复杂地段盾构法隧道施工技术
1 情况介绍
在宜昌过江隧道工程盾构掘进至523.4米时，进入粘土质粉砂岩与卵石层过渡段，盾构刀盘内突然涌入大量卵石和灰黑色粉砂，刀盘内部顺间被砂卵石堵塞。而且掘进面仍有大量卵石涌入刀盘内，同时调整泥浆配比，但无效果。连续三天多次压注重泥浆达50m3以上，未能控制掘进面坍塌。
ZK16探孔位置536m，隧道轴线设计轴线距勘探孔轴线6-8m，距离盾构机刀盘面13m，水深15m，隧道顶部土层厚度15.6m，掘进面泥水压力0.31Mpa。渗漏顺间排水量大于230m3/h。
地质勘探报告情况：ZK16探孔孔深2.8-16.5m为砂卵石层，成份以石英砂岩，灰岩、火成岩，直径最大52Cm，一般为10-32cm，少量为2-3cm，卵石含量占85%、砂占15%，卵石层为疏密。
从刀盘内清理出的卵石 从刀盘内拍摄的16#探孔图
2 成因分析
经过利用导向油缸将盾构机头缩回5cm，刀盘导向推力油压420bar没有减小，说明掘进面松软和坍塌失稳，打开泥水舱门检查连通管，刀盘背部全部被砂卵石堵塞。
根据地质勘探资料地质岩性、特点、排水量、地层渗漏水情况及掘进面砂卵石层坍塌综合情况分析，ZK16号探孔位于刀盘正上方，理由是在长江上进行勘探钻孔，根本不能建立准确的坐标和定位，因此在钻探定位偏移量是无法控制的，核对地质勘探资料探孔没有封孔，当机掘至部位时，普通泥浆根本不能起到对卵石的固结稳定作用。
由于掘进面探孔漏水、失稳坍塌严重造成气压舱平衡模式不能建立，人员无法进入清理作业，所以方案的关键是怎么样实施封堵止塌，建立气压平衡模式，将刀盘内的卵石清除，组织专家与工程技术人员进行探讨攻关，最终决定采用以下方案：
3 治理方案与效果
由于盾构掘进施工的特殊性，不能采用常规的压注水泥砂浆来实施止塌堵漏，这种方法能很好地起到止塌堵漏作用，但会造成盾构机体也被水泥砂浆固结。经过专家组与工程技术人员认真分析，只有采取从盾构机内向掘进面周围5米范围内的地层压注特殊泥浆，根据掘进面的泥水压力,制定泥浆压注压力、每小时注入量，计算确定压入泥浆总量。当注浆达到扩散范围时停止压注重泥浆，使压入的重泥浆渗入地层与探孔后，充填卵石层的空隙形成胶结泥膜。
于是我们在应用钻井泥浆的机理特点，并结合盾构施工的实际情况，分别优先编出46种改性泥浆的配比，通过试验获得三种改性泥浆，进行压注试验，严格控制压注量、压注时间、压力升降速度，共压注8m3，人员在0.3MPa的气压下进入气压舱作业46小时，未出现掘进面失衡、漏水，效果良好。盾构机开机掘进未出现机体被卡现象。
在后续的460m卵石层与砂层掘进中，一直采用改性泥浆的机理与泥水平衡控制相结合，获得很好的掘进施工效果。本项施工技术适用于各种结构松散、透水性较强、富含地下水或较易坍塌的复杂地质地段泥水平衡式盾构机掘进，如卵石层、砂层等地段的盾构法施工。
4 施工技术与操作控制
针对各种结构松散、透水性较强、易坍塌的复杂地质地段，盾构法掘进是一个动态控制过程，即在复杂的地质条件和相应的盾构机掘进控制模式间建立一种动态平衡模式。
具体来说，针对复杂的、不断变化的地层，必须采取措施，建立起MixShield模式，减少对前方地层的扰动，防止前方地层坍塌；控制掘进速度和排碴量，防止造成超挖和欠挖；优化泥浆配比，形成高质量泥膜，有效防止掘进面失稳，保证盾构机顺利掘进。 4.1工艺流程
刀 盘 掘 进
图中 红色框图表示关键工序
刀 盘 驱 动 建立泥浆循环平衡 背 填 注 浆 供浆泵供浆 泥浆调整
泥浆分离处理 启动顶进油缸 导向系统 缩回顶进油缸 方向调整 管 片 安 装 排浆泵排浆 管片生产运输
