基巖破碎帶與軟硬不均等不良地層盾構掘進技術分析

杜闖東（中鐵隧道集團海外工程有限公司，河南洛陽 471009）

基巖破碎帶與軟硬不均等不良地層盾構掘進技術分析

杜闖東
（中鐵隧道集團海外工程有限公司，河南洛陽 471009）

摘要：為了解決并進一步研究盾構在基巖破碎帶或上軟下硬等不良地層中掘進時易出現的問題和盾構設備的適應性問題，針對廣深港客運專線獅子洋隧道和長株潭城際鐵路湘江隧道2個不同的工程項目和盾構形式，在硬巖地層掘進中出現的坍塌受阻情況和處理技術方案進行了闡述和總結。分析2個工程的地層特點、掘進時采取的措施和施工中存在的問題，論證泥水和土壓平衡2種盾構在相關不良地層中的適應性和掘進技術的觀點，并對雙模盾構和常壓刀盤的應用提出了質疑和建議，以期對今后類似工程的盾構選型和掘進施工有一定的借鑒意義。

關鍵詞：隧道；破碎帶；上軟下硬地層；地表塌陷；房屋下沉；土壓平衡盾構；泥水平衡盾構

0　引言

近年來，隨著我國基礎建設的加強和隧道工程技術的發展，采用盾構法修建的隧道越來越多。國內外的相關專業技術人員對盾構施工技術進行了大量的研究，使盾構施工技術得到了長足的進步，并且形成了一些比較系統的理論和理念。文獻［1］對中國盾構施工技術的發展、創新和未來方向（雙模盾構）等進行了全面論述和分析研究；文獻［2］結合佛莞城際鐵路獅子洋隧道的工程特點和施工難點，對本工程的盾構選型和雙模盾構進行了論述和研究；文獻［3－4］結合深圳和廈門地鐵的上軟下硬和硬巖地層，研究了盾構施工的模式、參數和輔助工法等；文獻［5－7］分別針對大直徑盾構在軟弱地層、硬巖地層和復合地層中的掘進情況，對盾構的各種地層掘進技術、管片上浮、錯臺、注漿及對接技術進行了深入研究，為泥水盾構適應性的分析提供了借鑒；文獻［8］結合深圳地鐵的各種不良地層，對盾構的掘進方式、對策和盾構選型等進行了研究和分析；文獻［9－10］分別對本文中列舉的2個工程實例的事件處理和施工技術等進行了一些前期分析和研究。但隨著盾構施工技術的飛速發展，也產生了一些理念分歧和不同的聲音。比如，之前普遍認為大斷面隧道（9 m直徑以上）不宜選用土壓平衡盾構，而

適宜選擇泥水平衡盾構；但現在最大的土壓平衡盾構（美國西雅圖SR99隧道項目）已達到17.45 m。而且，之前普遍認為土壓平衡盾構不易解決地表沉降控制的問題，一般在對地表沉降控制要求高的情況下都宜采用泥水平衡盾構；但現在有一些學者認為土壓平衡盾構能更好地解決上軟下硬地層或是基巖地層中的破碎帶坍塌和掉塊等問題。另外，現在國內外盾構界推崇的雙模盾構和常壓換刀刀盤，已在一些項目中實施，但其是否必要可靠、經濟有效，還存在一定爭議。

本文結合廣深港客運專線獅子洋隧道和長株潭城際鐵路湘江隧道工程實例，針對2個工程中的2次地表沉降，對塌陷原因和處理過程進行對比論證和引申分析，研究了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構在一些不良地層中的掘進技術，分析了2種盾構的施工特點和選型原則，并引伸論證了雙模盾構和常壓換刀刀盤應用上的一些技術問題，希望通過本文的分析和論述，能進一步推動盾構施工技術的發展。

