大直徑盾構掘進風險分析及對特大直徑盾構挑戰的思考

錢七虎，陳 健

(1. 陸軍工程大學, 江蘇 南京 210007； 2. 中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東 青島 266100; 3. 中鐵十四局集團有限公司, 山東 濟南 250014)

0 引言

隨著隧道施工裝備的不斷革新，以及新工藝、新技術的不斷推廣和應用，盾構法作為隧道工程技術的首選引領著隧道工程向大埋深、大斷面、長距離的方向發展[1-3]。

近年來，盡管應用盾構法已成功建成或在建諸如美國西雅圖SR99隧道、香港屯門隧道、深圳春風路隧道(在建)、武漢三陽路隧道、濟南黃河隧道(在建)等一批特大直徑的海底隧道[4-5]和城市道路隧道工程，但由于項目多處于環境敏感區域，地質條件復雜、不確定因素多，施工難度大，建設過程中存在隱患和發生事故的可能性較大[6-7]。因此，結合工程實踐中大直徑盾構掘進出現的常見問題，研判分析工程建設風險，并提出有效的解決措施和建議，具有十分重要的現實意義。

1 國內外15.5 m以上特大直徑盾構隧道工程初步統計

近年來，國內外15.5 m以上特大直徑盾構隧道工程見表1。

表1 國內外15.5 m以上特大直徑盾構隧道典型工程實例

2 大直徑盾構掘進主要風險及常見問題分析

2.1 主軸承損壞失效

2.1.1 主軸承直接損壞

③［以色列］尤瓦爾·赫拉利:《未來簡史——從智人到神人》，林俊宏譯，中信出版社2017年版，第340～344頁。

主軸承直接損壞的形式有以下4種：

1)潤滑失效造成的軸承疲勞。據調查統計，潤滑失效約占軸承損壞成因的50%，潤滑不良是造成軸承過早損壞的最主要原因。

2)選型不當或荷載過大造成的軸承失效。盾構主軸承的不恰當選型、軸承短期嚴重偏離正常工況工作或長期超負荷運行，都會直接造成軸承失效。

3)微動磨損造成的軸承套圈破壞。即由于軸承滾道面和滾動體接觸面間相對微小滑動而產生的磨損，長期反復小振幅的搖擺運動和過盈量不足形成變色磨痕，軸承套圈破壞最終直接導致主軸承的損壞。

4)接觸疲勞造成的軸承主要部件失效。軸承表面的摩擦損失幾乎都變為熱量，主要受力件溫度上升會造成運轉時的沖擊荷載、振動和噪聲的加劇，疊加積累的接觸疲勞大小決定了主軸承的使用壽命。

當土壓盾構地層穩定性較好、透水性不強、水土壓力較小時多選用常規刀盤。常規刀盤開口率設計、耐磨設計和刀盤刀具配置應結合工程實際綜合考慮。常規刀盤見圖8。

盾構選型時應從有效降低應力水平入手，主軸承直徑不能太小，直徑驗算設計應綜合考慮負荷承載量；盾構掘進中應控制循環作業時間，盾構推進距離不宜太長，避免或減緩主軸承接觸疲勞造成的盾構損壞。前者涉及主軸承直徑，后者涉及盾構推進距離(時間)。

2.1.2 密封失效引起的軸承損壞

主驅動密封系統是主軸承的關鍵部件，特別是位于主軸承前端的主驅動軸承密封，其主要作用是阻止盾構主驅動刀盤內的渣土進入主軸承齒輪箱內部和對主驅動軸承回轉滑動機構、密封部位以及與泥砂接觸的機構進行沖洗和潤滑，密封一旦失效，泥砂進入軸承會造成主軸承損毀并直接導致盾構無法掘進。

