海底隧道極軟極硬復合地層超大直徑盾構掘進方法研究
——以汕頭海灣隧道工程為例

王國安， 王超峰， 陳 橋， 張文新

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

盾構在軟硬不均地層掘進時，存在刀具磨損嚴重需頻繁換刀、掘進參數變化頻繁、掘進姿態難以控制等難題，尤其是水下隧道遇到基巖凸起地層時，采用盾構法施工技術難度大、風險高[1]。在對基巖凸起地層的處理研究方面，文獻[2]和文獻[3]結合臺山核電站取水隧洞總結了水下隧道盾構法施工中遇到特殊地層(基巖凸起地層、孤石地層、卵礫石地層)時的處理方法，認為可采用水下爆破法和沖擊鉆沖孔2種方法處理基巖凸起和孤石。文獻[4]分析了深孔爆破預破碎方案對盾構施工帶來的次生危害，認為以盾構裝備技術發展實現軟硬不均地層中順利掘進而不再進行預處理，符合技術發展規律與社會環境要求。

國內關于盾構通過軟硬不均地層方面的研究多集中在地鐵盾構，工程技術人員總結了地鐵小直徑盾構在軟硬不均地層施工中的難題及解決措施[5-10]。在水下超大直徑泥水盾構通過軟硬不均地層方面，文獻[11]主要結合南京緯三路過江通道工程，研究超大直徑泥水盾構在淺覆土、軟硬不均地層等復雜地質條件下的施工技術，在軟硬不均地層盾構掘進模擬的基礎上綜合分析過江通道的地表沉降、襯砌管片變形與支護結構受力情況。文獻[12]對馬騮洲交通隧道工程軟硬不均基巖段的工程處理措施進行總結，認為對于水下隧道基巖凸起地層，采用水下爆破和地層加固等預處理方式可行，有利于超大直徑泥水盾構如期完工。

盡管國內研究人員圍繞盾構在軟硬不均地層施工的難題做了大量研究，但是仍然存在以下問題： 1)國內關于軟硬不均地層盾構施工的研究多側重于地鐵盾構隧道施工經驗的總結，水下隧道超大直徑(開挖直徑達到15 m級)盾構直接掘進通過極軟極硬地層的案例較少。2)在軟硬不均地層的處理方式上，較為成熟的是對基巖凸起段進行爆破和加固處理，然后盾構再掘進通過。而目前利用盾構裝備技術的進步，不對基巖凸起地層進行預處理，采用盾構直接掘進通過的方法在國內尚未實踐。本文結合汕頭海灣隧道超大直徑泥水盾構，針對極軟極硬復合地層，從掘進工法選擇、掘進參數控制和刀具管理等方面進行研究探索。

1 工程概況

1.1 工程地質和水文地質

汕頭海灣隧道工程采用2臺15 m級的超大直徑泥水盾構施工，盾構施工段穿越的地層有： 填筑土、淤泥、淤泥質土、淤泥混砂、粉質黏土、礫砂、砂質黏性土，微弱中全風化花崗巖等，工程地質縱斷面如圖1所示。3段高強度花崗巖基巖凸起地層均在海域主航道下方，累計長度為182 m。基巖凸起段地質縱斷面如圖2所示。基巖凸起段巖性以中微風化花崗巖為主，巖石質量指標RQD為55%～78%，飽和單軸抗壓強度為41.7～214.0 MPa，抗拉強度為2.02～9.35 MPa，侵入隧道最高達8.4 m。基巖凸起段上部為極軟的淤泥地層，標準貫入度錘擊數N為1～2擊，地基承載力為50～60 kPa，地層上下軟硬差異十分大，為典型的兩極(極軟極硬)復合地層。

圖1 工程地質縱斷面圖(單位： m)

