大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)狀及重難點思考與討論

萬 波

（上海隧道工程有限公司 上海 200032）

0 引言

城市軌道交通作為城市發(fā)展相匹配和適應的重要系統(tǒng)組成，在現(xiàn)今城市中扮演著越來越重要的角色［1-3］。而在城市及跨江跨河的隧道施工中，大直徑盾構(gòu)得到了廣泛應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，世界范圍內(nèi)采用直徑超過14 m 的盾構(gòu)進行施工的項目超80 項，其中國內(nèi)64 項（泥水盾構(gòu)59 項，土壓盾構(gòu)5項），國外17項（泥水盾構(gòu)6項，土壓盾構(gòu)11項）。

目前，我國已經(jīng)成為盾構(gòu)里程最多的國家［4］。但是我國地域遼闊，水系豐富，地質(zhì)復雜多變，所以各個地區(qū)泥水盾構(gòu)在不同地層和跨江跨海的施工環(huán)境也不盡相同，面臨的施工難題也是各式各樣。尤其是近年各種超大斷面盾構(gòu)隧道的需求、特殊復雜地層和極端環(huán)境建造、城市環(huán)境保護要求等，給泥水盾構(gòu)的施工帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。比如，在部分富水軟土地層中，泥水盾構(gòu)面臨著的流砂和管涌問題［5］；在復合地層中由于地層中巖石和軟土的共同存在，上軟下硬導致泥水盾構(gòu)的掘進問題［6］；當?shù)貙又写嬖诠率陀矌r，盾構(gòu)刀盤的磨損造成嚴重危害［7］；掘進土層中遇到沼氣等有害氣體，沼氣從盾尾涌入盾構(gòu)，對盾構(gòu)的正常施工產(chǎn)生不利影響，同時引起盾構(gòu)偏移［8］；當盾構(gòu)穿越斷裂帶或地層存在較大差異，會給開挖掌子面穩(wěn)定性帶來困難［9］；穿越管線和密集建構(gòu)筑物引發(fā)的變形控制問題以及小曲率半徑掘進的施工技術(shù)問題等［9-11］，這些都是現(xiàn)今泥水盾構(gòu)施工過程中遇到的一系列技術(shù)難點。所以將我國泥水盾構(gòu)施工中面臨的挑戰(zhàn)和應對措施以及施工技術(shù)重難點進行總結(jié)分析，形成系統(tǒng)全面的技術(shù)參考具有重要意義［12］。

本文基于杭州江南大道、文一路隧道、錢江隧道、溫州S2 線SG5 標、珠海十字門隧道、媽灣跨海通道I標、佛山季華路西延等一系列泥水盾構(gòu)項目，先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的概況，分析了目前泥水盾構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)，總結(jié)了施工過程中遇到的一些重難點問題，并以項目經(jīng)驗對重難點問題的解決提供對應的施工方案措施與建議，以期對今后泥水盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

1 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 泥水盾構(gòu)隧道簡介

泥水平衡盾構(gòu)包含5 大系統(tǒng)，主要為盾構(gòu)掘進機、掘進管理系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、泥水輸送和同步注漿系統(tǒng)，泥水氣平衡盾構(gòu)示意圖如圖1 所示。盾構(gòu)機通過在前盾的密封倉中注入適當壓力的泥漿，聚焦于泥水與土體的接觸表面，使其在開挖面形成泥膜與掌子面土體達到平衡。在平衡階段中泥膜的形成十分重要，平衡后盾構(gòu)刀盤才開始切削土體，開挖的土體與泥水混合后形成高密度泥漿，再由排泥泵及管路送至地面處理，整個過程為泥水平衡自動管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理模式。

圖1 泥水氣平衡盾構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional Diagram of Mud-water-gas Equilibrium Shield

1.2 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

隨著我國泥水盾構(gòu)隧道使用日益廣泛，泥水盾構(gòu)的技術(shù)不斷發(fā)展，泥水盾構(gòu)隧道面臨大直徑、長距離和高水壓的問題，城市鄰近建筑物密集施工變形控制嚴格，盾構(gòu)掘進穿越的地層與環(huán)境也愈加復雜化［13］。

1.2.1 盾構(gòu)超大直徑問題

與常規(guī)的6 m 左右盾構(gòu)隧道相比，大直徑盾構(gòu)隧道在很多方面存在明顯差異［14］。隨著盾構(gòu)直徑的增大，刀盤開挖切削范圍與對地層的擾動程度成倍增加，地層自穩(wěn)能力降低，刀盤頂部與底部的泥水壓力差進一步增大，其與地層水土壓力的匹配性降低，從而降低了對開挖面的有效支護。同時，隨著盾構(gòu)直徑的增大，盾構(gòu)穿越復合地層的概率也大幅提高，從而對盾構(gòu)適應性配置和相應施工技術(shù)提出了更高要求。再者，超大直徑盾構(gòu)泥水送泥口與排泥口距離大幅增加，刀盤和泥水倉結(jié)構(gòu)更為復雜，泥水環(huán)流和作用機理更為復雜，從而對開挖面穩(wěn)定控制和排渣帶來影響。且大盾構(gòu)隧道直徑增大，襯砌接近于柔性結(jié)構(gòu)，其性能退化與周邊環(huán)境變化帶來的安全風險增大。

