武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道施工關鍵技術

李 波， 包 蓁

(上海隧道股份有限公司， 上海 200032)

0 引言

武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道，全長4 650 m，工程為雙圓隧道，分左線和右線。其中，右線盾構于2016年4月30日始發，2018年4月26日接收；左線隧道于2016年6月25日始發，2018年6月12日接收。2018年10月，隧道正式通車，成為連接武漢漢口濱江商務區以及武昌臨江商務區的重要紐帶，對于促進長江經濟帶的經濟繁榮，加快武漢市、湖北省乃至周圍省、市的經濟發展極為重要[1-2]。

在復合地層中掘進，盾構施工往往面臨刀具磨損、姿態難控制、結泥餅和噴涌等施工風險，比如廣州地鐵2號線、南昌地鐵1號線以及深圳地鐵11號線等[3-8]。上述工程的盾構直徑較小，所面臨的問題較為單一，僅僅用施工監測、渣土改良等單一措施解決掘進中遇到的問題。國內過去的隧道工程中，從未有在復合泥巖地層中進行超大直徑盾構隧道施工的案例。本文中三陽路隧道這類超級工程往往面臨著“超級”難題。隧道江中段〈15a〉粉砂質泥巖和〈15b〉弱膠結礫巖中黏粒成分均超過15%，對渣土流動性十分不利，極易造成刀盤開口與刀桶的泥餅淤積。另外，復合地層上部為軟土地層，下部為強度高、完整性好的巖石地層，不同的阻力差容易造成軟弱層排土過多，引起地層下沉、坍方，甚至引發透水事故。

為克服上述難題，施工單位依托三陽路隧道的建設，進行了多項施工技術研發，各技術均成功運用于隧道建設中。三陽路隧道的成功建設是我國盾構隧道施工技術的重大進步，本文主要介紹盾構刀具形式與配置優化、中心沖刷系統改制、化學除泥餅等技術方案，可為未來超大直徑盾構復合地層施工提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 線路概況

武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道位于長江二橋上游1.3 km，武漢長江隧道下游1.9 km，是一條城市道路與軌道交通共結構的公鐵合建通道。隧道起于漢口三陽路，止于武昌秦園路，全長4 650 m，其中，盾構段全長2 590 m。由2臺φ15.76 m的泥水平衡盾構先后從武昌工作井始發，相繼在漢口工作井完成盾構到達接收工作。隧道最小轉彎半徑1 200 m，主線隧道最大縱坡3.0%，隧道最大覆土深度39.5 m，最小覆土深度8.4 m，見圖1。

(a) 武漢三陽路隧道線路布置圖

(b) 三陽路隧道縱斷面詳圖

盾構隧道管片外徑為15.2 m，內徑為13.9 m，環寬2 m，斷面內分為3層，上層為道路隧道火災排煙專用風道，中間為道路交通層，下層中間為地鐵孔，兩側分別為疏散通道、地鐵火災排煙通道和管線廊道，管片內部結構施工均采用現澆方式，如圖2所示。

圖2 武漢三陽路隧道結構斷面

1.2 工程地質條件

三陽路隧道盾構段穿越土層主要有： 粉質黏土、粉細砂、中粗砂、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖、弱膠結礫巖等。其中，盾構始發1—90環長180 m，為粉細砂與中粗砂夾層； 200—870環長1 360 m，為上部粉細砂，下部強風化粉砂質泥巖、弱膠結礫巖地層等； 1 180—1 295環長度約230 m，為上部粉質黏土，下部粉細砂；其余區段均為粉細砂層。

砂層的石英含量高，為68.83%～71.51%；復合地層中，黏土礦物含量高，其中，強風化粉砂質泥巖中，綠泥石含量15.78%、伊利石含量15.37%； 中風化粉砂質泥巖中，蒙脫石含量4.18%。同時，復合地層中有硬質巖石分布，骨架成分以石英巖、石灰巖等硬質巖為主。

1.3 盾構配置

三陽路隧道采用2臺超大直徑氣墊式泥水平衡盾構，盾構直徑15.76 m,盾構刀盤額定轉矩27 MN·m，脫困轉矩44 MN·m，最大推力193 962 kN，動態工作壓力為800 kPa，靜態工作壓力為900 kPa。盾構刀盤見圖3。

圖3 盾構刀盤出廠照片

1.3.1 初裝刀具配置

盾構刀盤為全斷面常壓可伸縮刀盤，配備28把中心羊角刀、48把貝殼刀、3把保徑滾刀、52把常壓可更換軟土刮刀、160把固定式刮刀。由于安裝全斷面可更換刀桶，因此，中心5 m無開口。

