萬 波

（上海隧道工程有限公司 上海 200032）

0 引言

城市軌道交通作為城市發(fā)展相匹配和適應(yīng)的重要系統(tǒng)組成，在現(xiàn)今城市中扮演著越來越重要的角色［1-3］。而在城市及跨江跨河的隧道施工中，大直徑盾構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，世界范圍內(nèi)采用直徑超過14 m 的盾構(gòu)進(jìn)行施工的項(xiàng)目超80 項(xiàng)，其中國內(nèi)64 項(xiàng)（泥水盾構(gòu)59 項(xiàng)，土壓盾構(gòu)5項(xiàng)），國外17項(xiàng)（泥水盾構(gòu)6項(xiàng)，土壓盾構(gòu)11項(xiàng)）。

目前，我國已經(jīng)成為盾構(gòu)里程最多的國家［4］。但是我國地域遼闊，水系豐富，地質(zhì)復(fù)雜多變，所以各個(gè)地區(qū)泥水盾構(gòu)在不同地層和跨江跨海的施工環(huán)境也不盡相同，面臨的施工難題也是各式各樣。尤其是近年各種超大斷面盾構(gòu)隧道的需求、特殊復(fù)雜地層和極端環(huán)境建造、城市環(huán)境保護(hù)要求等，給泥水盾構(gòu)的施工帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。比如，在部分富水軟土地層中，泥水盾構(gòu)面臨著的流砂和管涌問題［5］；在復(fù)合地層中由于地層中巖石和軟土的共同存在，上軟下硬導(dǎo)致泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)問題［6］；當(dāng)?shù)貙又写嬖诠率陀矌r，盾構(gòu)刀盤的磨損造成嚴(yán)重危害［7］；掘進(jìn)土層中遇到沼氣等有害氣體，沼氣從盾尾涌入盾構(gòu)，對盾構(gòu)的正常施工產(chǎn)生不利影響，同時(shí)引起盾構(gòu)偏移［8］；當(dāng)盾構(gòu)穿越斷裂帶或地層存在較大差異，會(huì)給開挖掌子面穩(wěn)定性帶來困難［9］；穿越管線和密集建構(gòu)筑物引發(fā)的變形控制問題以及小曲率半徑掘進(jìn)的施工技術(shù)問題等［9-11］，這些都是現(xiàn)今泥水盾構(gòu)施工過程中遇到的一系列技術(shù)難點(diǎn)。所以將我國泥水盾構(gòu)施工中面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對措施以及施工技術(shù)重難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，形成系統(tǒng)全面的技術(shù)參考具有重要意義［12］。

本文基于杭州江南大道、文一路隧道、錢江隧道、溫州S2 線SG5 標(biāo)、珠海十字門隧道、媽灣跨海通道I標(biāo)、佛山季華路西延等一系列泥水盾構(gòu)項(xiàng)目，先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的概況，分析了目前泥水盾構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)，總結(jié)了施工過程中遇到的一些重難點(diǎn)問題，并以項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對重難點(diǎn)問題的解決提供對應(yīng)的施工方案措施與建議，以期對今后泥水盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

1 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 泥水盾構(gòu)隧道簡介

泥水平衡盾構(gòu)包含5 大系統(tǒng)，主要為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、掘進(jìn)管理系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、泥水輸送和同步注漿系統(tǒng)，泥水氣平衡盾構(gòu)示意圖如圖1 所示。盾構(gòu)機(jī)通過在前盾的密封倉中注入適當(dāng)壓力的泥漿，聚焦于泥水與土體的接觸表面，使其在開挖面形成泥膜與掌子面土體達(dá)到平衡。在平衡階段中泥膜的形成十分重要，平衡后盾構(gòu)刀盤才開始切削土體，開挖的土體與泥水混合后形成高密度泥漿，再由排泥泵及管路送至地面處理，整個(gè)過程為泥水平衡自動(dòng)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理模式。

圖1 泥水氣平衡盾構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional Diagram of Mud-water-gas Equilibrium Shield

1.2 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

隨著我國泥水盾構(gòu)隧道使用日益廣泛，泥水盾構(gòu)的技術(shù)不斷發(fā)展，泥水盾構(gòu)隧道面臨大直徑、長距離和高水壓的問題，城市鄰近建筑物密集施工變形控制嚴(yán)格，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越的地層與環(huán)境也愈加復(fù)雜化［13］。

1.2.1 盾構(gòu)超大直徑問題

與常規(guī)的6 m 左右盾構(gòu)隧道相比，大直徑盾構(gòu)隧道在很多方面存在明顯差異［14］。隨著盾構(gòu)直徑的增大，刀盤開挖切削范圍與對地層的擾動(dòng)程度成倍增加，地層自穩(wěn)能力降低，刀盤頂部與底部的泥水壓力差進(jìn)一步增大，其與地層水土壓力的匹配性降低，從而降低了對開挖面的有效支護(hù)。同時(shí)，隨著盾構(gòu)直徑的增大，盾構(gòu)穿越復(fù)合地層的概率也大幅提高，從而對盾構(gòu)適應(yīng)性配置和相應(yīng)施工技術(shù)提出了更高要求。再者，超大直徑盾構(gòu)泥水送泥口與排泥口距離大幅增加，刀盤和泥水倉結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，泥水環(huán)流和作用機(jī)理更為復(fù)雜，從而對開挖面穩(wěn)定控制和排渣帶來影響。且大盾構(gòu)隧道直徑增大，襯砌接近于柔性結(jié)構(gòu)，其性能退化與周邊環(huán)境變化帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)增大。

