华中地区过江隧道盾构掘进相关问题与措施
0 引言
由于地铁工程受所处环境及交通需求的影响较大，在盾构施工过程中所受各种因素影响较多，为防止对施工作业及运营期间产生的不利影响，需严格控制施工各方面参数，调节与各种因素之间的关系，采取针对性措施，保证工程安全及质量。
本文通过对华中地区某跨江盾构区间的工程实例对遇到的重点风险做出简要分析，并提出相关处理措施。
1 工程概况
本过江段距离长江二桥上游约450m，长约3185.545m，江面宽度约1500m。区间隧道外径12.1m，平面最小曲线半径700m，纵断面最大纵坡27.49‰，最大覆土36.5m，江中覆土深度11.04m～21.2m，水深可达31.92m。隧道最深处位于水下59.28m；极限水土压力值6.74bar。
2 工程地质
隧道穿越长江段江底平顺，北坡（左岸）平缓，南坡（右岸）较陡。受河床最不利冲刷线控制。
越江段隧道所穿越的地层复杂多变，具有多种地质形态，且分布不均。越江隧道在长江两岸共计约2100m穿越地层上部为软土层，下部为粉细砂层，对刀具磨损较轻；江中部分地段段上部为粉细砂层，下部为风化岩等复合地层，主要包括：约495m的Q4圆砾土;约1365m的（15b-1）强风化砾岩；约750m的（15b-2）弱胶结砾岩层；约430m的（15b-3）中等结砾岩，且3种岩层上下重叠。
3 水文地质
区间地下水可包含上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。
上层滞水：主要赋存于两岸人工填土中，自由水面无统一，且由大气降水和供、排水管道渗漏水补给，补给方式为垂直下渗，水量有限。
松散岩类孔隙水：场区主要含水层，主要赋存于第四系砂土层中，与长江水力联系密切，长江水为其主要补给来源，水量十分丰富；长江水面多高于场区砂土层，故其内孔隙水大部具承压性。承压水头与长江水～微风化基岩裂隙的补给主要依靠上覆含水层的下渗补给，具有一定承压性；场区基岩岩质较软，隙多被泥质充填或为密闭型，裂隙水较为贫乏。
两岸的一级阶地砂土层中孔隙式承压水明显受江水影响，在长江丰水期与枯水期，江水与给地下水互为补给，年变幅随与长江距离成反向变化。地下水径流为丰水期由长江向阶地内侧流动，反之由阶地向长江流动。
河床段第四系孔隙承压含水层与长江水水力联系密切，地下水位随江中水位起落升降。
4 管片设计概述
管片隧道外径12.1m，内径10.5m，壁厚0.5m（C50），采用通用楔形环，圆环分为8块，结构形式为5（标准块）+2（邻接块）+1（K块），管片环平均幅宽2.0m，楔形量52mm，采用双面楔形设计。隧道下部结构采取预制箱涵+现浇钢筋混凝土回填的结构形式，箱涵以上部分采用30cm复合式二衬。
5 主要风险
5.1 盾构区间在江中高水压、强透水地层长距离掘进的安全风险
区间盾构掘进长度约3185m，江中段约1500m。盾构隧道下穿的江底浅覆土段水压力较大，且浅部含透水性极强松散粉细砂。最大冲刷包络线距离隧道顶部最小不到5m，长约400m。盾构施工时需严格控制泥水压力的设定和泥水质量，以保证稳定的开挖面。盾构在高水压、强透水层、富水、上软下硬复合地层中掘进，必须防止盾尾密封失效，以免将造成涌水、涌砂、突泥、开挖面失稳以致坍塌等灾害性事故。
5.2 盾构长距离穿越复合地层，刀盘刀具的选型和保护
盾构区间穿越复合地层长达1365m，其中岩层超过断面50%的部分达400m，穿越强风化砾岩、弱胶结砾岩和中等胶结砾岩，而中等胶结砾岩强度可达24.4MPa。根据以往类似地层施工经验，刀具磨损的程度较为严重，且速度极快，需多次更换刀具。
5.3 江中冲槽段施工
长江在临近北岸侧存在一江底冲槽，冲槽段2014年江底地形显示此处覆土厚仅为10.48m，综合冲刷包络线距隧道结构顶仅5.3m。盾构在穿过冲槽段后200m距离内覆土厚度从10.48m激增至35.6m。一方面需要有足够的泥水压力保证开挖面稳定，快速通过冲槽段；另一方面需防止因泥水压力过大击穿浅覆土处地层。
6 针对风险的主要措施
6.1 针对盾构在江中高水压、强透水地层长距离掘进的施工措施
6.1.1 江底监测措施
