汕頭海灣隧道超大直徑泥水盾構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)及不良地質(zhì)施工技術(shù)

王發(fā)民， 孫振川， 張良輝， 李鳳遠(yuǎn)， 張 兵， 王國(guó)安

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458；3. 汕頭市蘇埃通道建設(shè)投資發(fā)展有限公司， 廣東 汕頭 515000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的不斷加快，為緩解地面交通壓力、充分利用地下空間資源，越來(lái)越多的城市開(kāi)展地鐵隧道和公路隧道建設(shè)，導(dǎo)致隧道施工所面臨的地質(zhì)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，長(zhǎng)距離、大直徑隧道復(fù)合地層盾構(gòu)施工成為當(dāng)前隧道建設(shè)的一大難點(diǎn)[1-5]。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境給盾構(gòu)施工帶來(lái)了諸多難題和挑戰(zhàn)，馮曉燕等[6]以臺(tái)山核電站海底取水隧洞工程為依托，研究了孤石與基巖爆破處理對(duì)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響。黃恒儒[7]對(duì)花崗巖風(fēng)化孤石的形成機(jī)制及盾構(gòu)穿越孤石群產(chǎn)生的地面沉降、姿態(tài)控制、設(shè)備安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，并分析了傳統(tǒng)孤石處理方法在孤石群地層中運(yùn)用的局限性。曾學(xué)藝等[8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)淺埋大直徑盾構(gòu)隧道施工階段管片上浮原因進(jìn)行了分析，從改善上覆土特性、同步注漿優(yōu)化、控制掘進(jìn)參數(shù)等方面提出針對(duì)性控制措施，有效解決了管片上浮問(wèn)題。黃鐘暉等[9]通過(guò)數(shù)值模擬，采用敏感性分析方法，得到影響管片上浮各因素的權(quán)重大小，并提出針對(duì)性的控制措施。閆軍濤等[10]采用數(shù)值模擬研究了小直徑盾構(gòu)隧道穿越軟硬不均地層開(kāi)挖面支護(hù)壓力變化而引起的地層變形規(guī)律及開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞形式，確定了維持開(kāi)挖面穩(wěn)定的極限支護(hù)壓力。張亞洲等[11]基于國(guó)內(nèi)多條上軟下硬地層盾構(gòu)隧道典型工程案例，總結(jié)了上軟下硬地層盾構(gòu)施工主要問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，分別從隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)及工程實(shí)施的角度提出相應(yīng)的對(duì)策措施。陳健[12-13]對(duì)大直徑盾構(gòu)刀盤(pán)刀具選型及常壓換刀技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出一種高水土壓力條件下滾刀、齒刀常壓更換技術(shù)，提高換刀效率的同時(shí)降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。趙博劍等[14]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究了復(fù)合地層中φ7 m復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)5個(gè)關(guān)鍵盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與6種主要地層的相關(guān)性，得到了不同地層掘進(jìn)參數(shù)變化范圍。

國(guó)內(nèi)超大直徑泥水盾構(gòu)在海域土-巖-孤石復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)用和研究相對(duì)較少，汕頭海灣隧道是國(guó)內(nèi)最大直徑越海盾構(gòu)隧道、國(guó)內(nèi)首條兼具城市道路與一級(jí)公路功能的水下盾構(gòu)隧道，同時(shí)也是我國(guó)第1條地處8°抗震設(shè)防烈度區(qū)的超大直徑海底盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)需長(zhǎng)距離穿越孤石地層、淺埋富水軟土地層及基巖凸起地層3種不良地質(zhì)，施工技術(shù)要求高、建設(shè)難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。本文在對(duì)3種不良地質(zhì)施工重難點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了復(fù)合地層超大直徑泥水盾構(gòu)的針對(duì)性設(shè)計(jì)以及施工中處理刀具異常損壞、螺栓松動(dòng)斷裂、管片上浮等問(wèn)題所采取的技術(shù)措施。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)依托智慧盾構(gòu)TBM工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行基巖段掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，并創(chuàng)新盾構(gòu)施工信息化管理模式，取得了提高施工效率的良好效果，使盾構(gòu)順利通過(guò)了高強(qiáng)度基巖凸起段。本工程在海域環(huán)境土-巖-孤石復(fù)合地層中的施工技術(shù)可為今后同類工程提供參考，提升我國(guó)超大直徑盾構(gòu)隧道技術(shù)水平。

1 工程概況及施工重難點(diǎn)

1.1 工程概況

汕頭海灣隧道為汕頭市重要的過(guò)海通道，線路全長(zhǎng)6.68 km，隧道為雙向6車道公路隧道，盾構(gòu)段東線長(zhǎng)3 047.5 m，西線長(zhǎng)3 045.7 m。采用2臺(tái)氣墊式泥水盾構(gòu)(見(jiàn)圖1)，其中東線為海瑞克盾構(gòu)，西線隧道為中鐵裝備盾構(gòu)，刀盤(pán)開(kāi)挖直徑分別為15.01 m和15.03 m。管片采用“7+2+1”分塊模式，錯(cuò)縫拼裝，外徑14.5 m，環(huán)寬2 m。

(a) 東線海瑞克盾構(gòu)

