中國泥水盾構(gòu)使用現(xiàn)狀及若干問題

朱 偉， 錢勇進(jìn)， 閔凡路， 王 璐， 王 超， 徐 超， 胡澗楠

(1. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室， 江蘇 南京 210098； 3. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國城市地鐵、大型過江過河隧道工程及引水工程的大規(guī)模興建，泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。已建成的上海、南京、武漢穿越長江隧道[4-6]，南水北調(diào)中線穿黃隧道[7]，杭州錢江隧道[8]、廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道[9]、揚(yáng)州瘦西湖隧道[10]等工程都采用泥水盾構(gòu)施工，擬建或正在論證的煙大渤海海峽隧道[11]和瓊州海峽隧道[12]，以及正在建設(shè)中的多個城市地鐵的越江河隧道工程都準(zhǔn)備或正在采用泥水盾構(gòu)工法[13]。因此，泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)已成為我國重大地下工程建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于我國幅員遼闊，各地地質(zhì)條件差別較大，許多隧道遇到斷面上同時存在巖石和土層、軟土和卵石等復(fù)雜地質(zhì)條件，加上施工中很多不可預(yù)知因素的影響，目前泥水盾構(gòu)隧道施工中遇到了各種各樣的技術(shù)問題。除了盾構(gòu)隧道施工普遍面臨的淺覆土施工控制、穿越大堤安全防治、地表沉降控制、管片拼裝上浮、錯臺控制及姿態(tài)控制等難題以外，大直徑泥水盾構(gòu)也遇到了一些特有的困難和問題，例如： 在高滲透性地層中泥漿擊穿開挖面、開艙過程中開挖面失穩(wěn)、卵礫石地層攜渣困難、廢棄漿液如何處理等[14-18]。我國目前已成為世界上擁有大直徑盾構(gòu)最多的國家，擁有數(shù)量眾多的大斷面泥水盾構(gòu)[19]。未來，在很多重大隧道工程，尤其是穿江跨海隧道工程中，泥水盾構(gòu)技術(shù)必然會成為主要的施工方法。因此，有必要對目前我國泥水盾構(gòu)的使用情況進(jìn)行總結(jié)，對工程中常遇到的問題進(jìn)行分析，為下一步形成系統(tǒng)、全面和規(guī)范的施工方法提供借鑒。

本文結(jié)合幾個大直徑泥水盾構(gòu)施工工程，收集相關(guān)工程實例，以期了解泥水盾構(gòu)技術(shù)的使用現(xiàn)狀，分析施工過程中出現(xiàn)的一些問題，為未來的施工和泥水盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒。

1 泥水盾構(gòu)的使用現(xiàn)狀

1.1 泥水盾構(gòu)的使用日趨廣泛

泥水盾構(gòu)在我國最早使用于1993年底開建的廣州地鐵1號線上，該工程在黃沙站至烈士陵園站區(qū)間穿越珠江時，采用2臺直徑6.14 m的泥水盾構(gòu)(日本住友制造)，穿越地層主要為富水砂層與淤泥層，于1997年11月貫通[20]。1996年，上海地區(qū)采用直徑為11.32 m的泥水盾構(gòu)修建了延安東路南線越江隧道。此后，泥水盾構(gòu)在大斷面越江隧道中的應(yīng)用越來越廣泛。2008年建成通車的武漢長江隧道是我國在長江上修建的第1條大型公路隧道，采用2臺直徑為11.34 m的泥水盾構(gòu)穿越部分粉砂、卵石等高滲地層，地質(zhì)條件復(fù)雜、地層上軟下硬，是當(dāng)時施工難度較大的江底泥水盾構(gòu)隧道工程[21]。隨后，南水北調(diào)中線穿黃隧道、上海滬崇蘇隧道、南京長江隧道、廣州獅子洋隧道、杭州慶春路過江(錢塘江)隧道、杭州錢江隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道、南京揚(yáng)子江隧道(緯三路)以及武漢三陽路隧道等相繼建成，一批大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工工程標(biāo)志著我國水下大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的成熟和工程應(yīng)用的蓬勃發(fā)展[22-23]。

