確定了難題的根源在于局部極硬而多裂隙的破碎帶復雜地層。為此創新提出了海面注漿施工方法，并對刀具結構進行重新設計，有效解決了盾構海底穿越破碎帶復雜地層的難題，使得盾構順利掘進，節省了施工周期和施工成本。