(b) 西線中鐵裝備盾構(gòu)

隧道埋深8～20 m，穿越地層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混沙、中粗砂及基巖凸起。始發(fā)段存在大量孤石，且孤石強(qiáng)度高、塊徑大、分布廣。東、西線海中基巖凸起段花崗巖侵入隧道最大高度約8.6 m，累計(jì)長(zhǎng)度約350 m，巖體的不均勻風(fēng)化程度較高，局部存在微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體，基巖總體RQD值近75%。隧道穿越大部分地段的淤泥地層以流塑軟塑為主，側(cè)壓力系數(shù)大，最大水土壓力總和約450 kPa。東線隧道地質(zhì)斷面見(jiàn)圖2。

1.2 施工重難點(diǎn)分析

汕頭海灣隧道工程的特點(diǎn)是海域環(huán)境、淺覆土、長(zhǎng)距離、超大直徑泥水盾構(gòu)施工。隧道處于土-巖-孤石復(fù)合地層中，盾構(gòu)需穿越孤石地層、軟硬不均地層、易震陷的淤泥層及液化砂層等不良地質(zhì)，施工面臨諸多難點(diǎn)和較大風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1 孤石地層盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)

1)渣土滯排、堵艙。若出現(xiàn)孤石強(qiáng)度大無(wú)法破碎、孤石破碎后的石塊粒徑大于格柵開(kāi)口尺寸、始發(fā)端頭洞門密封性較差引起泥水艙無(wú)法建壓等問(wèn)題，易造成泥漿滯排、堵艙。

圖2 汕頭海灣隧道東線地質(zhì)斷面圖

2)刀盤(pán)、刀具損壞。孤石強(qiáng)度最高達(dá)110 MPa，刀具破巖難度大。大量孤石的存在造成地層攪拌加固質(zhì)量控制難度大，無(wú)法對(duì)孤石形成有效固定，大塊巖塊隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而損壞刀盤(pán)、刀具。

3)帶壓進(jìn)倉(cāng)。超大直徑盾構(gòu)在軟土地層帶壓進(jìn)倉(cāng)時(shí)開(kāi)挖面穩(wěn)定控制難度較大，開(kāi)倉(cāng)二次破碎、打撈孤石以及換刀存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 海底淺覆土軟土地層盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)

1)開(kāi)挖面失穩(wěn)和地表變形。由于覆土厚度較薄(埋深小于1倍洞徑的線路長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的42.39%)，作用在開(kāi)挖面上的最小與最大極限土壓力之間的變化范圍減小，穩(wěn)定開(kāi)挖面和控制地表變形的泥水壓力調(diào)節(jié)范圍也隨之變小，不易控制開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中存在超挖、地表?yè)舸┥踔撂蕊L(fēng)險(xiǎn)，極易引起地表較大變形。

2)盾構(gòu)姿態(tài)。海底軟土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、靈敏度高、易觸變、流變及變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，地層自穩(wěn)性能極差，加之盾構(gòu)本身“頭重腳輕”，在掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象，盾構(gòu)姿態(tài)控制困難。

3)管片上浮。管片拼裝完成脫出盾尾后，將受到周圍地下水或盾尾注漿漿液的浮力作用，本工程管片每環(huán)受到的浮力為3 302.6 kN，是管片自重1 320 kN的2.5倍，極易引起隧道上浮，導(dǎo)致管片開(kāi)裂、漏水，甚至隧道上方土體被動(dòng)破壞。

1.2.3 軟硬不均地層盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)

1)破巖難度大。軟硬不均地層對(duì)刀具的磨損比較嚴(yán)重，且?guī)r石整體強(qiáng)度高(平均強(qiáng)度95.5 MPa，最高210 MPa)，如果滾刀數(shù)量偏少，易造成局部刀具受力超載，出現(xiàn)刀具異常損壞問(wèn)題。

2)盾構(gòu)姿態(tài)難以控制。盾構(gòu)在軟硬不均地層施工時(shí)推力和轉(zhuǎn)矩變化較大，容易產(chǎn)生向軟土方向偏移的趨勢(shì)。盾構(gòu)姿態(tài)偏差過(guò)大將造成管片拼裝困難、錯(cuò)臺(tái)甚至破損，從而影響隧道防水效果和后期運(yùn)營(yíng)的安全性。

3)開(kāi)挖面失穩(wěn)。一方面開(kāi)挖面上部軟土強(qiáng)度小、穩(wěn)定性差、易切削，容易產(chǎn)生超挖問(wèn)題。另一方面，由于掘進(jìn)速度較慢，開(kāi)挖面上部軟土在盾構(gòu)頻繁擾動(dòng)下容易液化，導(dǎo)致開(kāi)挖面坍塌和地面較大沉降。

4)刀盤(pán)結(jié)泥餅?；鶐r凸起段全、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中細(xì)顆粒及殘積土容易產(chǎn)生泥餅，2臺(tái)盾構(gòu)采用常壓刀盤(pán)設(shè)計(jì)，其厚度較大、刀孔封閉，中心區(qū)域較大范圍內(nèi)無(wú)開(kāi)口，導(dǎo)致渣土流動(dòng)性較差，進(jìn)一步增加了泥餅形成的風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)選型及針對(duì)性設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)合地層施工重難點(diǎn)，工程選用開(kāi)挖面壓力控制精準(zhǔn)、刀盤(pán)掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩小的氣墊式泥水盾構(gòu)，并根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間孤石段、軟硬不均段等地層施工特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行多項(xiàng)針對(duì)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.1 刀盤(pán)及刀具配置