2.1.2.1 密封機制

不同形式的主驅動密封系統雖有不同特點，但基本都由多道單唇密封、1道或多道雙唇密封和迷宮密封組成，并在唇形密封間設置腔室且充滿彈性材料。

2.1.2.2 密封失效案例

典型事例為武漢三陽路長江隧道。越江區間采用直徑為15.76 m泥水盾構施工，配有全斷面常壓可伸縮刀盤，開口率為29%，安裝了全斷面可更換滾刀，中心區域直徑5 m內無開口，在施工過程中刀盤前泥餅粘結嚴重。三陽路長江隧道盾構見圖1，盾構結泥餅見圖2[10]。

中性蛋白酶活力的測定：參照國標SB/T 10317-1999《蛋白酶活力測定》，采用福林法測定中性條件下pH 7.2的蛋白酶活力。

2)盾構掘進。要關注刀盤溫度變化預警，加強、加大泥漿循環，保持拼裝管片期間的泥渣循環。

2)水土壓力過大，超過油脂阻力。在美國西雅圖直徑17.45 m土壓盾構施工中，出現了結泥餅、壓力不均、局部土壓力增大、刀盤處高溫、油脂阻力減小等現象，土艙渣土顆粒進入軸承內部，直接導致主軸承密封失效，較短時間內主軸承發生嚴重損壞。

2.2 盾構管片拼裝脫出盾尾后上浮

盾構管片拼裝脫出盾尾后上浮的原因分析[8]如下：

1)盾構隧道直徑越大，成型的管片環直徑也越大，管片脫出盾尾后，在不能及時填充或漿液凝結速度較慢時，成型密封的管片環在高密度的液態砂漿中受到浮力要更大。

2)盾構直徑增大，盾構殼體厚度加大(盾構結構剛度要求)，盾尾間隙也適當加大，致使管片外圈與開挖土體間的空隙加大，砂漿填充空間及填充量也在增大，導致管片上浮空間和上浮量也隨之增大。

3)隧道直徑越大，徑向高度越大。由于盾構主機長度基本沒有變化，致使盾構主機的高長比加大，更易造成盾構“栽頭”，使盾尾后方同步注漿漿液流入前艙，脫出盾尾管片上部外圈砂漿填充不密實，加大了成型隧道上浮的趨勢。

2.3 刀具磨損隨盾構直徑增大而加劇

大直徑盾構在砂卵礫石地層中推進時，刀具磨損問題格外突出，主要體現在：

1)盾構刀具在同樣進尺條件下，其磨損長度與刀具配置部位半徑成正比，隨著盾構直徑的增大，刀具軌跡長度增加，刀具磨損加劇，如南京緯七路直徑為14.93 m的大直徑盾構的刀具磨損是直徑為6.3 m盾構刀具磨損的2.5倍。

與國際先進水平相比，我國的碳會計披露理論尚處于初步發展階段，知識技術大多停留在概念外延及書面上，缺乏對實際工作的指導性和應用性。理論研究成果無法實際應用到現實案例中，也是碳會計信息披露面臨的巨大挑戰。

2)大直徑盾構掘進過程中遇復合地層的可能性更大，刀具配置適應性復雜，更易引起刀具磨損問題，在石英含量高的砂卵石地層中，大直徑盾構刀具的磨損可達軟土地層中小直徑盾構刀具磨損的10倍[1]。

2.4 刀盤前泥餅粘結、渣土滯排、刀盤升溫

經濟基礎決定上層建筑，這是內蘊于經濟體制改革同行政體制改革的耦合關系中的邏輯起點，同時也暗含了經濟體制改革的變革勢必會引起行政體制的變革。理想狀態下的經濟體制改革與行政體制改革需要保持步調一致，但囿于種種原因，二者很難協調同步，探討影響二者耦合的因素，能夠為二者的協同變革做出有益探索。

綜上，為了實現初中物理素質教學改革，教師應當注重更新物理教學思想，創新課堂教學方式。教師將多媒體合理引入初中物理課堂中，利用多媒體整合教學資源，構建課堂情境，創建虛擬實驗模型，設計微課視頻、組織翻轉課堂，構建信息化學習平臺，全面提高初中生物理學習品質。

