摘要：本文以南京纬三路过江隧道工程超大直径泥水平衡盾构机穿越江中深槽段施工为例，通过对风险源的分析与应对措施研究，提出了超大泥水平衡盾构长距离穿越深水浅覆土地区应对措施。
1.工程背景
南京纬三路过江通道工程采用直径14.93m泥水平衡盾构，盾构穿越江中深槽段总长度为586m，该段掘进全部位于江中段，是工程中风险最高、难度最大的施工区段。在该段深槽线路范围内，线路位于右偏R=1500m的圆曲线内，线路为V字型，坡度从-3.892%过最低点（SDK4+780）后变为2.45%。江底最低覆土深度为14.46m（到盾构机顶部），水深最深为34.9m（2009年9月数据）。江中段地质情况见表1。
表1 地质分层分段情况表
2.施工风险分析
2.1地质勘测准确性风险
由于江底深水地质勘测难度大、成本高，准确性也难以保证，江底隧道地质勘探具有极大的局限性，遇到未勘查清楚的不良地质或存在未查明的地下障碍物的风险十分可能发生。因此，施工准备阶段和施工过程中，需要通过对筛分渣样的分析达到地质预测的目的，可部分揭示开挖面前方地层情况。同时江底可能会出现特异性的障碍物，如废弃铁块、沉船等影响盾构掘进。
2.2盾构机的适应性、可靠性风险
盾构机选型极大程度上是工程成功的决定性因素，盾构机穿越江底掘进过程中，盾构机选型尤为重要，主要表现在以下几个方面：
（1）刀盘、刀具磨损：盾构机长距离掘进对刀盘、刀具磨损大；在软硬不均的地层及卵石地层掘进时，刀具不可避免的产生卡刀或偏磨等问题。
（2）泥浆泵及管路磨损、堵塞：泥水循环回路泥浆中的砂石成分会磨损泥浆泵及排送管路，导致盾构机排渣不畅；
（3）主轴承磨损，密封件防水失效：因主轴承在长距离掘进被磨损可能导致密封件防水失效，泥浆向盾构机内渗漏，保压系统失衡；
（4）盾尾密封：盾尾密封系统的不适应性或受管片及周围土体的磨损影响，导致盾构间隙增大或油脂仓保压失效，盾构机发生渗漏；
（5）数据采集系统、传感器失灵：受开挖面恶劣条件影响，盾构工作面数据采集系统、传感器有失效风险，盾构掘进参数或正面舱压等指标无法准确显示；
（6）液压推进系统漏油：液压推进系统漏油，推力不足可能导致盾构后退风险；
（7）注浆管路堵塞：由于浆液残留结块等原因可能导致注浆管路堵塞，无法进行正常的同步注浆；
（8）主轴承断裂：由于主轴承磨损或在掘进复杂地层中偏心力矩致过大可导致主轴承断裂。
2.3江底冒浆风险
由于隧道穿越复合地层、上软下硬地层控制难度大，卵砾石层、粉砂岩层等地层表现为孔隙较大的特点，要依据地层条件及时调整泥浆质量和泥水压力，加之江底未明确的一些不确定因素，施工风险会骤增。可能产生的后果：
（1）由于泥水压力不适造成江底产生较大隆起或沉陷，盾构正面塌方；
（2）尤其浅覆土区即覆土厚度小于1倍盾构直径的情况下，掌子面压力失衡容易导致冒顶、江水回灌或泥水冒溢等危险。
2.4盾尾密封失效风险
盾尾密封装常因配置不合理或因地层、管片挤压后出现磨损和撕拉破坏，一旦密封失效，盾尾将出现涌水涌泥，严重者甚至引发开挖面失稳，因此盾尾密封装置应具有足够的耐久性、密封性能，同时要保证部分尾刷为可更换尾刷。
盾尾密封失效将造成严重的后果：水砂涌入隧道将会造成地表严重沉陷，对盾构机设备有极大的安全风险，也无法保证作业人员的人身安全，如处理不当还可能隧道被淹的巨大危害。
2.5上软下硬地层施工风险
上下软硬不均的地层同一开挖断面地质均一性差，对盾构掘进方向的控制、掘进速度及盾构刀具耐久性有一定的难度，从而使盾构在该地层掘进产生较大的风险。
掘进中地层的多变性严重地影响了盾构的掘进速度和刀头的寿命。推力沿每环的变化，由土层到风化岩层的变化时，推力和扭矩在发生巨大瞬间变化。在软硬不均地层中推进时，刀具尤其是切削刀会在径向与较硬的岩层发生磕刀现象，使得刀具发生剪切破坏和刀盘扭矩瞬间增大，影响后续段的施工。
2.6江底段换刀风险
江中段地层变现为强度高、水压高，高水压换刀作业风险大。即使常压换刀，也存在辐条密封不严、人员伤害等风险，带压进仓风险更高，掌子面土体不稳、闭气泥膜不稳定或者掌子面压力不稳对换刀人员和设备具有极大的伤害风险。
3.盾构穿越深槽段施工对策
3.1地质勘测准确性风险的对策
根据目前盾构段的施工进度，盾构正在岸边段掘进，而在江中段进行地质补堪难度较大，因此只能通过合理的设置推进参数和加强施工管理来弥补地质勘测准确性带来的风险。
（1）合理设置盾构施工参数，注意盾构参数的变化情况，遇到参数如推力、扭矩等发生较大变化时及时分析原因，采取应对措施；
