復(fù)雜地層水下盾構(gòu)隧道工程難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)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(xué)土木建筑工程學(xué)院，巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國(guó))

(②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國(guó))

(③中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063，中國(guó))

(④濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250031，中國(guó))

(⑤中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800，中國(guó))

0 引 言

自1825～1843年英國(guó)土木工程師M.I.Brunel首次采用盾構(gòu)法修建泰晤士河隧道以來(lái)，盾構(gòu)設(shè)備經(jīng)歷了手掘式、擠壓式、半機(jī)械式、機(jī)械式等主要型式，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，地質(zhì)適應(yīng)性越來(lái)越好，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣(石振明等， 2018; 王浩杰等， 2019; 王亞暐等， 2019)。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)一體化需求日益迫切和地下公共交通網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展，高度自動(dòng)化的泥水盾構(gòu)、異形盾構(gòu)和雙模盾構(gòu)以其施工速度快、成型質(zhì)量高、安全性能好、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)越性能，已經(jīng)成為修建城市越江跨河交通隧道的主要施工設(shè)備(商擁輝等， 2015)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，截止至2016年底，僅在我國(guó)境內(nèi)采用盾構(gòu)法修建的水下隧道已達(dá)70余座(肖明清， 2018)。如表1所示，以南京長(zhǎng)江隧道、濟(jì)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(zhǎng)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(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

表1 國(guó)內(nèi)近年來(lái)在建或已建的代表性水下盾構(gòu)隧道

伴隨著眾多標(biāo)志性越江跨海隧道工程的建成和投運(yùn)，我國(guó)在江(海)底復(fù)雜困難地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究方面已取得長(zhǎng)足發(fā)展和顯著進(jìn)步(楊文武， 2009; 張曉平等， 2017)。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)眾多專家和學(xué)者已經(jīng)從復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)對(duì)策略、盾構(gòu)設(shè)備選型方案、巖機(jī)相互作用原理、掘進(jìn)施工方案優(yōu)化、襯砌結(jié)構(gòu)承載性能等多個(gè)角度對(duì)盾構(gòu)隧道安全高效施工技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)的探討和分析。其中，楊書江(2016)，李波等(2019)針對(duì)廈門海域球狀風(fēng)化花崗巖地層和武漢長(zhǎng)江底部上軟下硬、軟硬交替復(fù)合地層進(jìn)行分析，提出了具有針對(duì)性的螺旋傳輸機(jī)磨損斷裂應(yīng)對(duì)策略和刀盤結(jié)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(diǎn)及地質(zhì)條件進(jìn)行探討，改進(jìn)了氣墊式泥水平衡盾構(gòu)和泥水-土壓雙模盾構(gòu)的設(shè)備整體選型方法與關(guān)鍵部件配置方案，解決了泥水盾構(gòu)艙內(nèi)巖體滯排問題。程池浩等(2017)和李建斌等(2019)對(duì)隧道施工過程中“圍巖-盾構(gòu)”系統(tǒng)相互作用機(jī)制進(jìn)行研究，通過改性地質(zhì)條件、改良設(shè)備構(gòu)件、優(yōu)化施工參數(shù)完善了長(zhǎng)距離高水壓越江跨海隧道盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)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(fā)軟弱地層擾動(dòng)特性，下穿堤防風(fēng)險(xiǎn)分析及保護(hù)措施，江中深槽區(qū)安全掘進(jìn)控制技術(shù)，富水砂層無(wú)端頭加固接收方案等方面優(yōu)化了復(fù)雜困難地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工方案體系。何川等(2007)，封坤等(2010)從孔隙水壓、結(jié)構(gòu)剛度和接縫形式等方面著手，對(duì)管片環(huán)的受力、變形及抗裂等性能進(jìn)行分析，揭示了水下隧道結(jié)構(gòu)破壞內(nèi)在原因和基本規(guī)律，為提升高水壓滲透地層盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載穩(wěn)定能力提供了理論指導(dǎo)。上述研究成果推動(dòng)了國(guó)內(nèi)越江跨海隧道建設(shè)的發(fā)展和進(jìn)步，但大多針對(duì)某一盾構(gòu)隧道工程所遇到的具體問題，而對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)水下隧道施工過程中所取得的整體技術(shù)突破和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)仍缺乏討論和研究。