1.2.2 盾構(gòu)開艙技術(shù)問題

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層或長距離掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)面臨遭遇阻礙或者刀具磨損過大而被迫停機(jī)開艙的問題。而開艙面臨如何保持開挖面穩(wěn)定和人員帶壓進(jìn)艙作業(yè)安全等問題，具有極高的風(fēng)險(xiǎn)。例如，2008 年廣州地鐵6號線和2014年南寧地鐵1號線因?yàn)殚_艙造成了嚴(yán)重的工程事故［15］。隨著盾構(gòu)環(huán)境的復(fù)雜化，掘進(jìn)過程面臨刀具磨損、結(jié)泥餅以及遇到阻礙的問題愈加普遍，這一挑戰(zhàn)對于開艙技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新存在巨大需求。

1.2.3 臨近復(fù)雜工程問題

隨著城市建筑物密集分布及地下空間的高度開發(fā)建設(shè)，盾構(gòu)隧道不可避免地要穿越臨近的建構(gòu)筑物和其它地下結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道與不同建構(gòu)筑物的相互作用機(jī)制比較復(fù)雜，受到地層條件、隧道結(jié)構(gòu)特性、隧道與建構(gòu)筑物相對空間位置、盾構(gòu)機(jī)種類、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與工后沉降變形等因素的影響。目前臨近建筑物施工事故［16］大量頻發(fā)，所以加強(qiáng)臨近施工的擾動(dòng)變形機(jī)理研究，更精準(zhǔn)地對地層-結(jié)構(gòu)相互作用變形進(jìn)行控制是當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。

1.2.4 盾構(gòu)渣土處理技術(shù)問題

隨著盾構(gòu)項(xiàng)目的增加，施工過程中產(chǎn)生的工程渣土也在逐年陡增，2020年全國在建盾構(gòu)隧道渣土總量已突破2.25 億m3，“十三五”以來，我國積極推動(dòng)落實(shí)建筑垃圾源頭減量與資源化利用的相關(guān)政策，并逐漸形成建筑垃圾資源化利用的產(chǎn)業(yè)體系及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［17］。目前建筑垃圾應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如：建筑地基填筑再利用、注漿再利用以及再生磚等。但是渣土的原地資源化再利用仍然存在一些問題，如分類標(biāo)準(zhǔn)不完善，渣土利用生產(chǎn)產(chǎn)品性能缺乏系統(tǒng)方法以及存在特殊性無法量產(chǎn)化等。

2 大直徑泥水盾構(gòu)施工重難點(diǎn)

2.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

當(dāng)前，軟土地層大直徑泥水盾構(gòu)施工工藝已比較成熟，但受地質(zhì)和環(huán)境條件的限制，仍會(huì)遇到穿越高水壓富水地層、近距離穿越建筑物、穿越沼氣層、超淺覆土進(jìn)出洞、小曲率半徑曲線掘進(jìn)等特殊工況。在此，將其定義為極限施工工況，其施工重難點(diǎn)如下：

2.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

泥水平衡盾構(gòu)廣泛用于水底隧道的掘進(jìn)，或者在穿越城市時(shí)埋深大，從而易出現(xiàn)盾構(gòu)位于高水壓富水地層施工的情況，比如上海虹梅南路隧道，盾構(gòu)段最大埋深為52.5 m，穿越高承壓水〈7-2〉粉細(xì)砂地層。高水壓富水地層一般埋深大，且為滲透性強(qiáng)的粉細(xì)砂地層，其施工難點(diǎn)在于：

⑴粉細(xì)砂在水動(dòng)力條件和盾構(gòu)掘進(jìn)作用下，易產(chǎn)生管涌、流砂及振動(dòng)液化現(xiàn)象，從而降低土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不利于開挖面穩(wěn)定。若泥水質(zhì)量欠佳，或切口水壓設(shè)定不當(dāng)或波動(dòng)過大，易造成開挖面不穩(wěn)甚至出現(xiàn)坍方。

⑵高水壓作用下，易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承密封（外密封）系統(tǒng)失效、盾尾易發(fā)生變形和滲漏等災(zāi)害性風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 近距離穿越建筑物

目前，大直徑泥水盾構(gòu)近距離穿越建筑物的案例已越來越多，比如上海北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處，距建筑樁基最近約0.6 m；杭州文一路隧道下穿地鐵2號線，垂直凈距僅5.0 m。因控制不當(dāng)引發(fā)的建筑物沉降過大、開裂甚至倒塌的案例也屢見不鮮。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

⑴盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中不可避免地會(huì)對地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引發(fā)地層及周邊建筑產(chǎn)生沉降。

⑵施工參數(shù)控制不當(dāng)：比如泥水質(zhì)量不佳或切口水壓控制不當(dāng)可能造成開挖面不穩(wěn)，同步注漿漿液質(zhì)量不佳、或注漿量和注漿壓力控制不當(dāng)、或二次補(bǔ)壓漿不及時(shí)導(dǎo)致地層損失過大，盾構(gòu)姿態(tài)控制不佳或糾偏過大造成土體擾動(dòng)過大等，均會(huì)造成地面和建筑物沉降。

