復雜地層水下盾構隧道工程難點及關鍵技術研究與展望*

唐少輝 張曉平 劉 浩 張亮亮 張 健 陳 鵬 白 坤 吳 柯

(①武漢大學土木建筑工程學院，巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，武漢 430072，中國)

(②武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072，中國)

(③中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063，中國)

(④濟南城市建設集團有限公司，濟南 250031，中國)

(⑤中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211800，中國)

0 引 言

自1825～1843年英國土木工程師M.I.Brunel首次采用盾構法修建泰晤士河隧道以來，盾構設備經歷了手掘式、擠壓式、半機械式、機械式等主要型式，自動化程度越來越高，地質適應性越來越好，應用范圍也越來越廣(石振明等， 2018; 王浩杰等， 2019; 王亞暐等， 2019)。特別是進入21世紀以來，隨著經濟一體化需求日益迫切和地下公共交通網絡蓬勃發展，高度自動化的泥水盾構、異形盾構和雙模盾構以其施工速度快、成型質量高、安全性能好、對環境影響小等優越性能，已經成為修建城市越江跨河交通隧道的主要施工設備(商擁輝等， 2015)。統計結果表明，截止至2016年底，僅在我國境內采用盾構法修建的水下隧道已達70余座(肖明清， 2018)。如表1所示，以南京長江隧道、濟南黃河隧道、佛莞城際鐵路獅子洋隧道、南湖路湘江隧道、沅江過江通道、上海外灘通道、錢江隧道等為代表，它們廣泛分布于長江、黃河、珠江、湘江、沅江、黃浦江、錢塘江等各大水系干支流上，極大緩解了城市交通擁堵，有效促進區域經濟發展。

表1 國內近年來在建或已建的代表性水下盾構隧道

伴隨著眾多標志性越江跨海隧道工程的建成和投運，我國在江(海)底復雜困難地層盾構施工關鍵技術研究方面已取得長足發展和顯著進步(楊文武， 2009; 張曉平等， 2017)。文獻調研結果顯示，國內眾多專家和學者已經從復雜地質應對策略、盾構設備選型方案、巖機相互作用原理、掘進施工方案優化、襯砌結構承載性能等多個角度對盾構隧道安全高效施工技術問題進行了詳細的探討和分析。其中，楊書江(2016)，李波等(2019)針對廈門海域球狀風化花崗巖地層和武漢長江底部上軟下硬、軟硬交替復合地層進行分析，提出了具有針對性的螺旋傳輸機磨損斷裂應對策略和刀盤結泥餅防治措施。蔣超(2016)基于佛莞城際獅子洋隧道和沿海城市某海底隧道的工程特點及地質條件進行探討，改進了氣墊式泥水平衡盾構和泥水-土壓雙模盾構的設備整體選型方法與關鍵部件配置方案，解決了泥水盾構艙內巖體滯排問題。程池浩等(2017)和李建斌等(2019)對隧道施工過程中“圍巖-盾構”系統相互作用機制進行研究，通過改性地質條件、改良設備構件、優化施工參數完善了長距離高水壓越江跨海隧道盾構地質適應性分析方法。邢慧堂(2010)，吳世明等(2011)，劉方等(2018)，安宏斌等(2019)，從淺覆土始發軟弱地層擾動特性，下穿堤防風險分析及保護措施，江中深槽區安全掘進控制技術，富水砂層無端頭加固接收方案等方面優化了復雜困難地層盾構隧道掘進施工方案體系。何川等(2007)，封坤等(2010)從孔隙水壓、結構剛度和接縫形式等方面著手，對管片環的受力、變形及抗裂等性能進行分析，揭示了水下隧道結構破壞內在原因和基本規律，為提升高水壓滲透地層盾構隧道襯砌結構承載穩定能力提供了理論指導。上述研究成果推動了國內越江跨海隧道建設的發展和進步，但大多針對某一盾構隧道工程所遇到的具體問題，而對近年來國內水下隧道施工過程中所取得的整體技術突破和未來發展趨勢仍缺乏討論和研究。