1.2 逐漸向大斷面、長距離、高水壓方向發(fā)展

圖1為我國泥水盾構(gòu)發(fā)展簡圖。隨著我國泥水盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)直徑逐漸變大，掘進(jìn)時遇到的最大水壓逐漸增加，掘進(jìn)距離逐漸變長。此外，我國各大城市地鐵中過江穿河地鐵段也基本上都使用直徑在6 m左右的泥水盾構(gòu)，如廣州地鐵穿越珠江段、成都地鐵、深圳地鐵、蘭州地鐵、上海地鐵穿越黃浦江段、杭州地鐵穿越錢塘江段等。除以上這些已建成的隧道之外，據(jù)筆者了解，目前我國在建的超大直徑(14 m以上)泥水盾構(gòu)隧道有多條，如： 深圳春風(fēng)隧道、上海北橫通道、南京和燕路隧道、香港屯門隧道、濟(jì)南黃河隧道、蕪湖城南長江隧道、汕頭海灣隧道。從我國正在規(guī)劃的一些重大越江海隧道工程、城市市政管網(wǎng)隧道、大型綜合管廊等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展趨勢來看，泥水盾構(gòu)隧道在其中也起到不可或缺的作用。

(a) 我國泥水盾構(gòu)掘進(jìn)距離及深度發(fā)展簡圖 (b) 我國泥水盾構(gòu)直徑發(fā)展簡圖

圖1我國泥水盾構(gòu)發(fā)展簡圖

Fig. 1 Schematic of slurry shield development in China

2 施工的主要特點(diǎn)

我國早期的泥水盾構(gòu)施工技術(shù)主要受日本的影響，但隨著各大城市地鐵隧道的大量建設(shè)，德國的盾構(gòu)逐漸得到更為廣泛的使用。目前，我國已進(jìn)入自主研發(fā)并制造盾構(gòu)的技術(shù)階段，直徑在6 m左右的地鐵區(qū)間隧道所使用的泥水盾構(gòu)大多數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，而大直徑泥水盾構(gòu)隧道工程仍然采用與德國、日本等盾構(gòu)廠商合作的方式，由此形成了我國泥水盾構(gòu)施工技術(shù)的一些主要特點(diǎn)。

2.1 穿越地層復(fù)雜

我國泥水盾構(gòu)技術(shù)在蓬勃發(fā)展的同時，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中遇到的地層愈加復(fù)雜。盾構(gòu)的選型、刀盤布置、刀具磨損等方面與所穿越的地層密切相關(guān)。近年來修建的盾構(gòu)隧道中，穿越的具有代表性的地層情況統(tǒng)計見表1。

表1不同工程中盾構(gòu)隧道穿越地層條件

Table 1 Stratum conditions of shield tunnels in different projects

工程名稱穿越地層條件武漢三陽路長江隧道 粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖杭州錢塘江隧道淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土南京長江隧道 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂及圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥巖南京揚(yáng)子江隧道 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、圓礫卵石、中風(fēng)化砂巖揚(yáng)州瘦西湖隧道黏粒含量高達(dá)90%的硬塑性黏土層北京鐵路地下直徑線砂卵石、黏性土、粉土、中砂、粉砂等杭州慶春路越江隧道 粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和圓礫益田路隧道 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、變質(zhì)砂巖珠海橫琴馬騮洲交通隧道 軟弱黏土、礫質(zhì)黏性土、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖南京和燕路隧道全斷面巖層、粉砂、上軟下硬地層獅子洋隧道 微風(fēng)化砂巖、砂礫巖、局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

從表1中可以看出，大部分盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中會穿越2種以上地層，其中，既有軟弱的黏土、泥巖，也有較堅硬的巖層。同時，隨著盾構(gòu)隧道向著大直徑、長距離方向發(fā)展，同一個開挖段面上會出現(xiàn)3種甚至更多種地層復(fù)合的情況，例如： 南京揚(yáng)子江隧道掘進(jìn)過程中穿越上部粉砂及礫砂的軟土層、下部卵石及中風(fēng)化砂巖的硬巖層，這些復(fù)雜地層往往是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中最為困難的部分，因此，也對隧道施工提出了更高的要求。

2.2 壓力艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我國使用的泥水盾構(gòu)壓力艙的構(gòu)造有2類： 單艙式泥水盾構(gòu)和雙艙式泥水盾構(gòu)(如圖2所示)。其中，單艙式泥水盾構(gòu)只有1個泥水艙，艙內(nèi)泥漿壓力通過進(jìn)出漿泵的流量差來控制，泥水平衡過程中壓力波動偏大，這種方式在小斷面和早期的施工中應(yīng)用較多，如多數(shù)的城市地鐵隧道；雙艙式泥水盾構(gòu)的泥水艙被中間隔板分成壓力艙和氣壓艙，艙中壓力主要通過氣壓艙的氣壓和進(jìn)出漿泵的流量差共同調(diào)節(jié)。由于氣壓控制的準(zhǔn)確性和艙內(nèi)維護(hù)、維修的便利性，穿越復(fù)合地層的大直徑隧道多采用這種結(jié)構(gòu)，如南京長江隧道、南京揚(yáng)子江隧道、武漢三陽路隧道等。從我國盾構(gòu)隧道施工的經(jīng)驗來看，一般都較為注重盾構(gòu)端部設(shè)備的維護(hù)和維修，因此，大多數(shù)泥水盾構(gòu)選型時較偏向于雙艙式構(gòu)造，這已經(jīng)成為我國泥水盾構(gòu)壓力艙構(gòu)造的主流。

