大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点思考与讨论

大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点思考与讨论

岳正中

中铁七局集团第三工程有限公司， 陕西 西安 710000

摘要：目前，我国已经成为盾构里程最多的国家。但是我国地域辽阔，水系丰富，地质复杂多变，所以各个地区泥水盾构在不同地层和跨江跨海的施工环境也不尽相同，面临的施工难题也是各式各样。尤其是近年各种超大断面盾构隧道的需求、特殊复杂地层和极端环境建造、城市环境保护要求等，给泥水盾构的施工带来了一系列新的挑战。比如，在部分富水软土地层中，泥水盾构面临着的流砂和管涌问题；在复合地层中由于地层中岩石和软土的共同存在，上软下硬导致泥水盾构的掘进问题；当地层中存在孤石和硬岩，盾构刀盘的磨损造成严重危害；掘进土层中遇到沼气等有害气体，沼气从盾尾涌入盾构，对盾构的正常施工产生不利影响，同时引起盾构偏移；当盾构穿越断裂带或地层存在较大差异，会给开挖掌子面稳定性带来困难；穿越管线和密集建构筑物引发的变形控制问题以及小曲率半径掘进的施工技术问题等，这些都是现今泥水盾构施工过程中遇到的一系列技术难点。所以将我国泥水盾构施工中面临的挑战和应对措施以及施工技术重难点进行总结分析，形成系统全面的技术参考具有重要意义。

关键词：大直径；泥水盾构隧道施工；现状；重难点

引言

盾构掘进机是专用于隧道施工的特殊机械，集光、机、电、液、传感、信息等技术于一体，具有开挖切削土体、输送碴土、管片拼装、测量导向纠偏等功能。近年来，盾构法因具有快速、优质、安全、高效、环保、环境影响小、自动化及信息化程度高等优势而得到广泛的应用。由中铁七局承建的杭州天目山路提升改造工程投入2台直径13.46m的泥水平衡盾构机，也是我单位首次进入大盾构施工领域。经历了场地小、组装困难，地下管线复杂，浅覆土始发，刀盘结泥饼，长距离穿越上软下硬复杂地层，全断面岩层推进等重重困难。

1盾构机组装技术难点

目前，城市轨道交通建设常采用单洞单线或单洞双线，盾构开挖直径一般小于12m，现场组装具有分块数量少、模块化安装便捷、作业周期短等特点，通常可成环整体下井安装调试。而穿江越海超大隧道工程通常采用开挖直径12m以上的盾构机，且以土压平衡盾构机应用为主，盾构组装具有分块数量较多、组装工艺成熟、吊装机具齐全等特点。当采用地质适应性好、环境影响小、控制精度高的超大直径泥水盾构机时，由于出厂分块数量众多、系统功能复杂、装配精度要求严格，现场组装应符合制造质量标准。其现场作业量大、组织分工严格、施工技术难度大、吊装安全风险高，因此，针对超大直径泥水平衡盾构机现场组装技术重难点，制定切实可行的技术方案并指导现场施工，对整个隧道工程建设至关重要。工程盾构机进行现场吊装组焊时，技术要求高，施工难度大。以杭州天目山泥水盾构施工为例，主要体现在以下几个方面：（1）超大直径泥水平衡盾构机分块零部件数量众多，仅盾体超重组件分块数量便达33件，单次起吊重量重，且组件尺寸较大。现场分多个吊装口平行作业，工序交叉复杂。（2）施工组织要求高，现场组装难度大。工艺流程及技术要求严格，部件装配精度、焊接质量控制严格，须再现制造厂制造精度标准。（3）驱动部整体重量重（约500t），吊装零部件多，安装工艺复杂，机械配合精度高，滑动密封及现场作业环境要求苛刻。盾构机首次采用刀盘驱动部整体滑动功能，为保证滑动密封最大耐压值的设计要求，采用驱动翻身转换架辅助机具，确保井下翻身一次成功。（4）工程采用17组可折叠船底板型式台车轨道，安装定位及精度检测要求高。作为盾构机现场组装的首要工序，其安装质量直接影响后续台车组装稳定性、可靠性。现场施工需多人多机协调配合，垂直起吊、水平运输，沿开挖方向依次铺设，船底板铺设精度调整与检测必须符合组装技术要求。