本文以近年來國內已建和在建的典型越江跨海隧道工程為案例，從地質條件、施工技術、項目管理等多個方面進行系統分析，歸納了南京長江隧道、濟南黃河隧道、南京地鐵10號線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號線海底隧道等國內代表性復雜地層水下盾構隧道建設過程中所遇到的技術難題，提煉了適用于高磨蝕性砂卵石地層、高水壓強滲透性地層、高黏粒粉質黏土地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層等復雜困難地質環境的水下隧道施工成套關鍵技術，并從地質環境復雜化、盾構設備多樣化、掘進施工智能化等多個角度對越江跨海隧道工程未來發展趨勢進行展望。

1 復雜地質條件水下隧道工程難點

1.1 高磨蝕性砂卵石地層盾構刀盤刀具磨損嚴重

砂卵石、卵礫石地層廣泛分布于我國長江中下游江底。以南京地鐵10號線越江隧道為例，地層中的卵礫石顆粒粒徑多為5～50mm，部分高達60～90mm，個別超過110mm，石英含量為20%～50%。試驗結果表明：卵礫石的點荷載強度為54～252MPa，平均值為150.70MPa。越江隧道施工期間，密集的大粒徑、高強度砂卵石、卵礫石將對盾構刀盤造成強烈的沖擊和摩擦。切削刀具在沖擊荷載和摩擦負荷的作用下初次磨損加劇(圖1)。此外，渣土中的砂卵石、卵礫石顆粒極易沉淀離析，富集在刀盤前方和開挖艙內，對刀盤刀具造成嚴重的二次磨損。如何降低砂卵石地層中摩擦負荷作用對刀盤刀具造成的過度磨損，避免卵礫石地層中沖擊荷載作用給刀盤刀具帶來的異常磨損(合金崩裂、刀具脫落等)成為長江中下游地區南京長江隧道、南京緯三路過江隧道、南京地鐵10號線越江隧道等長距離越江盾構隧道施工期間亟需解決的技術難題。

圖1 高磨蝕性砂卵石地層刀具磨損(Barzegari et al.，2015)

1.2 高黏粒地層盾構隧道施工泥餅淤積問題突出

高黏粒含量粉質黏土地層顆粒粒徑小，造漿能力強。隧道施工期間，泥水處理系統通過簡單的篩分、過濾和沉淀往往難以徹底實現渣漿分離(王承震， 2015)。高比重的含渣泥漿將通過進漿管再次被運送至掌子面，不僅給泵送系統造成了極大壓力，而且使刀盤刀具極易淤積泥餅。隨著掘進距離增加，泥漿比重不斷增高，環流系統正常攜渣能力和刀盤刀具切削效率勢必都將受到嚴重制約。

以揚州瘦西湖隧道為代表，黏土地層的標貫值為29～35，含水率約為21%，塑性指數高達17.7%～22.4%，黏粉粒含量在90%以上。泥水盾構在高黏粒含量粉質黏土地層中掘進，環流系統運行效率顯著降低。當攪拌力度不夠或泵送壓力不足時，高黏度、大比重的泥漿難以及時排放和分離。黏粒極易黏附刀具形成泥餅。隨著泥餅淤積厚度不斷增加，刀盤扭矩持續增長，最終誘發盾構掘進參數異常。工程經驗表明，因攜渣困難、泥餅淤積(圖2)和管線堵塞導致的盾構停機和開艙清理已經成為制約施工效率的重要因素(戴洪偉， 2015)。

圖2 開挖艙內泥餅淤積

1.3 高水壓強滲透地層盾構隧道開挖面穩定性差

泥水盾構掘進期間，通過向刀盤的開挖艙和氣墊艙內加入膨潤土泥漿，在開挖面前方形成一定厚度的高黏致密泥膜(圖3)，進而在泥膜外側施加泥漿壓力用于平衡泥膜內側水土壓力，以維持開挖面的穩定性。泥漿壓力過小，容易引起變形破壞和地表沉降； 泥漿壓力過大，則會導致泥膜劈裂和地表隆起。上述兩種不良工況都極易誘發開挖面失穩破壞。尤其是對于以南京長江隧道為代表，水土壓力高達6.5bar，地層滲透性系數超過10-2cm·s-1的砂卵石地層，當采用大直徑泥水盾構施工時：一方面，高水土壓力條件下強滲透性地層中數量眾多的局部孔隙極易形成滲流通道，膨潤土泥漿往往難以及時進行淤堵形成微透水或不透水的致密泥膜(劉泉維， 2014)； 另一方面，大直徑盾構隧道開挖面積大，頂部和底部所需支撐壓力差距往往超過1.0bar。若不及時采取措施，開挖面極易失穩，造成覆土塌方涌入開挖艙和刀盤抱死無法轉動等不良后果。