2.3 普遍出現(xiàn)刀具磨損等情況需開艙檢修

由于盾構(gòu)穿越的地層復(fù)雜多變，國內(nèi)盾構(gòu)隧道工程中或多或少存在刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。我國已建成及在建的大直徑泥水盾構(gòu)工程由于多穿越江河及海底，幾乎都遇到了上軟下硬、上土下巖的復(fù)合地層，而成都、北京、沈陽、蘭州等城市，在地鐵區(qū)間修建過程中更是遇到了大尺寸、高強(qiáng)度的卵石、礫石地層。為了應(yīng)對這種復(fù)雜的地質(zhì)條件，盾構(gòu)設(shè)計之初，大多數(shù)都同時配置切削土層的齒刀和擠壓巖石的滾刀。由于齒刀在巖層中的過量磨損、滾刀在土層中的滯滾偏磨等原因，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中普遍出現(xiàn)了刀具磨損嚴(yán)重、非正常磨損以及機(jī)械設(shè)備損壞等現(xiàn)象，進(jìn)而被迫停機(jī)、不得不進(jìn)行更換刀具作業(yè)。

(a) 單艙式

(b) 雙艙式

除上述的刀具磨損以外，還經(jīng)常遭遇異常地質(zhì)條件、碎石機(jī)故障、刀盤結(jié)餅及環(huán)流系統(tǒng)故障等問題，需要技術(shù)人員進(jìn)入壓力艙內(nèi)實施維護(hù)、維修以排除施工故障、恢復(fù)掘進(jìn)，如： 南京長江隧道在江底礫砂地層中因刀具磨損嚴(yán)重，開艙進(jìn)行了刀具更換和刀盤加固；廣深港鐵路獅子洋隧道工程由于刀具更換及地中對接進(jìn)行了開艙；南水北調(diào)中線穿黃隧道因需要更換刀具、處理刀盤結(jié)泥餅以及處理地下枯樹和孤石，進(jìn)行了開艙檢修；廣州地鐵3號線盾構(gòu)隧道工程因地層石英含量高，刀具磨損嚴(yán)重，開艙進(jìn)行了刀具的檢查和更換；北京鐵路地下直徑線工程在砂卵石地層中因刀具磨損嚴(yán)重，進(jìn)行了開艙換刀；武漢地鐵8號線越江隧道工程因刀具磨損及為適應(yīng)地層更換滾齒刀進(jìn)行了開艙。與國外通過預(yù)先勘探等措施盡量避免停機(jī)開艙的理念不同[24]，我國盾構(gòu)施工中遇到復(fù)雜地層時，盾構(gòu)常因掘進(jìn)異常被迫停機(jī)，不得不進(jìn)行刀具更換或維修。頻繁的停機(jī)開艙作業(yè)也成為泥水盾構(gòu)施工常態(tài)化的技術(shù)環(huán)節(jié)。

2.4 泥水盾構(gòu)泥漿處理及使用材料多樣化

我國的泥水盾構(gòu)施工中，泥漿環(huán)流系統(tǒng)排出的泥漿大多數(shù)都通過泥水分離系統(tǒng)(振篩和旋流)配合尾漿沉淀池進(jìn)行處理。少數(shù)工程還配置了板框壓濾設(shè)備和離心脫水設(shè)備，對泥漿進(jìn)一步脫水后進(jìn)行外運(yùn)處置，但因泥漿處理效率較低和運(yùn)行成本較高，目前在工程中還使用較少。

泥水盾構(gòu)領(lǐng)域使用的泥漿材料主要以膨潤土為基礎(chǔ)，加入黏土、粉土等填充材料以調(diào)節(jié)泥漿中固相顆粒的級配組成及泥漿密度，并進(jìn)一步加入CMC、正電膠、碳酸鈉等添加劑以調(diào)節(jié)泥漿的黏度及穩(wěn)定性。目前，我國泥水盾構(gòu)用泥漿材料種類繁多、品質(zhì)各異，各種泥漿添加劑，如堵漏劑、增黏劑、分散劑、造漿劑等多達(dá)數(shù)十種，再加上我國膨潤土的產(chǎn)地眾多，生產(chǎn)出的膨潤土的品質(zhì)參差不齊，致使其造漿性能千差萬別，缺乏相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。因此，在泥漿材料的使用和泥漿的配制上經(jīng)常出現(xiàn)混亂。