1.2.2 盾構(gòu)開艙技術(shù)問題

盾構(gòu)機在復雜地層或長距離掘進時，經(jīng)常會面臨遭遇阻礙或者刀具磨損過大而被迫停機開艙的問題。而開艙面臨如何保持開挖面穩(wěn)定和人員帶壓進艙作業(yè)安全等問題，具有極高的風險。例如，2008 年廣州地鐵6號線和2014年南寧地鐵1號線因為開艙造成了嚴重的工程事故［15］。隨著盾構(gòu)環(huán)境的復雜化，掘進過程面臨刀具磨損、結(jié)泥餅以及遇到阻礙的問題愈加普遍，這一挑戰(zhàn)對于開艙技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新存在巨大需求。

1.2.3 臨近復雜工程問題

隨著城市建筑物密集分布及地下空間的高度開發(fā)建設，盾構(gòu)隧道不可避免地要穿越臨近的建構(gòu)筑物和其它地下結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道與不同建構(gòu)筑物的相互作用機制比較復雜，受到地層條件、隧道結(jié)構(gòu)特性、隧道與建構(gòu)筑物相對空間位置、盾構(gòu)機種類、盾構(gòu)掘進參數(shù)與工后沉降變形等因素的影響。目前臨近建筑物施工事故［16］大量頻發(fā)，所以加強臨近施工的擾動變形機理研究，更精準地對地層-結(jié)構(gòu)相互作用變形進行控制是當前急需解決的技術(shù)難題。

1.2.4 盾構(gòu)渣土處理技術(shù)問題

隨著盾構(gòu)項目的增加，施工過程中產(chǎn)生的工程渣土也在逐年陡增，2020年全國在建盾構(gòu)隧道渣土總量已突破2.25 億m3，“十三五”以來，我國積極推動落實建筑垃圾源頭減量與資源化利用的相關(guān)政策，并逐漸形成建筑垃圾資源化利用的產(chǎn)業(yè)體系及行業(yè)標準［17］。目前建筑垃圾應用在許多領(lǐng)域，如：建筑地基填筑再利用、注漿再利用以及再生磚等。但是渣土的原地資源化再利用仍然存在一些問題，如分類標準不完善，渣土利用生產(chǎn)產(chǎn)品性能缺乏系統(tǒng)方法以及存在特殊性無法量產(chǎn)化等。

2 大直徑泥水盾構(gòu)施工重難點

2.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

當前，軟土地層大直徑泥水盾構(gòu)施工工藝已比較成熟，但受地質(zhì)和環(huán)境條件的限制，仍會遇到穿越高水壓富水地層、近距離穿越建筑物、穿越沼氣層、超淺覆土進出洞、小曲率半徑曲線掘進等特殊工況。在此，將其定義為極限施工工況，其施工重難點如下：

2.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

泥水平衡盾構(gòu)廣泛用于水底隧道的掘進，或者在穿越城市時埋深大，從而易出現(xiàn)盾構(gòu)位于高水壓富水地層施工的情況，比如上海虹梅南路隧道，盾構(gòu)段最大埋深為52.5 m，穿越高承壓水〈7-2〉粉細砂地層。高水壓富水地層一般埋深大，且為滲透性強的粉細砂地層，其施工難點在于：

⑴粉細砂在水動力條件和盾構(gòu)掘進作用下，易產(chǎn)生管涌、流砂及振動液化現(xiàn)象，從而降低土層結(jié)構(gòu)強度，不利于開挖面穩(wěn)定。若泥水質(zhì)量欠佳，或切口水壓設定不當或波動過大，易造成開挖面不穩(wěn)甚至出現(xiàn)坍方。

⑵高水壓作用下，易導致盾構(gòu)機主驅(qū)動軸承密封（外密封）系統(tǒng)失效、盾尾易發(fā)生變形和滲漏等災害性風險。

2.1.2 近距離穿越建筑物

目前，大直徑泥水盾構(gòu)近距離穿越建筑物的案例已越來越多，比如上海北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處，距建筑樁基最近約0.6 m；杭州文一路隧道下穿地鐵2號線，垂直凈距僅5.0 m。因控制不當引發(fā)的建筑物沉降過大、開裂甚至倒塌的案例也屢見不鮮。究其原因，主要有以下幾點：

⑴盾構(gòu)在掘進過程中不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，引發(fā)地層及周邊建筑產(chǎn)生沉降。