1　工程概況

廣深港客運專線獅子洋隧道下穿珠江主航道——獅子洋水道，隧道工程全長10.8 km，為雙洞單線設計。盾構段共投入4臺11.18 m的氣壓調節式泥水平衡盾構，在國內首次采用“相向掘進、地中對接、洞內解體”的方式組織施工。盾構隧道全長9 340 m，大部分處于微風化泥質粉砂巖、砂巖或砂礫巖中，基巖段存在多處長短不一的斷裂帶、破碎帶或風化深槽，進出口段位于淤泥質和粉質黏土中，局部地段穿越軟硬不均地層（見圖1）。

圖1　獅子洋隧道工程設計效果圖Fig.1 Drawing of Shiziyang tunnel

長株潭城際鐵路湘江隧道為雙洞單線隧道，采用2臺9.34 m的大直徑土壓平衡盾構施工。湘江隧道盾構區間西起濱江新城站，穿越西岸商業街和居民區后進入湘江，與銀盆嶺大橋斜交，上北岸后到達開福寺站，區間全長2 711.7 m。隧道洞身基本上全部位于基巖中，主要為弱風化灰綠色條帶狀板巖夾泥質板巖層，部分斷面拱頂部位有少量強風化板巖層，局部洞身穿越風化深槽，節理裂隙密集發育，湘江兩岸人口較多，交通繁忙，地下管線分布密集。盾構在始發段穿越岳北社區建筑群，該段地表建筑物密集，普遍為5層及以下的安置房，房屋基礎較薄弱（見圖2）。

圖2　湘江隧道工程設計效果圖Fig.2 Drawing of Xiangjiang rivercrossing tunnel

2　工程施工情況

廣深港客運專線獅子洋隧道工程于2006年5月開工，前期明挖工程施工基本順利，盾構隧道進出口4臺盾構從2007年11月—2008年7月先后開始掘進，左、右線于2010年12月9日和2011年3月12日順利完成對接。廣深港客運專線全線于2011年12月26日正式通車運營，首次成功實現了大直徑泥水盾構的“相向掘進、地中對接、洞內解體”的施工組織方式，單臺盾構最長掘進距離為5 200 m，與盾構掘進同步，后面緊接著進行了隧底填充和溝槽、聯絡通道、洞口段二次襯砌施工等。盾構對接完成后，在2個月時間內完成了洞內拆機和對接段隧道襯砌、管線拆除及隧道清理等工作，并同步進行了機電安裝、軌道板施工等，為實現全線早日通車運營爭取了寶貴時間。

長株潭城際鐵路湘江隧道工程于2010年5月開工，盾構始發端濱江新城站于2010年11月開工，2012 年6月提供盾構始發條件（包含160 m暗挖隧道），2013年7月主體結構全部完工，左、右線盾構于2012 年9月和12月先后開始掘進，并分別于2013年10月和12月到達開福寺站西端頭。由于開福寺站拆遷滯后，車站于2013年12月開工，2014年10月提供盾構吊出條件，左、右線盾構分別于2014年10月和12月在停機1 a后順利進入開福寺站并完成拆機。湘江盾構隧道采用了洞內始發技術，與盾構掘進同步進行隧

底填充和聯絡通道、洞口段二次襯砌施工等工作，減除1 a的等待時間，盾構掘進的平均指標達到了202 m／月，最高達333 m／月。

3　施工中出現的主要技術難題

在獅子洋隧道的施工中，解決了盾構始發端頭涌砂、軟弱富水地層管片上浮和錯臺分析、軟硬不均高黏地層掘進和帶壓進艙換刀、硬巖地層泥水盾構注漿技術、泥水盾構環流系統研究、深埋塌陷區地層加固與盾構脫困、掘進和鋪底襯砌同步施工、地中對接和洞內拆機等難題。特別是對盾構施工工藝和注漿設備進行了技術革新和改造，在攻克軟弱地層管片上浮、錯臺和硬巖地層注漿等方面取得突破。最后，圓滿完成了獅子洋隧道2臺盾構的對接和拆機工作，取得了顯著的經濟和社會效益。

