海域復雜地層超大直徑盾構施工技術*

牛紫龍

(汕頭市蘇埃通道建設投資發展有限公司,廣東 汕頭 515000)

0 引言

盾構具有施工效率高、安全性好、對環境影響小的特點，在地下空間開發中充當重要角色[1]。超大直徑盾構隧道因具有綜合利用地下空間資源的優勢，已成為城市交通隧道建設的首選[2]。蘇埃通道工程采用15m級泥水盾構，要在基巖、孤石、淺覆軟土地層掘進，為難度極高的海域復雜地層下的盾構法施工。因此，有必要對超大直徑泥水盾構在海域復雜地層應用的疑難問題開展研究。

地質條件和盾構設備的適應性極大影響工程質量和進度，地質條件決定使用的盾構設備，由于跨海隧道工程水文地質情況復雜且不確定性較強，盾構設備的適應性分析尤為重要[3]。大直徑盾構開挖斷面更易出現地層復合的情況，可能伴有硬巖、卵石等，給掘進造成很大困難，大直徑盾構在適應性設計上難度更高[4]。李波等[5]針對超大直徑泥水盾構提出引入常壓換刀裝置提升換刀效率，利用中心沖刷系統抑制泥餅。楊書江[6]針對廈門軌道交通1號線工程復雜地質條件下的盾構施工難題，指出適應地質條件的盾構選型是工程建設的關鍵，合理選擇盾構掘進參數和輔助工法是工程建設的保證。上述研究對大直徑盾構的選型設計、應用具有很強的借鑒意義，然而對于現階段在復雜海域環境應用的國內超大直徑盾構尚有一些問題需要探索。

表2 巖石物理力學參數

本文根據蘇埃通道水文地質特點，分析了工程重難點，提出盾構在刀具有效破巖、刀盤耐磨防護、刀具監測及更換、沖刷系統方面進行針對性設計以提升裝備地質適應性。實際施工中在基巖、孤石方面使用預處理與盾構掘進結合的方法；淺覆軟土地層通過加強掘進參數控制、管片上浮控制、泥餅防范處理、刀具管理4個方面保證順利施工；對直接影響盾構掘進的易損、故障突出的部位進行改造提升，減少盾構故障停機時間，提升施工效率。通過上述針對性措施，目前東線盾構已掘進900環，作為典型的超大直徑泥水盾構海域復雜地層應用取得了一定成效，可為未來類似工程的實施提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

汕頭蘇埃通道工程全長6.68km，隧道長5.30km，為雙管單層雙向6車道，其中盾構段3.05km。東線采用海瑞克S1046盾構(直徑15.01m)從南岸圍堰位置始發井向北岸接收井掘進完成盾構段施工。隧道設計外徑14.5m，管片內徑13.3m，環寬2.0m，混凝土強度等級C60，抗滲等級P12，采用通用楔形環管片錯縫拼裝，內設安全通道、應急通道、電纜管廊、管溝及煙道。

1.1 工程與水文地質條件

盾構段穿越的地層為淤泥、淤泥質土、淤泥混砂、粉細砂、中砂、粗砂、礫砂、粉質黏土和微、中、全風化花崗巖等，其中不良地質有基巖、花崗巖球狀風化體(孤石)、砂土(易液化)、軟土(會震陷)?；鶐r主要位于盾構始發段和主航道下方，其中主航道下方3處計182m基巖尤其值得注意，巖石質量指標RQD為55%～78%，頂層高程-34.720～-27.460m，層底未揭穿，揭露厚度1.10～9.00m，始發段巖石樣品單軸抗壓強度可達134MPa。孤石地層在華南地區普遍存在，為巖石風化、水流沖擊形成，因其分布離散、空間特性不規律，受地勘鉆孔間距影響探明效果不佳。工程線位所處的地質情況比較復雜，典型地層的巖土力學參數如表1，2所示。

表1 土層物理力學參數

隧道底部位于海平面平均潮水位以下23.2～35.8m，最大水壓力可達0.4MPa。在地層滲透性方面，中粗砂、礫砂地層為中密～密實，滲透性較強，滲透系數為7.85～21.5m/d；粉細砂呈松散～稍密狀，滲透系數為2.03～4.46m/d，其他地層滲透系數相對較小，在0.06m/d以下。隧道覆土層與隧道洞徑比<2，屬于典型的淺埋隧道。