圖3 隧道開挖面黏性致密泥膜

1.4 江底富含沼氣地層施工燃爆事故風險大

進入全新世以來，長江三角洲逐漸向淺海伸展，潮汐流波及深度以下的前緣斜坡和三角洲，長江下游擺動形成的低流速緩坡區等微地貌環境都有利于有機質快速堆積和埋藏，為淺層天然氣富集提供了豐富的物質基礎。長江三角洲淺層氣是未經運移的原生生物氣，主要富集于末次冰期以來的沉積層序內。河口灣-河漫灘和淺海相泥質沉積物既是氣源巖，又是區域蓋層； 河口灣-河漫灘和河床相砂質沉積物為主要儲氣層。

在長江三角洲區域進行水下盾構隧道施工易遇到富含沼氣地層(圖4)。以蘇通GIL綜合管廊工程(張曉平等， 2018)為代表，巖土工程勘察結果表明：沼氣呈扁豆體狀、團塊狀、囊狀局部集聚分布于盾構隧道掘進區間DK1+0～DK1+780范圍內，主要成分甲烷(CH4)占比85%～88%、氮氣(N2)占比8%～10%、氧氣(O2)占比2%～3%。單點最大儲氣量約為5.0m3，關井氣體壓力為0.25～0.30MPa。在富含沼氣地層中進行盾構隧道施工極具挑戰。一方面，沼氣極易遇上明火誘發瓦斯爆炸、甲烷燃燒、甲烷窒息等安全事故； 另一方面，隨著沼氣持續泄漏，刀盤前方土體將受到不同程度的擾動，開挖面高黏致密泥膜一旦發生破壞，極易導致塌方和涌水等工程事故。

圖4 靜力觸探過程中沼氣噴涌

1.5 海域地質碎裂帶與密集孤石群工況極端復雜

在海域復雜環境中進行盾構隧道施工，極易遇到地質碎裂帶、密集孤石群和基巖凸起等不良地質狀況(楊書江， 2016； 陳曉堅， 2019)。受探測技術、處理方法、作業環境等眾多因素的限制，碎裂巖塊、海底孤石、基巖凸起在預處理階段難以徹底被清理。它們殘留在掘進區間內極易卡死刀盤或堵塞閘門(圖5)，進而誘發刀盤刀具過度磨損、開挖面失穩破壞、掘進效率下降等工程問題。

圖5 碎石機在艙內破碎孤石

以廈門地鐵2號線海底隧道(陳建福， 2019)為例，海滄大道站—東渡路站區間的沉積巖中存在抗風化能力較強的硬夾層，風化帶中存在隨機分布的球狀風化體(孤石)，埋深主要集中在0～20m范圍內，球徑大多不超過4m，天然抗壓強度介于45～50MPa和100～110MPa 之間。泥水盾構在形狀大小各異、強度不一的孤石群地層中掘進容易產生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等不良狀況。此外，隧道掘進過程中滾刀很難產生足夠大的反力將孤石破碎，它們會長期存留在刀盤前方，沿掘進方向移動。不僅對周圍地層造成擾動，而且對主軸承和鋼結構產生損傷。