⑵施工參數(shù)控制不當：比如泥水質(zhì)量不佳或切口水壓控制不當可能造成開挖面不穩(wěn)，同步注漿漿液質(zhì)量不佳、或注漿量和注漿壓力控制不當、或二次補壓漿不及時導致地層損失過大，盾構(gòu)姿態(tài)控制不佳或糾偏過大造成土體擾動過大等，均會造成地面和建筑物沉降。

2.1.3 穿越沼氣層

在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等地層中易形成產(chǎn)氣層，形成氣囊。當氣囊超過一定量或壓力超過0.05 MPa 時，若不預先處理，會對盾構(gòu)掘進施工帶來巨大風險。

⑴在地下隧道盾構(gòu)掘進過程中，氣體由于外因作用而突發(fā)性釋放，含氣層的壓力急劇下降，導致氣-水界面向噴氣口移動，快速的氣流對土層產(chǎn)生強烈的沖刷作用，大范圍撓動含氣土層，同時嚴重擾動上覆或下臥地層。隨著強烈噴氣的結(jié)束，土層必然產(chǎn)生急劇沉降，隨后土體重新固結(jié)下沉。由于地下氣體的分布不均勻，氣壓大小不等，地層承載力大小差異較大，故在氣體釋放過程中往往引起不均勻沉降，進而誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的嚴重變形，甚至管片斷裂損壞。

⑵沼氣對施工人員造成危害。由于淺層沼氣主要成分為甲烷和氮氣，因此，氣體濃度過高時，使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。當空氣中甲烷含量達25%～30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調(diào)。若不及時脫離，可能窒息死亡。當濃度在5%～15%的爆炸極限范圍內(nèi)時，如遇到明火，將發(fā)生劇烈爆炸，危害人身安全。

2.1.4 淺覆土進出洞

盾構(gòu)淺覆土進出洞一直是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵風險點。長期以來，因為方案不得當或處理不到位而造成盾構(gòu)進出洞施工中土體坍方、洞門噴涌、隧道大幅上浮造成管片錯臺甚至螺栓剪斷等事故層出不窮。目前盾構(gòu)進出洞施工的基本工藝流程已比較成熟，但對于針對不同地質(zhì)和工況條件下的進出洞加固施工方案仍存在分歧，且淺覆土施工中隧道大幅上浮現(xiàn)象仍較為普遍。究其原因，主要如下：

⑴針對不同水文地質(zhì)和環(huán)境條件下，進出洞加固方案的選擇欠妥，或過于激進導致加固效果難以滿足要求，或過于保守而造成成本大幅增加。

⑵盾構(gòu)在淺覆土中施工隧道上浮原因分析：成型隧道重量小于開挖土體（含水）的重量，若同步注漿參數(shù)控制不佳（注漿壓力過大、填充不飽滿、凝固時間緩慢等），單點壓注壓力過大使管片受向上的頂力、底部漿液先填充滿，存在管片上浮空間及浮力，當管片所受浮力大于管片自重、上覆土重力、螺栓周邊土體粘滯助力及環(huán)間摩擦力，往往會導致管片和上覆土一起上??；覆土越淺，土層往往比較松軟，甚至是液化地層，對注漿層無法形成包裹作用；管片螺栓不緊固導致管片之間整體性較差，造成管片上??；管片與盾構(gòu)及隧道軸線姿態(tài)不一致導致管片上浮等。

2.1.5 小曲率半徑曲線掘進

泥水盾構(gòu)穿越海底或城市建筑群時，由于受兩岸接線條件的限制，以及盡可能避開建筑物，常需要進行小曲率半徑施工。極限小半徑極易造成管片錯臺破損及盾尾防水系統(tǒng)的磨損漏水，加之盾構(gòu)處于海底軟硬不均地層刀具易磨損，需在水底高水壓下更換刀具或盾尾密封刷，同時開挖面如失穩(wěn)產(chǎn)生河床隆起或塌陷可能引發(fā)上方覆水倒灌，其風險和難度極大。

2.2 盾構(gòu)穿越復合地層

2.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

盾構(gòu)在穿越軟硬不均地層的過程中，隧道軸線控制困難，推進時可能發(fā)生盾構(gòu)偏移，出現(xiàn)蛇形推進。由于軟硬比例變化幅度及頻率大，隧道掘進工況轉(zhuǎn)換頻繁，對地表沉降、開挖面穩(wěn)定、盾尾密封等控制難度大，容易造成施工過程開挖面失穩(wěn)。同時在穿越軟硬不均及硬巖地層時，盾構(gòu)推進速度緩慢，刀具磨損快，換刀頻繁，甚至損壞刀盤，對施工工期造成影響。

2.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

盾構(gòu)穿越礫石等高滲透性土層，泥水盾構(gòu)工作面的泥膜難以建立，同時在承壓動水頭壓力下易發(fā)生流砂、崩塌現(xiàn)象，影響開挖面穩(wěn)定。盾構(gòu)掘進中遇砂土、圓礫石層，如泥水質(zhì)量不佳，極易造成吸口封堵，從而無法出土，由于礫石的硬度較大，盾構(gòu)的刀盤還易損壞，施工過程中的開倉更換刀具也具有較大風險。

