大直徑泥水平衡盾構長距離穿越長江上軟下硬復合地層施工技術

周 剛 （蕪湖市軌道(隧道)交通工程質量安全監督站，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

1970年國內第一條水底公路隧道——直徑10.22m的打浦路隧道建成通車，實現了中國盾構法隧道建設零的突破，并由此開始了我國大型水下隧道建設的歷史[1-2]。截至目前，我國已成為世界上大型盾構隧道工程數量最多、規模最大、技術難度最復雜、發展最快的國家[3]。然而，隨著大型水下盾構隧道日趨向深埋化、超長化、大斷面化以及高水壓方向的發展[4]，盾構穿越的地層種類越來越多，從單一的砂層、卵石層、硬巖層開始朝著復合地層演變，其中上軟下硬地層就是其中最為顯著的地層之一。與均一地層相比，在“軟硬不均地層”中進行盾構掘進，施工難度普遍較大，經常發生下列問題：盾構姿態易失控，千斤頂受力不均易使管片破碎，刀盤被打壞、刀具損耗多；掘進速度慢且易超挖，地面沉降不可控；由于軟土層和硬巖層壓縮變形模量的不同，易使刀盤受力不均而發生偏心受力，刀盤易被卡住，刀盤和主軸承密封易受損等，上述問題都是國內外盾構法施工在上軟下硬地層中應用領域亟需解決的難題[5]。

某越江隧道是國內首條從設計到施工全隧采用雙層襯砌的交通盾構隧道，所穿越的地層多樣且復雜，局部賦存上軟下硬地層，因此盾構施工對掘進施工提出了更高的要求，如何實現盾構掘進與地層的適應是該工程的重難點之一。

2 工程概況

2.1 工程概況

某越江隧道區間長約3186m，跨越江面約1500m，為單洞雙線復合襯砌斷面，采用盾構法施工，隧道采用雙層襯砌結構，隧道橫斷面形式如圖1所示。隧道管片外徑12.1m，管片厚度0.5m，環寬2m，混凝土等級 C50，采用“5(標準塊)+2(鄰接塊)+1(封頂塊)”分塊形式。隧道下部設置口字型預制箱涵，箱涵兩側現澆素混凝土回填。箱涵以上設置鋼筋混凝土二襯，厚度0.3m，混凝土等級C40，配筋采用HRB400鋼筋，環向鋼筋直徑22mm，縱向鋼筋直徑12mm，布置間隔都為200mm。

圖1 隧道斷面構造

2.2 工程地質及上軟下硬地層特性

盾構穿越的地層主要為粉細砂、粉質粘土、圓礫土、強風化礫巖、弱膠結礫巖和中等膠結礫巖，其中1365m范圍穿越上軟下硬的強風化及膠結礫巖層。

盾構在411-1093環穿越上軟下硬復合地層，地層穿越斷面主要分布為上部粉細砂層，下部強風化礫巖層+弱膠結礫巖+中等膠結礫巖。隧道埋深11.4～20m，水深15～23m，地質剖面見圖2。

其中強風化礫巖(1365m):紫紅、灰黃色，多已風化成卵礫石土狀，局部夾弱膠結巖塊；2cm以上卵礫石含量超過20%，最多可達60%左右，最大粒徑20cm，卵礫石成分以灰巖、白云巖為主，質硬(單體抗壓強度>60MPa)，最大侵入盾構斷面9m；15b-2弱膠結礫巖(750m)：灰色、褐紅色，礫狀碎屑結構，泥質孔隙式或基底式弱膠結，層厚狀，裂隙不發育；2cm以上卵礫石含量約45%，粒徑多為2～5cm,最大粒徑達20cm左右，卵礫石成分以灰巖、白云巖為主，粗顆粒間連接弱，巖芯易崩斷，最大侵入斷面4.5m；15b-3中等膠結礫巖(430m)：灰色、灰紫色及褐紅色，礫狀碎屑結構，泥質孔隙式或基底式膠結，膠結較差，巨厚層狀構造，裂隙不發育，巖體完整性較好；2cm以上骨架顆粒含量約60%左右，粒徑多為2～5cm,最大粒徑可達10cm以上；成分以灰巖、白云巖等硬質巖為主，巖芯多為15～40cm柱狀，巖質較軟，天然單軸抗壓強度平均值14.88MPa，最大值24.4MPa，最大侵入斷面4.2m。