盾構面板上的初裝刀具分層配置，第1個層次為超前刀，包括羊角刀、貝殼刀、滾刀，刀具高出面板225 mm，均為常壓可更換刀具；第2個層次包括常壓可更換刮刀、固定式刮刀、鏟刀等，該層刀具高出面板185 mm，上下層刀具相差40 mm，先行刀將土體切割分塊，為后排刀具創造良好的切削條件。常壓可更換刀具配備了液壓磨損檢測系統，盾構刀具初始布置如圖4所示。

1.3.2 中心沖刷裝置

考慮到盾構在復合地層中掘進刀盤結泥餅風險明顯提高，為了預防該現象，盾構配備了中心沖刷裝置，從中心旋轉噴頭處通過大流量水沖刷，將渣土從開挖艙及刀盤排出。盾構上設1臺P0.1泵，最大流量1 000 m3/h， 壓力800 kPa，從進泥總管分出； 在刀盤中心和刀盤開口處分別設置6個DN100沖洗孔，以保證刀盤中心區域的泥水流動。中心沖刷系統的初始設計如圖5所示。

圖4 盾構刀具初始布置

2 工程特點與難點

武漢三陽路隧道是直徑15 m以上盾構首次穿越復合地層的工程，復雜的地質環境給工程帶來了重重困難。盡管對刀盤刀具設計、刀具沖洗等預計問題已經進行了優化，但在實際施工過程中，仍然發現了刀盤結泥餅和刀具磨損導致的掘進效率降低問題。

2.1 刀盤結泥餅

以右線隧道為例，前期在砂性土中存在結泥餅現象，但并不嚴重，僅于119環(〈4-2〉粉細砂)將部分刀桶抽出進行清洗后掘進效果明顯。

盾構掘進至190環(穿越上部〈4-2〉粉細砂，下部〈15a-1〉強風化粉砂質泥巖、〈15a-2〉中風化粉砂質泥巖、〈15b-1〉弱膠結礫巖地層)后，開始穿越江中段的上軟下硬復合地層，盾構的推進速度顯著下降。推進速度從20 mm/min逐漸下降到5 mm/min以下。同時，盾構掘進推力和轉矩顯著提高，轉矩增大25%，最大總擠壓力達到57 000 kN,此時，刀盤面板后溫度顯著上升，刀盤貫入變小。同時，在復合地層中，出現吸口排泥不暢現象，管路堵塞，引起進、排泥流量不匹配，造成頂部支撐壓力波動變大。不同地層中盾構掘進參數變化如圖6所示。

圖6 不同地層中盾構的掘進參數變化

針對以上異常情況，施工人員于第198環停機帶壓進艙檢查，發現刀具被泥餅覆蓋，刀盤開口處被高黏度的渣土封住，中心刀、正面滾刀以及邊緣刀的刀桶結滿了泥餅。進行刀桶清洗后，繼續推進5環，發現刀桶再次被泥餅包裹。刀盤結泥餅情況如圖7所示。

分析刀盤結泥餅的原因如下： 首先，地質條件復雜是主要原因。在越江中段的上軟下硬復合地層中，弱膠結礫巖中的黏土礦物含量高，超過30%，黏土礦物遇水軟化，吸水膨脹，黏土顆粒大量富集形成泥團，尤其是泥巖的泥質膠結體黏性極大，極易造成盾構刀盤結泥餅[9]。其次，是盾構設備自身的因素。盾構刀盤刀臂較寬，最大處有5 m，渣土流動距離長；刀盤開口率為29%，且中心有5 m沒有開口，當中心沖洗流量和壓力不足時，渣土黏結在刀盤上，隨著刀盤摩擦生熱燒結在中心刀盤面板上，并逐漸向周邊刀臂蔓延。另外，對于初裝中心沖洗系統，沖洗流量偏小，僅有400～500 m/h。刀盤中心沖洗和周邊開口沖洗的流量從進泥總管分出，P0.1泵最大壓力為800 kPa，扣除氣泡艙400～600 kPa的壓力，沖洗壓力僅為200～400 kPa，多數時候不足以將泥餅沖下。

(a) 刀桶泥餅淤積

(b) 刀桶清洗前以及清洗后推進5環狀況

(c) 帶壓進艙觀測刀盤泥餅淤積情況

2.2 刀具磨損嚴重

以右線隧道為例，1—200環為全斷面砂性地層，換刀12次，更換貝殼刀67把、滾刀26把、刮刀6把； 進入復合地層，201—435環共換刀20次，更換貝殼刀284把、滾刀206把、刮刀86把。不同地層中盾構換刀的頻次如圖8所示。

圖8 不同地層中盾構換刀頻次

可見，在盾構掘進進入復合地層之后，換刀頻率明顯增加，刀盤外圈換刀頻率從50環/次增加至20環/次；刀盤中圈換刀頻率從100環/次增加至40環/次；內圈換刀頻率從200環/次增加至80環/次。貝殼刀、刮刀和滾刀均出現了不同程度的偏磨或者磨損(見圖9)。