2 復雜地層水下隧道施工關鍵技術

2.1 高磨蝕性砂卵石地層盾構刀盤刀具配置技術

2.1.1 砂卵石地層刀盤刀具配置技術

砂卵石地層是一種土體粒徑不均，內摩擦角大，咬合不穩定，擾動后易崩塌，強度低于裂隙巖層的不穩定地層。郭信君等(2013)和李雪等(2015)借鑒南京長江隧道和南京地鐵10號線越江隧道施工經驗，提出了基于“犁松原理”的盾構刀具切削理論，揭示了砂卵石地層隧道掘進過程中“以先行刀和魚尾刀犁松為主，以切刀和刮刀攪動和剝落為輔”的刀具切削內在規律(圖6)。通過對比有無先行刀保護情況下的刮刀磨耗系數，論述了常壓可更換式先行刀布置的必要性，提出了“多層次常壓可更換刀具”的設計理念。建議砂卵石地層盾構施工過程中先行刀間距取其厚度的3.5～6倍，先行刀與刮刀高差取40～50mm。較之于原方案，優化后的刀盤刀具配置方案顯著提升了隧道施工效率。高磨蝕性砂卵石地層中的盾構刮刀切削距離壽命由原來不足300m提升至超過700m。

圖6 砂卵石地層盾構刀盤和刀具地質適應性設計

2.1.2 常壓更換刀盤結構空間優化設計

傳統的(超)大直徑泥水平衡盾構刀盤輻臂通常為偶數，并沿水平和垂直中心線嚴格對稱。這種布置方式雖然有利于刀盤受力均衡，但是卻給10m級泥水盾構進艙換刀造成了極大壓力。受刀盤面積的限制，每個輻臂內部空間往往極為狹小，不便于換刀設備安裝和作業人員操作。南京地鐵10號線“穿越號”泥水盾構改進了傳統對稱式刀盤設計方式，采用5個輻臂樣式的刀盤面板設計理念(圖7)。在保證切削刀具數量和刀盤開口率的前提下，每個輻臂的寬度得以最大化。5個刀盤輻臂空腔內最多可以安裝72套常壓換刀裝置，并可以容納2名操作人員同時工作，單把刀具的更換時間降低至不足2h，單次停機時間降低至2～3d， 10m級泥水盾構的換刀效率得以提升，停機成本和停機風險顯著減低。

圖7 南京地鐵10號線泥水盾構刀盤結構的優化設計

2.1.3 盾構刮刀地質適應性改進設計

砂卵(礫)石地層盾構隧道施工過程中極易發生合金崩裂、刀具脫落和槽內翻轉等不良狀況。以南京長江隧道為例，泥水盾構在局部砂礫石地層中掘進不足300m時出現了周邊刮刀嚴重磨損、刀具合金大面積脫落等現象，原裝刮刀對砂礫石地層表現出明顯的不適應性。郭信君等(2013)在總結原裝刮刀設計不足的基礎之上，分析了刮刀形狀結構對刀具切削性能和磨損特征的影響，并基于“減小前角、加大后角、鈍化刀刃、加粗合金”的設計理念提出了如表2所示的3種改進方案。通過在刀盤不同位置同時安裝3種改進型刮刀和原裝刮刀進行原位掘進試驗，測試其切削性能和磨損特征。試驗結果表明：當刮刀前角為0°，后角為15°，刃角為75°，合金寬度為40mm，截面尺寸為25mm×50mm，合金-刀體采用面貼結合方式時，切削效率和耐磨性能達到相對最優。此時，改進Ⅱ型刮刀磨耗系數為原裝刮刀磨耗系數的37%，刀具地質適應性得以顯著改善。

表2 南京長江隧道泥水盾構可更換刮刀的改進設計(郭信君等， 2013)

2.2 高壓水泥餅沖刷刀及刀盤泥餅沖刷處理技術

2.2.1 高壓水泥餅沖刷刀

泥水盾構在高黏粒含量粉質黏土地層中掘進刀盤極易淤積泥餅，導致刀具貫入困難，開挖效率下降。若不及時清理，泥餅將愈發密實，誘發施工參數異常等不良后果，給盾構設備帶來極大威脅。有鑒于此，高壓水泥餅沖刷刀被設計用于富含黏粒地層盾構隧道施工(圖8)。高壓水通過管道輸送至沖刷刀內部通道，從表面的泥餅沖刷孔噴出。在沖刷力的作用下，淤積在周圍刀具及刀盤面板上的高黏性泥餅將被迅速清理。泥水盾構在刀盤刀具無泥餅淤積的良好狀態下，工作性能和切削效率得以顯著提升。