2.1.3 穿越沼氣層

在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等地層中易形成產(chǎn)氣層，形成氣囊。當(dāng)氣囊超過一定量或壓力超過0.05 MPa 時(shí)，若不預(yù)先處理，會(huì)對盾構(gòu)掘進(jìn)施工帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。

⑴在地下隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，氣體由于外因作用而突發(fā)性釋放，含氣層的壓力急劇下降，導(dǎo)致氣-水界面向噴氣口移動(dòng)，快速的氣流對土層產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，大范圍撓動(dòng)含氣土層，同時(shí)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)上覆或下臥地層。隨著強(qiáng)烈噴氣的結(jié)束，土層必然產(chǎn)生急劇沉降，隨后土體重新固結(jié)下沉。由于地下氣體的分布不均勻，氣壓大小不等，地層承載力大小差異較大，故在氣體釋放過程中往往引起不均勻沉降，進(jìn)而誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形，甚至管片斷裂損壞。

⑵沼氣對施工人員造成危害。由于淺層沼氣主要成分為甲烷和氮?dú)?，因此，氣體濃度過高時(shí)，使空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。當(dāng)空氣中甲烷含量達(dá)25%～30%時(shí)，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟(jì)失調(diào)。若不及時(shí)脫離，可能窒息死亡。當(dāng)濃度在5%～15%的爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，如遇到明火，將發(fā)生劇烈爆炸，危害人身安全。

2.1.4 淺覆土進(jìn)出洞

盾構(gòu)淺覆土進(jìn)出洞一直是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。長期以來，因?yàn)榉桨覆坏卯?dāng)或處理不到位而造成盾構(gòu)進(jìn)出洞施工中土體坍方、洞門噴涌、隧道大幅上浮造成管片錯(cuò)臺甚至螺栓剪斷等事故層出不窮。目前盾構(gòu)進(jìn)出洞施工的基本工藝流程已比較成熟，但對于針對不同地質(zhì)和工況條件下的進(jìn)出洞加固施工方案仍存在分歧，且淺覆土施工中隧道大幅上浮現(xiàn)象仍較為普遍。究其原因，主要如下：

⑴針對不同水文地質(zhì)和環(huán)境條件下，進(jìn)出洞加固方案的選擇欠妥，或過于激進(jìn)導(dǎo)致加固效果難以滿足要求，或過于保守而造成成本大幅增加。

⑵盾構(gòu)在淺覆土中施工隧道上浮原因分析：成型隧道重量小于開挖土體（含水）的重量，若同步注漿參數(shù)控制不佳（注漿壓力過大、填充不飽滿、凝固時(shí)間緩慢等），單點(diǎn)壓注壓力過大使管片受向上的頂力、底部漿液先填充滿，存在管片上浮空間及浮力，當(dāng)管片所受浮力大于管片自重、上覆土重力、螺栓周邊土體粘滯助力及環(huán)間摩擦力，往往會(huì)導(dǎo)致管片和上覆土一起上浮；覆土越淺，土層往往比較松軟，甚至是液化地層，對注漿層無法形成包裹作用；管片螺栓不緊固導(dǎo)致管片之間整體性較差，造成管片上?。还芷c盾構(gòu)及隧道軸線姿態(tài)不一致導(dǎo)致管片上浮等。

2.1.5 小曲率半徑曲線掘進(jìn)

泥水盾構(gòu)穿越海底或城市建筑群時(shí)，由于受兩岸接線條件的限制，以及盡可能避開建筑物，常需要進(jìn)行小曲率半徑施工。極限小半徑極易造成管片錯(cuò)臺破損及盾尾防水系統(tǒng)的磨損漏水，加之盾構(gòu)處于海底軟硬不均地層刀具易磨損，需在水底高水壓下更換刀具或盾尾密封刷，同時(shí)開挖面如失穩(wěn)產(chǎn)生河床隆起或塌陷可能引發(fā)上方覆水倒灌，其風(fēng)險(xiǎn)和難度極大。

2.2 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層

2.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

盾構(gòu)在穿越軟硬不均地層的過程中，隧道軸線控制困難，推進(jìn)時(shí)可能發(fā)生盾構(gòu)偏移，出現(xiàn)蛇形推進(jìn)。由于軟硬比例變化幅度及頻率大，隧道掘進(jìn)工況轉(zhuǎn)換頻繁，對地表沉降、開挖面穩(wěn)定、盾尾密封等控制難度大，容易造成施工過程開挖面失穩(wěn)。同時(shí)在穿越軟硬不均及硬巖地層時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)速度緩慢，刀具磨損快，換刀頻繁，甚至損壞刀盤，對施工工期造成影響。

2.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

盾構(gòu)穿越礫石等高滲透性土層，泥水盾構(gòu)工作面的泥膜難以建立，同時(shí)在承壓動(dòng)水頭壓力下易發(fā)生流砂、崩塌現(xiàn)象，影響開挖面穩(wěn)定。盾構(gòu)掘進(jìn)中遇砂土、圓礫石層，如泥水質(zhì)量不佳，極易造成吸口封堵，從而無法出土，由于礫石的硬度較大，盾構(gòu)的刀盤還易損壞，施工過程中的開倉更換刀具也具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