2.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

斷裂帶中掘進時水壓較高、水量大，對盾構(gòu)保壓及密封系統(tǒng)都是嚴峻的考驗。斷裂帶具有巖層破碎、塊度大、巖層變化大、地質(zhì)松散等特點，盾構(gòu)在掘進時容易出現(xiàn)泥水漏失、開挖面失穩(wěn)等施工難題，如果控制不當甚至可能出現(xiàn)坍塌、滲水被淹等災難性安全事故。斷裂帶由于巖層穩(wěn)定性差，若同步注漿效果不好，已拼裝管片在推出盾尾后容易出現(xiàn)上浮、錯臺、密封條失效和管片連接縫隙處滲水等現(xiàn)象，隧道穩(wěn)定控制難度大，影響施工質(zhì)量。

2.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

孤石地層中盾構(gòu)掘進經(jīng)常會導致刀盤前端瞬間壓力猛然增大，易將刀盤卡死、造成刀具磨損和刀座嚴重變形等問題，盾構(gòu)機極易被困，影響施工進度。盾構(gòu)穿越孤石地層時，因為孤石與周圍地層有較大的強度差異，對盾構(gòu)掘進的姿態(tài)控制帶來困難，容易使盾構(gòu)掘進偏離設計軸線。當孤石分布廣泛時，如果無法完全探明，盾構(gòu)在未探明的孤石掘進中，孤石容易隨刀盤旋轉(zhuǎn)而移動，對于地層有較大的擾動，造成地層失穩(wěn)的現(xiàn)象。

3 泥水盾構(gòu)重難點施工方案

3.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

3.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

以杭州錢江通道為例，圓隧道段采用?15.43 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進施工。江南段盾構(gòu)穿越土層主要為〈3-2〉層粉砂、〈4-2〉層粉質(zhì)粘土，其中約300 m 長含有1∕2～2∕3斷面的〈3-2〉層粉砂，其滲透系數(shù)為3.13E-4 cm∕s。主要應對措施如下：

⑴盾構(gòu)配置：驅(qū)動密封系統(tǒng)按承壓7.5 bar設計，滿足工況要求，且采用自動油脂壓注系統(tǒng)，確保密封系統(tǒng)完好；盾構(gòu)機設置4道盾尾刷（3道鋼絲刷+1道鋼板刷），可抵抗7.5 bar 的水土壓力，并配備了1 套充氣式盾尾緊急密封系統(tǒng)，盾尾油脂壓注孔3×12 個，利用3 臺油脂泵壓注。在盾構(gòu)掘進過程中，定期、定量、定壓進行盾尾油脂壓注，以保證盾尾密封安全。

⑵采用重漿推進，泥漿比重不低于1.25 g∕cm3、粘度不低于20 s，且在泥漿中增加了高分子材料堵漏劑，以提高泥漿護壁性能。

⑶準確設定泥水壓力，并根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時微調(diào)，并將泥水壓力波動控制在±0.005 MPa以內(nèi)，從而保證開挖面的穩(wěn)定。

⑷推進速度保持在2～3 cm∕min，盡量保持勻速推進，以減小對土體的擾動。

⑸采用6點同步注漿系統(tǒng)，壓注量為理論建筑空隙的120%～130%，上、中、下部的壓注量比例為5∶3∶2，以及時填充管片與土體之間的空隙，并有效減小隧道上浮。

3.1.2 近距離穿越建筑物

以上海市北橫通道為例，北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處，其中下穿建筑25 處，側(cè)穿建筑65 處；穿越多層及地下室36 處，穿越帶樁基多層16 處，穿越高層38 處，距建筑樁基最近的約0.6 m，與隧道距離小于1.5 m 帶樁基建筑物的有7 處。隧道采用1 臺?15.56 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進施工，主要穿越地層為〈5-1〉灰色粉質(zhì)黏土、〈6〉暗黃～綠色粉質(zhì)黏土、〈7〉粉細砂、〈8-1〉灰色粘土等。主要采取措施如下：

⑴盾構(gòu)穿越前對影響范圍內(nèi)建筑進行檢測與評價，并按保護等級進行分類。

⑵根據(jù)建筑物特性、與隧道的位置關(guān)系以及隧道埋深、地質(zhì)情況等，合理設定并精確控制泥水指標、推進速度、切口水壓、出土量、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)等施工參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測情況及時調(diào)整。在穿越建筑物期間盡量保持勻速通過，并在盾構(gòu)姿態(tài)控制方面做到勤測勤糾、單次糾偏幅度小，以減少盾構(gòu)糾偏給土體帶來的擾動，從而減小對建構(gòu)筑物的影響。