圖8 高壓水泥餅沖刷刀

2.2.2 刀盤面板沖刷系統改造

以揚州瘦西湖隧道(陳健， 2015)為代表，泥水盾構主要穿越粒徑小于0.075mm顆粒高達99.6%，平均膨脹率約為76%的軟黏土地層。在浸水(或泥漿)條件下，土體顆粒連接強度喪失，誘發局部崩解。崩解土體難以及時排出，容易形成刀盤泥餅或堵塞盾構艙門。為有效避免泥餅淤積制約盾構掘進效率，刀盤面板沖刷系統被進行升級改造(圖9)。在經過90KWP01型液壓泵增壓后，主沖刷管中的漿液將被輸送至中心錐回轉接頭，通過支沖刷管分別流入6個刀盤輻臂。每根支管中配置專用電磁閥，可獨立控制沖刷液的流速和流量。每個刀盤輻臂均布設4個泥餅沖刷孔，孔外設有專用保護網罩以防止膨脹性泥塊堵塞噴頭而降低沖刷效率。通過對刀盤面板沖刷系統進行改造，泥水艙內泥塊堆積、管線淤堵、排渣不暢等技術難題得以合理解決。隧道施工進度由改造前的一環/天增加到改造后的四環/天，泥水盾構掘進效率得以顯著提升。

圖9 沖刷系統的管路布置(陳健， 2015)

2.3 高水壓強透水地層隧道開挖面泥漿成膜技術

強滲透性砂礫(卵)石地層顆粒級配不良，泥漿極易穿透滲漏，難以在開挖面上形成致密泥膜。盾構掘進期間漿液大量濾失，泥漿壓力難以維持，致使開挖面失穩破壞。以南京長江隧道工程為例，傳統舊漿在粉細砂-卵礫砂混合地層中的2h析水率高達16%(韓曉瑞等， 2008)，難以適應盾構隧道開挖面穩定性需求。

為解決高壓水強透水砂礫(卵)石地層泥漿成膜問題，郭信君等(2013)，張寧等(2015)和閔凡路等(2017)利用自制的泥漿成膜及滲透裝置，開展了不同制漿材料、環境壓力、滲透模式、孔隙水壓等條件下的泥漿滲透試驗。通過測試濾失水量、地層孔壓、泥膜厚度、閉氣時間等技術參數，獲得了泥膜滲透系數、泥漿壓力轉化率、泥膜進氣值等關鍵指標，系統分析了泥膜的成形機理、致密程度和透氣失效性能，提出了以“舊漿+廢漿+制漿劑(NSHS-1和NSNS-3)”為核心的粉細砂-卵礫砂地層泥漿制備方案。工程經驗表明，黏粒含量20%以上，密度1.15g·cm-3左右，黏度25s以上的泥漿2h吸水率僅為2%，形成的致密泥膜較好地滿足了南京長江隧道開挖面穩定性需求(圖10)。

圖10 南京長江隧道泥膜制備試驗

2.4 江底富含沼氣地層泥水盾構施工控制技術

富含沼氣地層廣泛分布在長江三角洲地區，給盾構隧道施工帶來嚴峻挑戰。為防止沼氣從刀盤開挖艙、盾尾密封環、管路延伸器和管片密封節間等位置滲入盾構機和隧道內部，誘發瓦斯爆炸等安全事故，盾構隧道施工期間主要可采取如下控制措施：

2.4.1 預先形成泥漿滲透帶，阻隔沼氣進入開挖艙

當泥水盾構在富含沼氣地層中掘進時，泥漿壓力應設置為略高于開挖面水土壓力。在壓差作用下，膨潤土泥漿將穿過泥膜滲透至開挖面前方土體中。隨著泥漿持續滲透，富含沼氣土體將逐漸轉變為泥漿飽和土體，孔隙中的沼氣也將隨之被膨潤土泥漿所驅替(圖11)。蘇通GIL綜合管廊工程現場監測結果顯示，在采用預先形成泥漿滲透帶的控制措施后，開挖艙中沼氣濃度顯著降低，盾構隧道施工期間未發生一例燃爆事故。

