王永喜 柳值
【摘 要】杭州环城北路—天目山路（中河立交—古翠路）地处快速路路网骨架干道，是缓解城市中心区域通行的主要大动脉，为了提升该路段通行效率，项目改造工程刻不容缓。文章针对长距离穿越软硬不均岩性多变地层施工难点进行分析，重点介绍了13.46 m大直径气垫式泥水平衡盾构施工面临的主要风险，以及施工中遇到的结泥饼、沉降、超限等一系列问题，并对上述问题逐一进行解决，同时总结出一套安全高效的施工方案，希望为类似项目提供借鉴。
【关键词】大直径盾构;软硬不均地层;应对措施
【中图分类号】U455.43 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0082-03
0 引言
随着城市化进程的不断加快，城市交通日益拥堵，为缓解交通堵塞等问题，大直径隧道建设数量随之增多。大直径盾构具有技术先进、安全可靠的施工优势，成为当前主要的施工工法。但由于我国地质环境复杂，存在软硬不均岩性差异较大的复合地层，因此传统的盾构设计方案针对性不强，在实际操作中存在诸多问题，必须依据项目实际状况采取针对性的施工方案。
1 工程概况
环城北路—天目山路（中河立交—古翠路）提升改造工程是杭州“天目—环北—艮山”快速路的中段部分，沿天目山路东西走向，分东段和西段2个标段，分别由2家单位施工，盾构隧道内径为11.9 m，管片外径为13 m，环宽2 m，采用“中铁装备”4台直径为13.46 m气垫式泥水平衡盾构施工，2台盾构由1号井始发自西向东掘进880环，另2台盾构由3号井自东向西始发掘进886环，贯通后均从中间2号井接收退场。
1.1 周边环境
本工程盾构隧道沿城市主干道天目山路敷设，沿线两侧建构筑物众多，地下管线密集，需穿越城市地表内河，需下穿地铁2、10号线及预留的地铁3号线，要求沉降控制精准，施工难度极大。
1.2 地质条件特点
隧道区间顶部覆土6～34 m，主要穿越地层及特点见表1。
东段盾构隧道土层长度641环占72%，上软下硬长度245环占28%，隧道主要以土层为主，上半断面均含有淤泥质黏土、粉质黏土。西段盾构隧道上软下硬长度670环占76%，硬岩长度120环占14%，土层长度89环占10%，隧道主要以上软下硬、左软右硬复合地层为主，上半断面均含有碎石夹黏土、全风化含砾粉砂岩，地层复杂多变，岩性差异大。
1.3 盾构机选型设计
本项目结合长距离软硬不均地质特点及风险，对盾构机刀盘进行优化设计。
1.3.1 盾构主要参数
主机长约15 m，驱动功率为4 900 kW，额定工作扭矩为29 950 kN·m，最大推力为18 857 t，工作压力为6 bar，最大掘进速度为50 mm/min，装机功率为8 685.2 kW，最大进浆流量为2 100 m3/h，最大排浆流量为2 500 m3/h。
1.3.2 盾构机及配套设备选型
本工程选用常规刀盘，采用8条辐中心支撑设计形式，刀盘开挖直径为φ13 460 mm，总厚1 024 mm，开口率为31%。安装双刃中心滚刀6把、单刃滚刀82把、刮刀121把、边刮刀16把。
1.3.3 泥浆处理系统配置
东段泥浆处理采用泥水分离设备+管道直排上船方案，安装了2套3000型分离设备及管道输送系统。西段泥浆处理采用“泥水分离设备+压滤机+离心机”方案，左右双线采用2组2 600/20型泥水分离设备，经过一、二级旋流后采用3台离心机和6台压滤机处理方案[1]。
1.4 主要风险及施工情况
西段盾构区间地质复杂，以上软下硬地层为主，刀盘设计以考虑硬岩段破岩能力和强度为主，因此牺牲了刀盘开口率，而且糊刀盘易结泥饼，掘进异常艰难并引发一系列问题，目前分别施工到339/490环，共带压开仓清理泥饼更换刀具86次，有效掘进时间仅占50%。东段以土层为主，掘进比较顺利，共带压开仓6次，有效掘进时间占87%，单日单台最高掘进11环（22 m），月最高210环。
2 长距离软硬不均地层主要风险及处理措施
西段盾构区间长距离软硬不均地层出现了一些风险，如浅覆土始发地面隆起10 cm、从未封堵好的勘察孔渗水、跑浆泄压、管片上浮10 cm等，这些风险问题在试验段阶段得到有效解决，以下主要针对糊刀盘结泥饼及沉降超限的应对情况进行介绍。
2.1 糊刀盘结泥饼问题及应对措施
2.1.1 糊刀盘结泥饼的征兆