2.5 盾構(gòu)的重復(fù)使用

國際上，一般盾構(gòu)設(shè)計理念為“量身定做”，即根據(jù)工程的特點(diǎn)和地質(zhì)條件進(jìn)行專門設(shè)計和制造，一般是1臺盾構(gòu)僅服務(wù)1個工程。而我國的盾構(gòu)普遍進(jìn)行重復(fù)使用，根據(jù)地鐵施工不完全的統(tǒng)計，盾構(gòu)的重復(fù)使用率占80%以上，許多盾構(gòu)都從20世紀(jì)90年代地鐵建設(shè)初期一直使用至今[25]。南京長江隧道工程完工后，直徑為14.93 m的盾構(gòu)被稍加改造后在揚(yáng)州瘦西湖隧道穿越全斷面硬塑黏土地層中再次利用；上海長江隧道施工時使用的直徑為15.43 m的盾構(gòu)，后來在杭州錢塘江隧道施工時被再次利用；許多城市地鐵盾構(gòu)同樣存在著重復(fù)利用的情況，如購于2004年的“中建二號”盾構(gòu)曾先后應(yīng)用于北京地鐵4號線、沈陽地鐵1號線和2號線等工程[26]。這也是利用了我國對盾構(gòu)進(jìn)行改造的成本較低的優(yōu)勢，通過重復(fù)使用，更大程度地利用盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工，也推動了盾構(gòu)再制造技術(shù)的發(fā)展。

2.6 單管雙層結(jié)構(gòu)的采用

隨著隧道斷面的逐漸增大，隧道單管雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案逐漸被國內(nèi)越來越多的工程考慮并采納。相較于單管單層隧道而言，單管雙層隧道可以大幅提高內(nèi)部的空間利用率，并且相較于常規(guī)的雙管隧道，建設(shè)成本可以減少，同時減少了對地下空間的占用。目前，國內(nèi)已經(jīng)建成及在建的超大直徑單管雙層盾構(gòu)隧道有南京揚(yáng)子江隧道[14，27]、揚(yáng)州瘦西湖隧道[28]、深圳春風(fēng)隧道[29]等。與常規(guī)的單管結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)需要更多考慮內(nèi)襯荷載的施加、傳遞方式，一般應(yīng)該考慮進(jìn)行內(nèi)襯荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗算。另外，雙層公路隧道也要妥善考慮火災(zāi)等特殊情況下的逃生通道設(shè)計，尤其是解決好隧道下層發(fā)生火災(zāi)情況下，由于煙霧及火勢有向隧道上部蔓延的風(fēng)險，下層人員向上層如何安全逃生的問題。

2.7 卵石地層典型施工特點(diǎn)

盾構(gòu)隧道在穿越砂卵石地層時，因地層卵石強(qiáng)度高、顆粒大等特點(diǎn)，施工過程中出現(xiàn)一系列的問題。其中，以蘭州軌道交通建設(shè)過程中遇到的問題尤為突出。蘭州市受黃河走向及地質(zhì)構(gòu)造的影響，區(qū)域內(nèi)分布第四系下更新統(tǒng)砂卵石，厚度可達(dá)300 m[30]。蘭州軌道交通1號線盾構(gòu)隧道施工時大范圍穿越砂卵石地層，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中因砂卵石層自穩(wěn)性差、含砂率低、泥水盾構(gòu)施工中形成的泥膜性質(zhì)不穩(wěn)定、開挖面穩(wěn)定性難以控制，會發(fā)生開挖面失穩(wěn)甚至塌方的情況；地層中卵石粒徑大、石英含量高，刀盤刀具在掘進(jìn)過程中磨損非常嚴(yán)重，有時會發(fā)生滾刀卡住而偏磨的情況[31]。大部分地區(qū)大于40 mm粒徑的卵石含量高達(dá)50%以上[32]，大卵石需經(jīng)過碎石機(jī)破碎后才能通過排漿管攜帶，因此，造成碎石機(jī)負(fù)荷過重、經(jīng)常故障；同時，卵石經(jīng)過泥漿管帶出隧道，泥漿管的磨損情況非常嚴(yán)重。大粒徑卵石層中刀具磨損、碎石機(jī)故障、泥漿攜渣困難、管道損破等問題異常突出[33]。