圖1 武漢三陽路長江隧道盾構

圖2 盾構結泥餅現象

3 對特大直徑盾構挑戰的思考

3.1 特大直徑盾構帶來的事故風險

由于工程客觀需求，盾構直徑面臨越來越大的挑戰，必須重視由此帶來掘進事故風險的防范。特大直徑盾構由于盾構直徑的增大，主要可能引起的掘進事故風險如下：

1)隨著盾構刀盤直徑的增加，荷載也隨之增大，所配置的主軸承尺寸若不能完全匹配，將導致接觸疲勞引起的軸承損壞風險增大；隨著盾構直徑增大，渣土艙壓力分布不均的概率增大，若主軸承前艙局部壓力超出密封和油脂阻力，也會導致主軸承密封失效風險概率增大。

2)隨著盾構直徑的增大，管片脫出盾尾后受到的浮力比常規盾構隧道管片受到的浮力更大，控制隧道上浮的風險和難度加大。

鱟的體形呈瓢形，為深褐色或灰綠色，頭胸部有寬闊的背甲。雖然整體上看起來鱟和螃蟹有幾分神似，但它們的“近親”并非螃蟹，而是已經滅絕了的古生物三葉蟲。

3)由于盾構直徑增大后刀具運行軌跡也隨之增大，刀具磨損損壞的概率和風險大大增加。尤其是在復合地層中掘進時，刀具的磨損速度極快，刀具更換次數的增加會造成工期延長、成本增加、安全風險等系列施工問題發生的可能性增大。

4)隨著盾構直徑的增大，由于受到制造的限制及影響，刀盤中心的開口率也隨之降低，在掘進中，使盾構刀盤結泥餅的風險和概率大大增加。

常規大直徑盾構刀盤開口率分布均勻，常壓刀盤中心部位一定半徑內開口率幾乎為零。如果設置開口部位刀盤開口率的均勻度不好(或不合理)，將導致刀盤前泥餅粘結、渣土滯排、刀盤升溫等風險增大[9]。

3.2 土壓盾構與泥水盾構主軸承密封問題

盾構選型是影響隧道工程成敗的重要環節，是盾構施工的關鍵[2]，需要考慮地層條件、地下水位、隧道埋深、開挖面穩定、設計隧道的斷面、襯砌類型、工期、工程造價等。伊斯坦布爾海峽公路隧道工程盾構的正確選型和西雅圖市SR99公路隧道工程盾構的錯誤選型帶來了不同的工程效果[11]。

3.2.1 土壓盾構主軸承密封問題

土壓盾構適用于穩定性較好、透水性不強的地層以及水土壓力較小、盾構驅動功率較大、耐壓能力相對較弱的情況。土壓盾構結構見圖3。

圖3 土壓盾構結構

1)意大利Sparvo隧道： 雙洞雙向6車道，采用土壓盾構施工，盾構直徑為15.55 m，盾構驅動功率達12 000 kW，刀盤開挖力為315 000 kN，驅動轉矩為94 793 kN·m。意大利Sparvo隧道盾構見圖4。

對系統進行體溫測量對比試驗。圖7中分別采用魚躍醫用水銀溫度計、廈門安氏兄弟科技有限公司生產的醫用電子體溫計與系統測量的體溫進行對比。測量精度達到傳統手持式體溫測量精度。對比所采用的醫用電子體溫計符合《醫用電子體溫計校準規范》。人體基礎體溫生理性改變一般在24 h內波動幅度不超過1℃，以腋窩溫度為例，正常范圍為36.4～37.3℃平均為36.8℃[16]。測量結果在理論范圍內。所以實時系統對體溫的監測能夠做到實時、準確。