本文以近年來(lái)國(guó)內(nèi)已建和在建的典型越江跨海隧道工程為案例，從地質(zhì)條件、施工技術(shù)、項(xiàng)目管理等多個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，歸納了南京長(zhǎng)江隧道、濟(jì)南黃河隧道、南京地鐵10號(hào)線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號(hào)線海底隧道等國(guó)內(nèi)代表性復(fù)雜地層水下盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中所遇到的技術(shù)難題，提煉了適用于高磨蝕性砂卵石地層、高水壓強(qiáng)滲透性地層、高黏粒粉質(zhì)黏土地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層等復(fù)雜困難地質(zhì)環(huán)境的水下隧道施工成套關(guān)鍵技術(shù)，并從地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜化、盾構(gòu)設(shè)備多樣化、掘進(jìn)施工智能化等多個(gè)角度對(duì)越江跨海隧道工程未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 復(fù)雜地質(zhì)條件水下隧道工程難點(diǎn)

1.1 高磨蝕性砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具磨損嚴(yán)重

砂卵石、卵礫石地層廣泛分布于我國(guó)長(zhǎng)江中下游江底。以南京地鐵10號(hào)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(dá)60～90mm，個(gè)別超過110mm，石英含量為20%～50%。試驗(yàn)結(jié)果表明：卵礫石的點(diǎn)荷載強(qiáng)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(qiáng)度砂卵石、卵礫石將對(duì)盾構(gòu)刀盤造成強(qiáng)烈的沖擊和摩擦。切削刀具在沖擊荷載和摩擦負(fù)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(nèi)，對(duì)刀盤刀具造成嚴(yán)重的二次磨損。如何降低砂卵石地層中摩擦負(fù)荷作用對(duì)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(lái)的異常磨損(合金崩裂、刀具脫落等)成為長(zhǎng)江中下游地區(qū)南京長(zhǎng)江隧道、南京緯三路過江隧道、南京地鐵10號(hào)線越江隧道等長(zhǎng)距離越江盾構(gòu)隧道施工期間亟需解決的技術(shù)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(gòu)隧道施工泥餅淤積問題突出

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

以揚(yáng)州瘦西湖隧道為代表，黏土地層的標(biāo)貫值為29～35，含水率約為21%，塑性指數(shù)高達(dá)17.7%～22.4%，黏粉粒含量在90%以上。泥水盾構(gòu)在高黏粒含量粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)，環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行效率顯著降低。當(dāng)攪拌力度不夠或泵送壓力不足時(shí)，高黏度、大比重的泥漿難以及時(shí)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(xù)增長(zhǎng)，最終誘發(fā)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常。工程經(jīng)驗(yàn)表明，因攜渣困難、泥餅淤積(圖2)和管線堵塞導(dǎo)致的盾構(gòu)停機(jī)和開艙清理已經(jīng)成為制約施工效率的重要因素(戴洪偉， 2015)。

圖2 開挖艙內(nèi)泥餅淤積

1.3 高水壓強(qiáng)滲透地層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性差

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)期間，通過向刀盤的開挖艙和氣墊艙內(nèi)加入膨潤(rùn)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(jìn)而在泥膜外側(cè)施加泥漿壓力用于平衡泥膜內(nèi)側(cè)水土壓力，以維持開挖面的穩(wěn)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(huì)導(dǎo)致泥膜劈裂和地表隆起。上述兩種不良工況都極易誘發(fā)開挖面失穩(wěn)破壞。尤其是對(duì)于以南京長(zhǎng)江隧道為代表，水土壓力高達(dá)6.5bar，地層滲透性系數(shù)超過10-2cm·s-1的砂卵石地層，當(dāng)采用大直徑泥水盾構(gòu)施工時(shí)：一方面，高水土壓力條件下強(qiáng)滲透性地層中數(shù)量眾多的局部孔隙極易形成滲流通道，膨潤(rùn)土泥漿往往難以及時(shí)進(jìn)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(gòu)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(shí)采取措施，開挖面極易失穩(wěn)，造成覆土塌方涌入開挖艙和刀盤抱死無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)大