3 關(guān)鍵問題及實例

3.1 盾構(gòu)刀具磨損和地層適應(yīng)性問題

盾構(gòu)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時，常因刀具配置與地層適應(yīng)性不合理，如刮刀在巖層中的過量磨損、滾刀在土層中的滯滾偏磨等，不可避免地會遭遇刀具過量磨損等情況。盾構(gòu)刀具磨損會引發(fā)許多問題，如盾構(gòu)有效切削效率減小，掘進(jìn)速率降低；盾構(gòu)所需轉(zhuǎn)矩增大，影響盾構(gòu)整體工作機(jī)能；破碎刀具等混入壓力艙中，對刀盤刀具及管路造成二次磨耗或損壞等。南京揚(yáng)子江隧道施工過程中，盾構(gòu)在穿越粉質(zhì)黏土、礫砂、卵石和砂巖的復(fù)合地層時(典型地層如圖3所示)，造成了刀具的嚴(yán)重磨損(見圖4)。

南京揚(yáng)子江隧道盾構(gòu)刀盤配切削刀628把，滾刀89把。掘進(jìn)至596環(huán)時，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)異常，進(jìn)艙檢查后發(fā)現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重，隨后進(jìn)行帶壓進(jìn)艙檢修，更換51把滾刀，占滾刀總數(shù)的57%；更換切削刀58把，占切削刀總數(shù)的9%。在后續(xù)掘進(jìn)過程中，逐次掘進(jìn)5環(huán)、8環(huán)、35環(huán)、19環(huán)及34環(huán)后進(jìn)行了刀具的更換，分別更換了28把滾刀、43把滾刀、29把滾刀、4把滾刀；掘進(jìn)中第6次開艙時更換了68把滾刀及34把刮刀。盾構(gòu)整個掘進(jìn)過程中總共更換滾刀223把，約占滾刀總數(shù)的251%，更換切削刀92把，約占切削刀總數(shù)的15%?？梢钥闯龆軜?gòu)刀具在該上土下巖地層掘進(jìn)過程中，容易造成刀具的崩刃，如圖4(a)所示；刀體斷裂，如圖4(b)所示；另外，由于地層卵石中石英含量高，對刀具的磨損嚴(yán)重，如圖4(c)所示；地層中存在黏土的夾層，容易使?jié)L刀刀箱結(jié)餅，造成滾刀偏磨，如圖4(d)所示。

圖3 南京揚(yáng)子江隧道典型上土下巖斷面示意圖(單位： m)

Fig. 3 Schematic of typical mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel (unit: m)

(a) 崩刃

(b) 刀體斷裂

(c) 刀體磨損

(d) 偏磨

此外，南京長江隧道盾構(gòu)在穿越粉砂與砂卵石等上軟下硬復(fù)合地層時(如圖5所示)，因粉砂地層中石英含量高達(dá)70%，刀具也出現(xiàn)嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。類似地，南水北調(diào)中線穿黃隧道盾構(gòu)穿越高石英含量的砂地層和堅硬的鈣質(zhì)結(jié)核時，造成了全部16把邊緣鏟刀嚴(yán)重?fù)p壞，占鏟刀總數(shù)的100%；3把滾刀已經(jīng)損壞，占滾刀總數(shù)的38%，其余的只是刀圈磨損；24把先行刀合金塊掉落，占先行刀總數(shù)的100%，刀盤外緣也受到了不同程度的磨損。

圖5 南京長江隧道典型上軟下硬斷面示意圖(單位： m)

Fig. 5 Schematic of typical mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel (unit: m)

3.2 開艙檢修實例

盾構(gòu)開艙檢修過程主要包括分析停機(jī)原因、確定開艙方案、確保開挖面穩(wěn)定、艙內(nèi)機(jī)械維修、艙內(nèi)施工技術(shù)及進(jìn)艙人員的安全保障等，開艙過程中遇到了如開挖面的穩(wěn)定控制、壓氣條件下焊接及人員安全保障等技術(shù)問題[30]。雖然國內(nèi)外已有不少成功開艙的實例，但相應(yīng)的技術(shù)和相關(guān)理論尚未進(jìn)行深入的分析和系統(tǒng)的梳理，開艙檢修過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題引起了工程界和學(xué)術(shù)界極大的關(guān)注。

根據(jù)開艙檢修時壓力艙內(nèi)維持壓力的方式，目前的開艙方式可以分為常壓開艙和帶壓開艙2種。常壓開艙是指通過對盾構(gòu)刀盤前方的土體加固處理后，釋放艙內(nèi)壓力,操作人員在常壓情況下進(jìn)入盾構(gòu)艙內(nèi)作業(yè)，或從地面向下開挖豎井至刀盤前方，技術(shù)人員在豎井內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。土體加固措施的選取，一般視開挖面前方土體的穩(wěn)定性來定，若土體具有足夠的自穩(wěn)性，甚至可以不采取加固措施，直接進(jìn)行開艙作業(yè)。目前采用的土體加固措施，主要以降水和常規(guī)的土體加固措施為主，這些工藝和技術(shù)相對成熟。

