大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点研究

 大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点研究

邹金唐

中铁隧道股份有限公司 河南 郑州 450001

摘要：随着我国城市交通体系的发展，在水下交通隧道施工中，泥水盾构技术的应用越来越广泛，因此有必要对其进行深入地研究。本文对泥水盾构技术施工的现状和问题做了简单的介绍，并结合多年的泥水盾构隧道资料，对泥水盾构技术在施工中所面临的一系列难题进行了归纳和总结。同时，根据在施工过程中遇到的一些关键问题，提出了相应施工方案来解决，为相关单位和科研工作人员提供借鉴。

关键词：大直径；泥水盾构；隧道；施工现状；重难点

0引言：隧道交通在我国城市建设中占有举足轻重的地位。而大直径盾构技术在城市和江河地区的隧道工程中已被广泛采用。1965~2000年期间，是我国大直径盾构技术发展的一个起始阶段。打浦路隧道和延安东路隧道南北线两项工程的竣工是我国大直径盾构隧道建设的开端。2000年至2010年是我国大直径盾构隧道发展的初级阶段。在此阶段，我国盾构各个方面都还处在摸索过程中。中国大直径盾构隧道在2010~2020年进入了快速发展阶段。在这个阶段中，大直径盾构技术取得了长足的进步。

1.泥水盾构隧道概述

泥水盾构由5个系统组成，分别是：盾构掘进机系统、掘进管理系统、泥水处理系统、泥水输送系统和同步注浆系统。在盾构机施工过程中，施工人员将适当的压力泥浆灌注到盾构的封闭箱内，集中于泥水与土壤的接触面，从而在开挖面上形成泥膜与掌子面土壤之间的平衡。在平衡阶段，泥膜的生成是非常关键的，当泥膜达到平衡后，盾构刀片就会切割泥土，将土壤与泥水混在一起，形成高密度的泥浆，再由排泥泵和管线将其送入地面进行处理[1]。

2.泥水盾构施工现状分析

在国内，泥水盾构隧道施工应用广泛，泥水盾构技术快速发展，泥水盾构隧道面临直径大、距离长、水压高的难题，对邻近建筑物进行了严密的施工控制，同时，泥水盾构技术所涉及的地质条件也日趋复杂。

2.1盾构超大直径问题

与传统的约6米泥水盾构技术相比，大直径的泥水盾构技术存在着诸多不同之处。随着盾构直径的增大，刀盘掘进深度和对地层的扰动程度成倍地增加，地层的自稳定性也在逐渐降低，刀盘顶部和底部的泥浆水压差异也随之增加，与地层土壤压力的匹配度下降，从而使开挖面的有效支撑能力降低。同时，盾构的直径越大，穿越复杂地层的概率也随之增加，因此施工人员必须对盾构机进行合理的构造布局，并采用相应的施工技术。另外，超大直径盾构的进泥口与排泥口之间的距离增大，且刀盘和泥水仓结构、泥水的流动和作用机制也比较复杂，对开挖面的稳定性和排渣产生了较大的影响。同时，由于盾构隧道直径增加，衬砌结构逐渐向柔性方向发展，使得盾构技术施工效果不佳[2]。

2.2盾构开舱技术问题

在复杂的地层和长距离的施工中，由于存在着大量的障碍物和设备的严重磨损，使得盾构机不得不停止工作。但在施工过程中，必须保证开挖面的稳定，保障技术人员带压入舱的安全。比如，在2008年，广州6号线和南宁1号线发生了因为私自开舱导致重大工程事故的发生。随着盾构工程的施工环境日趋复杂，施工中设备磨损、泥饼结块、障碍物等问题越来越多，这对开舱技术的发展和创新提出了更高的要求。

2.3临近复杂工程问题

由于城市密集，地下空间发展迅速，因此盾构隧道必然要穿过邻近的建筑和其他地下建筑。盾构隧道与各种构筑物之间的交互作用机制比较复杂，受地层条件、隧道结构特征、隧道与构筑物相对空间位置、盾构机类型、掘进参数以及开挖后沉降等因素的影响。由于邻近建筑工程的频繁发生，如何合理地对相邻工程的应力变形机制进行控制是当前迫切需要解决的问题。

2.4盾构渣土处理技术问题

随着盾构施工项目的增加，工程渣土的数量也在不断增长，到了2020年，全国已建成的盾构隧道其产生的渣土总量已经超过了2.25亿m³，自“十三五”以来，我国便开始积极推动建筑废弃物的源头治理和资源化，并逐步形成了相关的产业制度和产业规范。目前，建筑废弃物已被广泛的运用于建筑基础的填筑、注浆、再利用、再循环利用等方面。但目前我国渣土就地资源化利用工作还存在着分类标准不健全、渣土利用产品特性未形成体系、不能大规模使用等问题[3]。

