大粒徑砂卵石地層盾構隧道施工關鍵技術研究

摘要：文章以下穿黃河某盾構隧道區(qū)間為研究背景，結合隧道施工中面臨的工程難點和水文地質條件，從盾構地層適應性控制措施、穿越黃河段施工控制措施以及盾構帶壓進倉施工關鍵技術三個方面，總結了盾構隧道穿越高含量、大粒徑、高水壓砂卵石地層的施工關鍵技術。

關鍵詞：砂卵石地層;盾構隧道;地層適應性;施工關鍵技術

中圖分類號：U455.43A351315

0 引言

伴隨著城市建設的快速推進，盾構法以其施工效率高、安全可靠、干擾少等特點得到廣泛應用，在城市地下軌道交通建設中扮演著越來越重要的角色。城

市軌道交通建設經(jīng)常會面臨著穿越江河湖海的條件，目前世界各國已建成數(shù)百座盾構水下隧道，國外的如英法海峽隧道、東京灣海底隧道、荷蘭西斯凱爾特河隧道、德國易北河第四通道;國內(nèi)的如上海長江隧道、南京地鐵10號線長江隧道、武漢長江隧道、香港屯門-赤蠟角海底隧道等。

水下盾構隧道沿線經(jīng)常穿越地下水豐富的砂卵石、砂礫石等粗顆粒地層，該類地層結構松散、卵礫石含量高、滲透系數(shù)大、離散性較強，為典型的力學不穩(wěn)定地層。隧道施工時該地層很難保持其初始穩(wěn)定狀態(tài)，導致隧道掘進面臨的施工風險很大，易出現(xiàn)塌方冒頂、盾構刀具磨損嚴重等問題。

近年來，針對盾構隧道施工方面的研究主要集中在施工技術創(chuàng)新、施工掘進參數(shù)控制、刀盤刀具磨損規(guī)律及配置等方面。施瑾偉等[1]以南京長江隧道工程為研究背景，分析了盾構隧道始發(fā)與到站、開挖面失穩(wěn)和穿越長江段等施工風險，并對相關施工技術進行了全面總結;陳健等[2]對超大直徑泥水盾構隧道地層適應性改造技術、刀盤刀具嚴重磨損后常壓下刀具更換技術以及開挖面穩(wěn)定性控制技術進行全面總結;張亞洲等[3]基于國內(nèi)上軟下硬地層盾構隧道典型工程案例，分別針對刀盤刀具磨損、盾構掘進姿態(tài)控制不良、地表沉降過大等方面提出了相應的對策措施，以解決現(xiàn)場施工難點問題;王焰[4]以佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程為研究背景，對大直徑盾構在高水壓、強透水性、復合性地層中的施工關鍵技術進行總結，針對上軟下硬和斷層破碎帶地層施工風險，提出了相應的控制對策，確保大直徑水下盾構隧道的施工安全。

目前，針對黃河階地砂卵石地層盾構隧道施工方面的研究還較少，本文以穿越黃河某隧道區(qū)間為研究背景，結合隧道施工中面臨的工程難點和水文地質條件，對盾構隧道穿越高含量、大粒徑、高水壓砂卵石地層的施工關鍵技術進行總結。相關施工經(jīng)驗可為今后類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況簡介

某盾構隧道區(qū)間設計為雙線隧道，采用泥水平衡盾構工法施工，盾構隧道左右線之間的距離為6.8 m。左線盾構隧道起止樁號為ZCK13+149.9～ZCK15+056.5，全長1 906.6 m;右線盾構隧道起止樁號為YCK13+149.9～YCK15+056.5，全長1 906.6 m。隧道區(qū)間線位出站后沿銀安路，為躲避銀灘大橋橋樁，線路采取相應的繞避措施，從黃河底部卵石層中穿越，下穿黃河段長度約為404.0 m。