⑶嚴格控制同步注漿壓力、注漿量和漿液質(zhì)量。每環(huán)盾構(gòu)推進結(jié)束后，補充壓注適量漿液，保持注漿壓力。在盾尾快脫出建構(gòu)筑物下方時，須適當增加漿液壓注量，必要時通過殼體進行注漿。

⑷在穿越建筑物特殊區(qū)段（如小曲線半徑段）管片上設置剪力銷，管片上增設注漿孔（見圖2），適時壓注雙液漿，以減小盾構(gòu)穿越后的建筑物沉降。

圖2 增開注漿孔示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Adding Grouting Hole

⑸對建筑物采取跟蹤注漿加固的保護措施。

3.1.3 穿越沼氣層

針對盾構(gòu)穿越沼氣層存在的風險，主要從沼氣探測與釋放、盾構(gòu)設備配置、施工措施3個方面進行應對。

⑴沼氣探測與釋放：通過補勘探明盾構(gòu)掘進線路上的沼氣分布位置、氣囊大小、壓力等，對于壓力超過0.05 MPa 的應進行沼氣釋放。沼氣釋放施工方式為采用鉆機和靜壓結(jié)合方式。即鉆孔前進行孔位及標高測量，確定鉆孔深度，原則上在含氣層上面5.0 m改為靜壓施工，靜壓到位后進行沼氣釋放。該方法在江南大道改造提升工程進行應用，如圖3所示。

圖3 沼氣釋放現(xiàn)場Fig.3 Biogas Release Site

⑵盾構(gòu)機配置：在盾構(gòu)機的排泥口、盾尾和第一節(jié)車架處設置固定式自動報警有毒有害氣體監(jiān)測裝置。另外考慮到第二、第三節(jié)車架電器設備較多，且較接近沼氣涌出源，故在第二和第三節(jié)車架間固定放置一把移動式手持有害氣體監(jiān)測儀器，作為該區(qū)域特定的檢測設備。

⑶施工措施：推進前后進行充分的泥水循環(huán)，以排凈可能進入到泥水管路內(nèi)的氣體；做好隧道內(nèi)有害氣體監(jiān)測；加強隧道通風。

3.1.4 淺覆土進出洞

針對不同地質(zhì)和工況條件下的進出洞加固施工方合理選擇，以及淺覆土施工中如何控制隧道上浮兩個方面，根據(jù)自身的工程經(jīng)歷，并通過對類似工程案例的總結(jié)，就應對措施進行探討。

⑴盾構(gòu)進出洞加固技術(shù)

眾所周知，盾構(gòu)進出洞加固方案的合理性及實施效果是盾構(gòu)進出洞施工安全的首要保障。本著安全可靠、經(jīng)濟合理的原則，對于不同的地質(zhì)水文條件和環(huán)境條件，進出洞加固方案也大有不同。通過對大量工程案例的分析，對不同工況條件下適用的進出洞加固方案進行總結(jié)如下：

①當加固范圍內(nèi)為軟土地層，且地下水不豐富或地下水位不高的情況下，宜采用水泥系加固輔以降水井的方式。一般情況下，若加固深度不超過35 m，宜采用攪拌樁+高壓旋噴加固方式，若加固深度超過35 m，宜采用MJS或RJP進行加固。需要注意的是，當加固范圍存在拋石、填石等障礙物時，應預先將其清除（淺層障礙物一般采用挖除后回填，深層障礙物一般采用全回轉(zhuǎn)清除后回填）后再進行加固，以保證加固效果。應用案例有杭州錢江隧道、杭州江南大道提升改造等。

②當盾構(gòu)工作井臨江臨海，或隧道位于或受高承壓含水層影響時，除了常規(guī)的水泥系加固輔以降水外，宜在加固區(qū)周邊設置一圈“U”字型的隔水帷幕（一般采用素地連墻、素咬合樁或TRD 等方式）隔斷承壓水，在隔水帷幕內(nèi)設置降水井，并在隔水帷幕外設置觀測井和備用井。應用案例有佛山季華西延工程、媽灣跨海通道等。

③當加固深度過大，或加固范圍內(nèi)存在圓礫層、礫石等地層，導致水泥系加固效果不佳；或受場地限制導致水泥系加固無法實施或加固長度不足時，宜采用凍結(jié)加固方案，一般采取垂直凍結(jié)與水平凍結(jié)相結(jié)合的方案。值得注意的是，在此基礎上，應盡可能增設一圈“U”字型的隔水帷幕（素地連墻或素咬合樁），并設置降水井，從而降低施工風險。應用案例有珠海十字門隧道出洞加固等。

④當隧道進出洞全斷面位于巖層時，一般不需要采取額外的地基加固措施，但應做好降水、洞門圈止水裝置等措施。

⑵淺覆土隧道抗浮技術(shù)