2)美國西雅圖SR99隧道： 采用土壓平衡盾構施工，盾構直徑為17.45 m，主軸承直徑為8.0 m，裝機功率為12 135 kW。美國西雅圖SR99隧道盾構見圖5[11]。

股骨頸骨折手術治療后,深靜脈血栓形成率比較高,是一種常見的股骨頸骨折術后并發癥。深靜脈血栓形成對股骨頸骨折手術治療效果會產生十分重要的影響,容易降低手術治療的有效性,從而降低患者的生活質量[3]。通過有效的護理管理措施,對深靜脈血栓的形成可以起到一定的預防性作用,降低其發生率[4]。

土壓盾構負荷重，驅動功率偏大，主軸承加工尺寸大，特大直徑土壓盾構主軸承密封以聚氨酯密封結構為主。其主要優缺點如下。

1)優點： 采用水冷卻降溫方式，油脂消耗量小，節約成本和降低能耗。

2)缺點： 無法建立備壓措施，耐壓能力相對偏弱；一旦密封損壞或失效，必須吊出更換修復。如美國西雅圖SR99土壓盾構密封損壞，為吊出更換修復而建設吊出井，付出了較大的代價。

圖4 意大利Sparvo隧道盾構

圖5 西雅圖SR99隧道盾構

3.2.2 泥水盾構主軸承密封問題

3.6.1 預探前方復雜地質

圖6 泥水盾構結構

香港屯門隧道： 采用泥水盾構施工，盾構直徑為17.63 m，主軸承直徑為7.6 m，裝機功率為8 600 kW。香港屯門隧道盾構見圖7。

圖7 香港屯門隧道盾構

泥水盾構負荷小，驅動功率相對較小，主軸承加工尺寸也小。特大直徑泥水盾構主軸承密封以唇形密封結構為主。其主要優缺點如下。

1)優點： 采用油脂備壓方式，運用成熟高水壓條件下的耐壓密封體系，能實現原位帶壓更換作業，且維修操作安全。如濟南黃河隧道盾構原位密封修復，已為其他項目提供了借鑒。

2)缺點： 油脂消耗量較大，會相對增大能耗和掘進成本。

3.2.3 對盾構選型的建議

同級別的特大直徑土壓盾構相對于泥水盾構，渣土艙壓力不均勻度及局部土壓力更大，軸承承受荷載更大(如美國西雅圖SR99土壓盾構)，滾動體和滾道表面接觸應力更大。因此，土壓盾構主軸承密封失效及直接損壞(接觸疲勞)概率更高，風險也就更大。在特大直徑盾構選擇方面，盡管泥水盾構比土壓盾構造價高，但土壓盾構主軸承密封失效風險大，修復造價高，因此，仍建議選擇泥水盾構。

3.3 管片盾尾脫出后上浮風險

管片盾尾脫出后上浮會造成管片裂隙、錯臺、破損、滲漏等施工病害，導致管片拼裝質量達不到規范及設計要求，給建成后的運營安全和隧道維護帶來巨大挑戰。管片上浮病害預防和處理措施應盡早實施。造成管片上浮的原因有多種。

施工中，在管片環與地層之間難以避免地存在盾尾管片拼裝空隙，通過加強管理，嚴格控制空隙量在規范允許范圍的前提下，向空隙中泵入漿液，主動控制地層沉降的同時保持管片穩定，是解決以上問題的有效措施[12]。

據統計，管片上浮量的70%發生于安裝后的48 h之內。除施工前考慮盾構掘進姿態預留、管片合理選型外，施工中應結合監控量測數據綜合分析地質情況及外部影響因素，根據施工信息動態分析研究，適時調整漿液配合比，提高管片拼裝精度等，以達到滿足規范及設計要求的管片上浮控制效果。