1.1 水文地質條件

隧道區(qū)間地層由上而下主要為第四系全新統(tǒng)雜填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)的沖積中砂與卵石、第四系下更新統(tǒng)卵石。盾構隧道主要從下更新統(tǒng)卵石層中穿行，該層粒徑>2 cm的漂石、卵石含量占50%～55%，一般粒徑為2～6 cm，漂石含量較少，最大粒徑為32 cm;粒徑0.2～2 cm的圓礫含量占20%～30%，該層分布穩(wěn)定，層頂埋深為9.2～15.0 m，據(jù)區(qū)域資料該層厚度可達200～300 m。如圖1所示。

隧址區(qū)勘察期間黃河水位高程為1 521.4 m，地下水位高程為1 519.10～1 524.00 m，地下水位具有由北西向南東緩慢降低的趨勢。穿黃段下更新統(tǒng)卵石層的滲透系數(shù)高達60 m/d，隧道施工時可能存在涌水風險，經(jīng)估算涌水量最高達1 600 m3/d。

1.2 施工技術難點

1.2.1 地層卵石含量高、粒徑大

隧道區(qū)間穿越砂卵石地層（Qal1），砂卵石粒徑40～60 mm的顆粒約占15%～20%;粒徑>60 mm的顆粒約占15%～25%。該地層穩(wěn)定性差，隧道開挖面的穩(wěn)定性較難控制，易發(fā)生坍塌，盾構在掘進過程中也易造成環(huán)流堵塞，刀具磨損非常嚴重。

1.2.2 地層水壓高、透水性強

隧道區(qū)間卵石地層滲透系數(shù)達55～60 m/d，透水性極強。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，在高滲透系數(shù)與大孔隙條件下，會造成泥漿大量流失，泥漿壓力難以穩(wěn)定平衡地層水土壓力，極大地影響開挖面的穩(wěn)定。盾構隧道區(qū)間地下水壓大多在0.3 MPa以上，盾尾密封裝置易被擊穿，防水要求較高。

1.2.3 隧道穿越黃河段的水文地質條件復雜

施工中可能遇到的風險主要有：涌水涌砂、隧道內(nèi)滲漏水事故、高水壓下盾尾密封失效、管片上浮事故。此外，還有盾構長距離掘進遭遇大漂石的施工風險以及盾構掘進姿態(tài)控制不良等風險。

1.2.4 水文地質條件風險不可預測

根據(jù)地質勘測情況，以及對歷史地質資料的推斷和分析，隧道場址地下水位高于隧道頂板高程，采用盾構法施工時，隧道存在涌水的風險。還有，在河底不排除遭遇漂石孤石等地下障礙物的可能，其空間分布具有較大的隨機性，地質勘察時不易被發(fā)現(xiàn)，給盾構施工造成極大困難。

2 盾構地層適應性控制措施

考慮到隧道區(qū)間主要穿越黃河階地大粒徑砂卵石地層，工程建設環(huán)境十分復雜，其中更是要面臨盾構穿越黃河段的巨大挑戰(zhàn)。如果選用的盾構機適應性較差，可能會導致刀盤刀具磨損速度太快，影響施工進度;泥漿成膜效果差，不能產(chǎn)生有效的護壁效果，開挖面頻繁塌方無法保壓;不能嚴格地控制盾構機掘進姿態(tài)，導致出現(xiàn)地表沉降量過大等風險。因此，盾構選型的合理與否直接關系到工程的成敗。

結合類似工程盾構機選型經(jīng)驗和相關影響因素，決定采用DZ052式泥水平衡盾構進行施工（如圖2所示）。施工過程中，各個系統(tǒng)間相互聯(lián)系，相互配合，確保盾構安全快速地向前掘進。泥水盾構機在結構上主要包括刀盤、盾體、主驅動、碎石機（左右攪拌器）、人員艙、管片拼裝機、管片吊機、管路延伸裝置和后配套臺車等結構[5]，詳見圖2。

2.1 對長距離掘進的適應

盾構隧道區(qū)間選用泥水平衡盾構進行掘進，利用盾構切削面上泥漿的潤滑作用，可減少刀具的磨損，延長刀具的使用壽命。刀盤面板上焊有復合耐磨板，外輪廓焊有鑲嵌合金耐磨板，其性能接近于耐磨刀具，能起到提高刀盤耐久性的作用。同時，刀盤開口部位表面均進行硬化處理，并加焊致密耐磨網(wǎng)格或耐磨條。