4.2基本原理
松散地层 挖 掘 腔 连 通 管 压缩空气
切削刀盘 泥水平衡室 泥 浆 泥浆作用区 在采用泥水加压平衡模式掘进时，具有特殊性能的泥浆在压缩空气的作用下，动态的间接平衡开挖面前方的水土压力，保证开挖面前端不致坍塌。
盾构机平衡控制示意图
高压空气供排气泥水平衡舱 连 通 管 刀 头 喷 嘴 环 形 喷 嘴 抽 吸 阀 1 抽 吸 阀 2
在开挖面，随着泥水平衡压差压力使泥浆不断渗入掘进面土体，泥浆中的高分子团颗粒填入土体孔隙，形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）,对掘进面形成良好的支护与粘合作用。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。因此，在泥水平衡式盾构机施工中，控制泥水压力和控制泥浆质量是两个重要的因素。 4.3泥水加压平衡模式
4.3.1在正常情况下，根据操作经验和实际情况，压缩空气的压力设定值P为该地段的水土压力+0.01~0.02MPa。泥水舱内的液位占全舱的50%—60%，上部空腔由压缩空气充填，由于连通器作用，压缩空气的压力与刀盘前方水土压力基本相等，盾构机掘进作业在一个相对稳定的环境中进行。
4.3.2当掘进面的进排泥水压力突然升高或下降时，由于压差作用(连通管将泥水平衡舱与掘进面相通)，泥水平衡舱中的液位上涨或下降，压缩空气压缩或膨胀，因而吸收或释放了来自进排泥量与进排泥压力变化对掘进面地层扰动。当掘进面压力升高或下降时，超过设定的地层泥水压力时，压力调节系统会自动升高或下降压缩空气压力，在其作用下泥水通过连通管进入切削腔，使泥水平衡舱中的液位维持在50%—60%之间。
4.3.3在掘进时还必须保持进排泥水压力、排量相一致，进排泥量大小的控制首先应该满足盾构掘进排渣的要求为前提条件，并随时对进排泥量、压力进行调整，以达到相对平衡状态。进排泥水压力的应等于掘进面泥水压力+0.01~0.02MPa为宜。
4.3.4总的来说：当掘进面泥水压力发生变化时，通过连通管影响泥水平衡舱室液位，引起高压空气压力改变到与水土压力相适配的数值，从而保持掘进面稳定，有效的防止了坍塌。因此，泥水加压式盾构机能适应多种复杂地层，尤其是在富含水、易坍塌地段。 4.4操作要点
4.4.1泥水平衡控制
具体控制过程如上文所示。总的来说，当水土压力发生变化时，通过连通管影响泥水平衡舱液位，引起高压空气压力改变到与水土压力相匹配的数值，从而保持掘进面稳定，有效的防止坍塌。
泥水平衡模式建立后，可以自动控制，也可手动控制。当盾构机掘进时，由于泥浆的流失或盾构机推进速度的变化，进排泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆液面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制泥浆泵的转速与流量，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。
4.4.2喷嘴切换
由于复杂地层整体结构比较松散，如仍然用刀盘喷嘴供浆，则由于泥浆的冲刷，对地层产生较大扰动，软弱地层就变得十分不稳定，只要有小的扰动，就会产生大面积的坍塌，产生严重后果。
因此，在复杂地层掘进时，将供浆口由刀盘喷嘴改为环形喷嘴（各喷嘴位置如前图所示），掘进时从刀盘切削口下部排浆，不直接冲刷前方地层，有效的减少泥浆对刀盘前方地层的扰动。
4.4.3调整掘进参数