圖2 地質剖面圖

3 工程特點及難點

隧道穿越地層普遍存在上軟下硬問題，開挖斷面的不均性主要給盾構掘進開挖帶來以下施工難題：

①刀盤、刀具在掘進過程中磨損嚴重，換刀頻率高，掘進效率低下；

②盾構掘進推力大，扭矩變化大，盾構姿態控制難度大；

③壁后注漿受不同地質條件影響，填充效果難以控制，極易導致后期管片變形及錯臺；

④盾構在膠結礫巖層掘進過程中易形成刀盤泥餅，導致掘進效率嚴重降低。

4 主要技術方案

為了解決上述施工難點問題，保障施工進度及施工質量，項目采取以下技術措施實現難點的技術方案應對。

4.1 盾構機選型及掘進參數配置

綜合考慮整個隧道穿越地層的滲透特性及掘進斷面的對盾構掘進參數的需求，該越江隧道選用泥水平衡盾構機，其主要參數設置如表1所示。

S978盾構機設備參數表 表1

4.2 盾構機刀盤刀具配置

本項目隧道掘進過程中，由于軟土刀盤掘進硬巖地層對刀具的磨損嚴重，且刀盤推力、扭矩會隨其對硬巖地層的侵入比例提高而持續增高，難以保證盾構掘進效率。對于12m級直徑盾構而言，采用全斷面滾刀的配置方案將導致刀盤的開口率過小，影響掌子面渣土的流動和外排，且可能造成軟土層掘進過程中刀盤結泥餅現象，不能滿足長距離軟土地層的掘進需求。

綜合考慮軟土刀盤和硬巖刀盤的掘進效率及適應性，在確保較大開口率及常壓換刀技術的前提下，在軟土刀盤設計的基礎上，引入部分常壓可更換滾刀，最終確定刀盤開口率為28.5%；滾刀主要應對中等膠結礫巖，綜合考慮掘削斷面地層分布特性和刀盤開口率，設置半斷面滾刀15把，可切削半徑為外半徑上2.4m。調整后刀盤為幅條面板式，6個輻臂，設置12個高壓沖刷口。刀具共347把，其中可更換雙刃滾刀15把(邊緣3.5m范圍)，可更換先行刀8把，可更換刮刀43把，中心可更換刀10把；固定先行刀8把，固定刮刀，123把，邊緣刮刀12套(78把)。

4.3 刀具適應性層次配置及更換管理

盾構機的刀盤刀具配置主要為常壓下可更換的滾齒互換和常壓可更換刮刀，刀具設計有3層高度，中心刀、正面撕裂刀、常壓可更換滾齒互換齒刀為第一層，刀高225mm；焊接式撕裂刀為第二層，刀高205mm；常壓下可更換刮刀、螺栓固定式刮刀為第三層，刀高為185mm，如圖3所示。

圖3 刀盤刀具高差圖

在掘進過程中，刀盤刀具起關鍵作用的主要是刀高為225mm和185mm的兩層常壓可更換刀具，根據地層切入硬巖地層的斷面尺寸和掘進參數數據，根據由外及里的順序逐漸將齒刀代替為滾刀，不宜更換過早，否則易導致滾刀因啟動扭矩不足而無法轉動，造成滾刀偏磨，增加刀具成本投入。

盾構在上軟下硬地層進行掘進時刀具更換極為頻繁，根據刀具更換統計，刀具磨損監測報警頻次最多的為侵入膠結礫巖段層斷面的刀具，平均每2～3環即檢查更換一次；刀具磨損監測報警主要分布在常壓更換先行刀（中心刀、撕裂刀、滾刀）及每把先行刀左右兩側的常壓更換刮刀上，因此更換原則為：將可常壓更換的先行刀與同軌跡常壓更換刮刀進行同步更換。而因油管漏油等的非刀具磨損報警時，應根據抽查的滾刀磨損情況確定是否檢查對應軌跡刮刀，滾刀位置和對應軌跡刮刀可能不在同一個輻臂上，因此要一一對應進行檢查更換。刀具更換檢查要分析刀具的破壞位置和磨損狀態，據此確定是否進行相鄰刀具的檢查和更換，刀具更換檢查要盡量做到全面到位，避免出現漏檢磨損刀具頻繁報警問題，改善掌子面維護和盾構配套工作的銜接，減少工時和材料浪費。

4.4 常壓更換刀具

由于復合地層中巖石對刀具造成的磨損和膨脹影響極大，導致刀具更換頻率顯著增加，由于帶壓進倉更換刀具的風險巨大，本項目所用盾構機在刀盤設計中引入了常壓換刀技術。盾構正常掘進時，刀具伸出刀盤盤面外實施切削作業，當刀具需要更換時，將需更換刀具旋轉至刀盤下方，利用刀具拆卸工裝通過液壓千斤頂的回縮將內刀桶連帶刀具整體抽回至閘板內側，隨后關閉閘板，使掌子面泥漿與刀具隔離，然后進行刀具的拆除和更換。由于更換刀具比磨損刀具尺寸略大，為了便于刀具安裝到位，盾構機設計時采用了可伸縮主驅動，在進行刀具更換之前先將主驅動連同刀盤伸出約20cm的距離，換刀時再將主驅動連同刀盤回縮10cm左右，為新刀提供充足的回頂空間，刀具更換的具體流程如圖4所示。