圖9 刀具磨損前后對比

刀具磨損現象嚴重的主要原因有以下2個方面： 首先，盾構刀具磨損主要由磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損3種機制共同組成[10]，其中，磨粒磨損是盾構刀具磨損的主要原因。武漢三陽路隧道所在粉砂地層中，石英含量高，磨粒磨損現象嚴重。其次，在弱膠結礫巖中，高強度的礫石含量高達60%，且以石英巖為主，這些硬質礫石是造成刮刀和齒刀磕碰掉齒的主要原因。

2.3 掘進效率低下

進入復合地層中后，盾構掘進效率明顯降低。以右線隧道為例，整個過程推進平均速度僅為8.9 mm/min。由于刀具磨損、刀盤結泥餅導致的刀具更換操作時間和停機帶壓進艙時間分別達到全工期時長的31%和9%，如圖10所示。由此可見，上述2種問題是造成掘進效率低下的主要原因。

圖10 各工況占全工期時間比

另外，泥餅淤積和刀具磨損是相互促進的。當刀盤結泥餅時，刀具的貫入度減小，使得刀具一直和開挖面摩擦，加劇刀具的磨損；另一方面，刀具研磨使得開挖面溫度升高，加快了黏土粒凝聚固結，促進刀盤泥餅生成。

3 主要工程技術方案

3.1 常壓換刀技術

由于刀具磨損嚴重，刀具更換頻繁。傳統帶壓進艙換刀方法工期長、風險大，不能適應三陽路隧道的地質條件。因此，本工程采用了常壓換刀的新技術。至今為止，常壓換刀技術已經經歷了4代改進[11]，最初為部分刮刀可更換； 第2代為全斷面刮刀可更換； 第3代出現了適用于復合地層的部分滾刀可更換刀盤； 現在發展為第4代全斷面滾刀更換，并配備了液壓油缸系統，設置了機械保護措施，使得當今的換刀技術更加安全、便捷。

常壓刀盤換刀方法大大加快了換刀效率，一般來說，較帶壓換刀效率提高5倍以上，并大大降低了換刀作業風險。但是，常壓換刀方法需要在刀盤設置大量法蘭罐和刀桶，占據了刀盤空間。因此，常壓換刀刀盤開口率低，土渣流動性差，反過來加劇刀盤泥餅淤積問題，進而加快了刀具的磨損。

3.2 刀具選型優化

盾構初裝刀盤配備有24組48把貝殼刀，盾構穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，需要采用貝殼刀切削砂卵石，使用該原裝刀切削時，由于渣土流動性差，刀具磨損十分嚴重。于是對刀具選型進行了優化，采用10 cm寬5齒貝殼刀，該種刀具降低了寬度，中間的寬槽提高了渣土流動性，但是帶來的問題是其對土體的切削能力較差； 同時，還嘗試使用10 cm小羊角刀，同樣降低了寬度，且增強了刀具切削能力，但在復合地層中，該種刀具出現了嚴重的結泥現象； 綜合羊角刀和6齒貝殼刀2種刀具的優勢，研發了新型的寶塔刀。該刀具分上下2層，上層羊角刀寬度7 cm，提高了刀具切削能力； 下層刀具開槽，增加渣土的流動性，降低結泥風險。刀具形式的進化歷程如圖11所示。

(a) 初裝貝殼刀

(b) 10 cm寬5齒貝殼刀

(c) 10 cm寬羊角刀

(d) 寶塔刀

3種刀具在2種不同地層中切削能力的對比情況如圖12所示，可以看出： 在砂性地層和復合地層中，寶塔刀的平均使用壽命是最長的。

從刀具的材料角度進行研究，為了降低先行刀在黏土層中的磨損，減少刀盤正面摩擦轉矩所占比例，將刀具合金硬度從洛氏硬度HRA70提高到HRA87。通過同推進距離(10環)對比試驗(見圖13)，發現初裝刀具磨損了20～25 mm,經過材料改良后的刀具僅磨損5～7 mm。

(a) 砂性地層

(b) 復合地層

Fig. 12 Average cutting amount of each ripper in its service life(in different strata)

(a) HRA70刀具磨損情況

(b) HRA87刀具磨損情況

3.3 刀具配置優化

隨著推進工作的進行，通過改進刀具布置，以改善掘進效率、降低刀具的損壞率，分別嘗試采用全盤滾刀、滾刀和先行刀間隔等布置形式。推進結果表明，如果全盤采用滾刀，滾刀自身偏磨現象嚴重，且由于沒有起到破碎卵石的作用，下層固定刮刀受損嚴重。因此，采用滾刀、先行刀間隔布置的形式。