在盾构推进至长江防汛大堤前，进行整个水域监测区隧道轴线对应的江底地形测量（背景测量），进行盾构隧道覆土层厚度复核。当盾构掘进至江中后，立即开始高精度江底水深监测，充分利用监测反馈结果进行分析，以指导施工，若江底发生较大隆沉，须积极应对，及时采取措施。
6.1.2 防止江底冒浆措施
①严格控制切口水压波动范围。
②设定合理推进速度等各项施工措施，保证稳定速度推进，开始和结束推进时，速度应依据现场情况逐渐提高或降低。
③严格控制出土量，把住理论出土量原则，可依据现场情况及监测结果适当欠挖，保持土体密实，防止江水渗入土体，严防进入盾构机。
④严格控制同步注浆浆液压力，于注浆管路中安装安全阀门，防止因注浆压力过高而冒顶。
⑤由于机械故障或其它原因引起盾构停机，应当立即采取措施应对，以防盾构后退。
6.1.3 防止盾尾漏浆措施
盾构施工中若引起盾尾漏浆，可能引起盾构设备受江水淹没，甚至导致隧道被淹等事故。施工中采取适当措施，防止盾尾漏浆。
①保持掌子面稳定，具备稳定切口水压。
②优化浆液配比，保证注浆质量。
③合理掌握注浆压力，同步注浆过程中，应严格控制各项施工参数，合理匹配注浆量、注浆流量等关键要素。
④增加备用泵及堵漏材料。
⑤优化压注盾尾油脂。定期、定量、定位压注盾尾油脂。盾尾发现少量漏浆时，对该部位立即进行补压作业。
⑥加强管片拼装过程控制。依据盾构机掘进姿态及盾尾间隙尽量居中拼装管片，避免盾构机与管片间空隙过大造成盾尾密封效果降低。
⑦盾尾发生漏浆的对策：
1）集中向泄漏部分压注盾尾油脂。
2）进行聚氨酯化学注浆。
3）进行壁后注浆须采用合理配制的双液浆，在盾尾后5～10环进行压住。
4）进行封堵时应采用有效堵漏材料。
6.1.4 防止江底覆土沉降
①应按设计值设定切口水压进行推进，并根据潮位变化情况对推进过程进行适当调整。因设备原因导致切口水压低于设定值，须立即停止掘进，进行泄压作业，待切口水压恢复至不大于设计值后，方继续进行正常作业。
②加强数据反馈分析，采用动态管理，根据地表沉降数据及时优化掘进参数，确保土体稳定。
6.1.5 防止吸口堵塞（防堵）措施
①整个掘进过程应开通碎石机。
②掘进中当发生切口不畅情况时，及时进行旁路转东，分析通过旁路的泥水进、排情况，找出影响因素，分析不畅原因，采取相应对策措施。
③如遇管路堵塞或闸板前集渣过多，必要时可使用反冲洗措施。
6.1.6 防止区间隧道上浮措施
①掘进期间严格控制隧道轴线，确保盾构机尽量沿设计轴线掘进，发生偏移时每环采取均匀纠偏，减少扰动土体。
②为使注浆浆液遇泥水后不产生裂化，须优化同步注浆浆液质量，并保证浆液具备一定的流动性，能够在注浆压力下均匀地布满隧道周围，将建筑空隙充分充填。
③发生隧道上浮量较大情况时，须对已建隧道立即采取补压浆措施，充分切断泥水进一步继续流失的路径。补压浆作业要求均匀，压浆后浆液充填形成环状。一般情况下补压浆浆液可采用双液浆与聚氨酯相结合，注浆范围须达到5～10环。
④加强隧道纵向、横向变形的过程监测，依据监测结果对盾构隧道进行针对性注浆纠正，适当调整注浆部位、注浆压力以及注浆量。
6.1.7 盾尾钢丝刷保护
①掘进作业过程中设置的油脂压力值及注入量，加强检查油脂管路及注入设备，确保注脂腔处于始终饱满状态，确保尾刷密实充填油脂，保证盾尾安全。
②严格控制盾构姿态，保证均匀盾尾间隙。加强施工过程中盾构姿态监测，勤测勤纠，避免过度纠偏，禁止急纠急转。
③严格把控管片拼装质量，依据设计要求控制环缝平整度及纵缝张开量，防止大的错台出现。
④及时、足量注入具备良好保水性的水泥砂浆，在水体与盾尾刷间形成良好的隔离层，避免水压力在盾尾刷上直接作用。因避免浆液击穿盾尾须同时控制注浆压力。
⑤制定专项处理应急预案，确保盾尾刷更换及盾尾漏水合理可行。
盾构掘进过程中，时刻检查盾尾刷的工作状态，必要时进行盾尾刷的更换。本工程盾构机设置4道盾尾钢丝刷，更换盾尾刷前通过盾尾中预埋的7组冻结管路对盾尾临近环管片外部空隙进行冻结，形成一道盾尾冻结密封体，冻结效果达到设计要求后，可进行前2道盾尾钢丝刷的更换。
6.2 盾构长距离穿越复合地层，刀盘刀具的选型和保护
科学的刀具设计，合理的刀具布置，可以适当保证刀盘及刀具正常使用，延长使用寿命，减少更换次数。因此，刀盘刀具的科学设计及合理布置以及在高水压下安全高效的换刀作业是本区间施工的安全和质量保证。