掘进参数异常无法正常掘进，是结泥饼前兆。在右线掘进至105环时，此时掌子面地层是碎石夹黏土、全风化含砾粉砂岩、强风化含砾粉砂岩、中风化含砾粉砂，泥浆比重为1.1，速度降低至3～5 mm/min，刀盘转速为1.9 r/min，贯入度为2～3 mm，总推力达到70 000 kN，刀盘总轴承推力超过上限值22 500 kN，刀盘扭矩为6 000 kN·m，参数变化超过上一环10%以上，并且增大推力调整转速，泥浆比重调整至1.0 g/cm3以下，扭矩速度仍无变化，并有恶化趨势，初筛无明显渣土排出，排出泥浆温度升高，泥块超过40 ℃，通过空载环流再复推，情况没有改善，无法正常掘进，初步判断这种现象是糊刀盘结泥饼征兆。
2.1.2 糊刀盘情况检查及处理
降低泥水仓液位后通过可视化系统观察发现，刀盘开口处、滚刀与刀箱间隙全部被泥土糊住。105～106环掘进时先后尝试在泥水仓加入工业洗洁精润滑，注入分散剂和双氧水浸泡刀盘等措施，都没起到分解作用。最后在107环实施带压进仓检查，人员进仓后发现整个刀盘开口、滚刀与刀箱间隙全部被泥土硬块糊住，中心区已经硬化固结，对泥饼进行清理并对磨损刀具进行了更换，此次历时15 d，清理刀盘泥饼8 d，更换刀具7 d，共进仓32仓，更换单刃滚刀76把。在这种地层下，右线自93环、左线自107环开始，左、右线均表现为推进10环左右，刀盘就完全糊死，需要进仓清理并更换刀具[2]。
2.1.3 糊刀盘结泥饼原因分析
经过研究分析，糊刀盘结泥饼主要是地质特性引起，在碎石夹黏性土、强风化（含砾）粉砂岩、中风化（含砾）粉砂岩地层中，黏土矿物含量高，黏性极大，地层中20 mm以上砾石含量高达60%。对凝结的泥饼取样分析，黏粒蒙脱石含量达到59%，易吸水形成胶结物，在被挤压摩擦后导致刀盘开口及刀箱全部糊死，同时地层中的碎石、砾石与胶黏物质结合后，加快了糊刀盘结泥饼的速度。始发段前70环地层中含粉质黏土地层占比较大，扭矩速度参数正常，掘进比较顺利，即使泥浆比重达到1.3仍能正常推进。东段区间隧道以粉质黏土为主地层，500环之前没有发生糊刀盘现象，也没有更换刀具，掘进非常顺利。
2.1.4 采取的防治措施
防治措施：①根据参数变化情况，制定每10环主动带压进仓检查，把勤检查作为常态措施，每环有计划降液位利用土仓可视化系统勤查看刀盘刀具工作状态。②掘进时，确保中心冲刷流量保持在1 000 m3/h以上，掘进30 min，对气垫仓进行环流洗仓，防止滞排造成携渣不顺。③排浆比重严格控制在1.15 g/cm3以内，此阶段地层黏土黏粒成分非常高，泥浆比重上升非常快，每环废浆1 400 m3，关键是做好配套压滤能力保障及渣土外运组织。④在碎石夹黏土、强风化、全风化含砾粉砂岩地层刀具配置，将滚刀更换成撕裂刀，糊刀情况有所缓解，并且避免了糊刀后滚刀偏磨现象。⑤提前对进仓点进行预加固处理，降低土体渗透性，为带压进仓能够成功实施创造条件。在隧道拱顶碎石夹黏土、全强风化含砾粉砂岩地层，进行挤密注入单液水泥浆固结，不仅减少地面漏气影响，还可以防止带压进仓作业转动刀盘时，扰动拱顶掉块形成空洞隐患。
2.2 沉降超限问题及应对措施
2.2.1 沉降超限问题经过
5月31日下午在左线165～168环位置，盾构机停机做泥膜保压，准备进行带压进仓作业，人员进仓发现拱顶上方有掉块现象，并且12点位有清水流出，人员停止作业撤出后，将泥水仓立即充满泥浆平衡，压力稳定在2.1 bar（埋深19 m）。在1 h后地面巡视值守人员发现165环处绿化带也出现涌水（该处有1根DN400给水管），将自来水管道关闭后，从涌水位置有泥浆涌出，盾构机当时压力为2.0 bar，液位每分钟下降2 cm，随着冒浆量增大，泥水仓液位持续下降，水管处绿化带2 m×3 m范围出现沉陷情况，项目部立即进行现场封闭应急处置，抽排泥浆并用砂浆回填处理，对交通安全未造成影响。
2.2.2 原因分析