斷裂帶中掘進(jìn)時(shí)水壓較高、水量大，對盾構(gòu)保壓及密封系統(tǒng)都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。斷裂帶具有巖層破碎、塊度大、巖層變化大、地質(zhì)松散等特點(diǎn)，盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)泥水漏失、開挖面失穩(wěn)等施工難題，如果控制不當(dāng)甚至可能出現(xiàn)坍塌、滲水被淹等災(zāi)難性安全事故。斷裂帶由于巖層穩(wěn)定性差，若同步注漿效果不好，已拼裝管片在推出盾尾后容易出現(xiàn)上浮、錯(cuò)臺、密封條失效和管片連接縫隙處滲水等現(xiàn)象，隧道穩(wěn)定控制難度大，影響施工質(zhì)量。

2.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

孤石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致刀盤前端瞬間壓力猛然增大，易將刀盤卡死、造成刀具磨損和刀座嚴(yán)重變形等問題，盾構(gòu)機(jī)極易被困，影響施工進(jìn)度。盾構(gòu)穿越孤石地層時(shí)，因?yàn)楣率c周圍地層有較大的強(qiáng)度差異，對盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)控制帶來困難，容易使盾構(gòu)掘進(jìn)偏離設(shè)計(jì)軸線。當(dāng)孤石分布廣泛時(shí)，如果無法完全探明，盾構(gòu)在未探明的孤石掘進(jìn)中，孤石容易隨刀盤旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)，對于地層有較大的擾動(dòng)，造成地層失穩(wěn)的現(xiàn)象。

3 泥水盾構(gòu)重難點(diǎn)施工方案

3.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

3.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

以杭州錢江通道為例，圓隧道段采用?15.43 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工。江南段盾構(gòu)穿越土層主要為〈3-2〉層粉砂、〈4-2〉層粉質(zhì)粘土，其中約300 m 長含有1∕2～2∕3斷面的〈3-2〉層粉砂，其滲透系數(shù)為3.13E-4 cm∕s。主要應(yīng)對措施如下：

⑴盾構(gòu)配置：驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)按承壓7.5 bar設(shè)計(jì)，滿足工況要求，且采用自動(dòng)油脂壓注系統(tǒng)，確保密封系統(tǒng)完好；盾構(gòu)機(jī)設(shè)置4道盾尾刷（3道鋼絲刷+1道鋼板刷），可抵抗7.5 bar 的水土壓力，并配備了1 套充氣式盾尾緊急密封系統(tǒng)，盾尾油脂壓注孔3×12 個(gè)，利用3 臺油脂泵壓注。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，定期、定量、定壓進(jìn)行盾尾油脂壓注，以保證盾尾密封安全。

⑵采用重漿推進(jìn)，泥漿比重不低于1.25 g∕cm3、粘度不低于20 s，且在泥漿中增加了高分子材料堵漏劑，以提高泥漿護(hù)壁性能。

⑶準(zhǔn)確設(shè)定泥水壓力，并根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)微調(diào)，并將泥水壓力波動(dòng)控制在±0.005 MPa以內(nèi)，從而保證開挖面的穩(wěn)定。

⑷推進(jìn)速度保持在2～3 cm∕min，盡量保持勻速推進(jìn)，以減小對土體的擾動(dòng)。

⑸采用6點(diǎn)同步注漿系統(tǒng)，壓注量為理論建筑空隙的120%～130%，上、中、下部的壓注量比例為5∶3∶2，以及時(shí)填充管片與土體之間的空隙，并有效減小隧道上浮。

3.1.2 近距離穿越建筑物

以上海市北橫通道為例，北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處，其中下穿建筑25 處，側(cè)穿建筑65 處；穿越多層及地下室36 處，穿越帶樁基多層16 處，穿越高層38 處，距建筑樁基最近的約0.6 m，與隧道距離小于1.5 m 帶樁基建筑物的有7 處。隧道采用1 臺?15.56 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，主要穿越地層為〈5-1〉灰色粉質(zhì)黏土、〈6〉暗黃～綠色粉質(zhì)黏土、〈7〉粉細(xì)砂、〈8-1〉灰色粘土等。主要采取措施如下：

⑴盾構(gòu)穿越前對影響范圍內(nèi)建筑進(jìn)行檢測與評價(jià)，并按保護(hù)等級進(jìn)行分類。

⑵根據(jù)建筑物特性、與隧道的位置關(guān)系以及隧道埋深、地質(zhì)情況等，合理設(shè)定并精確控制泥水指標(biāo)、推進(jìn)速度、切口水壓、出土量、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)等施工參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測情況及時(shí)調(diào)整。在穿越建筑物期間盡量保持勻速通過，并在盾構(gòu)姿態(tài)控制方面做到勤測勤糾、單次糾偏幅度小，以減少盾構(gòu)糾偏給土體帶來的擾動(dòng)，從而減小對建構(gòu)筑物的影響。

⑶嚴(yán)格控制同步注漿壓力、注漿量和漿液質(zhì)量。每環(huán)盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后，補(bǔ)充壓注適量漿液，保持注漿壓力。在盾尾快脫出建構(gòu)筑物下方時(shí)，須適當(dāng)增加漿液壓注量，必要時(shí)通過殼體進(jìn)行注漿。