從刀具長距離適應性角度出發(fā)，主要考慮到兩個因素：

（1）盡量設計寬大刀具，刀具間相互重疊，這樣刀具在切削土體的時候可以相互保護，盡量減小磨損。

（2）利用立體切削原理進行三層刀具切削地層設計，采用先行刀、切刀、邊緣刮刀組合（先行刀高出切刀）。在刀具切削土體的時候，先行刀先行對開挖面上的土體進行擾動，然后由切刀再行切削土體，這樣有利于延長切刀的使用壽命。

將刀具配置形式由傳統(tǒng)的重型撕裂刀+切刀+刮刀組合改為耐磨雙刃滾刀+耐磨切刀+耐磨刮刀組合，提高刀具的整體耐久性，以適應大粒徑卵漂石的磨損，并對其進行有效破碎，防止其堵塞盾構環(huán)流系統(tǒng)。改進后的盾構刀盤刀具適應性配置情況如表1所示。

2.2 對大粒徑卵石的適應

盾構隧道區(qū)間穿行地層卵石粒徑大小不一，既有20 mm的小粒徑存在，也有500 mm的大粒徑存在，開挖過程中易產(chǎn)生大粒徑石渣，致使泥水系統(tǒng)的管路磨損加劇，且易堵塞輸送管路?，F(xiàn)場采用外置式碎石系統(tǒng)，并采取相應的耐磨損措施，以確保碎石機系統(tǒng)的功能不受影響，從而及時對大粒徑卵漂石進行破碎。碎石機上的轉動軸、關節(jié)球軸承等部件采用集中自動潤滑的措施，用油管輸送定量的壓力油到各潤滑點。在出漿管前安裝重載型格柵，格柵開口為150 mm×150 mm，其前部焊有耐磨材料，防止碎石沖擊損壞并限制大粒徑卵漂石進入。

2.3 對防水高要求的適應

盾構隧道區(qū)間地下水壓大多在0.3 MPa以上，盾尾密封裝置易被擊穿，其防水要求較高。因此盾構主驅動設計兩套密封系統(tǒng)：（外密封系統(tǒng)和內(nèi)密封系統(tǒng)），使主驅動密封設計承壓能力達到6 bar，以滿足盾構掘進要求。主軸承密封可以通過控制系統(tǒng)對油脂注入量進行設定，并可以從外部檢查密封系統(tǒng)是否正常。盾尾密封可以通過PLC系統(tǒng)按照壓力模式或行程模式進行自動控制或手動控制，盾尾密封的相關參數(shù)可以在控制面板上進行監(jiān)控。

2.4 施工效果分析

由于現(xiàn)場前期施工經(jīng)驗不足，盾構始發(fā)不久后開始出現(xiàn)刀具磨損嚴重、環(huán)流系統(tǒng)堵塞嚴重等問題，正常情況每掘進200 m左右即需要對刀具進行檢查更換，有時遇到大粒徑漂石堵塞環(huán)流系統(tǒng)，不得不立即停下來進行清理。在下穿黃河段前，通過采取合理的改進措施，有效提高了刀具的耐磨損性能以及環(huán)流系統(tǒng)的工作效率，避免了穿越黃河段期間進行帶壓進倉更換刀具的風險。

3 穿越黃河段施工控制措施

3.1 主要施工風險源

隧道穿越黃河段地下水豐富，地下水壓高，砂卵石層中細顆粒會隨著水的滲透力而流失，使卵石骨架從緊密結構變成松散結構，且松散單粒結構不穩(wěn)定，此時卵石顆粒間的咬合作用將變?nèi)?，土體力學性質降低，更容易引起開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。隧道區(qū)間下穿黃河段卵石顆粒含量很高，透水系數(shù)高達60 cm/d，泥漿易發(fā)生竄流，使得泥漿大量濾失而無法建立開挖面壓力平衡，導致盾構開挖面很難保壓，從而引起開挖面的失穩(wěn)。

