孟綏寶 王 堯 詹 森 俞然剛 駱超鋒 周耀升 王瀾濤 石寶星 張子峰

(1.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，214104，無錫；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，266580，青島∥第一作者，高級工程師)

為確保跨江、跨海隧道的施工安全，眾多學者對水下盾構設備適應性改造、工程風險分析及施工控制措施等進行了研究。文獻[1]從復合式盾構機的角度，重新區(qū)分硬巖及軟硬不均地層，并總結出針對不同硬巖地段的處理方案；文獻[2]依托長沙地鐵3號線阜埠河站—靈官渡站區(qū)間的泥水盾構工程，分析了盾構穿越富水斷裂破碎帶時的各種施工風險，并從盾構掘進姿態(tài)、盾體保壓措施、刀盤刀具、壁后注漿等方面提出了相應的控制措施；文獻[3]基于南昌軌道交通1號線秋水廣場站一中山西路站區(qū)間隧道工程，總結了泥水盾構穿越贛江斷裂破碎帶的相關施工技術，從盾構掘進控制、泥漿質量、同步注漿和二次注漿等方面探討了施工技術改進情況；文獻[4]依托廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道盾構工程，針對掘進施工中易發(fā)生變化的邊界條件，分析了掘進技術要點并提出了針對性技術措施；文獻[5]依托深圳地鐵13號線盾構掘進區(qū)間，介紹了盾構在上軟下硬地層掘金中的常見問題；文獻[6]依托長沙地鐵6號線，分析了不同掘進參數對地表豎向沉降變形的影響；文獻[7]從盾構設備方面介紹了泥水盾構穿越巖層破碎帶的難點及處理措施。

目前，盾構法跨海隧道工程雖有較多理論研究的成果，但僅憑已建成或在建的10多座大型跨海隧道工程，尚無法完全填補工程實踐的空白，在高水壓條件下穿越斷層破碎帶的隧道施工和設計等方面，仍缺乏足夠的工程經驗。

本文依托青島地鐵8號線大洋站—青島北站區(qū)間東側過海段(以下簡為“大—青段”)的泥水盾構工程，針對盾構穿越富水斷裂破碎帶地段施工，分析了施工難點，提出了相關的施工控制措施，結合現場施工對掘進參數進行分析，并提出了相關優(yōu)化建議。

1 工程概況及施工難點

1.1 工程概況

大—青段起點位于青島火車北站，終點為膠州灣海底礦山法隧道，呈東西走向。

大—青段可劃分為陸域段和海域段，其中海域段采用泥水平衡盾構施工。盾構自大—青段2#風井始發(fā)，下穿膠州灣海域，穿越破碎帶F3及F4(如圖1所示)，最終于膠州灣海底礦山法隧道接收端棄殼接收。

圖1 斷裂帶位置地層示意圖

F3基巖破碎帶位于海域中東部，破碎處基巖面埋深為29.3 m左右，主要巖體為中風化火山角礫巖碎裂巖，西側為凝灰?guī)r，東側為泥質粉砂巖及火山角礫巖，主要力學性質為左行壓扭性斷裂，圍巖級別為Ⅴ到Ⅵ級。

F4基巖破碎帶位于海域中部，破碎處基巖面埋深為29.5～32.5 m，上覆厚層砂土。主要巖體為砂土狀碎裂凝灰?guī)r、塊狀碎裂凝灰?guī)r、中等風化凝灰?guī)r碎裂巖和微風化凝灰?guī)r，圍巖級別為Ⅴ到Ⅵ級。

1.2 施工難點

1)高水壓、長距離掘進易造成盾尾密封失效。由于斷層切割基巖，溝通基巖構造裂隙水與基巖上覆厚層砂層地下水的水力聯系，使斷層裂隙水富水性增大，且盾構在海底長距離掘進易造成盾尾密封因磨損而失效，從而引起地下水由盾尾處竄入隧道，造成隧道被淹。