進(jìn)入全新世以來(lái)，長(zhǎng)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(zhǎng)江下游擺動(dòng)形成的低流速緩坡區(qū)等微地貌環(huán)境都有利于有機(jī)質(zhì)快速堆積和埋藏，為淺層天然氣富集提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。長(zhǎng)江三角洲淺層氣是未經(jīng)運(yùn)移的原生生物氣，主要富集于末次冰期以來(lái)的沉積層序內(nèi)。河口灣-河漫灘和淺海相泥質(zhì)沉積物既是氣源巖，又是區(qū)域蓋層； 河口灣-河漫灘和河床相砂質(zhì)沉積物為主要儲(chǔ)氣層。

在長(zhǎng)江三角洲區(qū)域進(jìn)行水下盾構(gòu)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(jié)果表明：沼氣呈扁豆體狀、團(tuán)塊狀、囊狀局部集聚分布于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)區(qū)間DK1+0～DK1+780范圍內(nèi)，主要成分甲烷(CH4)占比85%～88%、氮?dú)?N2)占比8%～10%、氧氣(O2)占比2%～3%。單點(diǎn)最大儲(chǔ)氣量約為5.0m3，關(guān)井氣體壓力為0.25～0.30MPa。在富含沼氣地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工極具挑戰(zhàn)。一方面，沼氣極易遇上明火誘發(fā)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(xù)泄漏，刀盤前方土體將受到不同程度的擾動(dòng)，開挖面高黏致密泥膜一旦發(fā)生破壞，極易導(dǎo)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(zhì)碎裂帶與密集孤石群工況極端復(fù)雜

在海域復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工，極易遇到地質(zhì)碎裂帶、密集孤石群和基巖凸起等不良地質(zhì)狀況(楊書江， 2016； 陳曉堅(jiān)， 2019)。受探測(cè)技術(shù)、處理方法、作業(yè)環(huán)境等眾多因素的限制，碎裂巖塊、海底孤石、基巖凸起在預(yù)處理階段難以徹底被清理。它們殘留在掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)極易卡死刀盤或堵塞閘門(圖5)，進(jìn)而誘發(fā)刀盤刀具過度磨損、開挖面失穩(wěn)破壞、掘進(jìn)效率下降等工程問題。

圖5 碎石機(jī)在艙內(nèi)破碎孤石

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

2 復(fù)雜地層水下隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高磨蝕性砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具配置技術(shù)

2.1.1 砂卵石地層刀盤刀具配置技術(shù)

砂卵石地層是一種土體粒徑不均，內(nèi)摩擦角大，咬合不穩(wěn)定，擾動(dòng)后易崩塌，強(qiáng)度低于裂隙巖層的不穩(wěn)定地層。郭信君等(2013)和李雪等(2015)借鑒南京長(zhǎng)江隧道和南京地鐵10號(hào)線越江隧道施工經(jīng)驗(yàn)，提出了基于“犁松原理”的盾構(gòu)刀具切削理論，揭示了砂卵石地層隧道掘進(jìn)過程中“以先行刀和魚尾刀犁松為主，以切刀和刮刀攪動(dòng)和剝落為輔”的刀具切削內(nèi)在規(guī)律(圖6)。通過對(duì)比有無(wú)先行刀保護(hù)情況下的刮刀磨耗系數(shù)，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(shè)計(jì)理念。建議砂卵石地層盾構(gòu)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(yōu)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(gòu)刮刀切削距離壽命由原來(lái)不足300m提升至超過700m。