針對(duì)孤石地層及基巖凸起破巖難、刀具異常損壞問(wèn)題，2臺(tái)盾構(gòu)均選用常壓換刀刀盤(pán)，全部滾刀和部分刮刀都采用常壓可更換設(shè)計(jì)，從而提高換刀作業(yè)安全性及換刀效率，減少不必要的帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)。同時(shí)，全部滾刀均能實(shí)現(xiàn)滾齒互換，掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)地層特點(diǎn)進(jìn)行刀具配置。

破巖量大的正滾刀和邊滾刀采用19寸(48.26 cm)雙軸雙刃滾刀，以減少更換頻率，中心滾刀采用17寸(43.18 cm)雙軸雙刃滾刀。2臺(tái)盾構(gòu)所有滾刀均設(shè)置有油壓式磨損監(jiān)測(cè)裝置(見(jiàn)圖3(a))和滾刀溫度、旋轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)裝置，西線盾構(gòu)還安裝了30套渦流式磨損監(jiān)測(cè)傳感器(見(jiàn)圖3(b))，確保在掘進(jìn)過(guò)程中能及時(shí)掌握滾刀磨損及運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的滾刀采取維修和更換措施，保障盾構(gòu)掘進(jìn)的安全高效。

2.2 刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)

針對(duì)渣土滯排及刀盤(pán)結(jié)泥餅問(wèn)題，單獨(dú)增加P0.1增壓泵對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行大流量泥漿沖刷。圖4示出盾構(gòu)刀片沖刷設(shè)計(jì)，可通過(guò)沖刷管路上的滾動(dòng)球閥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤(pán)中心區(qū)域、主梁夾角區(qū)域、主梁面板及主梁側(cè)面多個(gè)區(qū)域的切換和組合沖刷，降低刀盤(pán)結(jié)泥餅的概率。同時(shí)配備具有擺動(dòng)功能的破碎機(jī)，在破碎巖塊的同時(shí)對(duì)氣墊倉(cāng)底部渣土進(jìn)行攪動(dòng)，減少巖渣沉積導(dǎo)致的滯排問(wèn)題。

(a) 油壓式磨損監(jiān)測(cè)裝置

(b) 渦流式磨損監(jiān)測(cè)傳感器

圖3滾刀磨損監(jiān)測(cè)裝置

Fig. 3 Wear monitoring device of disc cutter

(a) 海瑞克盾構(gòu)

(b) 中鐵裝備盾構(gòu)

2.3 主驅(qū)動(dòng)

盾構(gòu)采用具有伸縮和擺動(dòng)功能的主驅(qū)動(dòng)，既能有效減少孤石、基巖對(duì)刀盤(pán)和主軸承的沖擊、減少滾刀的非正常損壞量，又能限制刀盤(pán)和主軸承所承受的偏心載荷、保護(hù)刀盤(pán)和主軸承，提高主驅(qū)動(dòng)的可靠性和對(duì)孤石、軟硬不均地層掘進(jìn)的適應(yīng)性。另外，通過(guò)主驅(qū)動(dòng)的回縮和擺動(dòng)動(dòng)作，可使?jié)L刀脫離開(kāi)挖面，方便常壓刀盤(pán)在硬巖地層中正面刀具的更換。圖5為主驅(qū)動(dòng)伸縮和擺動(dòng)功能的示意圖。在東線第1段基巖段盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)伸出160 mm，當(dāng)進(jìn)行滾刀更換時(shí)，主驅(qū)動(dòng)回縮量為20～60 mm，保障了刀筒拆裝的順利。

圖5 主驅(qū)動(dòng)伸縮和擺動(dòng)功能示意圖

Fig. 5 Schematic diagram of expansion and swing function of main drive

2.4 其他針對(duì)性設(shè)計(jì)

1)盾尾密封。為避免水下長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)盾尾滲漏水及失效的問(wèn)題，盾尾密封設(shè)置有5道鋼絲刷，前2道采用螺栓連接方式，可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)快速更換；另外3道采用焊接安裝方式，其中，最后1道采用弧形鋼板。同時(shí)，盾尾末端外側(cè)還布置有1道止?jié){板，可以有效防止砂漿前竄和地下水后竄影響注漿效果。

2)地質(zhì)超前探測(cè)裝置。海瑞克盾構(gòu)配備了SSP超前探測(cè)裝置，中鐵裝備盾構(gòu)配備了三維地震波超前探測(cè)裝置，2種裝置均可探測(cè)盾構(gòu)前方地層內(nèi)的巖體，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果預(yù)估孤石或基巖的具體方位、大小、產(chǎn)狀，以便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和刀具配置。