2)不良地層的高水壓條件換刀增大施工風險。通常壓氣換刀作業(yè)艙壓控制在0.36 MPa以內，而該工程盾構過海段破碎帶刀具更換點拱頂埋深(含水深)50 m左右，最高壓氣換刀作業(yè)需要在0.54 MPa左右的壓力下進行。由于所處碎裂巖地層地質條件復雜，停機換刀時不僅開挖面存在失穩(wěn)可能性，且加大了人員進艙換刀施工組織難度。

3)破碎帶碎裂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖面易失穩(wěn)。穿越破碎帶距離長，地質條件復雜，且破碎帶處于膠州灣海底，在高水頭壓力作用下進行海底盾構掘進時，可能會有開挖面失穩(wěn)的情況出現，并擊穿開挖面上部覆土層，使其與海水相連通，導致海底覆土層中的砂、石等進入泥水循環(huán)或伴隨泥水艙泥漿逃逸現象發(fā)生，施工風險較大。

4)巖層軟硬不均，刀盤刀具磨損嚴重。泥水盾構刀盤磨損情況與地質條件、掘進參數、刀具配置和掘進距離等多因素相關[8]，尤其當盾構在斷層破碎帶等不良地層中掘進時，極易對刀盤刀具產生沖擊，磨損更加嚴重。

5)盾構姿態(tài)調整困難。因海域段地層提供的滾動阻力大，會產生盾體滾動偏差，在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產生較大的偏差，盾構糾偏較為困難。同時，由于盾構在海域段掘進時推力及扭矩較大，掘進速度較慢，易造成導向系統全站儀傾斜而測量錯誤，進而影響盾構掘進施工。

2 施工控制措施

2.1 盾構刀盤配置

根據工程地質情況，具有較優(yōu)地層適應性的刀盤刀具配置為：6主梁+6副梁復合式刀盤，開口率為35%，開挖直徑為7 m；刀盤上配備6把18 in(43.18 cm)中心雙刃滾刀，35把19 in(48.26 cm)單刃滾刀，12把邊刮刀，49把刮刀，12把焊接撕裂刀。此外，為應對破碎帶掘進刀具嚴重磨損情況，刀盤大圓環(huán)采用整環(huán)耐磨合金塊設計，面板無刀的地方采用耐磨復合鋼板全覆蓋。面板上共設有5個磨損檢測裝置。

2.2 盾體保壓及盾尾密封設計

2.2.1 盾體保壓措施

1)盾構機適應性設計(如圖2所示)：主驅動采用唇形密封形式，其中內唇形密封有2道，外唇形密封有5道，密封承壓能力為1.05 MPa。

圖2 外密封布置圖

2)盾尾密封措施：在地質條件復雜地層掘進時，通過盾體周邊的徑向孔向盾尾后3～5環(huán)注入足量的聚氨酯進行密封。該措施可以封堵后方來水，防止管片后部的水流入前方，進而保證前方土艙內土體的穩(wěn)定性。此外，還需通過盾尾環(huán)向油脂管道向盾尾前后腔注入足量的盾尾油脂,以防止盾尾后部地下水通過盾尾刷空隙滲入至隧道內。油脂管道注脂壓力控制在1.0～1.4 MPa。在必要時，還應加大同步注漿，對拖出盾尾的2～5環(huán)管片采用水泥+水玻璃雙液漿進行二次注漿封堵，防止盾尾的來水通過盾殼與開挖面的間隙流至刀盤。

2.2.2 盾尾密封設計

盾尾直徑為6 970 mm。盾尾密封采用4道盾尾刷設計，其中最后一道盾尾刷止?jié){板采用特殊設計，其特制的彈簧板能夠有效防止砂漿進入盾尾刷內部(如圖3所示)。

a)結構示意圖 b)最后一道盾尾刷止?jié){板

2.3 破碎帶高水壓換刀

本工程在F4斷層破碎帶中設置了2處帶壓換刀點及1處帶壓查刀點。換刀點地層主要為中、微風化凝灰?guī)r碎裂巖地層，且拱頂埋深(含水深)為50～52 m，故均采用帶壓進艙方式查換刀具。