2大直径泥水盾构隧道施工讨论

2.1穿越沼气层

在淤泥质粉质粘土、粉质粘土等地层中易形成产气层，形成气囊。当气囊超过一定量或压力超过0.05MPa时，若不预先处理，会对盾构掘进施工带来巨大风险。⑴在地下隧道盾构掘进过程中，气体由于外因作用而突发性释放，含气层的压力急剧下降，导致气-水界面向喷气口移动，快速的气流对土层产生强烈的冲刷作用，大范围挠动含气土层，同时严重扰动上覆或下卧地层。随着强烈喷气的结束，土层必然产生急剧沉降，随后土体重新固结下沉。由于地下气体的分布不均匀，气压大小不等，地层承载力大小差异较大，故在气体释放过程中往往引起不均匀沉降，进而诱发隧道结构的严重变形，甚至管片断裂损坏。⑵沼气对施工人员造成危害。由于浅层沼气主要成分为甲烷和氮气，因此，气体浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷含量达25%~30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离，可能窒息死亡。当浓度在5％~15％的爆炸极限范围内时，如遇到明火，将发生剧烈爆炸，危害人身安全。

2.2衬砌外防水

（1）同步注浆防水。盾构施工中，考虑到土体性质、标高、地下水位、隧道横断面以及施工技术的等多方面因素，在盾构隧道内将具有早期强度的材料，按照一定的注浆压力和注浆量注入盾尾间隙中，以达到防水及控制地层沉降的效果。对于较坚硬、有其一定的自稳能力的岩层，要均匀填充地层，就一定要增加浆液的流动性，因此浆液配比要在保证砂浆稠度、倾析率、固结率、强度等指标的基础上延长其凝结时间，以获得更为均匀的填充效果；对于软弱、其自稳能力较差的岩层，注浆后希望尽快获得固结体强度，因此浆液配比要保证砂浆的固结率和强度，需要在较短时间内加固地层。注浆凝胶时间宜为3～10h，固结体1d强度应不小于0.2MPa，28d强度不小于2.5MPa。浆液结石率应大于95%，即固结收缩率小于5%，浆液稠度宜为8～12cm，浆液倾析率应小于5%。掘进过程中，建议注浆量为计算体积的2.0倍，注浆压力一般控制在P=P切+（0.6～1.0）bar，现场可根据注浆效果调整注浆量和注浆压力。（2）根据管片裂缝、接缝渗漏水情况，利用注浆孔进行二次注浆。二次注浆的浆液要求结石率高、稳定性好、抗压强度高，因此采用水泥–水玻璃双液浆及超细水泥浆进行二次注浆，浆液中添加补偿收缩的膨胀剂，补偿地层损失，掺加量为水泥掺量的10%。注浆压力应根据实际的地质条件来决定，一般情况下可选择0.2～1.5MPa。注浆时机应在管片拖出盾尾后4～10环进行，结合盾构掘进的参数、周边地质环境、施工监测等确定，可根据现场具体情况进行选择。

2.3既有管线及建构筑物

因工程地质条件的多样性、复杂性以及施工中的各种不确定因素，盾构施工引起的地层损失是不可避免的，可能会造成地表沉降过大。泥水盾构利用泥浆渗透形成不透水的泥膜作为支护材料，维持开挖面的稳定，通过泥水压力来平衡作用于掌子面的土、水压力，压力波动敏感度高，控制精度高，对开挖面周边土体的干扰减少，因此地面沉降量的控制精度得以提高，对沿线既有构筑物影响较小。

结语

⑴泥水盾构隧道经常处于江河等水底下进行作业，现存在部分方面的监测无法像土压平衡盾构一样进行直接监测，但是其隧道的实时监测数据对于施工有着巨大指导意义。做到岩层-机器相互作用智能感知是今后水下隧道需要突破的方向；⑵泥水盾构的施工环境存在大量的特殊复杂地层，掘进后的复杂地层渣土如何进行利用，给现在提倡的绿色施工和渣土再利用带来一定的困难。如何快速高效地处理好泥水盾构的渣土是亟需解决的问题，也是支撑城市绿色、低碳发展的重要路径。

参考文献

［1］陈湘生，李克，包小华，等.城市盾构隧道数字化智能建造发展概述［J］.应用基础与工程科学学报，2021，29（5）：1057-1074.

［2］沈俊，晏莉，傅金阳，等.叠线盾构隧道并行下穿燃气管线影响分析［J］.地下空间与工程学报，2021，17（S1）：449-456.