圖6 砂卵石地層盾構(gòu)刀盤和刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1.2 常壓更換刀盤結(jié)構(gòu)空間優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的(超)大直徑泥水平衡盾構(gòu)刀盤輻臂通常為偶數(shù)，并沿水平和垂直中心線嚴(yán)格對(duì)稱。這種布置方式雖然有利于刀盤受力均衡，但是卻給10m級(jí)泥水盾構(gòu)進(jìn)艙換刀造成了極大壓力。受刀盤面積的限制，每個(gè)輻臂內(nèi)部空間往往極為狹小，不便于換刀設(shè)備安裝和作業(yè)人員操作。南京地鐵10號(hào)線“穿越號(hào)”泥水盾構(gòu)改進(jìn)了傳統(tǒng)對(duì)稱式刀盤設(shè)計(jì)方式，采用5個(gè)輻臂樣式的刀盤面板設(shè)計(jì)理念(圖7)。在保證切削刀具數(shù)量和刀盤開口率的前提下，每個(gè)輻臂的寬度得以最大化。5個(gè)刀盤輻臂空腔內(nèi)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(shí)工作，單把刀具的更換時(shí)間降低至不足2h，單次停機(jī)時(shí)間降低至2～3d， 10m級(jí)泥水盾構(gòu)的換刀效率得以提升，停機(jī)成本和停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)顯著減低。

圖7 南京地鐵10號(hào)線泥水盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.3 盾構(gòu)刮刀地質(zhì)適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)

砂卵(礫)石地層盾構(gòu)隧道施工過程中極易發(fā)生合金崩裂、刀具脫落和槽內(nèi)翻轉(zhuǎn)等不良狀況。以南京長(zhǎng)江隧道為例，泥水盾構(gòu)在局部砂礫石地層中掘進(jìn)不足300m時(shí)出現(xiàn)了周邊刮刀嚴(yán)重磨損、刀具合金大面積脫落等現(xiàn)象，原裝刮刀對(duì)砂礫石地層表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性。郭信君等(2013)在總結(jié)原裝刮刀設(shè)計(jì)不足的基礎(chǔ)之上，分析了刮刀形狀結(jié)構(gòu)對(duì)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(shè)計(jì)理念提出了如表2所示的3種改進(jìn)方案。通過在刀盤不同位置同時(shí)安裝3種改進(jìn)型刮刀和原裝刮刀進(jìn)行原位掘進(jìn)試驗(yàn)，測(cè)試其切削性能和磨損特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)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(jié)合方式時(shí)，切削效率和耐磨性能達(dá)到相對(duì)最優(yōu)。此時(shí)，改進(jìn)Ⅱ型刮刀磨耗系數(shù)為原裝刮刀磨耗系數(shù)的37%，刀具地質(zhì)適應(yīng)性得以顯著改善。

表2 南京長(zhǎng)江隧道泥水盾構(gòu)可更換刮刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)(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(shù)

2.2.1 高壓水泥餅沖刷刀

泥水盾構(gòu)在高黏粒含量粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)刀盤極易淤積泥餅，導(dǎo)致刀具貫入困難，開挖效率下降。若不及時(shí)清理，泥餅將愈發(fā)密實(shí)，誘發(fā)施工參數(shù)異常等不良后果，給盾構(gòu)設(shè)備帶來(lái)極大威脅。有鑒于此，高壓水泥餅沖刷刀被設(shè)計(jì)用于富含黏粒地層盾構(gòu)隧道施工(圖8)。高壓水通過管道輸送至沖刷刀內(nèi)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(gòu)在刀盤刀具無(wú)泥餅淤積的良好狀態(tài)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(tǒng)改造

以揚(yáng)州瘦西湖隧道(陳健， 2015)為代表，泥水盾構(gòu)主要穿越粒徑小于0.075mm顆粒高達(dá)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(qiáng)度喪失，誘發(fā)局部崩解。崩解土體難以及時(shí)排出，容易形成刀盤泥餅或堵塞盾構(gòu)艙門。為有效避免泥餅淤積制約盾構(gòu)掘進(jìn)效率，刀盤面板沖刷系統(tǒng)被進(jìn)行升級(jí)改造(圖9)。在經(jīng)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(zhuǎn)接頭，通過支沖刷管分別流入6個(gè)刀盤輻臂。每根支管中配置專用電磁閥，可獨(dú)立控制沖刷液的流速和流量。每個(gè)刀盤輻臂均布設(shè)4個(gè)泥餅沖刷孔，孔外設(shè)有專用保護(hù)網(wǎng)罩以防止膨脹性泥塊堵塞噴頭而降低沖刷效率。通過對(duì)刀盤面板沖刷系統(tǒng)進(jìn)行改造，泥水艙內(nèi)泥塊堆積、管線淤堵、排渣不暢等技術(shù)難題得以合理解決。隧道施工進(jìn)度由改造前的一環(huán)/天增加到改造后的四環(huán)/天，泥水盾構(gòu)掘進(jìn)效率得以顯著提升。