南水北調(diào)中線穿黃隧道工程中盾構(gòu)開艙是我國典型的常壓開艙實例之一。該工程盾構(gòu)停機(jī)于平坦的黃河灘地，場地水位在自然地面以下4 m，隧道拱頂覆土29 m(其中，上部28 m為中粗砂地層，下部1 m為壤土地層)，通過采用先水泥攪拌樁從地面向下加固地層、后井點(diǎn)降水的方法，技術(shù)人員通過盾構(gòu)人閘進(jìn)入壓力艙，常壓下對刀盤刀具進(jìn)行修復(fù)。

常壓開艙作業(yè)安全性好，同時避免了帶壓開艙作業(yè)中的升壓、降壓過程對施工人員的健康造成不良影響。但是，施工過程中輔助工程量大、工期較長、工程成本也較高；當(dāng)隧道上方有構(gòu)筑物、交通繁忙的道路以及江河湖等富水區(qū)域時，往往無法從地表進(jìn)行加固施工，而需要考慮采取帶壓開艙操作來完成維修和刀具更換作業(yè)。

泥膜支護(hù)帶壓開艙作業(yè)是目前應(yīng)用較多的帶壓開艙方式，是以壓縮空氣的壓力置換壓力艙內(nèi)的泥漿壓力，以氣壓通過泥膜平衡開挖面的水土壓力，操作人員在氣壓環(huán)境下進(jìn)入壓力艙進(jìn)行操作。在遇到砂土等高透水性地層時，需要先進(jìn)行地層成膜及閉氣性的輔助施工，保證壓氣條件下開挖面的穩(wěn)定性。已通車的南京長江隧道是我國典型的泥膜支護(hù)帶壓開艙實例之一。該盾構(gòu)停機(jī)于江面下方約50 m處，其中,覆土約22.5 m，其所處斷面上部約1/4為⑧粉細(xì)砂，滲透系數(shù)為6×10-3cm/s；下部約3/4為⑩礫砂，滲透系數(shù)約為3×10-2cm/s(見圖6)，采用泥膜支護(hù)帶壓開艙的方式進(jìn)行作業(yè)。由于粉砂、礫砂地層滲透性大，開艙前先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的膨潤土泥漿泵送至泥水艙，向開挖面進(jìn)行滲透，在開挖面附近形成滲透帶；然后將密度為1.15～1.20 g/cm3的純膨潤土泥漿泵送至泥水艙，繼續(xù)向開挖面進(jìn)行滲透，在開挖面上形成閉氣性良好的泥膜(見圖7)。然后在盾構(gòu)泥漿艙頂部以下3.0 m范圍內(nèi)降低泥漿液面，置換為0.6 MPa的壓縮空氣，工作人員在拱頂?shù)母邏簹怏w中進(jìn)行刀具更換和修復(fù)作業(yè)。揚(yáng)州瘦西湖隧道工程的開艙檢修也是采用的常規(guī)壓縮空氣帶壓開艙方式。

圖6 南京長江隧道盾構(gòu)停機(jī)斷面示意圖(單位： m)

Fig. 6 Schematic of mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel when shield stopped (unit: m)

圖7 南京長江隧道盾構(gòu)開艙后觀測到的泥膜

Fig. 7 Filter cake observed during intervention in shield chamber in Nanjing Yangtze River Tunnel

泥膜支護(hù)帶壓開艙不需要對地面進(jìn)行特殊的加固處理，能夠有效地縮短維修時間，也在國內(nèi)有了幾次成功的案例，應(yīng)用較為成熟。但是，由于每次進(jìn)艙均需要1次加減壓流程，加減壓過程需花費(fèi)大量的時間，而艙內(nèi)有效作業(yè)時間僅有幾十min，工作效率低，且作業(yè)人員呼吸的為壓縮空氣，極易引發(fā)減壓病、氮麻醉等病癥，不適用于開艙作業(yè)量較大、作業(yè)壓力高等情況。