在湘江盾構隧道的施工中，解決了大直徑盾構洞內始發、大直徑土壓平衡盾構下穿建筑物群及建筑物塌陷沉降處理、板巖破碎帶全土壓平衡掘進、大直徑土壓平衡盾構過江和穿越江底斷層破碎帶、掘進和鋪底襯砌同步施工、大直徑盾構平移拆機技術等難題。特別是在大直徑土壓平衡過江和破碎帶全土壓平衡掘進方面取得突破，提前完成了長株潭城際鐵路的控制性工程，為后續工程的施工樹立了信心并奠定了基礎，也取得了顯著的經濟和社會效益。

本文針對2個不同類型的盾構在2段深埋硬巖地層中的2次地表坍塌沉陷，通過對處理過程及事故原因的跟蹤分析，進行理論分析和研究，探討并提出在以后類似工程施工中應遵循的施工技術理念和應采取的控制措施等，以保證不同模式盾構在相應地層中的順利掘進。

4　過程及原因分析

4.1獅子洋隧道的地表塌陷處理及原因分析

獅子洋隧道左線東莞側始發的盾構是本工程第1臺始發的盾構，從500環以后全斷面進入基巖地層；掘進至1 250環進入虎門港沙田港區軟硬夾雜及巖石破碎區域時，開始出現糊刀盤及堵塞出漿泵的現象；掘進至1 354～1 355環時，掌子面及其上部巖層破碎程度和區域變大，環流中出現大量大石塊，循環不暢，頻繁堵泵，導致掘進困難；最終在1 355環出現艙內大量坍塌、環流堵塞、泥水艙碴體堆積太多導致刀盤無法轉動的狀況，并引起港區地表大面積塌陷（見圖3）。

4.1.1地表塌陷處理

事件發生后，經過多次分析會和專家會，最終確定采用如下措施使盾構施工得以恢復：1）地面旋噴使盾構頂部加蓋，固結覆蓋盾構刀盤上部和前部坍塌漏斗區域，但加固體距離盾構頂部需≥5 m，以防止固結盾構及刀盤；2）帶高壓（0.52 MPa）進倉移石，修復破碎機油管，以便于疏通氣墊艙；3）打開排漿管入口管路，疏通排漿管；4）恢復氣墊艙泥水循環，啟動破碎機攪動和泥便于門上下移動，逐步恢復泥水艙內循環；5）反復正、反向啟動刀盤，使刀盤正常轉動，最終增加推力恢復掘進并快速通過。

圖3　港區地表塌陷Fig.3 Surface subsidence

另外，對本段區域前后進行詳細的地質補勘（左、右線各20 m／孔，錯開布置），盾構通過后，從洞內對坍塌區域加強同步注漿和二次注漿，從地表對坍塌區域進行二次填充和壓密注漿，并對右線盾構隧道未受影響區域和補勘破碎區域進行地表深層壓密注漿預加固處理。最終，采用合理的泥水平衡壓力（不失壓），使右線盾構順利通過該區域。

4.1.2地表塌陷原因分析

1）地質認識原因。根據港區段隧道的地質縱斷面圖和鉆孔平面布置圖進行分析，鉆探揭露地層情況顯示：洞頂埋深約為51 m，洞頂地層從上至1.8 m處為人工填土層，1.8～16.6 m為淤泥和淤泥質粉細砂層，16.6～28.5 m為中粗砂和粉細砂互層，28.5 m以下為中、微風化泥質粉砂巖和砂巖地層。1 355環前后地質情況見圖4。由圖4可以看出，從1 250環開始地層又出現了反復，基巖中有破碎帶和風化不均地層出現，從“隧莞岸8－1”和“隧莞岸5－1”來看，地層在逐步好轉；但1 355環前后剛好處在2種地層的接觸帶上，存在出現破裂面的可能。由于本段地表當時正在進行港區建設，受此影響，從“隧莞岸5－1”至“隧莞岸5”的鉆孔間距都非常大，而且這2個孔都布置在遠離線路的位置，也會造成地層揭示不準確。一般認為在這么深的基巖地層中掘進不可能出現大的坍塌，正是對地層認識的不足和思想上的輕視才造成了這次地面塌陷。