⑷在穿越建筑物特殊區(qū)段（如小曲線半徑段）管片上設(shè)置剪力銷，管片上增設(shè)注漿孔（見圖2），適時(shí)壓注雙液漿，以減小盾構(gòu)穿越后的建筑物沉降。

圖2 增開注漿孔示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Adding Grouting Hole

⑸對建筑物采取跟蹤注漿加固的保護(hù)措施。

3.1.3 穿越沼氣層

針對盾構(gòu)穿越沼氣層存在的風(fēng)險(xiǎn)，主要從沼氣探測與釋放、盾構(gòu)設(shè)備配置、施工措施3個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)對。

⑴沼氣探測與釋放：通過補(bǔ)勘探明盾構(gòu)掘進(jìn)線路上的沼氣分布位置、氣囊大小、壓力等，對于壓力超過0.05 MPa 的應(yīng)進(jìn)行沼氣釋放。沼氣釋放施工方式為采用鉆機(jī)和靜壓結(jié)合方式。即鉆孔前進(jìn)行孔位及標(biāo)高測量，確定鉆孔深度，原則上在含氣層上面5.0 m改為靜壓施工，靜壓到位后進(jìn)行沼氣釋放。該方法在江南大道改造提升工程進(jìn)行應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 沼氣釋放現(xiàn)場Fig.3 Biogas Release Site

⑵盾構(gòu)機(jī)配置：在盾構(gòu)機(jī)的排泥口、盾尾和第一節(jié)車架處設(shè)置固定式自動(dòng)報(bào)警有毒有害氣體監(jiān)測裝置。另外考慮到第二、第三節(jié)車架電器設(shè)備較多，且較接近沼氣涌出源，故在第二和第三節(jié)車架間固定放置一把移動(dòng)式手持有害氣體監(jiān)測儀器，作為該區(qū)域特定的檢測設(shè)備。

⑶施工措施：推進(jìn)前后進(jìn)行充分的泥水循環(huán)，以排凈可能進(jìn)入到泥水管路內(nèi)的氣體；做好隧道內(nèi)有害氣體監(jiān)測；加強(qiáng)隧道通風(fēng)。

3.1.4 淺覆土進(jìn)出洞

針對不同地質(zhì)和工況條件下的進(jìn)出洞加固施工方合理選擇，以及淺覆土施工中如何控制隧道上浮兩個(gè)方面，根據(jù)自身的工程經(jīng)歷，并通過對類似工程案例的總結(jié)，就應(yīng)對措施進(jìn)行探討。

⑴盾構(gòu)進(jìn)出洞加固技術(shù)

眾所周知，盾構(gòu)進(jìn)出洞加固方案的合理性及實(shí)施效果是盾構(gòu)進(jìn)出洞施工安全的首要保障。本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，對于不同的地質(zhì)水文條件和環(huán)境條件，進(jìn)出洞加固方案也大有不同。通過對大量工程案例的分析，對不同工況條件下適用的進(jìn)出洞加固方案進(jìn)行總結(jié)如下：

①當(dāng)加固范圍內(nèi)為軟土地層，且地下水不豐富或地下水位不高的情況下，宜采用水泥系加固輔以降水井的方式。一般情況下，若加固深度不超過35 m，宜采用攪拌樁+高壓旋噴加固方式，若加固深度超過35 m，宜采用MJS或RJP進(jìn)行加固。需要注意的是，當(dāng)加固范圍存在拋石、填石等障礙物時(shí)，應(yīng)預(yù)先將其清除（淺層障礙物一般采用挖除后回填，深層障礙物一般采用全回轉(zhuǎn)清除后回填）后再進(jìn)行加固，以保證加固效果。應(yīng)用案例有杭州錢江隧道、杭州江南大道提升改造等。

②當(dāng)盾構(gòu)工作井臨江臨海，或隧道位于或受高承壓含水層影響時(shí)，除了常規(guī)的水泥系加固輔以降水外，宜在加固區(qū)周邊設(shè)置一圈“U”字型的隔水帷幕（一般采用素地連墻、素咬合樁或TRD 等方式）隔斷承壓水，在隔水帷幕內(nèi)設(shè)置降水井，并在隔水帷幕外設(shè)置觀測井和備用井。應(yīng)用案例有佛山季華西延工程、媽灣跨海通道等。

③當(dāng)加固深度過大，或加固范圍內(nèi)存在圓礫層、礫石等地層，導(dǎo)致水泥系加固效果不佳；或受場地限制導(dǎo)致水泥系加固無法實(shí)施或加固長度不足時(shí)，宜采用凍結(jié)加固方案，一般采取垂直凍結(jié)與水平凍結(jié)相結(jié)合的方案。值得注意的是，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能增設(shè)一圈“U”字型的隔水帷幕（素地連墻或素咬合樁），并設(shè)置降水井，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用案例有珠海十字門隧道出洞加固等。

④當(dāng)隧道進(jìn)出洞全斷面位于巖層時(shí)，一般不需要采取額外的地基加固措施，但應(yīng)做好降水、洞門圈止水裝置等措施。

⑵淺覆土隧道抗浮技術(shù)

①在淺覆土段設(shè)置管片剪力銷，增加隧道整體性。

②同步注漿采用高比重、抗剪能力形成快的漿液，適當(dāng)增加上部注漿量比例（一般占總量的60%甚至更多），并在管片上增設(shè)注漿孔進(jìn)行隧道二次補(bǔ)壓漿，以控制隧道上浮。