1.2 盾構針對性設計

汕頭海灣隧道東、西線均采用15 m級超大直徑氣墊式泥水平衡盾構。刀盤為6主梁+6輔梁形式的常壓刀盤，如圖3所示。刀盤開口率為27%～28%，配置有可常壓更換滾刀78把(東線75把)、可常壓更換切刀48把、普通切刀154把，具備刀盤面板耐磨、刀具旋轉監測、刀具溫度監測、主軸承收縮擺動等功能，可應對多種復雜地質和環境風險。

為滿足破巖需要，破巖刀具配置全盤高強滾刀，刀刃厚22 mm，刀圈硬度按照55～58 HRC從內到外梯度分布，啟動轉矩為28～30 N·m，按照區域劃分為中心滾刀、正滾刀、邊滾刀。其中，正滾刀刀間距按80、90、100 mm間隔設置，刀具直徑48.26 cm(19英寸)，單把滾刀最大工作荷載可達315 kN，加強了刀具破巖能力。滾刀刀刃軌跡如圖4所示。

圖2 基巖凸起段地質縱斷面圖(單位： m)

(a) 東線盾構刀盤

(b) 西線盾構刀盤

2 盾構掘進施工方案對比分析

汕頭海灣隧道基巖凸起段與主航道位置關系如圖5所示。針對施工難題，選取了2種掘進方案進行對比分析。

2.1 水下爆破+地層加固

采用常規的水下爆破+地層加固方案，其優勢在于: 1)可避免泥水盾構直接通過高強度基巖凸起段時可能引起的設備損壞風險； 2)有類似工程如珠海馬騮洲水下隧道、臺山核電水下引水隧洞等實施過水下爆破，工程經驗可供借鑒。但也存在如下劣勢： 1)爆破、注漿加固均需要間歇性封航，影響航道正常使用。航道周邊軍用、民用設施眾多，涉及面廣，組織協調難度極大。2)預處理作業易受天氣影響，施工進度難以保證。3)由于地質勘察難以準確描述基巖實際分布形態，基巖爆破后巖渣的粒徑大小、分布方式無法準確控制，將給后續盾構掘進留下隱患。4)雖然可以對爆破后的破碎巖體和軟土地層進行加固，但無法改變基巖凸起段上軟下硬的地層特性，巖體完整性遭到破壞，形成基巖破碎體，存在較大粒徑巖塊卡在刀盤開口處或刮刀損壞的風險。若較大粒徑巖塊卡在刀盤開口處或刮刀損壞，則需帶壓進艙作業，將增加施工風險、成本，降低施工進度。

2.2 直接掘進

采用直接掘進的方式，其主要優勢在于可規避常規水下爆破+地層加固方案的缺點。但也存在如下技術難題需要解決： 1)刀間距100 mm條件下，相鄰滾刀如何能夠順利破碎高強度花崗巖而不在掌子面上留下巖脊； 2)如何選用合適的貫入度，避免滾刀過載，減少滾刀損壞量，降低換刀頻率。

3 軟硬不均地層滾刀破巖試驗

3.1 不同刀間距下滾刀破巖效果

將在蘇埃通道現場采集的花崗巖與水泥砂漿按照1∶1比例制作成φ1 000 mm的巖樣，以模擬現場基巖凸起地層。試驗巖樣及上軟下硬地層模擬實物如圖6所示。

圖4 滾刀刀刃軌跡圖(單位： mm)

滾刀間距分別為90、100、120 mm時滾刀破巖效果如圖7所示。觀察試驗前后巖樣破碎區表面可以發現： 1)在刀間距為90、100、120 mm時，滾刀均能有效破巖，巖樣表面無巖脊； 2)不同刀間距下，盡管掘進參數有所不同，但是滾刀軌跡之間的巖石均能被破碎且破碎區貫通。