1.2 施工重難點

1)基巖、孤石地層掘進

盾構遭遇孤石，軟土刀具頻繁損壞，扭矩波動頻率高且幅度大，對刀盤危害大，盾構甚至被迫停機，需要人工進倉打撈孤石，增加了項目成本和施工風險，并導致工期不可控[7]。基巖起伏地層掘進，屬于典型的上軟下硬，盾構姿態控制困難，容易出現超差，對周圍土層擾動較均質地層大，可能會對地表環境造成影響；基巖掘進推力、扭矩增大，刀盤呈現出偏載，后方管片容易出現錯臺、裂縫等；除了刀具正常磨損加快外，滾刀崩刃等非正常損壞加劇，基巖比例越大對刀具壽命越不利，導致盾構頻繁換刀[8]。

2)淺覆軟土地層施工

在支護壓力參數上泥水壓力要大于靜水壓力以形成泥膜，對淺埋隧道防止壓力過大引發泥水劈裂，泥水壓力的控制尤為重要[9]。掘進速度要適中，密切關注扭矩參數，防止突然遭遇基巖、孤石而不能及時處置。管片上浮關系型成型管片質量，盾構施工中由于地下水豐富、地層復雜、盾構掘進工藝等原因，造成管片上浮引起管片嚴重錯臺、破損、滲漏水、侵入限界等施工問題突出[10]。在粉細砂、中、粗砂地層中石英含量高加劇了刀具的磨損速率，粉質黏土、淤泥地層中刀盤結泥餅風險凸顯。刀盤易結泥餅和刀具易磨損是最難解決的兩大問題，必須采取一定的措施減少其對軟土地層施工的影響。

2 盾構裝備適應性

通過地勘資料結合其他工程經驗，在基巖、孤石中盾構掘進效率低，刀具非正常磨損及損壞問題突出；淺埋隧道掌子面容易失穩、存在泥餅風險等問題。為提高裝備的適應性(見圖1)，在盾構設計階段提出了如下措施。

圖1 盾構刀盤和主機結構

1)為便于富水軟弱地層刀具更換，提出盾構采用常壓刀盤設計的方案，在刀筒中安裝滾刀，為兼顧基巖和軟土地層施工需求，要求常壓滾刀和撕裂刀具有互換性，便于進行刀具的動態管理。

2)對部分區域因常壓換刀裝置掣肘必須使用120mm刀間距，為保證該設計下滾刀在基巖段能有效破巖，采用室內模擬試驗驗證可行的基礎上再應用，保證刀盤刀具設計的質量。

3)針對基巖段CAI值高達3.84、粉細砂SiO2含量超40%、中粗砂SiO2含量達60%的情況，刀盤面板及刀具施工時磨損速率將很大，增加耐磨防護的范圍及耐磨板的厚度，局部位置增加耐磨合金保護塊，要配置磨損監測裝置，便于刀具磨損監測和管理。

4)加強沖刷系統設計，保證沖刷范圍，尤其對易結泥餅區域實現大流量、高壓沖刷，避免特定地層泥餅問題影響掘進。

3 施工技術措施及設備提升

3.1 基巖、孤石地層施工

盾構始發端頭段以②1淤泥、②2淤泥質土、③1粉質黏土、②5中粗砂、⑥2-1全風化花崗巖為主；隧道底部為⑥2-1全風化花崗巖、⑥3中風化花崗巖，局部地層伴有孤石。始發地層屬于上軟下硬掘進，加之孤石散布，盾構始發施工難度大，基巖經爆破處理達到不同程度破碎后盾構能發揮較好的掘進效能[11]。對陸域基巖、孤石段采取先預處理后掘進的施工方法，以密鉆孔、爆破讓巖石破碎，再采用盾構施工掘進。

1)地質補勘探明 為準確探明基巖、孤石在隧道范圍內的分布情況，采用加密地質鉆孔的方法進行補勘。補勘累計鉆1 612孔，其中入巖964孔，發現孤石86處，基巖侵入隧道最大深度7.32m，掌握了基巖、孤石在加固區、回填區及拋石區的分布規律。

2)加固區地層注漿 加固區內直接爆破對地下連續墻結構擾動較大，用密鉆孔破巖，通過注漿方法提高孤石與地層之間的接觸力。鉆孔間距1.5m×1.5m，注漿范圍為孤石頂面以上2m至原設計三軸樁底標高，注漿壓力為1.0MPa。