2）對泥水盾構壓力設定和平衡能力的認識及技術經驗不足。壓力設定不足的原因是認為在基巖地層中可以欠一定的壓力來掘進，對于持續存在的大量掉塊、堵泵現象沒有給予重視，同時還認為平衡的

泥水壓力不能防止泥水盾構在破碎地層中掘進時引起的掉塊和坍塌。

圖4　1 355環前后地質縱斷面圖Fig.4 Geological profile around segment ring No.1 335

3）主司機和技術人員反應不敏感，操作失誤，長時間沒有認識到問題的嚴重性。在出現頻繁堵泵、循環不暢、排碴困難的情況下，不但沒有及時升高泥水壓力，而且反復使用反循環模式，致使艙內壓力急速降低（因為反循環要通過P2.1泵從上部進漿口吸漿，使艙內壓力降低，來形成艙內與底部排漿口進漿的壓力差，而不是完全依靠洞外的P1泵通過長距離強行加壓形成），加劇了上部破碎地層的坍塌，艙內碴土愈加堆積，使環流徹底堵塞，卡死刀盤。反循環和反沖洗在短時間內循環不暢或個別石塊堵塞的情況下是有效的；但在已經出現比較嚴重坍塌的情況下，應該把艙內壓力升高，保持壓力平衡，以防止坍塌為首要目標。反循環模式見圖5。

圖5　泥水盾構反循環模式操控面板圖Fig.5 Operation control panel of slurry shield in reverse circula tion mode

4）對于設備上的一些問題認識不足，且未能及時發現和解決。一方面，由于在長距離的掘進過程中需要頻繁地開閉旁通管路（實際在進漿管與P2.1排漿泵之間有3路旁通管，而且多數都是單閥控制），閥體受到磨損，關閉不嚴，環流系統存在旁通泄漏問題，經過艙內的有效泥水大量減少，致使泥漿攜碴能力下降，造成碴土滯排；另一方面，由于破碎機油管等系統缺乏防護，在長時間使用、磨損和本次大量石塊碰撞的情況下，破碎機出現故障，使排漿口石塊得不到攪拌和破碎，加劇了堵塞的嚴重程度。氣墊艙石塊堆積情況見圖6。

4.2湘江隧道的房屋沉陷處理及原因分析

湘江隧道濱—開區間左線盾構是長株潭城際鐵路首臺掘進的盾構，從洞內基巖地層中始發，下穿岳北社區建筑群。在當天上午開始掘進63環時，出現了出碴難以控制、石塊多、扭矩波動大和掘進困難等狀況，并且在中午停機召開了現場分析會；但沒有解決問題，到下午本環掘進完畢時，出碴量大，且基本沒有速度，據統計僅本環就多出碴50余m3。根據地表監測反饋，地表房屋和地面沉降數據最大值迅速達到了40 mm左右（下午5點數據，前一天夜間的數據只有11 mm，到晚上12點開始地面注漿時，最大值達到了56 mm），房屋出現了不同程度的開裂，門窗無法開啟。岳北社區建筑群見圖7。

4.2.1房屋沉陷處理及通過措施

在下午5點得到信息后，立即啟動應急措施和相應補救措施：1）立即疏散整棟樓的居民和商戶，防止狀況惡化；2）同時準備地面注漿設備和方案（工地備有應急鉆機和注漿設備，以及快速布孔和確定注漿方案），盡快組織地面填充注漿和房屋抬升；3）洞內盾構同時進行保壓悶推掘進（強推不出碴，過程中反復推進并空轉刀盤，最終基本悶推了1環），盡量把攪拌成糨糊狀的碴土強行填充至刀盤上部空腔；4）加強盾殼