3)帶壓進(jìn)艙系統(tǒng)。每臺(tái)盾構(gòu)均設(shè)計(jì)有2個(gè)人艙和2個(gè)材料艙，進(jìn)艙作業(yè)時(shí)工作人員可從人艙進(jìn)入到刀盤(pán)和開(kāi)挖艙內(nèi)對(duì)刀盤(pán)刀具進(jìn)行檢查維修、打撈開(kāi)挖艙內(nèi)孤石或掉落刀具，并從材料艙轉(zhuǎn)運(yùn)打撈物和工具，處理孤石滯排、刀具掉落損壞等問(wèn)題。

3 不同地層施工技術(shù)

3.1 孤石地層掘進(jìn)施工

3.1.1 孤石探測(cè)與處理

1)孤石探測(cè)。根據(jù)始發(fā)井開(kāi)挖及端頭三軸攪拌樁加固情況判斷地層內(nèi)存在孤石，因此對(duì)始發(fā)端頭、回填區(qū)和拋石區(qū)在詳勘的基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆孔補(bǔ)勘，補(bǔ)勘采取間距3 m×3 m或5 m×5 m密鉆孔，對(duì)發(fā)現(xiàn)基巖、孤石的鉆孔向周邊按1 m×1 m加密鉆孔，以鎖定孤石分布區(qū)域、摸清孤石邊界為準(zhǔn)，鉆孔兼作爆破孔。

圖6為端頭加固區(qū)隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的孤石和基巖，其中東線有3處孤石，西線有4處孤石和1處基巖凸起。在回填區(qū)內(nèi)，東、西線均發(fā)現(xiàn)20余處孤石在隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)，侵入隧道范圍最大約11.0 m×3.6 m、最小約0.8 m×1.0 m；另有1處和4處基巖侵入隧道，侵入高度最大為7.32 m。拋石區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)孤石和基巖凸起。探明的孤石主要為中-微風(fēng)化花崗巖，孤石最大飽和抗壓強(qiáng)度110 MPa。

(a) 孤石位置平面圖

(b) 部分孤石與隧道關(guān)系剖面圖

2)孤石處理措施。

①注漿加固。始發(fā)端頭孤石采取注漿加固處理，鉆孔間距1.5 m×1.5 m，注漿范圍為孤石頂面以上2 m至原設(shè)計(jì)三軸樁底標(biāo)高(如遇基巖突起則注漿至基巖突起巖面)，現(xiàn)場(chǎng)抽芯檢測(cè)各組芯樣抗壓強(qiáng)度值為2.0～3.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

②密布鉆孔處理。回填區(qū)內(nèi)根據(jù)孤石范圍、大小采用密布鉆孔破碎方式進(jìn)行處理。密布孔采用φ150 mm潛孔鉆機(jī)鉆孔，250 mm×250 mm梅花形布置，孔底至開(kāi)挖輪廓線下1 m，鉆孔深度23～27 m，成孔后水泥砂漿回填。

③爆破處理。采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，并利用前期補(bǔ)勘鉆孔，對(duì)拋石區(qū)內(nèi)的大塊孤石進(jìn)行爆破，炮孔間排距均為0.8～1.2 m，單耗量為3.6 kg/m3，爆破后取芯長(zhǎng)度為2～18 cm(如圖7所示)，滿足要求。

(a) 爆破前

(b) 爆破后

3.1.2 刀具配置及針對(duì)性措施

3.1.2.1 刀具問(wèn)題

盾構(gòu)始發(fā)采用“全盤(pán)滾刀+常壓切刀+普通切刀”的配置，但在1—5環(huán)過(guò)程中刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻繁，波動(dòng)值達(dá)5～20 MN·m，判斷是孤石泥水艙和氣墊艙底部堆積所致，在端頭加固區(qū)內(nèi)進(jìn)行常壓開(kāi)艙檢查發(fā)現(xiàn)：

1)大塊巖塊艙底堆積(如圖8所示)。由于孤石強(qiáng)度較大、周圍土體未能有效約束，孤石破碎后產(chǎn)生較大尺寸的巖塊堆積在艙底，另有部分巖塊卡在刀盤(pán)格柵口上，隨刀盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，造成刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動(dòng)。

(a) 艙底巖塊

(b) 格柵口巖塊

圖8開(kāi)挖艙內(nèi)大塊巖塊

Fig. 8 Large rocks in soil chamber

2)切刀異常損壞。掘進(jìn)時(shí)巖塊與刀具的碰撞導(dǎo)致數(shù)十把切刀存在不同程度損壞，如圖9所示，共有7把切刀脫落，多把切刀合金齒掉落1～5個(gè)。

3.1.2.2 針對(duì)性措施

1)開(kāi)艙處理孤石和換刀。在加固區(qū)內(nèi)具備常壓開(kāi)艙條件下，進(jìn)艙對(duì)巖塊及掉落的刀具進(jìn)行打撈，避免進(jìn)一步損壞刀盤(pán)、刀具；更換合金齒脫落2個(gè)以上的刀具，掉落的切刀全部重新安裝，保證刮刀掘進(jìn)效果。

2)增加保護(hù)塊、更換保護(hù)帽。普通切刀掉落現(xiàn)象主要出現(xiàn)在刀盤(pán)主梁，推測(cè)為切刀背部受力所致，故在主梁普通切刀背后焊接與切刀高度相同的保護(hù)塊，以在切刀背面形成有效保護(hù)；同時(shí)將48把常壓更換切刀取下，替換為保護(hù)帽，如圖10所示。