圖11 沼氣地層滲透膨潤土泥漿

2.4.2 完善沼氣監測系統，建立安全預警機制

為有效預防施工期間因沼氣濃度過高而發生瓦斯爆炸或甲烷燃燒等安全事故，盾構及隧道內部應合理布置沼氣監測預警系統。以蘇通GIL綜合管廊工程為例：盾構內部布置CH4監測傳感器共計12個。其中， 7個位于壓力艙和盾體中， 5個位于后配套臺車上。隧道內部11個監測點布設傳感器共計45個，監測點位置及傳感器分布詳情如表3所示。

表3 隧道內部傳感器的分布情況

傳感器監測數據將被傳輸至地面控制終端實時顯示。當CH4濃度超過0.5%時，盾構和隧道內部的警示燈將被觸發，軸向通風將被加強； 當CH4濃度位于0.5%～3.0%之間時，若遇到臨時斷電，可以啟用應急發電機電源； 當CH4濃度高于3.0%時，盾構機高壓電源將被切斷，作業人員需從盾構和隧道內部緊急撤離。完備的沼氣監測系統和科學的安全預警機制確保了隧道洞內施工安全，降低了工程事故發生概率。

2.4.3 健全抽排技術方案，緩解沼氣燃爆風險

蘇通GIL綜合管廊工程施工期間，地層中釋放的沼氣極易進入開挖艙、盾構機和隧道內部，誘發瓦斯燃爆事故。為此，盾構制造商和隧道承包商聯合設計了一套相對完備的沼氣抽排技術方案。在開挖艙頂部，手動放氣管被設計用于周期性地檢查和釋放聚集在壓力艙頂部的沼氣； 在盾構內部，考慮到存在局部通風死角，除二次通風系統外， 6臺氣動風機被增設在盾尾、P2.1泵吸口、管道延伸器等位置，用以保障設備安全； 在隧道內部，抽排系統被布置用于稀釋沼氣濃度，抽排管線直徑和真空泵最大抽氣量分別為100mm和20m3·min-1。

2.5 密集孤石群和基巖凸起地層探測處理技術

海底孤石和基巖突起的形狀各異、大小不一，給盾構隧道施工帶來嚴峻挑戰(圖12)。若不及時探測清理，極易造成刀盤刀具磨損嚴重、盾構掘進參數異常等不良后果。為此，陳建福(2019)針對廈門地鐵2號線海底隧道實際情況，提出了以地質雷達探測、地震反射波探測、地表及海面鉆探、盾構機內部探測等技術手段為核心的綜合探測方案，實現了對海底地層密集孤石和基巖凸起的精確探測與感知，降低了廈門海域復雜地質條件泥水盾構施工作業風險。

圖12 隧道沿線海底孤石分布示意圖

為實現海底孤石和基巖凸起地層泥水盾構安全高效掘進，廈門地鐵2號線海底隧道工程通過開展巖樣磨蝕性試驗對花崗巖、石英砂巖、安山巖、凝灰熔巖和泥質砂巖的磨蝕特征進行分析(許黎明等， 2016)，揭示了巖石礦物成分與磨蝕性能之間的內在關聯，為合理預測海底孤石及基巖凸起段盾構刀具磨損情況提供了依據。與此同時，工程現場通過運用海上爆破注漿、艙內靜態爆破、風鎬鑿除、夾片預裂、鏈鋸切割、液壓劈裂等處理方法(吳載清， 2016)，順利清除了開挖區間內的海底孤石和基巖凸起，確保了復雜困難地層中泥水盾構安全高效掘進，為類似地質條件下廈門地鐵3號線海底隧道工程的孤石群處理提供了技術參考。

3 復雜地層水下隧道施工技術展望

3.1 隧道工程地質條件復雜化

目前水下盾構隧道正向超大直徑、超高水壓、超長距離等方向發展。與之相對應，工程地質條件也正在由常規的單一軟土地層向特殊的土巖復合地層，低/中等水壓向高/超高等水壓等方向發展(肖明清， 2018)。以南京長江隧道、濟南黃河隧道、南京地鐵10號線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號線海底隧道為代表的高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質黏土地層、高水壓強滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層等復雜地質環境已經成為現階段盾構隧道施工的技術難點。隨著渤海灣海峽通道、和燕路長江隧道、汕頭灣海底隧道的規劃和實施，長距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區地下斷層、高烈度地震區活動斷層等復雜困難地層條件下的盾構安全高效掘進將成為未來水下隧道施工技術研究的重點和難點。