③通過盾殼注漿孔壓注克泥效，有效封堵泥水回竄至盾尾的通道。

④在盾尾附近的管片（尤其是剛脫出盾尾的管片）上設(shè)置壓重塊，以增加抗浮力。

⑤若覆土過淺，可采取上覆土加固、地面堆載或設(shè)置抗浮板的措施，以增加抗浮力。

3.1.5 小曲率半徑曲線掘進(jìn)

盾構(gòu)在小曲率半徑施工掘進(jìn)時(shí)，易出現(xiàn)姿態(tài)偏差過大、管片錯(cuò)臺超標(biāo)、盾尾間隙不均導(dǎo)致管片或盾尾刷損傷等不利情況。以珠海十字門隧道為例，盾構(gòu)段全長940 m，全線處于平面小曲線半徑R=599.75 m，如圖4所示。主要采取以下措施：

圖4 十字門隧道盾構(gòu)段平面Fig.4 Plane View of Shizimen Shield Tunnel

⑴設(shè)計(jì)方面：采用楔形量80 mm 的管片，保證小半徑軸線擬合需要；管片設(shè)置剪力銷，改善成環(huán)管片受力情況，保證成環(huán)質(zhì)量；在管片上增設(shè)注漿孔，適時(shí)壓注雙液漿。

⑵盾構(gòu)配置方面：盾構(gòu)采用倒錐形設(shè)計(jì)，以滿足轉(zhuǎn)彎要求；刀盤配置仿形刀，通過PLC 控制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)角度范圍內(nèi)伸出或縮回，實(shí)現(xiàn)單邊超挖，利于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)糾偏；配置自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)（見圖5），實(shí)時(shí)提供盾構(gòu)姿態(tài)，便于操作人員控制好盾構(gòu)姿態(tài)，可有效防止不當(dāng)糾偏。

圖5 自制自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of Self-made Automatic Steering System

⑶施工方面：根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)以及盾尾與管片間隙，適時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)方向及姿態(tài)，做到勤測勤糾，而每次的糾偏量應(yīng)盡量小，確保管片環(huán)面始終處于曲線半徑的徑向豎直面內(nèi)；利用管片選型軟件，合理選擇管片旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)軸線擬合，管片拼裝盡量居中；采用同步注漿與推進(jìn)聯(lián)動(dòng)的方式，控制好漿液質(zhì)量、注漿量和注漿壓力，同時(shí)，考慮到曲線段施工外側(cè)出土量更大，適當(dāng)加大曲線段外側(cè)的壓漿量，以填補(bǔ)施工空隙，必要時(shí)，采取二次注漿（雙液漿）的措施，以加固隧道外側(cè)土體，減少隧道水平位移量，提高隧道穩(wěn)定性；必要時(shí)采取環(huán)、縱向拉緊措施，提高管片縱向剛度；適當(dāng)加大隧道測量頻率，加密測量點(diǎn)和后視點(diǎn)，并對后視點(diǎn)進(jìn)行定期復(fù)核。

3.2 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層

3.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

盾構(gòu)穿越軟硬不均地層易出現(xiàn)地面沉降過大、刀具磨損嚴(yán)重、軸線控制困難、刀盤結(jié)泥餅［18］等施工難點(diǎn)。以媽灣跨海通道Ⅰ標(biāo)為例，闡述應(yīng)對措施。

媽灣跨海通道I 標(biāo)盾構(gòu)段全長2 060 m，采用1 臺?15.55 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，主要穿越地層為〈5-1〉黏土、〈5-1〉淤泥質(zhì)土、〈8-1〉砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、〈10-1〉全風(fēng)化巖、〈10-2〉強(qiáng)風(fēng)化巖、〈10-3〉中風(fēng)化花崗巖、〈10-4〉微風(fēng)化花崗巖。其中，822 m為全斷面硬巖，938 m為上軟下硬土層，300 m為軟土。

主要難點(diǎn)分析及應(yīng)對措施如下：

⑴地面沉降控制

地面沉降在軟硬不均地層中開挖時(shí)，上部軟土地層易于切削，下部巖層強(qiáng)度高，不易切削。施工時(shí)掘進(jìn)速度低，增大了對上部地層的擾動(dòng)，引起地面沉降過大。施工時(shí)可適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)推力及刀盤扭矩，減小對地層的擾動(dòng)。提高泥水質(zhì)量，防止開挖面上部土體坍塌。同時(shí)加強(qiáng)沉降監(jiān)測和出碴量管理，保證掘進(jìn)順利進(jìn)行。

⑵刀具磨損

難點(diǎn)分析：在軟硬不均地層中施工時(shí)，刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞，刀盤受到的沖擊力很大，容易造成局部刀具受力超載，刀盤和軸承受偏心荷載作用致使主軸承受損或主軸承密封被破壞。同時(shí)，由于切削所釋放的熱量高，導(dǎo)致刀盤刀具溫度升高，加速了刀盤刀具的磨損速度，對盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)非常不利。

主要措施：

①目前盾構(gòu)機(jī)均配置了滾刀旋轉(zhuǎn)檢測裝置和刀具溫度、荷載檢測裝置，施工過程中應(yīng)密切關(guān)注刀具檢測裝置的完好性及檢測數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)“零號病刀”，并及時(shí)更換。

