泥水盾构长距离穿越高水压破碎带施工技术*

孟绥宝 王 尧 詹 森 俞然刚 骆超锋 周耀升 王澜涛 石宝星 张子峰

(1.中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，214104，无锡；2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，266580，青岛∥第一作者，高级工程师)

为确保跨江、跨海隧道的施工安全，众多学者对水下盾构设备适应性改造、工程风险分析及施工控制措施等进行了研究。文献[1]从复合式盾构机的角度，重新区分硬岩及软硬不均地层，并总结出针对不同硬岩地段的处理方案；文献[2]依托长沙地铁3号线阜埠河站—灵官渡站区间的泥水盾构工程，分析了盾构穿越富水断裂破碎带时的各种施工风险，并从盾构掘进姿态、盾体保压措施、刀盘刀具、壁后注浆等方面提出了相应的控制措施；文献[3]基于南昌轨道交通1号线秋水广场站一中山西路站区间隧道工程，总结了泥水盾构穿越赣江断裂破碎带的相关施工技术，从盾构掘进控制、泥浆质量、同步注浆和二次注浆等方面探讨了施工技术改进情况；文献[4]依托广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构工程，针对掘进施工中易发生变化的边界条件，分析了掘进技术要点并提出了针对性技术措施；文献[5]依托深圳地铁13号线盾构掘进区间，介绍了盾构在上软下硬地层掘金中的常见问题；文献[6]依托长沙地铁6号线，分析了不同掘进参数对地表竖向沉降变形的影响；文献[7]从盾构设备方面介绍了泥水盾构穿越岩层破碎带的难点及处理措施。

目前，盾构法跨海隧道工程虽有较多理论研究的成果，但仅凭已建成或在建的10多座大型跨海隧道工程，尚无法完全填补工程实践的空白，在高水压条件下穿越断层破碎带的隧道施工和设计等方面，仍缺乏足够的工程经验。

本文依托青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间东侧过海段(以下简为“大—青段”)的泥水盾构工程，针对盾构穿越富水断裂破碎带地段施工，分析了施工难点，提出了相关的施工控制措施，结合现场施工对掘进参数进行分析，并提出了相关优化建议。

1 工程概况及施工难点

1.1 工程概况

大—青段起点位于青岛火车北站，终点为胶州湾海底矿山法隧道，呈东西走向。

大—青段可划分为陆域段和海域段，其中海域段采用泥水平衡盾构施工。盾构自大—青段2#风井始发，下穿胶州湾海域，穿越破碎带F3及F4(如图1所示)，最终于胶州湾海底矿山法隧道接收端弃壳接收。

图1 断裂带位置地层示意图

F3基岩破碎带位于海域中东部，破碎处基岩面埋深为29.3 m左右，主要岩体为中风化火山角砾岩碎裂岩，西侧为凝灰岩，东侧为泥质粉砂岩及火山角砾岩，主要力学性质为左行压扭性断裂，围岩级别为Ⅴ到Ⅵ级。

F4基岩破碎带位于海域中部，破碎处基岩面埋深为29.5～32.5 m，上覆厚层砂土。主要岩体为砂土状碎裂凝灰岩、块状碎裂凝灰岩、中等风化凝灰岩碎裂岩和微风化凝灰岩，围岩级别为Ⅴ到Ⅵ级。

1.2 施工难点

1)高水压、长距离掘进易造成盾尾密封失效。由于断层切割基岩，沟通基岩构造裂隙水与基岩上覆厚层砂层地下水的水力联系，使断层裂隙水富水性增大，且盾构在海底长距离掘进易造成盾尾密封因磨损而失效，从而引起地下水由盾尾处窜入隧道，造成隧道被淹。

2)不良地层的高水压条件换刀增大施工风险。通常压气换刀作业舱压控制在0.36 MPa以内，而该工程盾构过海段破碎带刀具更换点拱顶埋深(含水深)50 m左右，最高压气换刀作业需要在0.54 MPa左右的压力下进行。由于所处碎裂岩地层地质条件复杂，停机换刀时不仅开挖面存在失稳可能性，且加大了人员进舱换刀施工组织难度。

3)破碎带碎裂岩节理裂隙发育，开挖面易失稳。穿越破碎带距离长，地质条件复杂，且破碎带处于胶州湾海底，在高水头压力作用下进行海底盾构掘进时，可能会有开挖面失稳的情况出现，并击穿开挖面上部覆土层，使其与海水相连通，导致海底覆土层中的砂、石等进入泥水循环或伴随泥水舱泥浆逃逸现象发生，施工风险较大。

4)岩层软硬不均，刀盘刀具磨损严重。泥水盾构刀盘磨损情况与地质条件、掘进参数、刀具配置和掘进距离等多因素相关[8]，尤其当盾构在断层破碎带等不良地层中掘进时，极易对刀盘刀具产生冲击，磨损更加严重。