盾构机在每一种地层中的掘进都对应不同的操作参数，通常这些参数都是针对该地层做了一定程度的优化，在复杂地层中也不例外。
根据有着丰富操作经验的外国专家的建议，在每次掘进前，盾构司机都不先开喷嘴，而是先低速转动刀盘，起动推进千斤顶“干推”，直至刀盘转动的压力上升到80bar之后，再打开供排浆管。这样做可以让盾构机在开始掘进时先将前方地层推“密实”一些，再进行
正常掘进，防止其在刚起动掘进时坍塌。
同时，在操作中采用低转速高扭矩掘进，将刀盘转速控制在2.8rpm—3.5rpm之间。由于复杂地层结构松散，不需要用很大扭矩就可切削掘进，刀盘主要起破碎作用，因此低转速不但有效切削地层，可以减少对地层的扰动，而且大扭矩对卵石等的破碎很有利。
在复杂地层中如卵石层中推进速度也不亦过快，控制在20mm/min—30mm/min即可，必须留足够的时间让刀盘破碎卵石。盾构机只能排出粒径小于80mm的石块，如果速度过快，切削下来的卵石来不及破碎，不及时排出，越积越多，也终将卡住刀盘。
4.4.4泥浆优化
在复杂地层掘进中对泥浆的优化，主要是提高泥浆的护壁和防塌功能。由于盾构机刀盘直径大，刀盘上的滚刀、刮刀突出，掘进造成对地层扰动严重。同时刀盘开口较大，进入破碎舱中的渣量较大，容易造成刀盘被卡。在破碎的过程中要求泥浆具有较强的悬浮、护壁功能，控制泥浆的失水量，形成良好质量的泥饼。性能优越的泥浆，借助盾构机本身气压平衡的特点，在1-2秒钟内就能形成薄而韧的优质泥饼，达到护壁防塌的效果。
在卵石层掘进中，要求所采用泥浆粘度在60—80秒，屈服值在14Pa—20Pa，比重为1.1—1.2 g/cm3之间，PH值为9—10，失水量为9—12ml之间，泥浆的失水造壁性要好。泥浆改为以清水与膨润土搅拌制浆，添加正电胶、降滤失剂和润滑剂等为处理剂控制泥浆性能指标。
经过多次试验摸索，泥浆屈服值提升明显，将泥浆性能以“低粘高切”性能作为主线，相应调整其它的性能指标，满足施工要求。
泥水分离设备处工作人员应对出碴情况进行监控和记录，并定时向盾构司机汇报，使其了解出碴量、碴土形式、粒径大小等情况，指导掘进操作。
5 工程实例
以我公司湖北宜昌长江穿越盾构隧道工程为例来说明:
该工程是忠—武输气管道建设的“卡脖子”工程，隧道全长1400米，隧道采用泥水加压平衡式盾构机施工，施工机具为德国海瑞克公司生产的AVN2440DS盾构机。工程2002年12月开工，计划2004年4月竣工。
在2003年11月10日盾构机掘进时，刀盘忽然卡死。经作业人员进舱实地检查，原来盾构机提前进入卵石层，且该处因某些原因已经失稳，操作中对卵石层地段扰动过大，导致掘进面坍塌，大量卵石进入破碎腔，大大超过了其破碎能力，刀头被卡。
施工技术人员立即开展技术攻关，广泛查阅资料，积极咨询专家，多次试验，历经38天，通过以上各种措施的实施，终于攻克这一难关，并指导后续施工。
在接下来的施工中，盾构机在卵石层中每环掘进时间基本上为50分钟左右，推进速度控制在30mm/min左右，每天（24小时）掘进长度在8—11米之间，剩下的五百多米掘进在三个月之内完成，隧道在2004年4月顺利贯通，满足了业主的工期要求。
6 经验与教训
6.1在盾构法隧道掘进施工中，不同的地质对泥浆的使用要求也不同，应根据地质的变化随时对泥浆性能进行调整是非常必要的。在同一地质条件下掘进施工，也应随时检测泥浆性能的变化情况，当泥浆性能发生变化时，及时进行调整，以保持泥浆性能的稳定。 6.2必须了解隧道地质勘探详细情况与地质勘探成果报告的内容是否一致，隧道轴线应选择在勘探轴线的上游，防止地质勘探孔在实际施工中漂移，造成勘探孔与隧道掘进轴线相重合。