和管片背后二次注漿，利用盾殼上部的膨潤土潤滑孔和超前注漿孔注入高膨潤土砂漿，在管片背后注入水泥砂漿；5）在房屋沉降穩定后，嚴格保持全土壓模式掘進，加強碴土改良，通過整棟房屋后，選擇適當位置開艙檢查；6）在盾構掘進過程中和通過后，利用均勻布置在房屋周邊和內部的注漿孔，對房屋進行均勻、緩慢地抬升。

圖7　下穿岳北社區房屋群Fig.7 Buildings of Yuebei Community above tunnel

同時，重新對該段加強地質補勘，進一步摸清地層狀況，有針對性地打設袖閥管，跟蹤注漿孔。對后面幾棟房屋和右線盾構掘進，加強碴土改良、保壓掘進，必要時進行跟蹤注漿，最終順利通過了本段地層破碎區域，房屋沉降也得到了良好控制。在整個區間掘進的中后期，雙線都順利通過了江中心100多m的破碎帶地層。4.2.2 房屋沉陷原因分析

1）對地質分析不夠，對地層的變化沒有給予重視。由于這是本項目首臺掘進的盾構，并且從洞內基巖地層中始發，起初也嚴格按土壓平衡模式掘進；但在掘進過程中，經常出現扭矩高、推力大、速度慢等情況，掘進不久就先后在7環和30環2次敞開式開艙檢查。隨后觀察到掌子面地層較好、滲水量小，判斷此段地層較為穩定，為降低掘進難度和能量消耗，提高施工效率，決定適當采用局部氣壓和欠壓模式掘進。在繼續向前掘進的過程中，沒有注意圖8中上部地層的變化，認為（9）1－2地層與（9）1－3地層區別不大，應該比較穩定，并沒有給予重視。實際上2種地層界限非常明顯，在本段差別很大，上部地層比較破碎。64環前后地質情況見圖8。

2）類似情況下的施工經驗不足。大部分技術和管理人員都是第1次接觸如此大斷面的土壓平衡盾構，經驗不足，而且此次掘進距離較短；因此，在出現問題時，采取措施不當。

3）思想上麻痹大意，認識不到位，反應不敏感。在下穿建筑物段本就應該采用保壓掘進，在多次開艙檢查地層比較良好的情況下，思想上出現了松懈，認為采用局部氣壓和欠壓模式掘進沒有問題，由于前面已經通過一棟大的商鋪，對過民房段就不夠重視。管理層的認識也不到位，降低了保壓掘進的基本要求。在上午發現出碴有大量石塊、出碴量超標和掘進困難的情況下，雖然召開了分析會，但參加的人員對問題分析不透徹，認為是上一環艙內憋碴（根據后來了解和分析，實際上是前一環已經出現了上部坍塌，出碴量較大，而且主司機已經感覺到掘進不順暢，出碴大塊多。實驗測試顯示，碴土中原狀石塊、大塊越多，則碴土比重越高，按出碴總重計算，前一環出碴量超標；另外，根據個別居民反映，早上出門較晚的已經發現房門開啟不順暢），可以繼續掘進；在后面掘進不可控的情況下，也沒有在第一時間停機保壓，反應極不敏感，最終造成事態惡化。

圖8　64環前后地質縱斷面圖Fig.8 Geological profile around segment ring No.64

4.32種模式的技術探討

4.3.1技術工作思路

如何在上軟下硬和基巖破碎帶2種特殊地層中順利掘進是盾構施工中的難題，通過上述2個工程案例的處理措施和原因分析可說明：只要事先對地層掌握分析透徹、在思想上高度重視、在操作上意志堅決，2種盾構都能滿足需求；但要順利地解決這個難題，還需要做大量的基礎工作。