泥膜支護(hù)飽和法帶壓開艙技術(shù)是一種新型的帶壓開艙技術(shù)，是指經(jīng)過1次加壓后作業(yè)人員可以長期(15～30 d)在設(shè)定壓力的生活艙內(nèi)生活，每次乘坐穿梭艙至盾構(gòu)泥水艙工作4～6 h，然后乘坐穿梭艙返回生活艙，待作業(yè)全部完成后進(jìn)行一次性減壓。飽和法帶壓開艙技術(shù)避免了常規(guī)壓縮空氣帶壓開艙頻繁加減壓的問題，極大地提高了艙內(nèi)的作業(yè)效率；同時，作業(yè)人員呼吸專用的壓縮氦氧混合氣體(以氦氣代替空氣中的氮?dú)?，降低了作業(yè)人員呼吸阻力，避免了氮麻醉情況的發(fā)生，減小了減壓病發(fā)生的概率。由于艙內(nèi)工作時間的增長，對開挖面穩(wěn)定性的考驗也大幅增加，如何確保開挖面在較長時間內(nèi)具有良好的閉氣性，成為工程成功的關(guān)鍵。

南京揚(yáng)子江隧道是我國首次應(yīng)用泥膜支護(hù)飽和法開艙技術(shù)進(jìn)行開艙更換刀具作業(yè)的工程。該工程盾構(gòu)停機(jī)處中心埋深為58.02 m(其中，覆土23.64 m，江水34.38 m)，隧道斷面上主要為粉細(xì)砂、卵石圓礫層和中風(fēng)化砂巖地層。帶壓開艙前，泥漿置換和成膜方案與南京長江隧道相似，先采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%～10%的膨潤土泥漿在開挖面附近形成滲透帶，降低地層的滲透性；然后采用密度1.15 g/cm3以上、馬氏漏斗黏度50 s以上的膨潤土泥漿置換低密度的泥漿，使其在開挖面上形成致密的泥膜(見圖8)；泥漿艙內(nèi)頂部泥漿液面需下降8～10 m，開艙氣壓值設(shè)定為0.6～0.62 MPa，技術(shù)人員在艙內(nèi)工作的時間每次大概4～6 h。因此，要求泥膜至少在6 h以上的時間內(nèi)保持穩(wěn)定、不漏氣(或漏氣量在可補(bǔ)充范圍內(nèi))，同時，在進(jìn)艙工作間隙通過上升泥漿液位對泥膜進(jìn)行修復(fù)，以保證其長時間的穩(wěn)定。在施工過程中，出現(xiàn)了泥膜因較長時間的氣壓作用而出現(xiàn)干裂等，導(dǎo)致泥膜閉氣性降低。

圖8 南京揚(yáng)子江隧道盾構(gòu)開艙后觀測到的泥膜

Fig. 8 Filter cake on the working face during hyperbaric intervention of Nanjing Yangtze River Tunnel

3.3 泥膜閉氣問題

為保證泥水盾構(gòu)帶壓開艙的順利進(jìn)行，泥水艙內(nèi)的氣壓必須平衡開挖面處的土水壓力，即通過向泥水艙中注入泥漿滲透至開挖面，在開挖面上形成不透氣或微透氣的泥膜，將氣壓轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力才能實現(xiàn)(見圖9)。

對于已成型的泥膜，其密封閉氣的能力最為重要。泥膜存在進(jìn)氣值與擊穿值2個壓力指標(biāo)。進(jìn)氣值大小等于泥膜孔隙水表面張力，擊穿值是氣體直接擊穿泥膜時的氣壓力。當(dāng)氣壓力小于泥膜進(jìn)氣值時，泥膜在氣壓下可以長時間閉氣；當(dāng)氣壓力大于進(jìn)氣值小于擊穿值時，氣體進(jìn)入泥膜，驅(qū)替孔隙水，經(jīng)過一段時間后，氣體穿透泥膜，泥膜開始漏氣；當(dāng)氣壓力大于擊穿值時，泥膜瞬間被擊穿透氣。在實際工程中應(yīng)避免氣壓力大于擊穿值情況的發(fā)生。

(a) 頂部閉氣泥膜

(b) 開挖面前方閉氣泥膜

Fig. 9 Airtightness state of filter cake during Hyperbaric Intervention

由于測量原狀泥膜的進(jìn)氣值與擊穿值具有較大的難度，這里提出閉氣值與閉氣時間2個指標(biāo)來評判泥膜的閉氣性能。采用自制泥漿滲透及泥膜閉氣裝置進(jìn)行泥漿試驗，在泥膜形成后，以一定的速率增大氣壓直至泥膜透氣，透氣時的壓力值為閉氣值；以某一固定氣壓值作用在泥膜上，泥膜將氣壓轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的時長定義為該氣壓下泥膜的閉氣時間。閉氣值越大，閉氣時間越長，泥膜質(zhì)量越好。需要注意的是，由于閉氣值測量過程中泥膜存在固結(jié)過程，因而閉氣值大于擊穿值。