圖5 汕頭海灣隧道基巖凸起段與主航道位置關系圖

(a) 現場花崗巖

(b) 制作的軟硬不均地層

3.2 不同類型滾刀破巖效果

采用平刃和鑲齒2種類型的48.26 cm(19英寸)雙軸雙刃盤形滾刀(見圖8)開展試驗，對比分析2種類型滾刀的破巖效果。每次試驗時安裝2把同類型的滾刀。

采用力控制方式，將載荷目標值設置為600 kN(單把刀約300 kN)，巖箱轉速為1 r/min，刀間距為100 mm，獲得2種類型盤形滾刀破巖時掘進距離隨時間的變化情況，結果如圖9所示。平刃盤形滾刀掘進速度約為3.99 mm/min，鑲齒盤形滾刀掘進速度約為2.34 mm/min。由此得出： 在相同載荷作用下，鑲齒盤形滾刀的掘進速度逐漸小于平刃盤形滾刀。

(a) 刀間距為90 mm

(b) 刀間距為100 mm

(c) 刀間距為120 mm

2種類型盤形滾刀破碎的巖渣粒徑分布如圖10所示。由圖可得，相同條件下2種類型盤形滾刀破碎的巖渣中，平刃盤形滾刀破碎的大塊巖渣(粒徑在40～80 mm)比例高于鑲齒盤形滾刀，而小顆粒及粉末狀巖渣(粒徑小于10 mm)所占比例低于鑲齒盤形滾刀。從高效破巖的角度來看，平刃盤形滾刀破巖效率高于鑲齒盤形滾刀。

(a) 48.26 cm(19英寸)平刃盤形滾刀

(b) 48.26 cm(19英寸)鑲齒盤形滾刀

圖9 2種類型盤形滾刀破巖時掘進距離隨時間的變化情況

圖10 2種類型盤形滾刀破碎的巖渣粒徑分布

3.3 不同荷載下滾刀破巖效果

平刃盤形滾刀破巖效果好于鑲齒盤形滾刀，故在開展不同荷載下的破巖試驗時采用平刃盤形滾刀。將刀間距分別設置為100 mm和110 mm，每種刀間距下分別設置總推力為300 kN(單刀約150 kN)、400 kN、500 kN和600 kN，獲得的掘進速度隨總推力的變化曲線如圖11所示。

圖11 掘進速度隨總推力的變化曲線

由圖11可知，2種刀間距條件下總推力與掘進速度關系曲線變化趨勢基本一致。當總推力為300 kN時，掘進速度約為1.0 mm/min； 當總推力為600 kN時，掘進速度為3.5～4.0 mm/min。隨著總推力增加掘進速度逐漸增加，但是這種變化趨勢是非線性的，總推力從300 kN增加到400 kN以及從400 kN增加到500 kN時，掘進速度增幅均大于總推力從500 kN增加到600 kN時的掘進速度增幅。

通過上述模擬試驗，可得到如下結論： 1)48.26 cm(19英寸)盤形滾刀在刀間距100 mm時可順利破巖，相鄰刀間距之間不會形成巖脊； 2)以不超過48.26 cm(19英寸)盤形滾刀最大工作載荷的80%作為滾刀載荷的上限，即315 kN×80%=252 kN，則貫入度不宜超過3.7 mm/r。

4 施工現場基巖凸起段掘進參數選取及應用

4.1 掘進參數選取

為進一步明確泥水盾構直接掘進通過基巖凸起段的刀盤轉速，結合模擬試驗結果，開展現場試驗。為避免刀具過載，將刀具貫入度目標值設為3 mm/r，以刀盤轉速分別為0.6、0.8、1.0 r/min進行基巖掘進試驗。基巖段掘進參數確定流程如圖12所示。

提取現場盾構掘進通過基巖凸起段不同轉速下刀盤擠壓力、貫入度、刀盤轉矩3類數據，每種轉速下采集10 000個數據樣本，計算該3類數據的最大值、平均值和標準差，結果如表1所示。

標準差可以衡量數據集的離散程度，標準差越小，說明數據集離散性(波動范圍)越小，反之則越大。由表1可知，基巖凸起地層下，刀盤轉速為1.0 r/min時，3類數據的波動范圍較轉速為0.6 r/min和0.8 r/min時小，對減少泥水盾構掘進時對地層的擾動和盾構裝備關鍵部件的損壞是有利的。此外，根據“掘進速度=貫入度×刀盤轉速”可知，在確保滾刀破巖不過載(貫入度不變)的前提下，適當提高刀盤轉速有利于提高掘進速度。故而確定超大直徑泥水盾構直接通過高強度基巖凸起地層時刀盤轉速為1.0 r/min，貫入度目標值為3 mm/r。