原因分析：①盾构机目前停机位置为绿化带，隧道拱顶为碎石夹黏性土，地质松散并存在裂隙，渗透系数较大，上方自来水管材质老化渗漏造成土体浸泡松软，地层经扰动后进行泥浆环流时，导致地面冒浆，泥浆携带泥土流失造成绿化带较大沉降，这是主要因素。在未施工前，该水管已发生多次自然爆裂涌水情况，当时正在分段改造中。②在此类地层下，盾构机掘进困难需要频繁带压开仓清理刀盘和更换刀具，在气压作业过程中，泄气量虽然符合10%的规范安全要求，但是高压气体在地层形成逃逸通道，对地层产生直接扰动。盾构机在此处带压进仓停机时间长，泥浆长时间浸泡造成土体软化也是沉降的诱因。③推进过程中发生2次泥浆泵及管路堵塞，造成压力波动0.3 bar，增大对地层冲击，加剧了泥浆在地层中的扩散范围。
严格控制掘进参数环流管理及停机时泥水仓泥浆质量，措施如下：①在不良地质掘进，确保掘进时参数稳定。推进速度保持在7～12 mm/min，压力波动小，统计好出渣量，防止结泥饼，减少带压进仓频次。掘进时泥水仓压力设定高于临界值0.2 bar，防止周围土体水分渗入泥水仓破坏泥膜或者降低土仓泥浆质量，每环推进结束后，定时进行泥浆循环。②停机时严防气垫仓液位上涨。按照经验值，液位下降正常，每小时液位下降1 cm正常。长时间停机必须采用高性能泥浆填充泥水仓，隔板上部取样黏度不应低于30 s，比重不低于1.1 g/cm3。刀盘每4 h间隔以0.8 r/min左右旋转5～10 min，达不到以上指标，应重新制浆置换。③带压进仓作业时，泥水仓压力设定高于临界值0.2 bar，新膨润土浆黏度至少在80 s以上，液置换完成泥浆比重不低于45 g/cm3。带压进仓发现拱顶上方或前方掉块形成空洞，立即停止作业，创造条件快速恢复掘进，在空洞到达中盾位置后，利用空洞稳定的时间效应，在地面采取跟踪注入双液浆进行回填密实，避免塌陷风险。④对不良地质采取注浆预加固处理，防止带压作业时掌子面掉块形成隐患。对地面管线及地面空洞检测，发现异常及时处理。
3 对类似项目管理建议措施
3.1 地质是基础
对地层变化段进行补勘验证，要以最准确的数据为施工提供依据。复合地层大盾构断面内地质偏差极大，本项目西段区间经常有5种以上地层交互存在，岩性突变很大，对换刀点的设定、掘进参数判断，以及施工风险、工期风险评估更加困难[3]。
3.2 设备是关键
对盾构机选型设计要深入调研，本项目所设计使用盾构机在环流系统、刀盘开口率等方面存在一定问题，左右线分别在240环、335环全断面岩层对盾构机进行了改造。包括割除刀盘3道环筋内外2道，对环流系统进行改造。刀具进行优化配置，在土层及强风化地层，撕裂刀应对糊刀盘结泥饼比滚刀效果好。在黏土层、砾石、碎石块较大的上软下硬复合地层，建议选型双模盾构，其特点是在泥浆环流掘进过程中，同时开启泡沫系统、螺机系统，既可以避免刀盘结泥饼，又可以快速利用螺机辅助排渣，避免滞排现象。为保证不堵泵，在排浆泵之前设计滚轴式采石箱。据了解，成都至浦江铁路工程紫瑞隧道12.84 m大直径土压-泥水双模盾构施工取得非常好的效果，获得业界好评。
3.3 管理是根本
工期进度目标要科学合理筹划，在掘进参数发生微小变化应坚决停机进仓检查，避免造成严重后果。施工方案论证一定要聘请有类似地层经验的权威专家，不能为纯粹通过评审而评审，而且专家要固定。项目部团队要做到精细管理，每掘进30 cm要对主要参数、泥浆质量、环流系统、洗仓时间、出渣情况进行记录分析，扭矩速度微小变化要敏感，发现异常勤检查，要有泥浆指标红线意识。加强监控量测管理，对盾构推进刀盘前100環、盾尾后20环实施动态地震波检测，对路面进行24 h巡视及蹲守，做好预警分析和应急管理。
4 结束语
大直径盾构开挖断面大，在上软下硬复杂地质施工难度极大，虽然大直径盾构施工技术已经日趋成熟，但是复杂地层难免遇到波折，还需要深入研究总结，要重视精细管理。只有将地质、设备、人员管理等因素有机结合起来，才能克服结泥饼、滞排、沉降及刀盘刀具磨损难题，保证项目顺利实施，推动大盾构事业的发展。
参 考 文 献
[1]李凤远，赵海雷，冯欢欢.超大直径泥水盾构施工风险防控方法研究[J].施工技术，2019，48（19）：100-105，
109.
[2]孙善辉，陈馈，王助锋.大直径泥水盾构针对长距离施工的优化[J].隧道建设，2012，32（2）：245-249.
[3]陈健，黄永亮.超大直径泥水盾构施工难点与关键技术总结[J].地下空间与工程学报，2015，11（S2）：637-
644，660.
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