②因巖面起伏較大，在掘進(jìn)施工中應(yīng)掌握每一環(huán)穿越的地層分布情況，按照“一環(huán)一策”的原則設(shè)定相關(guān)施工參數(shù)。適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速（一般不超過1.5 r∕min），防止刀具因轉(zhuǎn)速過快而與巖層發(fā)生嚴(yán)重碰撞從而損壞刀具。密切關(guān)注推力、推進(jìn)速度、扭矩的變化，當(dāng)出現(xiàn)推力或扭矩陡升、推進(jìn)速度陡降等異常情況時(shí)，應(yīng)立即停推，對刀具磨損、泥水倉集渣等情況進(jìn)行排查，并采取換刀、清倉排渣等措施后，再恢復(fù)推進(jìn)。

③保證泥水質(zhì)量和泥水流量及分配，必要時(shí)進(jìn)行清倉工作，將切削下來的渣土排除，減輕對刀具的磨損，減少換刀頻率，提高掘進(jìn)效率。

⑶軸線控制

在軟硬不均地層中，土體性質(zhì)極不均勻，致使盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制閑難，容易引起軸線偏差，姿態(tài)控制難度大。在巖面起伏大或侵入盾構(gòu)斷面巖層較小的情況下，應(yīng)適當(dāng)降低推進(jìn)速度和刀盤扭矩，并合理設(shè)置各區(qū)域千斤頂油壓，從而有效控制盾構(gòu)軸線。另外，在軟硬不均地層施工易出現(xiàn)盾構(gòu)轉(zhuǎn)角過大現(xiàn)象，應(yīng)予以密切關(guān)注并通過正反轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

⑷刀盤結(jié)泥餅

盾構(gòu)在泥巖、富含粘性顆粒的全、強(qiáng)風(fēng)化巖層中掘進(jìn)時(shí)，極易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，主要原因?yàn)椋赫承灶w粒易成團(tuán)聚集在刀盤正面，同時(shí)由于切削釋放的高熱量進(jìn)一步加劇了泥團(tuán)的失水和固結(jié)硬化，導(dǎo)致結(jié)泥餅現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，不僅造成滾刀偏磨加劇，而且大幅削弱刀具切削功能，并造成排泥管吸口堵塞。主要措施：在刀盤正面和刀筒內(nèi)設(shè)置大流量、高壓力的泥水沖刷裝置，有效減低泥餅的形成；適當(dāng)增加泥水流量，在排泥管吸口設(shè)置沖刷口，以增加排渣、攜渣能力；加強(qiáng)刀具檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換磨損嚴(yán)重的刀具。

3.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

盾構(gòu)穿越礫石層易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、泥漿漏失導(dǎo)致開挖面不穩(wěn)、礫石滯排堵塞排泥管吸口等問題。以江南大道改造提升工程為例，盾構(gòu)段南線、北線分別穿越約350 m、600 m 長圓礫層，且位于高承壓水地層中，其中，最大覆土厚度約37.5 m。采取措施如下：

⑴刀具配置上選擇重型刮刀和撕裂刀，采用固定刀具+帶壓可更換刀箱的組合形式，且每個(gè)軌跡上至少布置2 把。刀盤外緣有高度耐磨硬質(zhì)堆焊層，同時(shí)配置液壓刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)?shù)毒吣p到設(shè)定值時(shí)，及時(shí)開倉更換刀具。

⑵配置高性能刀盤驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)與盾尾密封系統(tǒng)，以滿足高水壓下密封要求。

⑶刀盤背面配置有4根主動(dòng)攪拌棒，可大幅提高出渣效果。并在掘進(jìn)過程中適當(dāng)增加泥水流量，以提高攜渣能力，防止渣粒在管路內(nèi)沉淀引起管路堵塞，影響正常施工。

⑷采用重漿推進(jìn)，并在泥水中增加堵漏劑，以提高泥漿護(hù)壁效果，保證開挖面穩(wěn)定。

3.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

針對盾構(gòu)在斷裂帶地層中的施工風(fēng)險(xiǎn)，需要從盾構(gòu)機(jī)針對性配置、預(yù)處理以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制幾個(gè)方面綜合考慮。以媽灣跨海通道工程為例，盾構(gòu)在兩處穿越斷裂帶，斷裂段中含承壓水，水量豐富，推進(jìn)時(shí)易造成泥水逃溢，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，隧道穩(wěn)定控制難度大。采取措施如下：

⑴首先，需要通過補(bǔ)勘等方式探明斷裂帶的產(chǎn)狀、破碎程度、填充物、含水狀況等，從而對盾構(gòu)機(jī)配置及是否需要預(yù)處理等提供依據(jù)。若斷裂帶破碎嚴(yán)重、含水量大且水壓高，則需要對其進(jìn)行注漿加固預(yù)處理，若條件允許，首選地面開孔注漿加固，若無地面注漿加固條件，可通過盾構(gòu)機(jī)配置的超前鉆探和注漿裝置，對盾構(gòu)前方地層情況進(jìn)行預(yù)判，在穿越碎裂帶巖層進(jìn)行鉆孔超前注漿。