4.3.1.1地層分析透徹，環境調查明確

在項目一開始就要對整個工程的地層情況進行認真地研究和分析，分出區段及不良地層（軟土段、軟硬不均段、基巖段、斷裂帶、破碎帶等），研究鉆孔揭示狀況（鉆孔布置密度、平面位置是否合理，需要時進行補勘），摸清地面環境狀況（重要建、構筑物及相互關系），要針對每一個鉆孔的巖芯照片、柱狀圖、縱斷面

圖和平面圖，分析出重點部位和區域，制定出相應的掘進應對方案，并在掘進過程中不斷實施和驗證。

4.3.1.2思想重視，意志堅決

針對工程中的施工重、難點和關鍵點（如盾構掘進通過不良地層或穿越重要建筑物），要在指導思想上高度重視，執行過程中意志堅決，操作上決不走樣，因為在決策上差之毫厘，將會在操作上謬以千里。

4.3.1.3反應上敏感，應對上及時有效

遇到異常情況要高度敏感，不能麻痹；現場要及時反饋，拿不準的方案不擅作主張；技術分析要透徹，找準問題關鍵，做到應對方案可靠；領導層要現場高效決策指揮，操作層要執行堅決。

4.3.1.4盾構選型和掘進的基本思路

每個工程都要根據其最特殊的地層和環境特點，在進行深入分析和研究的基礎上，根據相應的選型原則，來確定合適的盾構模式和類型。盾構選型要考慮的關鍵因素有地層復雜程度、主要地層特點、地層水壓滲透性、開挖斷面、掘進距離、地面場地條件和沿線環境要求等。一般來說，在地層條件相對單一、水土壓力不高、水量不大、開挖斷面不大、掘進距離適中、地面場地條件適中和沿線環境影響要求不高的情況下，可選用土壓平衡盾構，反之，宜選用泥水平衡盾構。

另外，在施工過程中，管理者和操作者都要熟知土壓和泥水平衡盾構的施工操作要領。在不良地層段，土壓平衡盾構要控制好壓力和出土量，泥水平衡盾構要保證壓力不失和環流順暢。并且要認識到盾構自身的不足，特殊情況下要采取一定的輔助工法和措施進行配合，盾構才能順利掘進。

4.3.22個工程實例的探討

通過前文的介紹和闡述，從工程自身的特點和實施的最終效果來看，各自最初的盾構選型都是合理的，只是由于前期缺乏經驗、認識不足和操作失誤，而產生了一系列問題；但通過后期系統、深入的研究和分析，克服了重重困難，最終都圓滿完成了項目的各項任務指標，并使參建的管理和技術人員的認知和技術水平得到了轉變和提高。

獅子洋隧道項目具有開挖斷面大、掘進距離長、水壓高、部分地段滲透系數大、途經長距離復合地層、地層黏粉粒含量高和井口場地開闊等特點，適合采用泥水平衡盾構。第1臺盾構在軟弱地層中管片上浮超限，在上軟下硬地層中出現堵艙、地表塌陷、刀具異常磨損和長距離帶壓進艙，在硬巖破碎帶深埋地層中出現地表坍塌和高黏地層堵艙等狀況，通過認真的總結、分析和改進，在第2臺盾構掘進時都得到了較好的應對。如果采用土壓平衡盾構會有以下問題：大斷面、長距離出碴效率問題，高水壓、強滲透地層的掘進防噴涌問題，長距離上軟下硬、高黏地層的保壓掘進、糊刀盤和換刀等問題。從最終結果來看，采用泥水平衡盾構要明顯優于土壓平衡盾構。

湘江隧道項目具有開挖斷面中等、掘進距離適中、地層單一、穿越長距離巖石地層和井口場地狹小等特點，適合采用土壓平衡盾構。如果采用泥水平衡盾構，受城區內場地條件限制，不易布置泥水分離設備，而且本區間地層主要為基巖地層，相對比較單一，也比較適合土壓平衡盾構掘進；但后期另一個區間復合地層的掘進也反映出其不適應性，主要是全土壓平衡產生的堵倉、高扭矩、刀具異常磨損和地面沉降控制困難等問題，這也從另一方面反映出泥水盾構對地層的適應性更廣，特別是在大斷面盾構隧道中。