6.2.1 常压可更换刀具为主的设计，确保施工安全
为此，我们在盾构选型过程中选择以常压可更换刀具为主的设计，设置覆盖周边区域的常压可更换滚刀，且滚刀位置可安装先行齿刀，满足不同地层掘进的需要；设置开挖轨迹覆盖全部开挖面的常压可更换刮刀；仅靠常压可更换刀具即可满足本工程全部地质条件下的掘进需求，原则上可以不进行带压换刀作业。
6.2.2 刀盘刀具加强耐磨处理，增加使用寿命
①刀盘耐磨处理。
1）刀盘面板正面焊接大块耐磨钢板。
2）刀盘边缘及两侧区域焊接硬质合金耐磨块。
②滚刀耐磨处理。
考虑到大部分掘进断面岩层强度不大，且软硬岩段掘进难以提供足够的刀盘启动扭矩，因此拟使用球齿滚刀。在滚刀刀刃上焊接一定数量的耐磨合金块，增加滚刀耐磨效果的同时，降低启动扭矩，防止破碎地层产生大的偏磨。
③先行刀及刮刀耐磨处理。
1）先行刀采用贝壳型设计，硬质合金尺寸为60mm宽×20mm厚×120mm高，耐冲击强；在贝壳刀两侧肩部焊接耐磨板，提高刀具整体强度。
2）刮刀硬质合金断面尺寸40mm宽×60mm厚，合金刀刃倒角半径增大至10mm，可有效防止头部过尖发生崩裂现象。
3）滚刀硬质合金断面尺寸24mm宽，可有效防止合金过尖而产生崩裂。
4）优化焊接工艺，将热镶辅边缘局部焊接改为高频铜银基复合焊接，使得合金与刀具母体间焊缝均匀饱满，通过确保焊接质量，提高结合强度，防止主合金刃的脱落。
6.2.3 配备刀盘刀具磨损检测及视频监测装置
刀盘面板上设置液压磨损监测装置，液压磨损监测系统由分布在刀盘主幅臂钢结构上的6个监测装置组成。每个监测装置由长条形的中空耐磨条焊接在刀盘面板上，耐磨条内充有加压的液压油。当耐磨条被前方的正常磨损磨穿后，监测系统的液压油就会流失。压力传感器会检测到系统中的压力降，并输出警告信号。
6.2.4 提高对掘进参数变化的敏感性，及时检修更换刀具，确保安全
在盾构掘进过程中，无论处于何种地层，哪个掘进区段，必须提高对掘进参数变化的敏感性，特别是刀盘扭矩、推力等直接反映设备负载情况的参数。一旦参数出现大的变化，应及时停机分析，安排刀具检修作业，防止刀具带病作业产生刀具严重磨损，甚至伤及刀盘的恶性事故产生。
6.2.5 配备完备的高压进仓设备，满足应急换刀条件
盾构机配有双仓人闸及中心人闸，并配备完善的高压进仓辅助设备及安全设施。满足压气进入开挖面及刀盘辅臂内部，处理应急情况的条件。
6.2.6 配备常压换刀作业训练仓，确保常压换刀作业安全
常压换刀作业必须严格按照作业规程及作业步骤进行作业，方可保证绝对安全，这对操作人员的素质和作业熟练度提出了较高要求。在盾构设备采购的同时，采购1:1的常压换刀作业训练仓，作业人员可以在地面提前熟悉操作规程并增加作业熟练度，确保安全；在以往越江隧道施工过程中，通过常压换刀作业训练仓提前对换刀作业人员进行了培训，经实际考察合格后上岗，确保了在实际换刀作业过程中“零失误”，全过程换刀作业未出现安全事故。
6.3 江中冲槽段施工控制措施
针对冲槽位置浅覆土、覆土厚度变化大、水深深的特点，结合以往江中冲槽段施工的成功经验，拟采取以下处理措施：
①进入冲槽段前对盾构刀具进行全面检查更换，确保不在冲槽段进行换刀作业。
②进入冲槽段前对盾构机各系统及泥水处理系统进行全面检修。同时保证施工所需各项物资设备及备品备件准备充分、到位。
③冲槽段施工前应对冲槽段江底地形进行测量，根据测量结果拟定施工参数。
④冲槽段施工过程中严格遵循“快速、连续施工”的原则，提高各个流程的施工效率，加强各流程间的衔接，确保尽快通过冲槽段。
⑤刀盘通过浅覆盖进入爬坡段后，应根据覆土深度变化及时对调整设定泥水压力，保持掌子面稳定。
⑥盾尾进入浅覆盖地段后，严格控制注浆压力，避免注浆压力过大击穿覆盖层。
⑦建立高效的应急事故处理机制，制定有针对性的应急事故处理预案，冲槽段施工过程中应急物资、车辆、人员等均确保处于24小时待命状态。
7 结论
经过采取以上措施，盾构机姿态得到有效控制，各种风险情况基本得以避免。目前该工程盾构区间已顺利贯通，并且在过江过程中未曾出现各种可能事故，验证了所采取措施的有效性。