圖9 沖刷系統(tǒng)的管路布置(陳健， 2015)

2.3 高水壓強(qiáng)透水地層隧道開挖面泥漿成膜技術(shù)

強(qiáng)滲透性砂礫(卵)石地層顆粒級(jí)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(gòu)掘進(jìn)期間漿液大量濾失，泥漿壓力難以維持，致使開挖面失穩(wěn)破壞。以南京長(zhǎng)江隧道工程為例，傳統(tǒng)舊漿在粉細(xì)砂-卵礫砂混合地層中的2h析水率高達(dá)16%(韓曉瑞等， 2008)，難以適應(yīng)盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性需求。

為解決高壓水強(qiáng)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(huán)境壓力、滲透模式、孔隙水壓等條件下的泥漿滲透試驗(yàn)。通過測(cè)試濾失水量、地層孔壓、泥膜厚度、閉氣時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，獲得了泥膜滲透系數(shù)、泥漿壓力轉(zhuǎn)化率、泥膜進(jìn)氣值等關(guān)鍵指標(biāo)，系統(tǒng)分析了泥膜的成形機(jī)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(xì)砂-卵礫砂地層泥漿制備方案。工程經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)江隧道開挖面穩(wěn)定性需求(圖10)。

圖10 南京長(zhǎng)江隧道泥膜制備試驗(yàn)

2.4 江底富含沼氣地層泥水盾構(gòu)施工控制技術(shù)

富含沼氣地層廣泛分布在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，給盾構(gòu)隧道施工帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為防止沼氣從刀盤開挖艙、盾尾密封環(huán)、管路延伸器和管片密封節(jié)間等位置滲入盾構(gòu)機(jī)和隧道內(nèi)部，誘發(fā)瓦斯爆炸等安全事故，盾構(gòu)隧道施工期間主要可采取如下控制措施：

2.4.1 預(yù)先形成泥漿滲透帶，阻隔沼氣進(jìn)入開挖艙

當(dāng)泥水盾構(gòu)在富含沼氣地層中掘進(jìn)時(shí)，泥漿壓力應(yīng)設(shè)置為略高于開挖面水土壓力。在壓差作用下，膨潤(rùn)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(xù)滲透，富含沼氣土體將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟酀{飽和土體，孔隙中的沼氣也將隨之被膨潤(rùn)土泥漿所驅(qū)替(圖11)。蘇通GIL綜合管廊工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在采用預(yù)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(gòu)隧道施工期間未發(fā)生一例燃爆事故。

圖11 沼氣地層滲透膨潤(rùn)土泥漿

2.4.2 完善沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立安全預(yù)警機(jī)制

為有效預(yù)防施工期間因沼氣濃度過高而發(fā)生瓦斯爆炸或甲烷燃燒等安全事故，盾構(gòu)及隧道內(nèi)部應(yīng)合理布置沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。以蘇通GIL綜合管廊工程為例：盾構(gòu)內(nèi)部布置CH4監(jiān)測(cè)傳感器共計(jì)12個(gè)。其中， 7個(gè)位于壓力艙和盾體中， 5個(gè)位于后配套臺(tái)車上。隧道內(nèi)部11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)傳感器共計(jì)45個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及傳感器分布詳情如表3所示。

表3 隧道內(nèi)部傳感器的分布情況

傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將被傳輸至地面控制終端實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)CH4濃度超過0.5%時(shí)，盾構(gòu)和隧道內(nèi)部的警示燈將被觸發(fā)，軸向通風(fēng)將被加強(qiáng)； 當(dāng)CH4濃度位于0.5%～3.0%之間時(shí)，若遇到臨時(shí)斷電，可以啟用應(yīng)急發(fā)電機(jī)電源； 當(dāng)CH4濃度高于3.0%時(shí)，盾構(gòu)機(jī)高壓電源將被切斷，作業(yè)人員需從盾構(gòu)和隧道內(nèi)部緊急撤離。完備的沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和科學(xué)的安全預(yù)警機(jī)制確保了隧道洞內(nèi)施工安全，降低了工程事故發(fā)生概率。