①在淺覆土段設置管片剪力銷，增加隧道整體性。

②同步注漿采用高比重、抗剪能力形成快的漿液，適當增加上部注漿量比例（一般占總量的60%甚至更多），并在管片上增設注漿孔進行隧道二次補壓漿，以控制隧道上浮。

③通過盾殼注漿孔壓注克泥效，有效封堵泥水回竄至盾尾的通道。

④在盾尾附近的管片（尤其是剛脫出盾尾的管片）上設置壓重塊，以增加抗浮力。

⑤若覆土過淺，可采取上覆土加固、地面堆載或設置抗浮板的措施，以增加抗浮力。

3.1.5 小曲率半徑曲線掘進

盾構(gòu)在小曲率半徑施工掘進時，易出現(xiàn)姿態(tài)偏差過大、管片錯臺超標、盾尾間隙不均導致管片或盾尾刷損傷等不利情況。以珠海十字門隧道為例，盾構(gòu)段全長940 m，全線處于平面小曲線半徑R=599.75 m，如圖4所示。主要采取以下措施：

圖4 十字門隧道盾構(gòu)段平面Fig.4 Plane View of Shizimen Shield Tunnel

⑴設計方面：采用楔形量80 mm 的管片，保證小半徑軸線擬合需要；管片設置剪力銷，改善成環(huán)管片受力情況，保證成環(huán)質(zhì)量；在管片上增設注漿孔，適時壓注雙液漿。

⑵盾構(gòu)配置方面：盾構(gòu)采用倒錐形設計，以滿足轉(zhuǎn)彎要求；刀盤配置仿形刀，通過PLC 控制實現(xiàn)相應角度范圍內(nèi)伸出或縮回，實現(xiàn)單邊超挖，利于盾構(gòu)機推進糾偏；配置自動導向系統(tǒng)（見圖5），實時提供盾構(gòu)姿態(tài)，便于操作人員控制好盾構(gòu)姿態(tài)，可有效防止不當糾偏。

圖5 自制自動導向系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of Self-made Automatic Steering System

⑶施工方面：根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)以及盾尾與管片間隙，適時調(diào)整盾構(gòu)推進方向及姿態(tài)，做到勤測勤糾，而每次的糾偏量應盡量小，確保管片環(huán)面始終處于曲線半徑的徑向豎直面內(nèi)；利用管片選型軟件，合理選擇管片旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)軸線擬合，管片拼裝盡量居中；采用同步注漿與推進聯(lián)動的方式，控制好漿液質(zhì)量、注漿量和注漿壓力，同時，考慮到曲線段施工外側(cè)出土量更大，適當加大曲線段外側(cè)的壓漿量，以填補施工空隙，必要時，采取二次注漿（雙液漿）的措施，以加固隧道外側(cè)土體，減少隧道水平位移量，提高隧道穩(wěn)定性；必要時采取環(huán)、縱向拉緊措施，提高管片縱向剛度；適當加大隧道測量頻率，加密測量點和后視點，并對后視點進行定期復核。

3.2 盾構(gòu)穿越復合地層

3.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

盾構(gòu)穿越軟硬不均地層易出現(xiàn)地面沉降過大、刀具磨損嚴重、軸線控制困難、刀盤結(jié)泥餅［18］等施工難點。以媽灣跨海通道Ⅰ標為例，闡述應對措施。

媽灣跨海通道I 標盾構(gòu)段全長2 060 m，采用1 臺?15.55 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進施工，主要穿越地層為〈5-1〉黏土、〈5-1〉淤泥質(zhì)土、〈8-1〉砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、〈10-1〉全風化巖、〈10-2〉強風化巖、〈10-3〉中風化花崗巖、〈10-4〉微風化花崗巖。其中，822 m為全斷面硬巖，938 m為上軟下硬土層，300 m為軟土。

主要難點分析及應對措施如下：

⑴地面沉降控制

地面沉降在軟硬不均地層中開挖時，上部軟土地層易于切削，下部巖層強度高，不易切削。施工時掘進速度低，增大了對上部地層的擾動，引起地面沉降過大。施工時可適當降低盾構(gòu)機推力及刀盤扭矩，減小對地層的擾動。提高泥水質(zhì)量，防止開挖面上部土體坍塌。同時加強沉降監(jiān)測和出碴量管理，保證掘進順利進行。

⑵刀具磨損

難點分析：在軟硬不均地層中施工時，刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞，刀盤受到的沖擊力很大，容易造成局部刀具受力超載，刀盤和軸承受偏心荷載作用致使主軸承受損或主軸承密封被破壞。同時，由于切削所釋放的熱量高，導致刀盤刀具溫度升高，加速了刀盤刀具的磨損速度，對盾構(gòu)機工作狀態(tài)非常不利。

主要措施：

①目前盾構(gòu)機均配置了滾刀旋轉(zhuǎn)檢測裝置和刀具溫度、荷載檢測裝置，施工過程中應密切關(guān)注刀具檢測裝置的完好性及檢測數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)“零號病刀”，并及時更換。