3)掘進(jìn)參數(shù)。掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)密關(guān)注刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和擠壓力波動(dòng)幅度，判斷遇到基巖或孤石后快速降低掘進(jìn)速度至低值緩慢掘進(jìn)，再根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)反饋逐步提高。

(a) 切刀合金齒脫落

(b) 切刀整體掉落

(a) 切刀保護(hù)塊

(b) 切刀保護(hù)帽

圖10刮刀保護(hù)塊、保護(hù)帽

Fig. 10 Scraper protection block and cap

通過(guò)采取“全盤(pán)滾刀+刮刀保護(hù)帽+普通切刀”的刀具配置及焊接刮刀保護(hù)塊，刮刀掉齒和整體脫落問(wèn)題得到有效改善，保障了孤石地層掘進(jìn)施工效率。

3.2 淺覆土軟土地層掘進(jìn)施工

3.2.1 管片上浮及施工對(duì)策

3.2.1.1 管片上浮原因分析

東線隧道掘進(jìn)過(guò)程中，11—42環(huán)管片上浮量在30 mm以內(nèi)，在43—110環(huán)拋石區(qū)及海域段掘進(jìn)時(shí)，管片上浮量在50 mm以上，其中有18環(huán)上浮量大于100 mm，80環(huán)和81環(huán)最大上浮169 mm，圖11為11—116環(huán)管片上浮量、單環(huán)掘進(jìn)參數(shù)及隧道埋深(45環(huán)附近為圍堰大堤，埋深變化較大)統(tǒng)計(jì)。上浮導(dǎo)致管片產(chǎn)生開(kāi)裂滲水271處，裂縫基本為縱向裂縫，長(zhǎng)度50 cm左右居多(如圖12所示)，嚴(yán)重影響了隧道施工質(zhì)量。

圖11 管片上浮量與掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系曲線

Fig. 11 Curves of relationship between segment floating amount and driving parameters

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，分析影響管片產(chǎn)生較大上浮的因素主要有：

1)上覆土變化。圍堰內(nèi)地層上部有水泥硬化層和密實(shí)填土層，且大部分區(qū)域進(jìn)行了三軸攪拌加固，而圍堰外45—110環(huán)埋深較淺，上覆土全部為孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高的淤泥，加之盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動(dòng)，對(duì)管片約束力較低。

2)掘進(jìn)速度快。盾構(gòu)進(jìn)入淤泥地層后單環(huán)掘進(jìn)時(shí)間普遍在2 h以內(nèi)(見(jiàn)圖11)，管片拼裝時(shí)間1 h左右，拼裝完成后的管片短時(shí)間內(nèi)脫出盾尾進(jìn)入地層，受到未及時(shí)凝固的同步注漿漿液的較大浮力作用而上浮。

3)同步注漿漿液質(zhì)量差。工程前期采用的厚漿質(zhì)量控制指標(biāo)主要為坍落度控制，由于現(xiàn)場(chǎng)管理、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備配置等因素，厚漿頻繁堵管，現(xiàn)場(chǎng)工人大量加水及管路沖洗污水流進(jìn)砂漿罐內(nèi)，導(dǎo)致坍落度增大，基本破壞了厚漿的使用性能，不具備注入后快速填充管片外部空腔穩(wěn)定管片作用。

綜上，管片上浮的主要原因是同步注漿漿液質(zhì)量差、初凝時(shí)間長(zhǎng)，與較快的掘進(jìn)速度不匹配。

圖12 管片開(kāi)裂滲水情況

3.2.1.2 施工對(duì)策

1)嚴(yán)控厚漿質(zhì)量。增加漿液塌落度測(cè)試次數(shù)，將坍落度控制在100～130 mm。同時(shí)增加泥漿沖洗管路，增強(qiáng)轉(zhuǎn)運(yùn)管路沖洗效果，并增大漿液輸送管路直徑，改善堵管問(wèn)題。

2)掘進(jìn)參數(shù)控制。一方面，控制單環(huán)掘進(jìn)速度及日掘進(jìn)指標(biāo)，單環(huán)平均掘進(jìn)速度控制在16～20 mm/min(用時(shí)130～150 min)，平均每天掘進(jìn)5～6環(huán)。另一方面，將盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制在-30～-40 mm，以抵消部分管片上浮量。

3)管片螺栓復(fù)緊。根據(jù)管片不同階段的受力狀態(tài)，嚴(yán)格執(zhí)行管片螺栓3次復(fù)緊工序： 拼裝完成后復(fù)緊，盾構(gòu)推進(jìn)下一環(huán)時(shí)復(fù)緊，管片脫出盾尾后復(fù)緊。增大螺栓對(duì)管片的約束力。