從注漿凝固速度進行對策分析： 由于盾構快速推進，必須保證注漿凝固時間小于盾構推進時間，可以通過預先試驗來達到并檢驗。

3.4 常規刀盤與常壓刀盤的選擇

3.4.1 常規刀盤

通過正確的組合安裝和維護保養，軸承的前3種失效形式是可以部分或全部避免的。軸承在運轉過程中，滾動件與滾道接觸面的接觸應力作用始終存在，滾動接觸疲勞造成的損壞貫穿軸承的整個使用壽命周期，接觸疲勞帶來的損壞也就成為軸承使用過程中唯一不可避免的失效形式。

圖8 常規刀盤

3.4.2 常壓刀盤

當泥水盾構地層穩定性較差、透水性較強、水土壓力較高以及穿越地層為土巖復合地層時，多選用常壓刀盤[13-14]。常壓刀盤見圖9。

合同終止有可能是由違約導致，也有可能是因為特定終止事項出現所致。合同終止不一定是因為違約，違約也不一定導致合同終止。碳交易相對于其他國際交易行為有太多特殊性，因此不能簡單地用現有的法律框架和國際慣例直接適用于碳交易，于是交易雙方通常以詳盡的合同條款來彌補，規定了非常復雜的合同終止事項。雖然規定得詳盡可以避免不確定事項，但也給國外買家動輒終止合同提供借口。

圖9 常壓刀盤

在特大盾構工程實踐中，為應對高水壓、土巖復合地層、減少帶壓換刀風險，宜配置常壓刀盤。常壓換刀不需要帶壓進艙，換刀風險大大降低，但常壓刀盤中心開口率小，甚至沒有開口，從而增大了結泥餅的風險。

3.5 泥餅粘結、渣土滯排難題

解決泥餅粘結、渣土滯排等難題，多從如下方面入手：

1)盾構配置。針對軟塑—硬塑易結泥餅地層，可加大刀盤開口率(縮小中心封閉區域范圍)，刀具多層次布置，強化切削功能，降低碾磨，盡可能使渣土成塊排出；增加、增強刀盤中間結泥餅沖刷系統，創新內循環沖刷；配置刀盤溫度自動監測系統和刀盤伸縮功能。

1)油脂量不足，油脂溢出壓力不足。廣深港直徑為11.182 m的泥水盾構由于油脂注入不到位，在0.7 MPa水壓下，泥漿通過迷宮密封進入軸承密封，軸承滾子及滾道表面在夾雜硬質小顆粒后出現壓痕，焊接刀盤時搭鐵線未嚴格按標準放置，致使主軸承滾子和滾道面接觸處有大電流通過產生電熔蝕坑，兩者在重載作用下造成了主軸承的逐步損壞(軸承直徑為4 800 mm)。

3)輔助措施。創新破除泥餅技術，如水刀切割、分散劑(雙氧水)化學剝離方法等；在氣密性好的圍巖下輔助氣壓作業。

刀盤結餅見圖10。高壓水刀現場噴射試驗見圖11。刀盤沖刷系統改造見圖12。

圖10 刀盤結餅

圖11 高壓水刀現場噴射試驗

在選擇沖刷方式時，采取分時集中沖刷和艙底順流沖刷理念，能較好地解決高黏性地層刀盤粘結的施工難題。

另據介紹，2017年初，原農業部印發《關于進一步加強農業新聞輿論工作的意見》。《意見》對做好新聞發布、政策解讀、涉農突發事件輿論引導等工作做出了明確規定；加強政策解讀，建立工作機制，主動開展政策解讀工作；做好涉農突發事件的輿論引導工作。