5)盾构姿态调整困难。因海域段地层提供的滚动阻力大，会产生盾体滚动偏差，在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差，盾构纠偏较为困难。同时，由于盾构在海域段掘进时推力及扭矩较大，掘进速度较慢，易造成导向系统全站仪倾斜而测量错误，进而影响盾构掘进施工。

2 施工控制措施

2.1 盾构刀盘配置

根据工程地质情况，具有较优地层适应性的刀盘刀具配置为：6主梁+6副梁复合式刀盘，开口率为35%，开挖直径为7 m；刀盘上配备6把18 in(43.18 cm)中心双刃滚刀，35把19 in(48.26 cm)单刃滚刀，12把边刮刀，49把刮刀，12把焊接撕裂刀。此外，为应对破碎带掘进刀具严重磨损情况，刀盘大圆环采用整环耐磨合金块设计，面板无刀的地方采用耐磨复合钢板全覆盖。面板上共设有5个磨损检测装置。

2.2 盾体保压及盾尾密封设计

2.2.1 盾体保压措施

1)盾构机适应性设计(如图2所示)：主驱动采用唇形密封形式，其中内唇形密封有2道，外唇形密封有5道，密封承压能力为1.05 MPa。

图2 外密封布置图

2)盾尾密封措施：在地质条件复杂地层掘进时，通过盾体周边的径向孔向盾尾后3～5环注入足量的聚氨酯进行密封。该措施可以封堵后方来水，防止管片后部的水流入前方，进而保证前方土舱内土体的稳定性。此外，还需通过盾尾环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过盾尾刷空隙渗入至隧道内。油脂管道注脂压力控制在1.0～1.4 MPa。在必要时，还应加大同步注浆，对拖出盾尾的2～5环管片采用水泥+水玻璃双液浆进行二次注浆封堵，防止盾尾的来水通过盾壳与开挖面的间隙流至刀盘。

2.2.2 盾尾密封设计

盾尾直径为6 970 mm。盾尾密封采用4道盾尾刷设计，其中最后一道盾尾刷止浆板采用特殊设计，其特制的弹簧板能够有效防止砂浆进入盾尾刷内部(如图3所示)。

a)结构示意图 b)最后一道盾尾刷止浆板

2.3 破碎带高水压换刀

本工程在F4断层破碎带中设置了2处带压换刀点及1处带压查刀点。换刀点地层主要为中、微风化凝灰岩碎裂岩地层，且拱顶埋深(含水深)为50～52 m，故均采用带压进舱方式查换刀具。

2.4 开挖面稳定控制

开挖面是一种动态的平衡。盾构在下穿海域段施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，必须动态设定切口压力，并防止切口压力的波动，既要保证土体稳定，又不能击穿覆土层。

2.5 盾构掘进姿态控制

盾构法隧道施工及验收规范(GB 50446—2017)规定，盾构轴线偏离隧道轴线达到50 mm时应及时处理。而盾构在掘进过程中总会偏离设计轴线，其纠偏必须有计划、有步骤地进行。在掘进过程中，应随时注意滚动角的变化，及时根据盾构机的滚动角数值调整刀盘的转动方向，并根据泥岩地层情况对各项掘进参数进行调整。在纠偏过程中，掘进速度要放慢，并应注意防范纠偏过程中单侧千斤顶受力过大对管片造成的损害。当盾构偏离设计轴线较大时，不得猛纠猛调，以免纠偏过大或盾尾与管片摩擦使管片破裂。

3 破碎带掘进施工参数

本文以右线隧道为例，分析盾构在高水压条件下穿越2条破碎带的部分掘进施工参数。

3.1 F3破碎带掘进参数

右线隧道盾构在F3破碎带中掘进70环(第941环—第1 010环)，其中碎裂岩主要分布区域为第945环—第968环。

3.1.1 刀盘推力变化规律

经统计，右线工程在F3破碎带(70环)中的泥水盾构刀盘推力变化情况如图4所示。

图4 在F3破碎带中的右线泥水盾构刀盘推力曲线

由图4可以看出：F3破碎带掘进区段的刀盘推力整体稳定，为17 000～20 000 kN；整体中风化火山角砾岩层掘进刀盘推力为18 000～19 000 kN；随着岩性由软到硬，掘进推力增加趋势明显；破碎带掘进刀盘推力比正常掘进段刀盘推力波动大。

3.1.2 刀盘扭矩变化规律

右线工程在F3破碎带(70环)中的泥水盾构刀盘扭矩沿区间总体变化情况如图5所示。

图5 在F3破碎带中的右线泥水盾构刀盘扭矩曲线

由图5可以看出：随着岩层岩性由软到硬，刀盘扭矩降低趋势明显；除去初始端及末端，F3破碎带区间刀盘扭矩稳定为2 000 kNm，与整体中风化火山角砾岩层刀盘扭矩(2 000 kNm)相比变化不大。

