郑清君

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450003)

0 引言

近年来，随着经济和社会的发展，我国修建的盾构隧道工程越来越多，相应施工难度也越来越大，国内外盾构法隧道工程在穿越建(构)筑物或地质条件复杂地层时造成施工事故的教训不少，能否安全穿越建(构)筑物或地质条件复杂地层关系到整个盾构法隧道施工的成败。穿越建(构)筑物或地质条件复杂地层是盾构施工技术发展的一个重要方向，同时施工中面临的安全风险也越来越严峻，特别是大直径泥水盾构破碎地层中穿越零沉降要求的建(构)筑物，更是给予了我们更严峻的挑战。

以往对盾构法施工、复杂地层中盾构施工、盾构穿越构(建)筑物风险分析与控制等已做了大量的研究工作:文献［1］对盾构法施工关键技术进行了全面论述;文献［2］总结分析了狮子洋隧道主要技术难点;文献［3］详细研究了盾构掘进控制、地表滞后坍塌控制、泥水平衡盾构开挖面稳定技术、盾构通过重要建(构)筑物施工技术等富水砂卵石地层盾构施工关键技术;文献［4］总结分析了繁华城区富水砂卵石地层大直径泥水盾构隧道施工中掘进参数控制、泥水处理等关键技术;文献［5］研究了繁华城区大直径泥水盾构掘进沉降控制技术;文献［6］总结分析了广州地区复杂变化地质条件下断裂带地层盾构施工风险及控制技术;文献［7］对粉细砂地层盾构施工进行了风险分析并制定了应对措施;文献［8］对富水软弱地层浅埋大直径泥水盾构泥水循环管理及控制进行了研究，提出了防止管路及环流系统堵塞措施;文献［9］归纳了地铁盾构工程事故的类型及特点;文献［10］对狮子洋隧道进行了风险源的分析和风险辨识;文献［11］对盾构隧道施工引起的地面变形计算方法进行了研究;文献［12］研究分析了盾构施工引起地面沉降的因素，与地层条件、掘进速度、注浆时间等密切相关。

我国已建或在建的下穿重要建(构)筑物盾构隧道，大多数采用土压平衡盾构施工，并且是在砂卵石地层、粉细砂地层、软弱地层等单一均质地层中，或是在全断面岩石中修建的，有关大直径泥水盾构在地层破碎段下穿重要建(构)筑物施工介绍很少。本文针对狮子洋隧道虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工，针对泥水盾构掘进施工中掌子面稳定、环流系统、刀盘被卡、刀具损坏等易发生变化的边界条件，依据地质超前预报，研究并制定了针对性技术保证措施和应急处置措施，有效保证了安全、顺利施工。

1 工程概况

狮子洋隧道是广深港铁路客运专线的控制性工程，下穿珠江主航道——狮子洋水道，隧道工程全长10.8 km，盾构段长9 340 m，最大纵坡20‰，最小纵坡3‰，设计时速350 km，是我国首座水下铁路盾构隧道，首次在软硬不均地层和岩层中采用大直径气垫式泥水盾构施工。投入4台直径φ11.18 m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。管片内径9.8 m、外径 10.8 m、管片环宽 2.0 m。

狮子洋隧道分为进出口2个标段，中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口SDIII标段的施工任务，左线长4 450 m，右线长4 750 m，SDIII标2台盾构机从狮子洋隧道东莞侧出口盾构井始发。在完成SDIII标段掘进施工任务后，本着不见不散原则向进口方向掘进，共完成狮子洋盾构隧道左线隧道5 200 m、右线隧道5 168 m施工，在狮子洋底与对面标段盾构对接后在洞内将盾构解体。

左线掘进从1 248环开始，进入虎门港沙田港区软硬夹杂及岩石破碎区域，开始出现糊刀盘及堵塞出浆泵现象，1 335环后，掌子面及其上部岩层破碎程度及区域加大，掘进较困难。

虎门港沙田港区位于珠江东岸，狮子洋隧道从码头基础下方33.5 m处穿过，码头先于隧道施工。码头基础与隧道之间的位置关系见图1。

虎门港沙田港区码头采用抛石基床上的沉箱基础。基床底标高－16.5 m，抛石基床(10～100 kg)厚4.0 m，沉箱基础 8.12 m ×9.0 m ×12.8 m，码头前场地采用中粗砂回填。码头设置QU100轨道，其中后轨道梁采用φ600 mmPHC管桩(间距5 m)，桩基最低标高 －26.2 m。