②因巖面起伏較大，在掘進施工中應掌握每一環(huán)穿越的地層分布情況，按照“一環(huán)一策”的原則設定相關(guān)施工參數(shù)。適當降低刀盤轉(zhuǎn)速（一般不超過1.5 r∕min），防止刀具因轉(zhuǎn)速過快而與巖層發(fā)生嚴重碰撞從而損壞刀具。密切關(guān)注推力、推進速度、扭矩的變化，當出現(xiàn)推力或扭矩陡升、推進速度陡降等異常情況時，應立即停推，對刀具磨損、泥水倉集渣等情況進行排查，并采取換刀、清倉排渣等措施后，再恢復推進。

③保證泥水質(zhì)量和泥水流量及分配，必要時進行清倉工作，將切削下來的渣土排除，減輕對刀具的磨損，減少換刀頻率，提高掘進效率。

⑶軸線控制

在軟硬不均地層中，土體性質(zhì)極不均勻，致使盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制閑難，容易引起軸線偏差，姿態(tài)控制難度大。在巖面起伏大或侵入盾構(gòu)斷面巖層較小的情況下，應適當降低推進速度和刀盤扭矩，并合理設置各區(qū)域千斤頂油壓，從而有效控制盾構(gòu)軸線。另外，在軟硬不均地層施工易出現(xiàn)盾構(gòu)轉(zhuǎn)角過大現(xiàn)象，應予以密切關(guān)注并通過正反轉(zhuǎn)刀盤進行及時調(diào)整。

⑷刀盤結(jié)泥餅

盾構(gòu)在泥巖、富含粘性顆粒的全、強風化巖層中掘進時，極易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，主要原因為：粘性顆粒易成團聚集在刀盤正面，同時由于切削釋放的高熱量進一步加劇了泥團的失水和固結(jié)硬化，導致結(jié)泥餅現(xiàn)象越來越嚴重，不僅造成滾刀偏磨加劇，而且大幅削弱刀具切削功能，并造成排泥管吸口堵塞。主要措施：在刀盤正面和刀筒內(nèi)設置大流量、高壓力的泥水沖刷裝置，有效減低泥餅的形成；適當增加泥水流量，在排泥管吸口設置沖刷口，以增加排渣、攜渣能力；加強刀具檢查，及時發(fā)現(xiàn)并更換磨損嚴重的刀具。

3.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

盾構(gòu)穿越礫石層易出現(xiàn)刀具磨損嚴重、泥漿漏失導致開挖面不穩(wěn)、礫石滯排堵塞排泥管吸口等問題。以江南大道改造提升工程為例，盾構(gòu)段南線、北線分別穿越約350 m、600 m 長圓礫層，且位于高承壓水地層中，其中，最大覆土厚度約37.5 m。采取措施如下：

⑴刀具配置上選擇重型刮刀和撕裂刀，采用固定刀具+帶壓可更換刀箱的組合形式，且每個軌跡上至少布置2 把。刀盤外緣有高度耐磨硬質(zhì)堆焊層，同時配置液壓刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)。當?shù)毒吣p到設定值時，及時開倉更換刀具。

⑵配置高性能刀盤驅(qū)動密封系統(tǒng)與盾尾密封系統(tǒng)，以滿足高水壓下密封要求。

⑶刀盤背面配置有4根主動攪拌棒，可大幅提高出渣效果。并在掘進過程中適當增加泥水流量，以提高攜渣能力，防止渣粒在管路內(nèi)沉淀引起管路堵塞，影響正常施工。

⑷采用重漿推進，并在泥水中增加堵漏劑，以提高泥漿護壁效果，保證開挖面穩(wěn)定。

3.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

針對盾構(gòu)在斷裂帶地層中的施工風險，需要從盾構(gòu)機針對性配置、預處理以及盾構(gòu)掘進參數(shù)控制幾個方面綜合考慮。以媽灣跨海通道工程為例，盾構(gòu)在兩處穿越斷裂帶，斷裂段中含承壓水，水量豐富，推進時易造成泥水逃溢，導致開挖面失穩(wěn)，隧道穩(wěn)定控制難度大。采取措施如下：

⑴首先，需要通過補勘等方式探明斷裂帶的產(chǎn)狀、破碎程度、填充物、含水狀況等，從而對盾構(gòu)機配置及是否需要預處理等提供依據(jù)。若斷裂帶破碎嚴重、含水量大且水壓高，則需要對其進行注漿加固預處理，若條件允許，首選地面開孔注漿加固，若無地面注漿加固條件，可通過盾構(gòu)機配置的超前鉆探和注漿裝置，對盾構(gòu)前方地層情況進行預判，在穿越碎裂帶巖層進行鉆孔超前注漿。