另外，為了改善刀盤的切削能力，嘗試將常壓可更換的刮刀高度調整到與刀臂中間的先行刀同高(提高4 cm)，從而代替先行刀進行切削，并且將初始的平刮刀改為三齒刮刀，減小刮刀在復合地層中掉齒的問題。由于刮刀布置在刀盤開口處，刮刀切削時，切掉的土可以直接進入開挖艙，防止渣土流動距離太長而黏在刀盤上。刮刀加高后盾構推進效果如圖14所示，推進速度明顯提高，中心擠壓力下降效果明顯。

3.4 中心沖刷系統改制

在砂性地層推進過程中，同樣存在刀桶泥餅淤積的問題。由于原設計中心6個沖洗孔逐漸堵塞且無法清理，因此，盾構在掘進至124環位置時，對中心4個刀桶進行了改造，使其具備沖洗能力。改造后，中心沖刷具有500 m3/h的流量，大大改善了中心5 m無開口區域的土體流動狀況，推進速度由7.4 mm/min上升至20.4 mm/min,總擠壓力由36 000 kN下降至22 000 kN。中心沖刷系統改制后，盾構推進參數的改善情況如圖15所示。

但是，進入復合地層中后，初裝狀態下的沖刷系統的劣勢體現出來。由于刀盤沖洗中心和周邊開口沖洗的泥水流量1 000 m3/h從進泥總管分出，造成開挖艙進泥流量也偏小，渣土攜帶能力不足，再次出現泥餅淤結問題。于是，對中心沖刷系統進行集中改制。首先將P0.1泵改為內循環模式，最大流量從1 000 m3/h增加到1 200 m3/h。由于不從進泥總管分出泥水，從而間接提高了進泥泥水流量，提高了艙內泥水循環量和渣土攜帶能力(見圖16)。同時，在盾構推進至394環時，中心沖洗輔助加入壓縮空氣，壓力為700～800 kPa，流量20 m3/h左右，增加了泥餅的消除和預防能力。推進參數有所改善(見圖17)，推進速度從平均3 mm/min增加到6 mm/min，出渣情況也更加順暢，如圖18所示。

圖14 刀具布置優化(刮刀加高)的影響

圖15 中心沖刷系統改制對盾構掘進參數的影響

圖16 中心刀桶的沖刷系統改制

圖17 中心輔助加氣對盾構掘進參數的影響

圖18 中心輔助加氣的出渣情況

3.5 化學法消除泥餅

泥餅既已形成，僅僅通過物理方法加大水壓沖洗，往往難以得到良好的效果。通過化學方法，氧化黏土顆粒之間的有機質，增強陽離子的水化能力，是去除既有泥餅的方法之一[12]。本工程中，采用過氧化氫作為氧化劑，將黏土中的有機質分解，從而釋放黏土顆粒，降低膠結程度，達到清除固有泥餅、防止泥餅形成的效果。實施工藝方法如圖19所示，實施效果如圖20所示。通過雙氧水清洗泥餅之后，盾構刀具的貫入度出現明顯的提升，說明氧化劑對除泥餅的效果是顯著的。

圖19 注入過氧化氫消除泥餅工藝

3.6 優化措施效果

通過一系列針對性優化措施的實施，盾構的掘進效率得到了明顯的提高。盾構掘進速度從3環/d提高到6環/d。刀具的更換頻率顯著降低，復合地層周邊換刀間隔也從20環提高至50環。盾構在復合地層從月平均推進50環提高到月平均推進100環，單月最高104環。引入優化措施前后，皮帶機的出渣情況如圖21所示。可以看出,經過一系列優化改進，出渣量明顯增加。

圖20 雙氧水除泥餅的效果分析

(a) 優化前出渣量

(b) 優化后出渣量

Fig. 21 Condition of muck before and after technique implementation

4 總結與展望

通過分析說明武漢三陽路隧道施工案例可知，超大直徑復合地層盾構施工面臨著諸多問題與挑戰，其中，刀盤易結泥餅和刀具易磨損是最難解決的2大問題。依托武漢三陽路復合地層盾構隧道的建設，提出針對性的優化措施，形成了復合地層盾構施工的關鍵技術，并成功解決了粉細砂、泥巖和礫巖復合地層施工的難題，順利完成了工程施工。該實踐可為后續類似大型工程施工提供借鑒經驗。

未來大直徑盾構在復合地層中的應用，應充分考慮不同地層條件對掘進的影響，從盾構的選型出發，研發新型常壓換刀技術，提高泥水盾構常壓刀盤的開口率，對化學法消除泥餅等措施進行進一步參數化研究，并針對各類地層條件提出標準化的技術路線。