隧道下穿黃河段漂石、卵石含量占55%～70%，最大粒徑可達500 mm;礫石含量占10%～25%。卵石地層受到盾構掘進擾動后，局部易出現(xiàn)塌方，塌方的卵石積聚在開挖艙與工作艙底部，從而造成盾構機環(huán)流系統(tǒng)堵塞嚴重，進而導致刀盤扭矩增大甚至卡死，以致盾構機不能正常掘進。

此外，隧道穿越黃河段還可能會面臨滲漏水事故、高水壓下盾尾密封失效以及管片上浮事故等施工風險;盾構長距離掘進中遇到大漂石的施工風險等。

3.2 施工控制措施

3.2.1 隧道圍巖預加固

利用注漿體加固周邊巖體裂隙，改善巖體的滲透性和力學指標，提高前方土體的整體穩(wěn)定性。漿液采用水泥水玻璃混合液，凝固時間控制在105 s左右。加固深度為隧道上部5.0 m地層范圍，加固寬度為隧道左右兩側3 m地層范圍。雙液漿指標為：水灰比W∶C=0.8∶1～1∶1，水泥-水玻璃體積比C∶S=1∶0.8。

3.2.2 提高泥漿性能指標

通過添加專用泥漿制劑，調整泥漿配合比，提高泥漿比重、黏度等泥漿指標，使開挖面形成性能良好的泥膜，確保開挖面的穩(wěn)定。泥漿指標保持在：黏度>40 s，最高達到60 s，密度為1.13～1.4 g/cm3，失水率14 ml左右，含砂率<2%。

3.2.3 優(yōu)化盾構掘進參數(shù)

施工期間嚴格控制盾構掘進姿態(tài)，使盾構盡量沿著設計軸線推進，每環(huán)均勻糾偏，減少對土體的擾動;適當提高盾構掘進推力設定值，嚴格控制泥水壓力的波動值，適當減緩盾構掘進速度與刀盤轉速，以確保盾構穿越黃河段的施工安全性。

3.2.4 同步注漿參數(shù)控制

適當提高同步注漿注入量，控制在1.5～2.0倍理論值，并減短漿液初凝時間。合理控制同步注漿壓力設定值。根據(jù)現(xiàn)場掘進情況，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿壓力過大，可能會造成漿液跑漿現(xiàn)象;而注漿壓力過小，漿液填充會不飽滿，從而引起地表沉降變形過大。依托工程同步注漿工藝流程如圖3所示。

3.2.5 加強盾尾密封措施

通過盾尾提前預留注漿孔，向盾尾后方每隔1.2 m

對上半圓注入聚氨酯形成阻斷環(huán)箍，每方質量配合比為聚氨酯：催化劑=10∶1，注入量為750 kg/環(huán)。盾構機設置3排密封刷，并加設緊急止水裝置，若盾尾漏漿比較嚴重，則往靠近盾尾的管片注漿孔注入聚氨酯，形成較好的堵水效果。

3.3 施工效果分析

通過對盾構掘進參數(shù)進行合理優(yōu)化，提前對前方土體進行預加固，適當提高泥漿性能參數(shù)和同步注漿量等措施，施工過程中未發(fā)生較大的開挖面失穩(wěn)、地下水滲漏問題，盾構隧道得以安全順利地穿越黃河段。

4 盾構帶壓進倉施工關鍵技術

4.1 施工控制措施

隧道區(qū)間主要穿越大粒徑砂卵石地層，該地層對刀盤刀具的磨耗非常大，盾構掘進時不可避免地需要進行換刀作業(yè)。但在實際的盾構掘進過程中，由于地質條件和水文條件的限制，很難具備在常壓條件下更換刀具的條件，所以不得不采用盾構帶壓進倉技術檢查和更換刀具。

帶壓進倉作業(yè)是危險性較高的施工作業(yè)工法[6]，特別是穿越黃河段時，需要在黃河底帶壓進倉進行換刀作業(yè)，安全風險極大。其主要風險點在于地層及周邊環(huán)境等因素不利于開挖面穩(wěn)定，作業(yè)危險性高，對技術人員要求高等方面。依托工程盾構帶壓進倉具體施工流程如圖4所示。