4.3.3本質問題的探討

1）對于2種模式的盾構施工，在發現異常大塊比較多時，都應該引起高度重視，由于設定的壓力不夠極易造成硬巖地層中的大塊巖層坍塌。

2）對于泥水平衡盾構，在泥水平衡狀態下，在破碎地層中設定一個較大的泥水壓力（大于自然水壓力），形成一個向外的壓力梯度，在泥水壓力作用下，泥漿通過巖層裂隙向外滲透，從而形成一個共同向外的成拱效應，小范圍內被擾動的巖層會產生部分掉塊，可有效阻止大塊（大范圍）的坍塌。在盾構連續向前掘進的情況下，可有效防止大面積坍塌。另外，要保證泥漿的性能，好的泥漿既可減少掌子面掉塊，又能更好的攜碴。

3）對于土壓平衡盾構，在破碎的巖層中掘進時，必須要建立全土壓來掘進。在氣壓逃逸較快的情況下更要建立全土壓，這是公認土壓平衡盾構能夠更好解決破碎帶掘進問題的基本理論支撐點。

4.3.4其他問題的探討

1）對于泥水平衡盾構，在破碎地層中出現大塊堵塞和循環不暢的情況下，要慎用反沖洗和反循環模式。

2）土壓平衡盾構在巖石地層中長距離全土壓掘進時，由于艙內積碴，導致碴土在艙內循環不暢，會加劇刀盤、刀具的二次磨損和發熱，出現碴溫升高板結、結泥餅，造成刀具、刀盤磨損和損壞。雖然在短距離的破碎巖層中能強行通過，但不適合長距離硬巖地層掘進，實際上在長距離硬巖地層中（可確認的較均一地層，沒有重要建筑物和敏感地段），宜采用局部氣壓和欠壓模式掘進。

3）對于目前備受推崇的雙模盾構，通過前文的論述，可以認為，在目前的工程中沒有絕對的必要。首先，土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的選型界面比較清晰，不存在太多的交叉條件；因此，根據盾構選型的基本原則，合理的選擇某一模式的盾構和配置完全可以

滿足相應的工程要求。其次，雙模盾構必須有管道輸送和泥水循環、分離系統，如果要實現土壓掘進模式和效率，必須增加碴車、碴坑、出碴運輸和提升系統，在單一模式可克服復雜地層的情況下，雙模的雙系統顯然不夠經濟。另外，雙模會犧牲掉某一模式的部分功能和效率，是否可靠、高效也一直存在爭議。

4）對于常壓換刀刀盤的應用，主要是為了解決在上軟下硬和破碎帶等特殊地層中掘進時不易開艙換刀的問題，但其應用可能弊大于利。首先，在軟弱地層中換刀不太頻繁，在長距離基巖地層中可以開艙換刀，復合地層應以掘進至基巖地層中或合理設置加固點來解決換刀問題，真正存在換刀問題的是在長距離的不良地層、且無加固條件的地段；但在這種地層中掘進，導致刀具磨損和損壞的原因并不是該地層易磨損刀具，而是上軟下硬地層容易堵艙、糊刀盤，以及破碎地層掉落大塊會沖擊刀具等。而堵艙靠碴土改良、改善出碴、加強循環和人工清艙等手段解決，大塊沖擊靠防止掉大塊（前面已經做了論述）解決，并不能靠常壓刀盤自身解決。其次，常壓換刀刀盤的厚度大、質量大，會對盾構掘進的排碴、環流和姿態控制等帶來不利影響，厚重的刀盤會加劇堵艙、糊刀盤的嚴重程度。另外，從已經應用的常壓刀盤更換齒刀的情況看，其實施應用效果并不理想，更換滾刀的工藝更復雜，而且大多數盾構制造商并沒有成熟的常壓換刀刀盤設計和制造經驗；因此，在應用上可能會存在一定的弊端。