采取以上措施后管片上浮得到了有效控制，管片上浮量基本控制在50 mm以內(nèi)，管片開(kāi)裂滲水情況也隨之改善并消除。

3.2.2 刀具配置及應(yīng)用情況

盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入軟土地層后，滾刀作用減小，刮刀作用增大?；鶐r段掘進(jìn)完成后，將常壓刮刀保護(hù)帽更換為原刮刀。同時(shí)，滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)顯示東線90環(huán)以后30號(hào)以內(nèi)的滾刀基本停轉(zhuǎn)，因此利用停機(jī)時(shí)間，逐步將1～12號(hào)17寸中心滾刀更換為17寸撕裂刀，13～28號(hào)19寸正面滾刀更換為19寸撕裂刀，撕裂刀刀高與與原位置滾刀一致，即采取“部分滾刀+部分撕裂刀+常壓切刀+普通切刀”的刀具配置，以提高掘進(jìn)速度。后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中，在管片上浮量可控的前提下掘進(jìn)速度保持6～8環(huán)/d，實(shí)現(xiàn)了最大日掘進(jìn)11環(huán)(22 m)。

3.3 軟硬不均地層掘進(jìn)施工

3.3.1 開(kāi)挖面支護(hù)力計(jì)算

根據(jù)東線第1段基巖凸起段建立地質(zhì)三維模型(X=80 m，Y=40 m，Z=50 m)，隧道中心埋深為-23.3 m，水位按海平面常規(guī)潮位取6.6 m。選取x=27、x=33、x=39共3個(gè)典型截面，采用FLAC3D計(jì)算不同支護(hù)壓力比下開(kāi)挖面的變形情況。基巖凸起段地質(zhì)三維模型如圖13所示。

(a) (b)

計(jì)算得到維持3個(gè)截面開(kāi)挖面最大位移不超過(guò)0.1 m的最小支護(hù)壓力比為0.64(采用線性差值法計(jì)算)，即在掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖面中心點(diǎn)支護(hù)力不小于300 kPa時(shí)，可控制開(kāi)挖面最大位移不超過(guò)0.1 m。參照數(shù)值模擬結(jié)果，第1段基巖段(986～1 015環(huán))掘進(jìn)過(guò)程中泥水倉(cāng)中心壓力保持在323～335 kPa，未出現(xiàn)開(kāi)挖面超挖、失穩(wěn)破壞問(wèn)題。圖14為開(kāi)挖面最大變形值隨支護(hù)壓力變化曲線。由圖可知當(dāng)支護(hù)力比小于一定值時(shí)開(kāi)挖面最大位移產(chǎn)生突變，即開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞。

圖14 開(kāi)挖面最大位移量與支護(hù)壓力比關(guān)系

Fig. 14 Relationship between maximum displacement of excavation face and support pressure ratio

3.3.2 掘進(jìn)參數(shù)選取

陳橋等[15]前期采用工程現(xiàn)場(chǎng)巖樣開(kāi)展軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)模擬試驗(yàn)，研究了貫入度、刀間距與破巖推力、轉(zhuǎn)矩、破巖效果的關(guān)系，為本工程基巖凸起段掘進(jìn)參數(shù)的選取提供了參考。現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中以刀具貫入度為核心，控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、貫入度的大幅波動(dòng)。在993環(huán)掘進(jìn)時(shí)設(shè)定貫入度為3 mm/r，分別試驗(yàn)了0.6、0.8、1.0 r/min 3組不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速(見(jiàn)表1)。圖15示出不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速下主要掘進(jìn)參數(shù)變化情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在1.0 r/min時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、貫入度波動(dòng)范圍和最大值均小于其他2組，0.6 r/min時(shí)刀盤(pán)總擠壓力(刀盤(pán)受到的泥水壓力和開(kāi)挖面反力之和)波動(dòng)范圍最大，另外2組接近。3組平均掘進(jìn)速度分別為2.1、2.2、2.1 mm/min，理論環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為15.9、15.2、15.9 h，相差較小。綜合來(lái)看，1.0 r/min時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)較為平穩(wěn)，對(duì)刀盤(pán)、刀具較為安全有利，同時(shí)根據(jù)出渣判斷破巖效果良好，因此最終確定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.0 r/min。

表1不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速下掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)范圍

Table 1 Fluctuation range of tunneling parameters under different rotation speeds of cutterhead

刀盤(pán)轉(zhuǎn)速/(r/min)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩/(kN·m)刀盤(pán)總擠壓力/kN貫入度/(mm/r)0.61 853.77～3 355.6416 633.49～19 106.561.53～6.370.81 819.03～3 263.2016 346.14～18 253.701.06～5.471.01 489.25～2 847.7016 258.31～18 365.121.18～3.88

(a) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩

(b) 刀盤(pán)擠壓力

(c) 貫入度

Fig. 15 Curves of main driving parameters under different rotation speeds of cutterhead

3.3.3 刀具配置及針對(duì)性措施

3.3.3.1 刀具問(wèn)題

東線盾構(gòu)進(jìn)入基巖凸起段前，將撕裂刀更換為原滾刀，即采用“全盤(pán)滾刀+常壓切刀+普通切刀”的配置。在986—994環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)滾刀刀架固定螺栓松動(dòng)、脫落和斷裂問(wèn)題，拆出的10個(gè)刀筒中共有刀架固定螺栓134顆，其中78顆發(fā)生破壞，破壞形式主要為斷裂(47顆)、絲牙損壞(18顆)、螺帽脫落(8顆)、螺栓彎曲(5顆)，如圖16所示。