3泥水盾构施工重难点及控制技术

3.1软硬不均地层盾构极限施工

当前，大直径泥水盾构技术在软硬不均地层中的应用已经相当广泛，由于地质和环境等因素的限制，存在着穿越高水压富水地层、近距离穿越建筑物、穿越沼气层、超浅覆土进出洞、小曲率半径曲线掘进等复杂工况。

3.1.1盾构穿越高水压富水地层重难点和控制技术

泥水盾构技术在水底隧道中得到了广泛应用，由于水底隧道在城市中的深度较大，因此，在高水压、高含水量条件下，容易发生盾构施工问题。例如上海虹梅南路隧道，其最大埋深为52.5米，通过高承压水的〈7-2〉粉细砂地层。高水压富水地层通常有较大的深度，并具有较高的渗透能力，其施工难度主要有：⑴粉细砂在水力学和盾构施工中容易发生管涌、流砂、振动液化等问题，从而造成地基结构的降低和对地基的稳定产生影响。如果泥浆质量差、切口水压设置不合理、波动过大，极易造成开挖面不稳定，甚至出现崩塌。⑵盾构机的主传动轴承密封系统在高水压情况下容易发生故障，盾尾容易变形、漏水。

控制技术可以从以下几方面入手。在盾构配置上，应当把传动密封系统设计成压力7.5bar，符合工作条件，并设有自动润滑系统，确保密封系统的完整性；该盾构机可以配备4根盾尾刷（3根钢丝刷+1根钢板刷），可经受7.5bar的土压和水压，并配有1个充气式盾尾紧急密封设备。为了确保盾尾密封的安全，盾构施工应当定期、定量地进行。通过精确设置泥浆水压，对地面沉降进行实时调整，使泥浆水压的变化不超过0.005米Pa，确保了开挖面的稳定性。使用6点式注浆技术，注浆过程中，注浆的压注量为理论上间隙120%~130%，上、中、下三段的压注量为5:3:2，这样可以使管片和土层之间的间隙得到充分的填充，减少隧道上浮[4]。

3.1.2穿越沼气层的重难点和控制技术

在隧道盾构施工中，由于外部因素的影响，气体突然释放，储气层压力迅速降低，使气水层向喷气孔方向运动，这会导致高速气流对土层造成剧烈的冲击，使含气土层大面积变形，并对上部或下部地层造成剧烈的扰动。当强喷射停止时，土壤会发生剧烈的下陷，然后再进行固结和沉陷。由于地下气体的非均质性、不同压力、不同地层承载力的不同，导致了瓦斯释放过程中产生的不均匀沉陷，使隧道结构出现较大的变形，严重时会造成管道破裂或损坏。此外，对于施工人员来说沼气也是十分危险的气体。浅层沼气以甲烷、氮为主，在较高的浓度下，会导致氧气含量下降，造成缺氧。当沼气浓度达到25%-30%时，会导致施工人员头疼、眩晕、疲倦，注意力分散，呼吸心跳加快。施工人员再不离开，就会导致窒息。在5%~15%的爆炸极限下，如果沼气遇上明火，会引起强烈的爆炸，对人体造成伤害。

针对盾构穿越沼气层施工过程中遇到的问题，从沼气探测与释放、盾构设备配置、施工措施几个方面提出相应措施。

首先要进行沼气检测和释放。通过研究盾构隧道内沼气气体分布位置、气囊尺寸、压力等，发现压力超过0.05米Pa时，施工人员需进行沼气气体的排放。沼气排出的方法是采用钻孔与静压力相结合的方法。在钻孔之前，施工人员先进行孔位和标高的测定，然后再确定井眼的深度，通常是以静压的方法，从含气层上方5米开始，然后再进行瓦斯的释放。相关部门开始将此方法运用于江南大街的改建和提升工程中，如图1所示。

图1沼气释放现场

其次，对盾构机的结构进行优化。技术人员在盾构机的排泥口、盾尾和第一节车架上设置一套固定且自动报警的有毒有害气体监测设备。此外，考虑到第二、第三车架上的电器设备数量众多，距离沼气喷发源也比较近，因此技术人员可以在第二、第三车架之间安装一台便携式有害气体监测仪，作为本地区专用的检测装置。