在必須進行開倉作業(yè)的情況下，應根據(jù)當前工程的水文地質條件、設備的運行狀態(tài)，目前所面臨的問題以及當前的掘進參數(shù)、出渣情況和地表監(jiān)測數(shù)據(jù)來選擇確定開倉作業(yè)的確切位置和確切的作業(yè)方案。

實際工程盾構帶壓進倉安全控制措施如下：

（1）加大同步注漿量。在停機前的5～10環(huán)加大同步注漿量，降低氣體散失量或地下水的滲透量。注漿量可加大至理論注漿量的2.0倍，以充分有效地填滿盾尾建筑空隙，縮短凝結時間，以達到快速形成封閉空間的效果。

（2）有效封堵漏氣通道。在盾構停機前，應適當提高泥漿的性能指標，并加大油脂注入量，將盾尾刷密封腔封堵密實，防止氣體從盾尾刷處泄漏。最后，利用膨脹性材料通過相應的注漿通道進行封堵。膨脹性材料遇水膨脹后可有效封堵空隙，降低漏氣率。

（3）實施保壓試驗。為確保盾構帶壓進倉工作順利安全地進行，進倉前必須進行保壓試驗，以確保帶壓進倉工作的安全性。

4.2 施工效果分析

通過對前方土體進行有效加固、加強盾尾密封的有效性以及同步注漿參數(shù)的合理控制，有效確保了盾構帶壓進倉作業(yè)的安全，全線帶壓進倉作業(yè)未出現(xiàn)大的安全事故。

5 結語

本文以下穿黃河某盾構隧道區(qū)間為研究背景，結合隧道施工中面臨的工程難點和水文地質條件，對盾構隧道穿越高含量、大粒徑、高水壓砂卵石地層的施工關鍵技術進行總結。研究結果表明：

（1）隧道區(qū)間主要穿越黃河階地大粒徑砂卵石地層，工程建設環(huán)境較為復雜，其中更是要面臨盾構穿越黃河段的巨大挑戰(zhàn)。盾構機的選型合理性直接關系到工程建設的成敗，盾構形式確定后，應采取相應措施以適應地層的要求。

（2）盾構隧道在大粒徑砂卵石地層中施工時，刀盤結構和刀具的磨損很嚴重，而通過采取有效的耐磨損措施，并合理配置刀具的布置形式，利用立體切削原理進行刀具設計，延長了盾構刀盤與刀具的使用壽命，有效減少了穿越黃河段刀具更換次數(shù)。

（3）隧道穿越黃河段時，面臨著開挖面失穩(wěn)塌方、盾尾密封系統(tǒng)被擊穿、環(huán)流系統(tǒng)堵塞嚴重等施工風險，而通過有效提高泥漿性能參數(shù)，適當加強同步注漿參數(shù)，合理優(yōu)化盾構掘進參數(shù)等措施，能有效確保盾構隧道順利穿越黃河段。

（4）盾構帶壓進倉更換刀具作業(yè)的關鍵在于對前方土體加固的有效性、盾尾密封的有效性以及同步注漿參數(shù)控制的合理性。通過制定合理的加固密閉措施，有效確保了帶壓進倉作業(yè)的安全。

參考文獻

[1]施瑾偉，王學軍.盾構法施工在過江隧道中的風險及應對措施[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（1）：23-26.

[2]陳 健，黃永亮.超大直徑泥水盾構施工難點與關鍵技術總結[J].地下空間與工程學報，2015，11（S2）：637-644，660.

[3]張亞洲，溫竹茵，由廣明，等.上軟下硬復合地層盾構隧道設計施工難點及對策研究[J].隧道建設（中英文），2019，39（4）：669-676.

[4]王 焰.城際鐵路大直徑泥水盾構施工風險及對策——以佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程為例[J].隧道建設（中英文），2019，39（6）：983-988.

[5]王振飛.北京砂卵石地層大直徑泥水加壓平衡盾構適應性研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[6]王連山，奚正平.蘇埃灣海域孤石段盾構施工技術探討[J].現(xiàn)代交通技術，2018，15（1）：58-60，90.

作者簡介：

李雪芹（1991—），碩士，高級工程師，主要從事工程造價管理工作。