2.4 開挖面穩(wěn)定控制

開挖面是一種動態(tài)的平衡。盾構在下穿海域段施工時，無論是掘進階段還是停止掘進階段，必須動態(tài)設定切口壓力，并防止切口壓力的波動，既要保證土體穩(wěn)定，又不能擊穿覆土層。

2.5 盾構掘進姿態(tài)控制

盾構法隧道施工及驗收規(guī)范(GB 50446—2017)規(guī)定，盾構軸線偏離隧道軸線達到50 mm時應及時處理。而盾構在掘進過程中總會偏離設計軸線，其糾偏必須有計劃、有步驟地進行。在掘進過程中，應隨時注意滾動角的變化，及時根據盾構機的滾動角數值調整刀盤的轉動方向，并根據泥巖地層情況對各項掘進參數進行調整。在糾偏過程中，掘進速度要放慢，并應注意防范糾偏過程中單側千斤頂受力過大對管片造成的損害。當盾構偏離設計軸線較大時，不得猛糾猛調，以免糾偏過大或盾尾與管片摩擦使管片破裂。

3 破碎帶掘進施工參數

本文以右線隧道為例，分析盾構在高水壓條件下穿越2條破碎帶的部分掘進施工參數。

3.1 F3破碎帶掘進參數

右線隧道盾構在F3破碎帶中掘進70環(huán)(第941環(huán)—第1 010環(huán))，其中碎裂巖主要分布區(qū)域為第945環(huán)—第968環(huán)。

3.1.1 刀盤推力變化規(guī)律

經統計，右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構刀盤推力變化情況如圖4所示。

圖4 在F3破碎帶中的右線泥水盾構刀盤推力曲線

由圖4可以看出：F3破碎帶掘進區(qū)段的刀盤推力整體穩(wěn)定，為17 000～20 000 kN；整體中風化火山角礫巖層掘進刀盤推力為18 000～19 000 kN；隨著巖性由軟到硬，掘進推力增加趨勢明顯；破碎帶掘進刀盤推力比正常掘進段刀盤推力波動大。

3.1.2 刀盤扭矩變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構刀盤扭矩沿區(qū)間總體變化情況如圖5所示。

圖5 在F3破碎帶中的右線泥水盾構刀盤扭矩曲線

由圖5可以看出：隨著巖層巖性由軟到硬，刀盤扭矩降低趨勢明顯；除去初始端及末端，F3破碎帶區(qū)間刀盤扭矩穩(wěn)定為2 000 kNm，與整體中風化火山角礫巖層刀盤扭矩(2 000 kNm)相比變化不大。

3.1.3 刀盤轉速變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構刀盤轉速變化情況見圖6。

圖6 在F3破碎帶中的右線泥水盾構刀盤轉速變化曲線

由圖6可以看出：在F3破碎帶中，泥水盾構刀盤轉速整體穩(wěn)定為1.5～2.5 r/min，與中風化火山角礫巖層刀盤轉速均值(2.1 r/min)相比有小幅波動，可在保證開挖面穩(wěn)定的同時實現安全快速掘進。

3.1.4 掘進速度變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構掘進速度沿區(qū)間總體變化情況見圖7。

圖7 在F3破碎帶中的右線泥水盾構掘進速度曲線

由圖7可見：由于地質條件較差，泥水盾構穿越F3破碎帶前后的掘進速度波動較大，總體為6～39 mm/min；進入破碎帶后，掘進速度趨于15～35 mm/min；在整體中風化火山角礫巖層，掘進速度為18～25 mm/min。上述掘進速度可在保證施工質量的前提下達到快速安全通過破碎帶的目的。