2.4.3 健全抽排技術(shù)方案，緩解沼氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)

蘇通GIL綜合管廊工程施工期間，地層中釋放的沼氣極易進(jìn)入開挖艙、盾構(gòu)機(jī)和隧道內(nèi)部，誘發(fā)瓦斯燃爆事故。為此，盾構(gòu)制造商和隧道承包商聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套相對(duì)完備的沼氣抽排技術(shù)方案。在開挖艙頂部，手動(dòng)放氣管被設(shè)計(jì)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(gòu)內(nèi)部，考慮到存在局部通風(fēng)死角，除二次通風(fēng)系統(tǒng)外， 6臺(tái)氣動(dòng)風(fēng)機(jī)被增設(shè)在盾尾、P2.1泵吸口、管道延伸器等位置，用以保障設(shè)備安全； 在隧道內(nèi)部，抽排系統(tǒng)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(cè)處理技術(shù)

海底孤石和基巖突起的形狀各異、大小不一，給盾構(gòu)隧道施工帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)(圖12)。若不及時(shí)探測(cè)清理，極易造成刀盤刀具磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常等不良后果。為此，陳建福(2019)針對(duì)廈門地鐵2號(hào)線海底隧道實(shí)際情況，提出了以地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、地震反射波探測(cè)、地表及海面鉆探、盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部探測(cè)等技術(shù)手段為核心的綜合探測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底地層密集孤石和基巖凸起的精確探測(cè)與感知，降低了廈門海域復(fù)雜地質(zhì)條件泥水盾構(gòu)施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 隧道沿線海底孤石分布示意圖

為實(shí)現(xiàn)海底孤石和基巖凸起地層泥水盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)，廈門地鐵2號(hào)線海底隧道工程通過開展巖樣磨蝕性試驗(yàn)對(duì)花崗巖、石英砂巖、安山巖、凝灰熔巖和泥質(zhì)砂巖的磨蝕特征進(jìn)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(nèi)在關(guān)聯(lián)，為合理預(yù)測(cè)海底孤石及基巖凸起段盾構(gòu)刀具磨損情況提供了依據(jù)。與此同時(shí)，工程現(xiàn)場(chǎng)通過運(yùn)用海上爆破注漿、艙內(nèi)靜態(tài)爆破、風(fēng)鎬鑿除、夾片預(yù)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(qū)間內(nèi)的海底孤石和基巖凸起，確保了復(fù)雜困難地層中泥水盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)，為類似地質(zhì)條件下廈門地鐵3號(hào)線海底隧道工程的孤石群處理提供了技術(shù)參考。