最后，改良施工方法。在前、后进行足够的泥浆和水循环，以排除可能进入泥水管道中的气体；加强隧道内有害气体的监测，强化隧道的通风。

3.2盾构穿越复合地层施工

3.2.1软硬不均地层施工的重难点和控制技术

在软硬不均地层中，盾构机的工作容易引发较大的地表沉降，刀具磨损严重，轴线控制困难，刀盘结泥饼等。以下对刀具磨损提出几个控制方法提供参考。

第一，由于岩体表面起伏大，因此，技术人员在掘进过程中必须准确把握各环段的地层分布，并按照“一环一策”的原则，确定相应的施工参数。适当地降低刀盘的速度（通常不大于1.5r/米in），避免由于高速旋转，使刀具与岩石产生剧烈的撞击，造成刀具损伤。推进时要特别注意推力、推进速度和扭矩的改变，如果出现突然的推力、扭矩急剧上升、推进速度急剧降低等情况，必须立即停止推进，对刀具磨损、泥水仓集渣等进行全面检查，并采取换刀、清仓排渣等措施后，方可继续推进。第二，保证泥水质量、流量及分配，如有需要，应进行清理，以去除切割后的残渣，降低刀具磨损，减少更换次数，提高掘进效率。

3.2.2断裂地层施工的重难点和控制技术

在断裂地层上，盾构机穿越的断裂地层中存在着大量的水压，在掘进过程中容易发生泥水外溢，从而引起开挖面的不稳定，给隧道的稳定性带来了困难。所以，针对断裂地层中盾构施工存在的问题，应从针对性配置、预处理、开挖工艺等方面来解决盾构在断裂地层中遇到的问题。采取措施如下：一是为了解断裂的产状、破碎程度、充填物及含水量，需要对其进行必要的补充，以供盾构设备的布置及预处理。当断裂严重，含水量大，水压大时，技术人员必须进行灌浆加固，条件允许的话，可以在地面上开洞，如果不进行地面灌浆的措施，可以利用盾构机的超前钻井和灌浆设备来预测盾构前方的地层状态，并在穿越断层的岩石层时进行超前注浆。二是在排泥管道的入口处安装格栅，并配备高效的颚式破碎机，这个设备可以将切割出来的大块石头切割到20c米以下，能够可以防止石头滞留在料仓里，导致淤积或堵塞。

3.3盾构泥水平衡压力施工

目前常用的圆弧型圆刀盘盾体，其直径由大变小，按照最大开挖直径6280米的理论计算，其与开挖面的间隙容积为3.23m³。为了防止盾构穿越软硬不均地层和重要危险源区域的地面塌陷，在盾构施工过程中，在中盾径向孔内注入低密度黏土，并利用注水压力将其填满。注浆质量控制主要方法是量控，压控是辅助方法，注浆质量以理论计算的105%~110%为最佳。根据技术人员表面的观测，可以适当地调节注泥量。目前广泛使用的克泥效技术，就是为了解决盾面上部的平衡问题。前部大后小是硬岩盾构的一种设计思想，它并不适合于理论上的压力均衡，而在盾体四周注入黏土可以克服这一设计缺陷

[5]。

3.4超浅埋方法出入洞施工

盾构机在开挖后及时形成封闭圈，及时进行密贴和刚度大的早期支护，保证了基坑的稳定性。二次衬砌和基坑间的间隔不能过大，能够最大限度地减少对工程的影响。仰拱必须紧贴工作面，减少作业间隔。有关部门在公路、隧道内设置观测站，防止山体滑坡。在施工过程中，要严格控制交通，按照不同的隧道条件，设置便桥，或者铺上钢板，以减少行车对隧道施工的影响。

4结语

目前，大直径泥水盾构隧道在今后相当长的一段时间里仍将处在快速发展的阶段，施工条件日趋复杂，技术与挑战日趋严重，为使其快速、安全、健康发展，泥水盾构隧道技术必须从施工规范与标准、设计方案、设备性能、材料优劣、施工管理等方面不断加以完善与创新，着力解决好大直径泥水盾构隧道技术的难点，注重地质基础研究，对工程设计方案进行优化，突破盾构制造关键的核心技术，提升综合施工管理技术水平，防止重大事故的发生，促进我国大直径泥水盾构隧道向高质量、高安全性、低能耗的方向发展。

参考文献：

[1]万波.大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点思考与讨论[J].广东土木与建筑,2022,29(06):92-99.

[2]代洪波,季玉国.我国大直径盾构隧道数据统计及综合技术现状与展望[J].隧道建设(中英文),2022,42(05):757-783.

[3]苏秀婷,陈健,李明宇,张瑾,曹同钢,刘涛.大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究[J].工程地质学报,2021,29(05):1587-1598.

[4]许锦锦,高永红,张伟,李欢秋.超浅埋暗挖动态控制设计施工方法在城市平顶地下工程中的应用[J].防护工程,2021,43(03):63-68.

[5]王国义,王婷雯.盾构平衡压力理论计算与应用技术[J].山西建筑,2020,46(06):1-5.