3.6 其他思考

泥水盾構適用于穩定性較差、透水性較強的地層以及水土壓力較高、盾構驅動功率較小、耐壓能力相對較強的情況。泥水盾構結構見圖6。

1)利用泥水盾構SSP(seismic scatter profile)超前探測系統加強預探前方地質分布情況。泥水盾構SSP超前探測系統見圖13。

2)利用超前鉆機系統超前鉆探兼顧預處理措施。超前鉆機系統見圖14。

3)結合綜合掘進參數超前預判前方地質變化。結合預探地質信息，可準確預測孤石基巖、斷裂構造和軟弱破碎圍巖的位置，為后續爆破孤石或注漿固結圍巖提供可靠的第一手資料。

要真正發揮學生和學生組織在學校辦學中的作用，讓學生參與學校的事務管理，需要進一步完善體制機制，要變直接管理為主到宏觀和導向管理為主，變教師管理為主到以學生自主管理為主，提升學生自主管理能力和水平。在涉及學生切身利益的事務中要吸納學生代表和學生組織參加[9]，傾聽學生意見建議，突出學生的主體地位，切實提高學生參與學校管理的積極性，為學生參與學生事務管理乃至大學治理創造良好的環境和條件。

(a) 刀盤中心沖刷系統

(b) 艙底沖刷系統

圖13 泥水盾構SSP超前探測系統

圖14 超前鉆機系統

3.6.2 高水壓復雜地質特大直徑盾構施工輔助處理技術

3.6.2.1 海中基巖爆破輔助處理技術

對施工中遇到的超強基巖、孤石等，采用預裂、微裂或提前爆破技術，實現盾構順利推進[15]。

珠海橫琴三通道馬騮洲交通隧道工程，隧道全長2 834.6 m，采用直徑為14.93 m泥水氣壓平衡盾構掘進施工，是我國首條海域超大直徑復合地層盾構隧道。馬騮洲海域巖面變化劇烈，拋石最大直徑為2.2 m，花崗巖層高為6 m，強度高達120 MPa。為確保盾構的順利掘進，采取“物探+爆破”組合的方法進行預處理，對侵入隧道斷面內的基巖采用水下爆破，爆破后爆破孔的封堵選用高壓旋噴注漿方法并進行河床加固。該方法消除了基巖突起對盾構掘進的威脅，有效降低了盾構刀具的損壞，保證了盾構順利掘進。珠海橫琴三通道馬騮洲交通隧道斷面見圖15。水下爆破封堵見圖16。

圖15 珠海橫琴三通道馬騮洲交通隧道斷面圖

圖16 水下爆破封堵

3.6.2.2 海中注漿固結輔助處理技術

臺灣應用型本科教育對大陸獨立學院的啟示………………………………………………………………………劉堯飛（4.70）

對施工中遇到的軟弱破碎圍巖，為防止發生工作面坍塌或卡機等事故，采用地面或水域預注漿固結處理、洞內盾構超前注漿固結等輔助措施，能有效地解決盾構掘進施工難題。

4 結語

盾構法以其明顯的技術、經濟、安全、環保等優勢已成為地下工程首選的施工工法。近20年來，隨著工程規模和功能的建設需要，盾構有明顯向特大直徑發展的趨勢。

當然，這樣講不是說知識分子不該講氣節，對于那些主動攀附權貴，故意混淆視聽的知識分子，我們要進行深入的批判；但對于其他不少在氣節上有損的知識分子，我們對他們的處境應當有同情之理解，這樣方能不失公允。

然而，隧道盾構施工是個復雜的系統工程，特大直徑盾構往往因隧道掌子面圍巖軟硬分布不均勻導致施工難度更大，除要突破現有裝備水平限制和面對施工技術的挑戰外，更需要對施工掘進中常見的問題進行總結分析，及時優化方案，破解各類技術難題。

一系列工程統計數據證明： 特大直徑盾構不僅是工程建設中的難點、重點，更是業界關注的亮點，特大直徑盾構在新技術、新工藝、新材料、新設備的引進、研發和推廣應用中發揮了積極的推動作用。應用大直徑盾構先進裝備發揮其優良性能的同時，要結合工程實踐對大直徑盾構從整體選型、主軸承密封選擇、刀盤設計等方面進行進一步的研究思考，科學研判，研發更多盾構施工的輔助技術，有效化解大直徑盾構掘進可能出現的事故和風險，不斷迎接新的更大挑戰。