圖4 常壓換刀流程圖

4.5 掘進參數控制

在上軟下硬地層中，盾構掘進時刀具需在軟硬巖中不斷轉換，因刀具磨損及軟硬交界面處碰撞造成的刀具損壞破壞較大。因此，在該類地層中掘進，不宜刻意追求掘進速度，而應控制掘進參數的穩定性，避免較長時間的停機。在上軟下硬地層中掘進，刀盤推力、轉速、扭矩等參數（如圖5）的合理設置是保障盾構掘進速度的關鍵，也是減少盾構刀具磨損的有效手段[6]。

4.5.1 刀盤轉速

刀盤轉速受貫入度和刀盤扭矩控制[7]，根據所選盾構的貫入度及扭矩曲線圖，提高刀盤轉速能夠在一定程度上降低刀盤扭矩，但會增加刀具的磨損，導致刀具更換頻率增加。因此，該越江隧道穿越上軟下硬地層掘進，為有效降低刀具更換占用時間，提高掘進效率，刀盤轉速宜控制在0.8～1.3r/min。

4.5.2 刀盤推力及轉速

盾構在土巖復合地層中掘進時，刀盤的推力和扭矩受由軟到硬的地層變化影響呈增大趨勢[8]，巖層相對越硬，刀盤切入硬巖的比例越大，刀盤受到的切削阻力越大，貫入度也會降低。當增大千斤頂推力以提高貫入度時，刀盤扭矩會顯著增大，導致刀具的非線性加速磨損破壞。從施工階段的掘進參數分析，在掘進速度和刀具磨損破壞程度上，要選取恰當的推力和轉速，才能保證在達到預期掘進速度的條件下有效控制刀具磨損速度。本工程盾構機設計扭矩18.4MN·m，推力15.7×104kN，實際施工過程中控制在70%以內，貫入度在1～2cm/r，推力6～10×104kN，扭矩一般保持在5～12 MN·m。當推力變化不明顯，扭矩顯著增大但掘進速度卻降低時，此時刀盤刀具很可能出現了較大的磨損，根據經驗，刀具通常會很快出現磨損監測報警，此時應根據刀盤刀具的磨損報警情況進行及時的刀具檢查更換。

圖5 部分掘進里程掘進參數圖

4.5.3 切口壓力及泥漿控制

由于掌子面下部為較硬地層而上部為軟弱地層，隧道掘進過程中，頂部軟弱地層對刀具開挖切削作用較為敏感，因此，在掘進過程中要嚴格控制掌子面的切口壓力波動，實際操作切口壓力設置應比理論計算壓力略大0.0～0.2bar，不宜差距過大，以保持掌子面的穩定性，避免引起掌子面頂部擊穿和坍塌現象。

泥漿制作以膨潤土泥漿為主，泥漿比重正常掘進狀態下控制在1.1～1.2g/cm3，粘稠度控制在23S以上。當沉淀池或調漿池的比重增加較大或泥漿粘稠度降低較多時，應及時進行泥漿廢棄外排，并補充制作新漿。由于盾構掘進過程中刀具報警無規律性，停機換刀作業較為頻繁，因此，盾構正常掘進時泥漿要保持較好的穩定性，避免停機檢修過程中掌子面因泥漿原因出現失穩現象。4.5.4同步注漿控制

同步注漿漿液采用抗水分散型單液水泥砂漿材料，主要材料包括水泥、膨潤土、粉煤灰、砂、保塑減水劑和水，初凝時間為6～10h，稠度為8～12cm，擴展度為52～58cm。漿液材料膠凝強度應與周邊地層相匹配，28d抗壓強度大于1MPa；在膠結礫巖層宜適當提高粉煤灰和水泥的摻量，將注漿材料抗壓強度提高至2～3MPa，但應注意控制漿液初凝時間，避免特殊情況下注漿管道的堵塞。

盾構掘進過程中，注漿主要以同步注漿為主，二次補漿為輔，同步注漿采用分時分點位不間斷注漿，設備自動注漿輔助手動注漿。注漿充填密實度采用注漿壓力和注漿量雙指標控制，掘進一段距離后應采用雷達壁后注漿檢測注漿填充的密實性，以便及時調整注漿參數。注漿壓力綜合考慮地層條件、管片強度、漿液性能和泥水壓力等因素[8]，一般注漿壓力P=P1(注漿點泥水壓力值)+P2(注漿管道壓力損失)+P3(取30～50kPa)。每環理論注漿量 V=(π/4)×(12.552-12.12)×2＝17.4m3，根據地層地質情況的差異，一般需要對其進行一定的調整，上軟下硬地層實際由滿足注漿壓力的注漿量在19m3，現場控制在22～23m3，保證一般充填系數不小于1.3。由于注漿壓力的控制，注漿壓力及注漿量也不宜過大，注漿壓力過大可能引起盾尾止漿板破壞，致使同步注漿竄流至掌子面，造成注漿的不可控制。