（2）对筛分后的渣样进行取样分析，同时与勘查资料进行核对是否相符，当发现渣样有变化时及时调整参数，保证前方顺利推进。
3.2盾构机适应性、可靠性风险的对策
（1）对江中段的江底高程进行探查和对长江水位高度实时监测，为江中段的推进提供理论依据；
（2）在江中段特别是进入深槽段以前，对筛分设备的渣样进行系统、详细的采集和分析，并与勘查资料进行核对，对深槽段的施工提供经验数据。
（3）与刀具更换合作单位进行充分的沟通，做好协调和配合工作，保证在深水区能够及时准确的确定刀具的使用状态和更换时机。
（4）为了避免盾构在入江后发生设备上的问题，在入江前停机位置对盾构设备进行大范围的检查和维修。
3.3防止江底冒浆风险的对策
盾构在江中段推进时，由于无法直接观测江底是否冒浆，在推进过程中应当密切关注切口和空气仓的压力波动情况。
3.3.1预防措施
（1）定时观测江面水位
在盾构进入江中段以前，对线路范围内的江底高程进行一次全面测量，在盾构进入江边时开始定时观测长江水位变化情况，准确掌握盾构机顶部的覆土深度和水位高度，从而准确计算切口泥水压力。一般来说，长江水位按照1次/天的频率进行观测，当一天内水位变化较大时加大频率，按照2次/天频率进行观测。
（2）严密计算切口泥水压力、控制切口水压允许范围值
在江中段推进前，提前对江中段的切口泥水压力进行计算，计算里程按照每20m一个断面，对于江底高程变化较大时还必须减小分段长度，从而更准确的掌握切口泥水的变化情况。
一般认为，计算公式中的下限值为主动土压力值，为了避免切口水压力过小而在主动土压力值上加经验值30KPa，同时在比重、地层分层厚度、有效内摩擦角、水位深度等取值方面不准，造成计算值和实际值会存在一定的偏差。
根据盾构岸边段推进所掌握的施工参数，通过计算值和现场设定值的比对发现，计算值的下限值比实际需要设定值略高一些，但是仍能指导现场施工。在江中段推进时，为了避免压力设置过高造成江底冒浆，可以适当调低切口泥水压力值，将在主动土压力上所加的经验值30KPa改为10KPa，这样可能造成江底小范围沉降，但不影响盾构推进。
（3）控制同步注浆压力
在施工中为了防止同步注浆压力过大造成盾尾漏浆，压力按照上下一定梯度的方式进行设置，即上、中、下三对注浆孔出口压力，下侧一对比上侧一对注浆孔分别大0.1MPa。
3.3.2冒浆后的对策
掘进过程中如发现轻微的冒浆，在不降低掌子面切口水压条件下能进行推进，则应适当加快掘进速度，快速通过冒浆区。
当冒浆十分严重，不能掘进时，可适当降低掌子面切口水压至平衡，同时提高泥水比重和粘度，通过危险区后，加强通过段的壁后注浆；可将切口水压回复正常值。
3.4盾尾密封失效风险的对策
（1）设置可更换盾尾刷，两道钢丝刷可实现在盾尾内进行检查和更换，在进入江中前可对盾尾2道钢丝刷进行检查、维修，必要时进行更换。
（2）配制初凝时间较短的双液浆进行壁后注浆，压浆部位在盾尾后5～10环，合理设置压力，避免双液浆前串。
（3）控制管片拼装质量，减少错台和隧道轮廓椭圆化，尽量保证盾尾密封效果。
（4）盾构转弯过程中注意盾尾间隙的调整，防止管片拉坏盾尾。
3.5上软下硬地层施工风险的对策
在复合地层中掘进时，局部岩石硬度较高，为避免局部硬岩对刀盘、刀具的冲击及磨损破坏，应适当降低刀盘转速，控制贯入度。同时，通过降低刀盘扭矩来减少刀具所受局部硬岩冲击力，注意掘进参数的变化，防止“卡壳”。
3.6江底硬岩段盾构刀盘刀具磨损风险的对策
当刀盘上的除可更换刀具外其他刀具磨损后必须更换，这就需要采用带压作业的方式进行刀具更换。盾构机应具备常压作业及带压作业的技术储备。
4.结论与展望
（1）盾构机械的适应性和可靠性、江底冒浆、上软下硬地层施工、开挖面有障碍物、盾尾密封失效、江底换刀等风险是超大直径泥水平衡盾构穿越深水浅覆土区的主要风险源。
（2）风险源应对对策除工艺工法上的改进外，盾构机的选型及设备性能至关重要。因此，在施工期前必须根据地质情况对盾构机的性能要求进行研究完善，保证盾构顺利实施。
参考文献：
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论文作者:忽慧涛,陈郁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：盾构论文; 泥水论文; 风险论文; 地层论文; 刀具论文; 切口论文; 压力论文; 《基层建设》2019年第14期论文;