⑵在排泥管吸口設置格柵，并配置高性能顎式破碎機，可將切削下來的大塊石塊破碎至20 cm以內(nèi)，從而避免石塊留滯在泥水倉，造成滯排或堵塞吸口。

⑶盾構(gòu)驅(qū)動密封系統(tǒng)采用自動加壓系統(tǒng)。盾尾密封系統(tǒng)可承受高水壓能力，采用4 道鋼絲刷和1 道鋼板刷密封形式，如圖6 所示。盾尾油脂采用壓注量和壓力雙控系統(tǒng)，有效防止產(chǎn)生滲漏。

圖6 盾尾密封示意圖Fig.6 Diagram of Shield Tail Seal

⑷盾構(gòu)掘進中嚴格控制切口水壓波動范圍，將其制在（-0.05）bar～（+0.05）bar 內(nèi)，保證正面穩(wěn)定。合理設定推進速度，保證掘進穩(wěn)定同時，注意刀盤扭矩、推力等參數(shù)的變化。當發(fā)現(xiàn)泥漿損失量很大，在不降低開挖面水壓下能進行推進，則向前推進（并使用堵漏型泥水材料），應適當加快推進速度，提高拼裝效率，使盾構(gòu)盡早穿過斷裂帶。

3.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

盾構(gòu)穿越孤石地層易出現(xiàn)刀具損壞（因磕碰出現(xiàn)缺損甚至掉落或磨損）、卡刀盤、孤石隨著刀盤轉(zhuǎn)動而移動從而對地層帶來較大擾動等問題。采用的有效手段為首先對孤石進行探測，明確其位置和大小。若孤石較小，能夠從刀盤開口通過，則不需要額外處理，可通過在排泥管吸口處的高性能破碎機予以破除后通過吸口格柵，并在排泥泵前安裝捕石器，予以清除。若孤石尺寸過大，不能通過刀盤開口，則需要在穿越前預先進行處理。以珠海馬騮洲交通隧道為例，盾構(gòu)掘進斷面內(nèi)位于軟硬不均地層中，存在大量的孤石，采取如下措施：

⑴在盾構(gòu)機上加裝SSP 超前探測裝置（見圖7），對盾構(gòu)開挖面前方孤石進行探測，SSP 探測精度為刀盤前40 m，直徑大于800 mm 的障礙物。并結(jié)合鉆孔探測的方式對疑似孤石點和基巖突起進行確認。

圖7 SSP安裝位置示意圖Fig.7 SSP Installation Position Diagram

⑵采取全回轉(zhuǎn)清障、定點爆破等方式對盾構(gòu)斷面內(nèi)的孤石進行清除。定點爆破采用深孔控制爆破技術(shù)，可將破碎后的石塊控制在10 cm以內(nèi)，從而滿足盾構(gòu)切削及排渣要求。若盾構(gòu)機開挖面出現(xiàn)了未探測到的孤石，則采用氣壓法人工進倉清障的方式，清除刀盤前的孤石。

⑶為保證盾構(gòu)順利穿越孤石（經(jīng)預處理后），盾構(gòu)機設置滾刀以提高破巖能力，并且安裝刀具磨損檢測裝置，及時進行刀具磨損檢測并更換“病刀”。

4 結(jié)語與展望

泥水盾構(gòu)作為城市交通系統(tǒng)的利器，在城市跨江跨河工程項目中起到了舉足輕重的作用。本文先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，然后基于多年參與過的泥水盾構(gòu)項目經(jīng)驗，總結(jié)了目前泥水盾構(gòu)隧道施工過程中遇到的一些重難點問題，并對解決重難點問題提供了對應的施工方案措施與建議，以期對今后泥水盾構(gòu)施工項目的發(fā)展提供借鑒和參考。除了上述總結(jié)之外，對于泥水盾構(gòu)的發(fā)展，提出幾點展望，希望為相關(guān)行業(yè)的研究人員提供研究的思路：

⑴泥水盾構(gòu)隧道經(jīng)常處于江河等水底下進行作業(yè)，現(xiàn)存在部分方面的監(jiān)測無法像土壓平衡盾構(gòu)一樣進行直接監(jiān)測，但是其隧道的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對于施工有著巨大指導意義。做到巖層-機器相互作用智能感知是今后水下隧道需要突破的方向；

⑵泥水盾構(gòu)的施工環(huán)境存在大量的特殊復雜地層，掘進后的復雜地層渣土如何進行利用，給現(xiàn)在提倡的綠色施工和渣土再利用帶來一定的困難。如何快速高效地處理好泥水盾構(gòu)的渣土是亟需解決的問題，也是支撐城市綠色、低碳發(fā)展的重要路徑；

⑶當泥水盾構(gòu)遇到地層復雜、臨近結(jié)構(gòu)敏感、生態(tài)環(huán)保要求高等問題時，抓住信息化社會帶來的機遇，跟隨創(chuàng)新科技技術(shù)的發(fā)展，通過人工智能、機器學習、5G 大數(shù)據(jù)等相結(jié)合的方式，推進泥水盾構(gòu)數(shù)字化建造是今后的重要方向。