3.1.3 刀盘转速变化规律

右线工程在F3破碎带(70环)中的泥水盾构刀盘转速变化情况见图6。

图6 在F3破碎带中的右线泥水盾构刀盘转速变化曲线

由图6可以看出：在F3破碎带中，泥水盾构刀盘转速整体稳定为1.5～2.5 r/min，与中风化火山角砾岩层刀盘转速均值(2.1 r/min)相比有小幅波动，可在保证开挖面稳定的同时实现安全快速掘进。

3.1.4 掘进速度变化规律

右线工程在F3破碎带(70环)中的泥水盾构掘进速度沿区间总体变化情况见图7。

图7 在F3破碎带中的右线泥水盾构掘进速度曲线

由图7可见：由于地质条件较差，泥水盾构穿越F3破碎带前后的掘进速度波动较大，总体为6～39 mm/min；进入破碎带后，掘进速度趋于15～35 mm/min；在整体中风化火山角砾岩层，掘进速度为18～25 mm/min。上述掘进速度可在保证施工质量的前提下达到快速安全通过破碎带的目的。

3.2 F4破碎带掘进参数

右线隧道盾构在F4破碎带中掘进360环(第1 530环—第1 890环)。

3.2.1 刀盘推力变化规律

经统计，右线工程在F4破碎带(360环)中的泥水盾构刀盘推力变化情况如图8所示。

由图8可以看出，泥水盾构刀盘推力在进入破碎带之后波动明显：第1 530环到第1 624环，呈现波动中上升势态；第1 624环到第1 808环呈上升趋势，数值波动较大；第1 808环到第1 890环呈现同样上升势态。整体来看，F4破碎带掘进区段刀盘推力为16 000～22 000 kN，而强、中风化岩层掘进刀盘推力为20 000～30 000 kN，破碎带掘进刀盘推力低于正常掘进段刀盘推力。

图8 在F4破碎带中的右线泥水盾构刀盘推力曲线

3.2.2 刀盘扭矩变化规律

右线工程在F4破碎带(360环)中的泥水盾构刀盘扭矩沿区间总体变化情况如图9所示。

由图9可以看出，第1 530环到第1 890环的刀盘扭矩呈现较大波动，且整体波动较规律，其主要是由强、中、微风化凝灰岩地层转换引起的。在F4破碎带区段，泥水盾构刀盘扭矩为500～1 600 kNm，波动较大，而强、中风化岩层的平均刀盘扭矩达到3 000 kNm。

图9 在F4破碎带中的右线泥水盾构刀盘扭矩曲线

3.2.3 刀盘转速变化规律

右线工程在F4破碎带(360环)中的泥水盾构刀盘转速曲线见图10。

由图10可以看出，在F4破碎带区段，泥水盾构刀盘转速基本稳定在2.1～2.5 r/min，与整体强、中风化岩层刀盘转速均值(1.4 r/min)相较有小幅提升，可在保证开挖面稳定的同时实现安全、快速掘进。

图10 在F4破碎带中的右线泥水盾构刀盘转速曲线

3.2.4 掘进速度变化规律

右线工程在F4破碎带(360环)中的泥水盾构掘进速度沿区间总体变化情况见图11。

图11 在F4破碎带中的右线泥水盾构掘进速度曲线

由图11可以看出：泥水盾构掘进速度在第1 530环到第1 577环之间基本稳定，在第1 577环到第1 720环间呈震荡上升势态，在第1 720环到第1 762环间呈下跌趋势,在第1 762环到第1 848环间,出现先增大后减小的现象,在第1 848环到第1 890环间较稳定。整体来看，泥水盾构穿越F4破碎带时的掘进速度波动较大，为10～45 mm/min，穿越整体强、中风化岩层时的掘进速度为10～20 mm/min。可见，与正常段相比，在F4破碎带的掘进速度波动幅度变大。经验证，其在保证施工质量的前提下可快速安全通过破碎带。

4 结论

1)破碎带及岩层软硬不均，对盾构机刀盘抗磨损提出了较高要求。因此，选用盾构机时需根据实际工程地质条件进行适应性改造：一方面，刀盘需加装耐磨设计，视情况于面板无刀处也应加装耐磨设计，满足经济性和适用性要求；另一方面，因高水压的存在，需对海底盾构盾体保压及盾尾密封进行特殊设计处理。

2)在高水压条件下，查换刀点应优先选择岩层稳定、覆土厚、上部岩层覆盖多及开挖面为全断面的岩层。

3)F3破碎带主要岩层为中风化火山角砾岩。与正常段相比，破碎带区段的盾构掘进总推力上下浮动10%，刀盘扭矩、掘进速度基本无异，刀盘转速下降5%。在中风化火山角砾岩破碎带地层保持相对稳定的刀盘转速施工掘进，建议刀盘转速为 1.5～2.1 r/min。

4)F4破碎带主要岩层为中、微风化凝灰岩，盾构掘进总推力为正常段的74%，刀盘扭矩为正常段的42%、掘进速度较正常段提升40%，刀盘转速较正常段提升14%。在中、微风化凝灰岩破碎带地层建议保持刀盘转速在2.3 r/min左右稳定掘进。