圖12 基巖段掘進參數確定流程

表1 基巖凸起段現場掘進參數試驗結果

4.2 現場實際應用

試驗巖渣與現場實際掘進巖渣對比如圖13所示。

1)現場實際掘進巖渣中，對于完整性較好的巖體，巖塊粒徑一般在10 cm以內。其中，粒徑5 cm以下的巖塊占比60%，粒徑5～10 cm的巖塊占比35%，粒徑10～15 cm的巖塊占比5%。巖塊形狀主要有塊狀及片狀2種，塊狀占比為65%，片狀占比為35%。巖渣破裂面為新鮮巖面，中間厚、周邊薄，破裂面角度基本與試驗結果相符，刀具可正常破巖。

2)現場實際掘進巖渣中，對于節理裂隙較多的巖體，巖塊粒徑一般在15 cm以內。其中，粒徑5 cm以下的巖塊占比30%，粒徑5～10 cm的巖塊占比50%， 粒徑10～15 cm的巖塊占比20%，有少量巖塊粒徑超出15 cm。巖塊形狀主要有塊狀及片狀2種，塊狀占比為75%左右，片狀占比為25%左右。巖塊多數破裂面為巖體原節理裂隙面，破裂面可見節理裂隙特征，如圖14所示。

5 常壓刀具管理技術

超大直徑泥水盾構在海域極軟極硬復合地層中掘進時，常壓刀具會受到高頻交變的荷載作用，刀筒內各部位連接螺栓易出現松動、疲勞斷裂的情況，甚至會有刀筒后退的風險。盾構掘進中對刀具和不同直徑、不同強度等級螺栓的完好情況進行了實時監測。常壓刀筒結構示意如圖15所示。刀筒后退報警裝置示意如圖16所示。在海域3段基巖凸起段掘進施工過程中，遵循“有疑必檢、有損必換”的原則，充分利用盾構TBM大數據平臺的統計分析和常壓刀具檢測裝置，密切關注刀具的旋轉、溫度狀態，在中心艙主動檢查刀筒和密封座螺栓的松動及后退情況，綜合判斷刀具狀況，并適時抽檢刀具。采取的主要措施為： 1)采用先對角預緊再進行復緊的方式，并復測螺栓緊固扭力，確保螺栓均勻受力； 2)采取螺栓強制防松措施，并增加刀筒后退報警裝置； 3)優化滾刀刀筒裝配裝置，增加螺栓數量，并提高螺栓等級。

(a) 試驗巖渣

(b) 現場實際掘進巖渣

圖15 常壓刀筒結構示意圖

圖16 刀筒后退報警裝置示意圖

6 結論與討論

1)汕頭海灣隧道工程采用具備常壓換刀功能的超大直徑泥水盾構在水下直接掘進通過高強度花崗巖基巖凸起地層的方法是可行的，規避了常規水下爆破+地層加固方案的缺陷，確保了隧道順利貫通。

2)結合常壓換刀裝置選擇48.26 cm(19英寸)滾刀是合理的，既能保證滾刀檢查更換過程安全、高效、可控，又能提高滾刀的破巖能力。

3)超大直徑泥水盾構直接掘進通過基巖凸起地層過程中，以“控制貫入度為主、轉速為輔，嚴控刀盤轉矩波動”為原則，平衡貫入度、刀具沖擊荷載、刀盤轉速、掘進效率之間的關系，在滿足掘進效率的同時，避免盤形滾刀過載而造成刀圈、刀具連接螺栓損壞。

4)在極軟極硬地層掘進工況下，刀具承受的荷載持續變化，刀具受力情況復雜多變，監測每把滾刀破巖時的受力狀態對于刀具管理、盾構掘進參數調整具有重要意義。