⑵在排泥管吸口設(shè)置格柵，并配置高性能顎式破碎機(jī)，可將切削下來的大塊石塊破碎至20 cm以內(nèi)，從而避免石塊留滯在泥水倉，造成滯排或堵塞吸口。

⑶盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)采用自動(dòng)加壓系統(tǒng)。盾尾密封系統(tǒng)可承受高水壓能力，采用4 道鋼絲刷和1 道鋼板刷密封形式，如圖6 所示。盾尾油脂采用壓注量和壓力雙控系統(tǒng)，有效防止產(chǎn)生滲漏。

圖6 盾尾密封示意圖Fig.6 Diagram of Shield Tail Seal

⑷盾構(gòu)掘進(jìn)中嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍，將其制在（-0.05）bar～（+0.05）bar 內(nèi)，保證正面穩(wěn)定。合理設(shè)定推進(jìn)速度，保證掘進(jìn)穩(wěn)定同時(shí)，注意刀盤扭矩、推力等參數(shù)的變化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泥漿損失量很大，在不降低開挖面水壓下能進(jìn)行推進(jìn)，則向前推進(jìn)（并使用堵漏型泥水材料），應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度，提高拼裝效率，使盾構(gòu)盡早穿過斷裂帶。

3.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

盾構(gòu)穿越孤石地層易出現(xiàn)刀具損壞（因磕碰出現(xiàn)缺損甚至掉落或磨損）、卡刀盤、孤石隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)從而對地層帶來較大擾動(dòng)等問題。采用的有效手段為首先對孤石進(jìn)行探測，明確其位置和大小。若孤石較小，能夠從刀盤開口通過，則不需要額外處理，可通過在排泥管吸口處的高性能破碎機(jī)予以破除后通過吸口格柵，并在排泥泵前安裝捕石器，予以清除。若孤石尺寸過大，不能通過刀盤開口，則需要在穿越前預(yù)先進(jìn)行處理。以珠海馬騮洲交通隧道為例，盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)位于軟硬不均地層中，存在大量的孤石，采取如下措施：

⑴在盾構(gòu)機(jī)上加裝SSP 超前探測裝置（見圖7），對盾構(gòu)開挖面前方孤石進(jìn)行探測，SSP 探測精度為刀盤前40 m，直徑大于800 mm 的障礙物。并結(jié)合鉆孔探測的方式對疑似孤石點(diǎn)和基巖突起進(jìn)行確認(rèn)。

圖7 SSP安裝位置示意圖Fig.7 SSP Installation Position Diagram

⑵采取全回轉(zhuǎn)清障、定點(diǎn)爆破等方式對盾構(gòu)斷面內(nèi)的孤石進(jìn)行清除。定點(diǎn)爆破采用深孔控制爆破技術(shù)，可將破碎后的石塊控制在10 cm以內(nèi)，從而滿足盾構(gòu)切削及排渣要求。若盾構(gòu)機(jī)開挖面出現(xiàn)了未探測到的孤石，則采用氣壓法人工進(jìn)倉清障的方式，清除刀盤前的孤石。

⑶為保證盾構(gòu)順利穿越孤石（經(jīng)預(yù)處理后），盾構(gòu)機(jī)設(shè)置滾刀以提高破巖能力，并且安裝刀具磨損檢測裝置，及時(shí)進(jìn)行刀具磨損檢測并更換“病刀”。

4 結(jié)語與展望

泥水盾構(gòu)作為城市交通系統(tǒng)的利器，在城市跨江跨河工程項(xiàng)目中起到了舉足輕重的作用。本文先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，然后基于多年參與過的泥水盾構(gòu)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了目前泥水盾構(gòu)隧道施工過程中遇到的一些重難點(diǎn)問題，并對解決重難點(diǎn)問題提供了對應(yīng)的施工方案措施與建議，以期對今后泥水盾構(gòu)施工項(xiàng)目的發(fā)展提供借鑒和參考。除了上述總結(jié)之外，對于泥水盾構(gòu)的發(fā)展，提出幾點(diǎn)展望，希望為相關(guān)行業(yè)的研究人員提供研究的思路：

⑴泥水盾構(gòu)隧道經(jīng)常處于江河等水底下進(jìn)行作業(yè)，現(xiàn)存在部分方面的監(jiān)測無法像土壓平衡盾構(gòu)一樣進(jìn)行直接監(jiān)測，但是其隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對于施工有著巨大指導(dǎo)意義。做到巖層-機(jī)器相互作用智能感知是今后水下隧道需要突破的方向；

⑵泥水盾構(gòu)的施工環(huán)境存在大量的特殊復(fù)雜地層，掘進(jìn)后的復(fù)雜地層渣土如何進(jìn)行利用，給現(xiàn)在提倡的綠色施工和渣土再利用帶來一定的困難。如何快速高效地處理好泥水盾構(gòu)的渣土是亟需解決的問題，也是支撐城市綠色、低碳發(fā)展的重要路徑；

⑶當(dāng)泥水盾構(gòu)遇到地層復(fù)雜、臨近結(jié)構(gòu)敏感、生態(tài)環(huán)保要求高等問題時(shí)，抓住信息化社會(huì)帶來的機(jī)遇，跟隨創(chuàng)新科技技術(shù)的發(fā)展，通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、5G 大數(shù)據(jù)等相結(jié)合的方式，推進(jìn)泥水盾構(gòu)數(shù)字化建造是今后的重要方向。