3.2 F4破碎帶掘進參數

右線隧道盾構在F4破碎帶中掘進360環(huán)(第1 530環(huán)—第1 890環(huán))。

3.2.1 刀盤推力變化規(guī)律

經統計，右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構刀盤推力變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，泥水盾構刀盤推力在進入破碎帶之后波動明顯：第1 530環(huán)到第1 624環(huán)，呈現波動中上升勢態(tài)；第1 624環(huán)到第1 808環(huán)呈上升趨勢，數值波動較大；第1 808環(huán)到第1 890環(huán)呈現同樣上升勢態(tài)。整體來看，F4破碎帶掘進區(qū)段刀盤推力為16 000～22 000 kN，而強、中風化巖層掘進刀盤推力為20 000～30 000 kN，破碎帶掘進刀盤推力低于正常掘進段刀盤推力。

圖8 在F4破碎帶中的右線泥水盾構刀盤推力曲線

3.2.2 刀盤扭矩變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構刀盤扭矩沿區(qū)間總體變化情況如圖9所示。

由圖9可以看出，第1 530環(huán)到第1 890環(huán)的刀盤扭矩呈現較大波動，且整體波動較規(guī)律，其主要是由強、中、微風化凝灰?guī)r地層轉換引起的。在F4破碎帶區(qū)段，泥水盾構刀盤扭矩為500～1 600 kNm，波動較大，而強、中風化巖層的平均刀盤扭矩達到3 000 kNm。

圖9 在F4破碎帶中的右線泥水盾構刀盤扭矩曲線

3.2.3 刀盤轉速變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構刀盤轉速曲線見圖10。

由圖10可以看出，在F4破碎帶區(qū)段，泥水盾構刀盤轉速基本穩(wěn)定在2.1～2.5 r/min，與整體強、中風化巖層刀盤轉速均值(1.4 r/min)相較有小幅提升，可在保證開挖面穩(wěn)定的同時實現安全、快速掘進。

圖10 在F4破碎帶中的右線泥水盾構刀盤轉速曲線

3.2.4 掘進速度變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構掘進速度沿區(qū)間總體變化情況見圖11。

圖11 在F4破碎帶中的右線泥水盾構掘進速度曲線

由圖11可以看出：泥水盾構掘進速度在第1 530環(huán)到第1 577環(huán)之間基本穩(wěn)定，在第1 577環(huán)到第1 720環(huán)間呈震蕩上升勢態(tài)，在第1 720環(huán)到第1 762環(huán)間呈下跌趨勢,在第1 762環(huán)到第1 848環(huán)間,出現先增大后減小的現象,在第1 848環(huán)到第1 890環(huán)間較穩(wěn)定。整體來看，泥水盾構穿越F4破碎帶時的掘進速度波動較大，為10～45 mm/min，穿越整體強、中風化巖層時的掘進速度為10～20 mm/min?？梢?，與正常段相比，在F4破碎帶的掘進速度波動幅度變大。經驗證，其在保證施工質量的前提下可快速安全通過破碎帶。

4 結論

1)破碎帶及巖層軟硬不均，對盾構機刀盤抗磨損提出了較高要求。因此，選用盾構機時需根據實際工程地質條件進行適應性改造：一方面，刀盤需加裝耐磨設計，視情況于面板無刀處也應加裝耐磨設計，滿足經濟性和適用性要求；另一方面，因高水壓的存在，需對海底盾構盾體保壓及盾尾密封進行特殊設計處理。

2)在高水壓條件下，查換刀點應優(yōu)先選擇巖層穩(wěn)定、覆土厚、上部巖層覆蓋多及開挖面為全斷面的巖層。

3)F3破碎帶主要巖層為中風化火山角礫巖。與正常段相比，破碎帶區(qū)段的盾構掘進總推力上下浮動10%，刀盤扭矩、掘進速度基本無異，刀盤轉速下降5%。在中風化火山角礫巖破碎帶地層保持相對穩(wěn)定的刀盤轉速施工掘進，建議刀盤轉速為 1.5～2.1 r/min。

4)F4破碎帶主要巖層為中、微風化凝灰?guī)r，盾構掘進總推力為正常段的74%，刀盤扭矩為正常段的42%、掘進速度較正常段提升40%，刀盤轉速較正常段提升14%。在中、微風化凝灰?guī)r破碎帶地層建議保持刀盤轉速在2.3 r/min左右穩(wěn)定掘進。