3 復(fù)雜地層水下隧道施工技術(shù)展望

3.1 隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜化

目前水下盾構(gòu)隧道正向超大直徑、超高水壓、超長(zhǎng)距離等方向發(fā)展。與之相對(duì)應(yīng)，工程地質(zhì)條件也正在由常規(guī)的單一軟土地層向特殊的土巖復(fù)合地層，低/中等水壓向高/超高等水壓等方向發(fā)展(肖明清， 2018)。以南京長(zhǎng)江隧道、濟(jì)南黃河隧道、南京地鐵10號(hào)線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號(hào)線海底隧道為代表的高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質(zhì)黏土地層、高水壓強(qiáng)滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)成為現(xiàn)階段盾構(gòu)隧道施工的技術(shù)難點(diǎn)。隨著渤海灣海峽通道、和燕路長(zhǎng)江隧道、汕頭灣海底隧道的規(guī)劃和實(shí)施，長(zhǎng)距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區(qū)地下斷層、高烈度地震區(qū)活動(dòng)斷層等復(fù)雜困難地層條件下的盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)將成為未來(lái)水下隧道施工技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.2 盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)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(guī)型盾構(gòu)設(shè)備已經(jīng)愈發(fā)難以適應(yīng)日益復(fù)雜多變的工程地質(zhì)狀況、水文地質(zhì)條件和施工作業(yè)環(huán)境，形狀各異、模式多樣的異形盾構(gòu)和多模盾構(gòu)正逐漸被開發(fā)用于適應(yīng)復(fù)雜困難地層隧道施工。在異形盾構(gòu)方面，目前大斷面馬蹄形和矩形盾構(gòu)設(shè)備已被應(yīng)用于蒙華鐵路白城隧道和中州大道下穿隧道施工。前后錯(cuò)開、左右對(duì)稱、獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的多刀盤創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念合理規(guī)避了開挖盲區(qū)，順利實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜困難地質(zhì)條件下的全斷面機(jī)械化掘進(jìn)。在多模盾構(gòu)方面，以泥水-土壓、泥水-TBM和土壓-TBM為代表的雙模盾構(gòu)正分別被應(yīng)用于佛莞城際獅子洋隧道、荷蘭德斯隧道和青島地鐵8號(hào)線隧道施工。兩種工作模式之間的相互轉(zhuǎn)化確保了以上軟下硬、軟硬交替等為代表的土巖復(fù)合地層隧道掘進(jìn)效率和施工安全。隨著水下隧道工程地質(zhì)條件日趨復(fù)雜多變，異形盾構(gòu)和多模盾構(gòu)在長(zhǎng)距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區(qū)地下斷層、高烈度地震區(qū)活動(dòng)斷層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

3.3 巖-機(jī)相互作用感知智能化

我國(guó)水下盾構(gòu)隧道工程施工仍存在復(fù)雜地層掘進(jìn)效率低、隧道掌子面直觀性差、盾構(gòu)設(shè)備復(fù)雜程度高、工作人員操控差異大等缺陷和不足。因地質(zhì)認(rèn)知局限性、設(shè)備控制復(fù)雜性、人員操作差異性等問題而誘發(fā)的臨時(shí)停機(jī)和設(shè)備故障仍是制約盾構(gòu)掘進(jìn)效率和隧道施工成本的重要因素。

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)與海量數(shù)據(jù)分析，建立三維地質(zhì)反演識(shí)別算法。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與超前地質(zhì)探測(cè)，實(shí)時(shí)感知并預(yù)判高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質(zhì)黏土地層、高水壓強(qiáng)滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層、長(zhǎng)距離地下斷層破碎帶、高水壓巖溶區(qū)地下斷層、高烈度地震區(qū)活動(dòng)斷層等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，全方位獲取各類型地層的地質(zhì)參數(shù)用以構(gòu)建可視化的三維地質(zhì)力學(xué)模型。結(jié)合數(shù)字化掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)設(shè)備智能選型、掘進(jìn)參數(shù)智能決策、施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及人機(jī)交互與自動(dòng)化掘進(jìn)等功能，有助于合理規(guī)避盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升隧道施工效率。

4 結(jié) 論

本文以南京長(zhǎng)江隧道、濟(jì)南黃河隧道、南京地鐵10號(hào)線越江隧道、蘇通GIL綜合管廊工程、廈門地鐵2號(hào)線海底隧道等國(guó)內(nèi)典型水下盾構(gòu)隧道工程為研究對(duì)象，從工程地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工技術(shù)、建設(shè)過程管理等角度出發(fā)，總結(jié)了越江跨海隧道的工程問題和技術(shù)難點(diǎn)，概述了高磨蝕性砂卵石地層、高黏粒粉質(zhì)黏土地層、高水壓強(qiáng)滲透性地層、江底富含沼氣地層、海域密集孤石群地層盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，展望了越江跨海隧道未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。通過研究分析主要得到以下結(jié)論：

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

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

(3)今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的隧道工程建設(shè)仍將處于快速發(fā)展期，所面臨的施工作業(yè)環(huán)境將愈發(fā)復(fù)雜。隨著水下隧道不斷向大直徑、長(zhǎng)距離、高水壓等方向拓展，工程地質(zhì)條件復(fù)雜化、盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)模式多樣化、巖-機(jī)相互作用感知智能化將成為越江跨海盾構(gòu)隧道的發(fā)展趨勢(shì)。