5　結論與討論

1）在上軟下硬和基巖破碎帶2種特殊地層中掘進所出現的問題，無論采用哪種模式的盾構，都要在前期工作到位、控制措施有效的情況下才能解決，但這確實是盾構施工的最大難題。還有一些關鍵技術需要進一步研究和改進：如何更好地減少高黏地層的糊刀盤、堵艙和順暢排碴的問題，如何有效地進行碴土改良的問題，在堵艙情況下如何高效快速清艙的問題，如何提高帶壓進艙作業工作效率和全面掌握飽和帶壓進艙技術等。

2）一個大型盾構隧道工程或一條地層復雜的盾構隧道，沒有哪一種模式或廠家的盾構就能輕松完成施工，都需要在施工前進行有針對性的分析研究，以確定最合理的盾構和TBM選型。

3）除了敞開式TBM在長距離硬巖和山嶺隧道中具有明顯優勢外，對于需要閉胸掘進的盾構隧道，泥水盾構的適用范圍更廣，在穿江越洋、地層差異大和環境對沉降要求高的情況下更有優勢。一般情況下，適合土壓平衡盾構的工程也可以采用泥水平衡盾構（除了一些級配很差的漂石、卵石地層），但是泥水盾構的掘進和泥水分離費用比較高、占用場地大等缺點，限制了泥水盾構的使用。

4）建議大斷面的（直徑10 m以上）隧道盡量選用泥水盾構；但泥水盾構在掘進中（特別是硬巖地層）產生的泥水會對后部漿液造成侵蝕，影響同步注漿效果而引起其他問題（如管片上浮錯臺等），所以，建議同步注漿盡量采用雙液漿，并加強二次注漿。

5）土壓平衡盾構在城區場地受限地段、地層相對單一、對地面環境影響要求不高、斷面不大的情況下具有一定優勢；但在長距離硬巖中掘進應注意因非保壓掘進，而引起后部匯水增大的惡性循環，影響同步注漿效果的問題。建議在同步注雙液漿的基礎上，采用停機時保持全土壓和高壓力，加強同步和二次注漿對盾尾后部匯水進行封堵。

6）對于雙模盾構和常壓換刀刀盤，不建議在一般項目推廣，建議進一步加深相關技術研究，以推進技術的成熟和創新，最終在確定其可靠、高效的情況下再運用到必要的工程項目中。

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Analysis on Shield Tunneling in Fractured Bed Rock Zones and Uppersoft Lowerhard Ground

DU Chuangdong
（Overseas Engineering Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Luoyang 471009，Henan，China）

Abstract：Nowadays，shield tunneling in fractured bed rock zones and uppersoft lowerhard ground is widely discussed.In the paper，two project cases，i.e.，Shiziyang tunnel on GuangzhouShenzhenHong Kong highspeed railway and Xiangjiang rivercrossing tunnel on ChangshaZhuzhouXiangtan intercity highspeed railway are studied，with the geological conditions of these two tunnels，problems occurring during tunneling and countermeasures taken analyzed.The adaptability of EPB shield and slurry shield to such unfavorable geological conditions is analyzed，and recommendations are made on the application of dualmode shield and cutting tool replacement under atmospheric conditions.The paper can provide reference for similar project in the future.

Keywords：tunnel；fractured zone；uppersoft lowerhard ground；surface subsidence；building subsidence；EPB shield；slurry shield

作者簡介：杜闖東（1974—），男，河南洛陽人，2013年畢業于西南交通大學，土木工程專業，本科，高級工程師，現從事地下土木工程、隧道、盾構等施工技術管理工作。

收稿日期：2015－06－15；修回日期：2015－08－24

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）09－0920－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.010