4.6 刀盤泥餅預防與處治

4.6.1 泥餅成因

①本項目盾構采用了輻條面板式復合刀盤設計，此外還考慮了常壓滾刀和齒刀更換設計，導致刀盤開口率僅為28.5%；且刀盤中心區域刀具布置密度相對較大，為保證刀具切削軌跡的全覆蓋，中心區域較大范圍內未設置開口，該結構形式在一定程度上限制了渣土的流動性。

②盾構所穿越區間賦存有強風化礫巖、弱膠結礫巖等泥質膠結巖層，盾構穿越該類地層時，由于地層中富含粘土礦物顆粒，在刀具切削與刀盤沖擊作用下，掌子面粘性土體受到碾壓，極易形成堆積，自刀盤中心體向四周逐步在刀盤面和土倉內壁上形成泥餅，并因摩擦阻力增大、產生熱量增多導致中心體溫度反復升高而發生板結，呈逐漸加厚擴大趨勢，堵塞刀盤開口，在刀盤盤面形成一層泥餅。

③刀盤中心沖刷泵沖刷介質為新制泥漿而非清水，其主要參數為500m3/h@13.8bar，輻臂上及輻臂間各有6個沖刷嘴，同時每個沖刷嘴平均流量僅為40m3/h左右，沖刷嘴直徑DN80明顯偏大，造成管內泥漿壓力不足。此外，中心沖刷管道中存在局部直角拐彎，也導致了較大的壓力損失，在中心錐內側測到的沖刷壓力僅為6.5 bar，考慮到開挖艙切口壓力，盾構原始沖刷能力設計明顯不足，進一步加重了刀盤結泥餅現象。

4.6.2 預防和處治

①預防泥餅形成的關鍵在于刀盤中心區域的渣土流動性，保證渣土不在中心區域停留而形成堆積，因此，預防結泥餅現象首先要解決刀盤中心沖刷力不足的問題。施工中將刀盤中心區域常壓更換中心刀部分更換為自行設計的常壓沖刷水刀，該常壓沖刷水刀既有切削功能，又有沖刷功能，可在正常掘進中使用，如圖6所示。水刀沖刷用水通過原進漿口管道進行分流，實施過程中采用定點分時沖刷的方法，保證單口的流量和沖刷水刀出口沖刷力作用，以達到中心區域渣土不滯留的效果，從而避免泥餅的形成。

圖6 沖刷水刀裝置示意圖

②盾構掘進中的刀具磨損快、換刀頻繁和刀盤中心區域結泥餅都會造成刀盤的推力和扭矩快速增大。因此，僅僅根據刀盤推力和扭矩的增大無法準確判斷盾構刀盤是否結泥餅。但刀盤中心區域結泥餅時，刀盤中心區域的溫度會快速上升，因此在刀盤盤面或盤后常壓艙內設置不同點位的溫度監測點可提高判斷泥餅形成的準確率。

③當各項掘進參數及刀盤溫度監測顯示判斷泥餅已形成，且無法快速消除，此時不可繼續推進而使得泥餅越結越重，應停機進行泥餅的清理工作，否則清理難度加大，導致停機清理所需時間增加。

針對泥餅形成初期的處理，一般通過由沖刷口和中心水刀沖刷口注入泥餅分散劑分解泥餅，分散劑的添加需要控制其用量和其化學反應下氣體的產生，避免對艙內壓力及液位擾動過大，影響掌子面的穩定。如分散效果不佳，可采用中心高壓水切削刀對泥餅進行高壓切割[9]，中心高壓水切削刀不能參與掘進使用，需停機常壓更換于中心刀位置，通過獨立的高壓沖刷裝置實現高壓水切割。受其切削半徑限制，需要合理布置高壓水切削刀的位置以達到對泥餅形成部位的覆蓋切削；如中心高壓水切削刀仍無法消除泥餅，則需要帶壓進倉進行掌子面的檢查和泥餅清理工作，帶壓進倉在此不做贅述。

5 結語

某越江隧道工程穿越1365m粉細砂+強風化+膠結礫巖的上軟下硬地層掘進施工，是工程施工難度最大的區段，施工過程中通過盾構機刀盤選型配置優化、刀具更換科學化、掘進參數優化等手段，自2016年10月至2017年5月，成功穿越軟硬不均地層，成型管片隧道軸線偏差控制在5cm以內，管片接縫不滲不漏，施工過程中未出現較大施工風險，實施效果得到了各界的高度認可。