3.2 盾構設備掘進模式多樣化

隨著水下隧道工程需求與日俱增，單一模式的常規型盾構設備已經愈發難以適應日益復雜多變的工程地質狀況、水文地質條件和施工作業環境，形狀各異、模式多樣的異形盾構和多模盾構正逐漸被開發用于適應復雜困難地層隧道施工。在異形盾構方面，目前大斷面馬蹄形和矩形盾構設備已被應用于蒙華鐵路白城隧道和中州大道下穿隧道施工。前后錯開、左右對稱、獨立運轉的多刀盤創新設計理念合理規避了開挖盲區，順利實現了復雜困難地質條件下的全斷面機械化掘進。在多模盾構方面，以泥水-土壓、泥水-TBM和土壓-TBM為代表的雙模盾構正分別被應用于佛莞城際獅子洋隧道、荷蘭德斯隧道和青島地鐵8號線隧道施工。兩種工作模式之間的相互轉化確保了以上軟下硬、軟硬交替等為代表的土巖復合地層隧道掘進效率和施工安全。隨著水下隧道工程地質條件日趨復雜多變，異形盾構和多模盾構在長距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區地下斷層、高烈度地震區活動斷層等復雜地質環境中應用將越來越廣泛。

3.3 巖-機相互作用感知智能化

我國水下盾構隧道工程施工仍存在復雜地層掘進效率低、隧道掌子面直觀性差、盾構設備復雜程度高、工作人員操控差異大等缺陷和不足。因地質認知局限性、設備控制復雜性、人員操作差異性等問題而誘發的臨時停機和設備故障仍是制約盾構掘進效率和隧道施工成本的重要因素。

基于大數據技術與海量數據分析，建立三維地質反演識別算法。根據盾構掘進參數與超前地質探測，實時感知并預判高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質黏土地層、高水壓強滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層、長距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區地下斷層、高烈度地震區活動斷層等復雜的工程地質條件，全方位獲取各類型地層的地質參數用以構建可視化的三維地質力學模型。結合數字化掘進試驗平臺，實現盾構設備智能選型、掘進參數智能決策、施工風險預測評價及人機交互與自動化掘進等功能，有助于合理規避盾構掘進風險，顯著提升隧道施工效率。

4 結 論

本文以南京長江隧道、濟南黃河隧道、南京地鐵10號線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號線海底隧道等國內典型水下盾構隧道工程為研究對象，從工程地質條件、盾構施工技術、建設過程管理等角度出發，總結了越江跨海隧道的工程問題和技術難點，概述了高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質黏土地層、高水壓強滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層盾構隧道施工關鍵技術，展望了越江跨海隧道未來發展趨勢。通過研究分析主要得到以下結論：

(1)眾多越江跨海隧道的建成和投運標志著我國盾構施工技術已取得顯著進步，但復雜困難地層水下隧道建設仍面臨著許多技術難題。以高磨蝕性砂卵石地層刀具磨損、高黏粒粉質黏土地層泥餅淤積、高水壓強滲透地層開挖面失穩、江底富含沼氣地層瓦斯燃爆、海域密集孤石群地層掘進困難等為代表的工程問題仍是制約水下盾構隧道施工效率的重要因素。

(2)復雜困難地層水下盾構隧道施工成套關鍵技術已經被提出用于合理解決國內越江跨海隧道相關技術難題。高磨蝕性砂卵石地層刀盤刀具適應性配置技術、高壓水泥餅沖刷刀及刀盤泥餅沖刷成套技術、高水壓強透水性地層盾構開挖面泥漿成膜技術、江底富含沼氣地層盾構隧道施工控制技術、海域密集孤石群和基巖凸起地層探測處理技術有力地保障了國內大型水下隧道工程的安全高效施工。

(3)今后較長的一段時間內，我國的隧道工程建設仍將處于快速發展期，所面臨的施工作業環境將愈發復雜。隨著水下隧道不斷向大直徑、長距離、高水壓等方向拓展，工程地質條件復雜化、盾構設備掘進模式多樣化、巖-機相互作用感知智能化將成為越江跨海盾構隧道的發展趨勢。