3)加固區密鉆孔處理 結合補勘確定的孤石范圍和深度，按250mm×250mm梅花形布孔，利用φ150mm潛孔鉆機鉆孔，鉆孔深度控制在隧道輪廓底部1.0m，成孔后水泥砂漿回填，以免始發時地層漏氣，盾構保壓效果差。

4)回填區、拋石區爆破處理 結合補勘探明情況，從地面采用地質鉆垂直打孔，爆破參數按炮孔超深1.0m，孔距、排距1.0m(孤石厚度<5m)，孔距、排距0.8m(孤石厚度>5m)，按照微差爆破要求控制好破碎碴塊體量可保證盾構正常掘進。爆后孤石粒徑<30cm，爆破后取芯可見效果很好。實施過程中加強爆破振動監測，及時調整爆破參數，保證基坑安全，爆后采用袖閥管注漿對爆破區域進行加固處理，注漿范圍為隧道橫斷面方向沿隧道邊緣各外放1.0m，隧道縱斷面方向沿爆破孤石(基巖突起)空孔外放2.0m。洞身基巖爆破范圍及隧洞頂部6.0m范圍采用劈裂注漿，隧洞頂部6.0m至地面采用壓密注漿。

盾構在基巖、孤石段按照“慢為先，慎掘進，勤觀測”來指導施工，控制刀盤轉速≤0.6r/min，掘進速度≤5mm/min，正常掘進推力、扭矩在一定范圍內波動，通過試掘進可確定范圍，掘進異常時扭矩指標更敏感，一旦扭矩超限要及時停機防止盲目掘進，定時空轉循環出渣防止巖塊堵塞。因始發段鉆孔和爆破時留下的孔洞和裂隙在封堵效果不好時，泥水盾構通過時泥漿會通過裂隙冒至地面，掘進泥漿環流控制困難，開挖倉壓力波動大，易造成地表沉降。要密切關注泥水壓力的情況，加強對地面沉降的觀測。基巖、孤石地層刀具磨損和損壞非常嚴重，除對常壓刀具檢查更換外，選擇合適地層進行加固，利用進倉對刀具進行檢查、修復受損刀具，對大石塊進行人工清理。

3.2 淺埋軟土地層施工

盾構在軟土地層掘進以減小對地層擾動為目標，控制管片上浮、防范泥餅滋生，具體從施工參數、同步注漿及沖刷系統使用及改造3個方面解決。

1)施工參數中首先應選擇合理的支護壓力，其次轉速控制在1～1.2r/min、掘進速度不超35mm/min，要求密切關注扭矩，防止局部遭遇基巖和孤石而不能及時調整。泥水壓力設定可以取為靜水壓力+20kPa，在掘進過程中，刀盤前進、轉動等都會引起泥水倉壓力的變化，加強泥水壓力管理、減小壓力波動。盾構掘進軟土段參數如圖2所示。貫入度控制在20～35mm/r，扭矩分布在1 500～3000kN·m，依據不同地層而變化。實際掘進中也發生了個別位置遭遇基巖、孤石的情況，將貫入度調整至5mm/r以下，慢速掘進。

圖2 盾構軟土段掘進參數

2)為控制管片上浮，掘進姿態控制在-30～-40mm對上浮量進行補償，另外通過壁后注漿填充地層間隙，同步注漿漿液質量和初凝時間是管片上浮的主要因素。前116環采用石灰砂漿，注漿壓力比地層壓力高0.1～0.3MPa，填充系數1.0～1.1，注漿量分配為上部50%，中部30%，下部20%，漿液坍落度110～130mm，提高現場管控水平，嚴禁私自加水。后期使用石灰砂漿，管片仍存在較大上浮的情況，將石灰砂漿調整為水泥砂漿，減少漿液初凝時間，使漿液盡快固結管片。必要時可考慮在拖出盾尾2m左右進行二次注漿，及時穩定管片上浮。通過上述措施，管片上浮量得到控制。