分析大量泥膜閉氣試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)泥膜的閉氣時間由所設(shè)定氣壓與閉氣值之比決定。當(dāng)設(shè)定氣壓值小于0.5倍閉氣值時，泥膜可以長時間閉氣，閉氣時間在12 h以上；當(dāng)設(shè)定氣壓為0.5～0.7倍閉氣值時，泥膜可以短時間閉氣；當(dāng)設(shè)定氣壓值大于0.7倍閉氣值時，泥膜直接透氣。

3.4 全斷面硬塑黏土地層泥漿環(huán)流問題

揚(yáng)州瘦西湖隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時，因處在全斷面硬塑黏土地層，黏粉粒含量高達(dá)90%以上，導(dǎo)致棄漿量大、泥漿環(huán)流過程中排渣不暢，開挖的土塊堆積在壓力艙內(nèi)堵住排漿口，篩分設(shè)備出渣流量分配不均，旋流分離沒有效果，嚴(yán)重影響了施工效率；同時,該工程采用修建南京長江隧道穿越粉砂、砂卵石等地層時的泥水盾構(gòu)，易造成刀盤結(jié)餅、土塊在泥水艙及排漿管堵塞等問題。

通過掛起碎石機(jī)，去掉排漿口格柵，增加大黏土塊切割機(jī)以防止大塊黏土進(jìn)入排漿管堵塞環(huán)流系統(tǒng)；并在排漿管口增加2對高壓沖刷噴頭，使黏土塊更快進(jìn)入排漿管；增大進(jìn)泥漿流量，確保黏土以塊狀形式排出(如圖10所示)，減少泥漿的產(chǎn)生量；控制泥漿密度不高于1.08 g/m3，黏度在20 s以內(nèi)。圖11示出黏土塊在管道運(yùn)移過程中的溶崩破碎率現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的進(jìn)泥漿管和排泥漿管中泥漿密度及泥漿流量的變化情況，按照總質(zhì)量守恒的原則進(jìn)行計算。前200環(huán)黏土的溶崩破碎率維持在60%左右；在250環(huán)至350環(huán)掘進(jìn)時，多次出現(xiàn)大黏土塊堵管現(xiàn)象；350環(huán)后，采取了上述施工措施，黏土塊的溶崩破碎率明顯下降，并保持在50%左右，表明近一半的渣土以塊狀形式排出，并減少了近一半的泥漿產(chǎn)生量，極大減輕了泥漿的排放壓力。

圖10 盾構(gòu)改造后黏土塊的排出情況

圖11 黏土塊的溶崩破碎率現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論與展望

1)泥水盾構(gòu)技術(shù)在我國經(jīng)歷了26年的發(fā)展，在我國復(fù)雜的地質(zhì)條件下探索出的施工技術(shù)日趨成熟，尤其在大斷面、越江海、復(fù)雜地層及多用途隧道中均有成功的應(yīng)用。未來泥水盾構(gòu)將向更大斷面、更長距離、更深的地下空間發(fā)展，但是泥水盾構(gòu)在向大斷面發(fā)展的同時，需要綜合斷面的形狀、利用率以及施工可控性等方面考慮最適宜的斷面選擇。

2)隨著盾構(gòu)直徑、掘進(jìn)距離的增大，遇到復(fù)雜地層的概率也會增大，刀具磨損引起的各種施工故障仍將會是經(jīng)常發(fā)生的問題，因此，對盾構(gòu)刀具的要求也將越來越苛刻。根據(jù)實際復(fù)合地層(上土下巖或上軟下硬等)，對盾構(gòu)刀具的耐磨及抗沖擊等方面的優(yōu)化設(shè)計仍將是盾構(gòu)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

3)隨著盾構(gòu)開艙的頻繁使用，開艙相關(guān)的技術(shù)、理論逐漸規(guī)范及成熟，且在盾構(gòu)刀具設(shè)計完善及制造工藝成熟之前，盾構(gòu)開艙仍將是解決刀盤、刀具問題的關(guān)鍵技術(shù)。

4)泥漿處理是泥水盾構(gòu)面臨的一大難題，尤其是在城市中開展的泥水盾構(gòu)，泥漿處理將越來越受到人們的重視。未來泥水盾構(gòu)用泥漿對綠色環(huán)保的要求越來越高，其中，泥漿的快速脫水處理及環(huán)保處置將成為泥漿處理的重要方向。

5)泥水盾構(gòu)泥膜能否形成、形成后的質(zhì)量如何，均取決于所使用泥漿的性質(zhì)。目前，市場上泥漿材料的品種繁雜，尚沒有泥水盾構(gòu)泥漿使用的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，泥水盾構(gòu)泥漿材料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化勢在必行。