(a) 螺栓彎曲并斷裂

(b) 螺紋處斷裂

(c) 螺帽脫落

結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)、刀架螺栓設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，總結(jié)造成螺栓斷裂的主要原因有：

1)地層上軟下硬。在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、貫入度的周期性大范圍波動(dòng)(如圖15所示)必然造成滾刀所受荷載也產(chǎn)生頻繁波動(dòng)，最終導(dǎo)致螺栓疲勞損傷或過(guò)載而發(fā)生斷裂。

2)螺栓及刀筒內(nèi)螺紋問(wèn)題。當(dāng)前使用10.9級(jí)螺栓，強(qiáng)度無(wú)法勝任滾刀破巖荷載；螺栓未采取防松動(dòng)措施，頻繁震動(dòng)下易脫落；刀筒內(nèi)螺紋孔長(zhǎng)期使用后絲牙受損，承載力下降。

3.3.3.2 針對(duì)性措施

1)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。保持1 r/min的轉(zhuǎn)速不變，將刀盤(pán)貫入度由之前的3 mm/r降低至2.5 mm/r，以減小滾刀破巖荷載，避免螺栓過(guò)載斷裂。

2)改進(jìn)螺栓設(shè)計(jì)。提高螺栓等級(jí)至12.9級(jí)，增大螺栓安全系數(shù)；將刀筒內(nèi)螺孔加工成通孔，螺栓采取外裝方式，如圖17(a)所示；采取防松處理，將相鄰螺栓螺帽用細(xì)鋼條焊接固定，如圖17(b)所示。

3)增加后退監(jiān)測(cè)裝置。在刀筒內(nèi)部焊接液壓管路和鋼筋，鋼筋兩端分別焊接在刀架和液壓管路上(見(jiàn)圖17(b))，通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力是否降低判斷刀架有無(wú)后退，以便早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題早處理，避免造成進(jìn)一步破壞。

采取以上多種措施后，螺栓斷裂問(wèn)題得到很大改善，螺栓斷裂數(shù)量和頻率都明顯降低。同時(shí)，刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)和破碎機(jī)充分發(fā)揮了功能，避免了刀盤(pán)結(jié)泥餅和渣土滯排問(wèn)題，保證了盾構(gòu)基巖段的高效掘進(jìn)。東線第1段基巖凸起段用時(shí)60多d掘進(jìn)完成，比原計(jì)劃提前了1個(gè)月。

(a) 螺栓通孔安裝

(b) 焊接鋼條和液壓管路

圖17螺栓處理措施

Fig. 17 Treatment measures for bolt

3.3.3 其他施工措施

3.3.3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制

為避免在基巖凸起段盾構(gòu)向上部軟土地層偏移以及產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)，掘進(jìn)過(guò)程中主司機(jī)時(shí)刻關(guān)注盾構(gòu)姿態(tài)，根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)變化趨勢(shì)調(diào)整各組油缸壓力向設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)，通過(guò)合理控制刀盤(pán)正、反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)姿態(tài)。糾正盾構(gòu)姿態(tài)遵循“少糾、勤糾”的原則，在油缸行程差未超過(guò)最大150 mm限值，且能保證管片正常安裝的情況下，不過(guò)于追求盾尾間隙的均衡而過(guò)度調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，以免管片受力突變而產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)或破壞。最終，實(shí)現(xiàn)了基巖凸起段掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的良好控制。

3.3.3.2 泥水循環(huán)

東線剛進(jìn)入基巖段時(shí)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和泥水艙壓力波動(dòng)值較大且頻率相對(duì)較高，判斷存在渣土滯排問(wèn)題，為降低結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)、提高出渣效率，將進(jìn)漿流量由2 400 m3/h提高到2 600 m3/h，其中P0.2泵約1 200 m3/h，P0.1泵刀盤(pán)中心沖刷約800 m3/h，其他區(qū)域約600 m3/h。同時(shí)，每掘進(jìn)30 cm停機(jī)循環(huán)1次，先后對(duì)氣墊艙底部碎石機(jī)兩側(cè)和泥水艙底部各沖刷15 min(或預(yù)篩篩板無(wú)巖塊為止)，并充分利用碎石機(jī)的二次破碎及攪拌作用，減少艙底大粒徑巖塊堆積。采取以上措施后基巖段掘進(jìn)未出現(xiàn)渣土堵艙和結(jié)泥餅問(wèn)題。

4 盾構(gòu)施工信息化管理

4.1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)簡(jiǎn)介

由盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的智慧盾構(gòu)TBM工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱大數(shù)據(jù)平臺(tái))，構(gòu)建了智能監(jiān)控、綜合分析、協(xié)同管理、智慧應(yīng)用4個(gè)模塊，各模塊功能見(jiàn)圖18和圖19。對(duì)單個(gè)盾構(gòu)隧道工程，智能監(jiān)控(見(jiàn)圖19)和綜合分析(見(jiàn)圖20)作用突出，項(xiàng)目相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及施工技術(shù)人員通過(guò)電腦端和手機(jī)端，可以隨時(shí)查閱任何時(shí)段和區(qū)間的設(shè)備及相關(guān)施工信息，包括盾構(gòu)方位、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、注漿壓力、地面沉降、管片姿態(tài)等。根據(jù)掌握的盾構(gòu)掘進(jìn)最新動(dòng)態(tài)，進(jìn)行下一步施工參數(shù)調(diào)整和方案制定。