3)在淤泥及粉質黏土地層，刀盤結泥餅概率大，除發揮現有沖刷系統的功能，另外安裝高壓沖洗裝置進行提升。沖刷系統部件包括密封座、驅動部件、增壓泵、水平注水鉆機等。在鉆機鉆頭上安裝有噴嘴，噴嘴的噴口與鉆桿內注水通道連通。噴嘴設計有6種不同角度，通過噴嘴角度與伸出鉆桿長度相互配合，可實現刀盤50%以上開口的有效沖刷。

高壓沖刷系統工作水壓設定在35MPa，水流量約330L/min，每個副臂沖洗時間約1h可將泄渣口清洗干凈，沖刷效果較好。目前已將刀盤沖刷系統加入施工工序，每環掘進完成后依次對刀盤1～6號副臂泄渣口進行清洗。通過對全斷面淤泥地層掘進情況看，盾構刀盤結泥餅的問題不突出，改進的沖刷系統能較好應對。

4)加強刀具動態管理?？刂频侗P轉速1.0 ～1.2r/min，確定該地層的扭矩波動范圍，一旦大幅超限可能遭遇孤石、基巖，及時降低掘進速度。密切關注滾刀旋轉裝置，如果滾刀長期不轉說明處于軟土地層，利用停機時間將1～28號滾刀更換為撕裂刀以便與地層相適應。掘進中，若中心錐內聽到破巖聲或者刀盤外側配置的撕裂刀損壞嚴重，說明該區域存在巖石，將撕裂刀更換為滾刀為宜。此外，在施工中要注意對刀具的抽檢，對磨損的刀具進行更換。

3.3 設備性能提升

1)顎式破碎機油路改造 破碎機運行中噪聲大，管路被吸癟，內部橡膠層斷裂形成裂紋最終造成爆管現象。破碎機頻繁爆管耽誤施工，分析破碎機液壓油路特點，判定是油管壓力波動較大，管路受交變載荷，引起管路材料疲勞失效。對液壓管路進行改造減少壓力波動，具體措施是：在回油管路增加單向閥及蓄能器(35L)，降低管路內壓力的脈動；將所有3.5MPa級別的油管更換為7MPa油管提高耐壓能力，降低破碎機油管的損壞率。

2)泥漿管路及閥門耐磨性提升 管路磨損是循環系統的主要問題，為減少管道的更換次數將泥漿管更換為復合泥漿管，管道內壁涂塑提升了管道的耐磨性；針對彎管處磨損快且凸面磨損量大于凹面磨損量，采用補焊的方法進行強化；管路球閥由鑄鐵球閥改為整體式金屬耐磨球閥。此外，通過超聲波測厚儀對關鍵部位壁厚進行測厚檢查并及時補焊加強。

3)增設切刀保護塊 對刀盤主梁位置76把普通切刀背后增設保護塊，采用25mm高的保護塊(20mm Q345鋼板+5mm耐磨層)，新增保護塊形狀與既有保護座形狀相同，增加保護塊后，其高度與切刀高度相同。

4 結語

本文以蘇埃通道泥水盾構在海域復雜地層應用為背景，主要針對盾構適應性設計和部分盾構區間現場應用問題的應對措施開展研究，得出如下結論及建議。

1)結合地質詳勘 借鑒類似工程施工經驗在盾構適應性設計上提升很有必要。通過刀盤形式、刀具配置、耐磨防護、沖刷系統等優化可將部分問題消除或一定程度抑制。此外，對一些設備(碎石機、吊機等)要重視甚至備份設計，減少其故障對盾構施工的影響。

2)對于基巖、孤石地層施工，條件允許情況下要進行爆破、密鉆孔等預處理，預處理過程巖石達到期望破碎程度有利于提高盾構掘進效率。在直接掘進基巖、孤石地層要慢速掘進，密切注意盾構參數，軟土刀具遭遇孤石容易受損。

3)在軟土地層掘進速度不宜過快，通過注漿來控制管片上浮，借助沖刷系統防范泥餅滋生，利用刀具互換性及時將滾刀更換為軟土刀具，通過上述措施管片上浮得到有效控制，刀盤結泥餅現象不突出，盾構獲得較高的掘進效率。

本文僅從盾構裝備應用角度提出若干適應性設計、施工針對性措施，在陸域基巖、孤石地層預處理情況下刀具仍然頻繁損壞，掘進效率不高，有待進一步研究軟土刀具與孤石作用載荷、破壞過程、有效防護措施；此外借助掘進參數變化的基巖、孤石地層判別算法研究也是值得探索的領域。