圖18 大數(shù)據(jù)平臺(tái)主界面

圖19 大數(shù)據(jù)平臺(tái)盾構(gòu)智能監(jiān)控界面

圖20 施工參數(shù)實(shí)時(shí)曲線圖

4.2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

項(xiàng)目部結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)創(chuàng)新盾構(gòu)施工管理模式，成立了盾構(gòu)掘進(jìn)施工管理領(lǐng)導(dǎo)小組(見(jiàn)圖21)，小組分為決策層、分析反饋層和執(zhí)行層3個(gè)層級(jí)，各層級(jí)責(zé)任分工明確，相互之間進(jìn)行及時(shí)的信息反饋，使各層級(jí)均能實(shí)時(shí)掌握盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)。

分析反饋層在整個(gè)管理架構(gòu)中起到關(guān)鍵作用： 掘進(jìn)參數(shù)分析監(jiān)控員負(fù)責(zé)利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)(見(jiàn)圖20)對(duì)刀具監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(溫度、磨損、旋轉(zhuǎn))、掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩、擠壓力、泥水壓力及停機(jī)過(guò)程中漿液逃逸情況分析研判，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)出現(xiàn)的重要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析并報(bào)告決策層，根據(jù)決策層指令制定和編寫(xiě)技術(shù)方案，并向執(zhí)行層做工作部署，同時(shí)向決策層反饋方案實(shí)施效果，形成一個(gè)信息循環(huán)反饋機(jī)制。

圖21 盾構(gòu)掘進(jìn)施工管理領(lǐng)導(dǎo)小組結(jié)構(gòu)

Fig. 21 Structure of leading group for shield tunneling construction management

該管理模式充分利用了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的智能監(jiān)控和綜合分析模塊，暢通了盾構(gòu)施工信息傳輸渠道，在孤石地層及東線第1段基巖凸起地層掘進(jìn)過(guò)程中，起到了提高掘進(jìn)效率、降低刀具異常損壞、保障施工安全的良好作用，間接地降低了施工成本，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論與討論

1)針對(duì)3種不良地質(zhì)施工難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)采用常壓刀盤(pán)和具有伸縮和擺動(dòng)功能的主驅(qū)動(dòng)，提高了換刀效率和主驅(qū)動(dòng)的可靠性，避免了水下基巖段帶壓進(jìn)艙換刀的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，優(yōu)化泥水環(huán)流設(shè)計(jì)，加強(qiáng)刀盤(pán)沖刷，采用具有擺動(dòng)功能的破碎機(jī)，解決了刀盤(pán)結(jié)泥餅和渣土滯排的問(wèn)題。項(xiàng)目在設(shè)備方面采取的多項(xiàng)針對(duì)性設(shè)計(jì)極大地提高了盾構(gòu)對(duì)海域土-巖-孤石復(fù)合地層掘進(jìn)的適應(yīng)性。

2)在不同地層掘進(jìn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)基于地層特點(diǎn)和常壓換刀設(shè)計(jì)采取靈活的刀具配置，孤石地層采用“全盤(pán)滾刀+刮刀保護(hù)帽+普通切刀”，軟土地層采用“部分滾刀+部分撕裂刀+常壓切刀+普通切刀”，基巖凸起地層采用“全盤(pán)滾刀+常壓切刀+普通切刀”。針對(duì)螺栓松動(dòng)斷裂問(wèn)題采取優(yōu)化滾刀螺栓安裝形式、安裝滾刀后退液壓監(jiān)測(cè)裝置等措施，提高了刀具的使用與管理水平。

3)針對(duì)水下淺埋軟土段管片大幅上浮，通過(guò)加強(qiáng)同步注漿過(guò)程控制、嚴(yán)控管片拼裝質(zhì)量以及合理選取掘進(jìn)參數(shù)，成功解決了該問(wèn)題，保障了隧道施工質(zhì)量。

4)項(xiàng)目依托智慧盾構(gòu)TBM工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)化基巖段掘進(jìn)參數(shù)、創(chuàng)新建立盾構(gòu)施工信息化管理模式，有效提高了施工效率和工程管理信息化水平，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本，使盾構(gòu)順利通過(guò)了孤石及高強(qiáng)度基巖凸起地層。

海域土-巖-孤石復(fù)合地層超大直徑隧道盾構(gòu)掘進(jìn)面臨的施工風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題較多，提高盾構(gòu)設(shè)備對(duì)復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性及其在施工過(guò)程中的可靠性非常重要，通過(guò)總結(jié)本工程盾構(gòu)在不良地質(zhì)掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)、刀具問(wèn)題的原因及對(duì)策、管片上浮的治理措施及盾構(gòu)施工信息化的管理模式，以期對(duì)同類海底盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工提供技術(shù)參考。同時(shí)，還需在常壓更換滾刀的安裝結(jié)構(gòu)以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層的關(guān)聯(lián)性方面做進(jìn)一步研究。