2 工程地质和水文地质

虎门港沙田港区地层破碎段根据钻探揭露地层情况显示:隧道上部从上至下分别为第四系新近期填土层、第四系海陆交互相，第四系上更新统冲积、残积层，基岩为白垩系下统基岩类。

洞顶埋深约为51 m，洞顶地层从上至1.8 m为人工填土层，属于可塑－软塑黏土层;1.8～16.6 m为淤泥层、淤泥质粉细砂层，属于流塑、软塑、饱和、松散等稳定性极差地层;16.6～28.5 m为粉细砂互层、中粗砂层，属于软塑－可塑－稍密及饱和等稳定性较差地层;28.5 m以下为微风化泥质粉砂岩，属于泥质胶结、砂状结构、岩石轻微风化岩层。28.5 m以下至50 m为细砂岩，岩层较破碎。掌子面范围上部5 m为泥质粉砂岩，较破碎，下部泥质粉砂岩稍显破碎。1 355环处掌子面范围上部地质断面图见图2。

3 虎门港码头港区环境

隧道下穿虎门港码头港区，地面为硬化钢筋混凝土结构(见图3)。地面从上至下为38 cm厚素混凝土硬化、20 cm厚水稳层、20 cm厚级配碎石、150 cm吹填砂垫层，地基承载力≥180 kPa，砂垫层压实度0～80 cm≥95%、80～150 cm≥94%、150～180 cm≥92%。

4 邻近地层破碎段掘进施工情况

4.1 1248～1277环掘进施工

由于基岩中有软弱夹层，含泥量较大，造成本段施工频繁堵仓。在此29环的掘进过程中，由于堵仓(见图4)，共5次开仓清理刀盘。期间对掘进参数进行了调整，主要是加大对刀盘的冲洗:每掘进300 mm停止掘进，同时加大刀盘转速至2.6 r/m，利用泥浆环流根据其参数进行适当的冲洗;比原计划提前架设进浆接力泵，加大进浆对刀盘的冲洗流量及冲洗压力。通过以上措施，堵仓有所减轻。

4.2 1278～1334环掘进施工

施工中出浆泵堵泵频繁，同时还有堵仓现象。每环掘进都有堵泵现象，最多一次1环13次，堵泵情况如图5所示。从掘进参数和开仓情况看，掌子面及其上部地层显破碎，刀盘切削石块脱落直径大，造成堵泵频繁，但整体稳定性稍强，未出现大面积坍塌。

图5 堵泵情况图Fig.5 Pump blocking

5 地层破碎段地质超前预报

根据地质详勘资料，掘进至1 355环进行了地质超前预报，本次测试安装10个传感器，左右边墙各5个;锤击震源点共计12个，左右边墙各6个。勘测范围为:高程－30～－70 m，隧道中心线左边20 m，右边20 m，纵向为150 m。

5.1 TRT系统预报原理

TRT6000地质超前预报系统是利用地震波的反射原理进行地质预报。预报时，通过垂击或激震器产生的地震波，地震波在隧道中的岩体内传播，当遇到一地震界面时，如断层、破碎带、溶洞、大的节理面等，一部分地震波就被反射回来，反射波经过一短暂时间到达传感器后被接收并被记录主机记录下来;然后经专门的O－RV3D软件进行分析处理，对地震波进行叠加，就得到清晰的异常体的层析扫描三维图像;再通过对异常体的里程、形状、大小、走向，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。

5.2 地质超前预报分析结果

采集的TRT数据，通过TRT软件进行处理，获得P波、S波波速和地质层析扫描成像图等资料，详见图6和图7。

图6 P波、S波直达波波速值Fig.6 Velocity of P direct wave and S direct wave

以P波和S波资料和地质层析扫描成像图为依据，通过对地震波反射扫描成像三维图分析，结合地质勘测资料，得出如下结论:

1)1335—1354环，该段围岩较为破碎，节理裂隙发育，富水。

2)1355—1365环，该段围岩较为破碎，1 361环左侧裂隙水发育;DIK39+933处，1 363环前方较为破碎。

6 地层破碎段掘进施工

6.1 技术保证措施

1)地表监测。掘进时加强地表监测(实施24 h监测)，派专人每环量测出碴量，如有异常及时保压停机，采取相应措施。

2)泥浆管理。盾构掘进时，保持泥水仓压力与作业面压力(土压与水压之和)平衡是防止盾构上方地层发生沉降的关键，盾构机在掘进时，根据地质和水文条件及地层压力下，调整泥水压力，保证泥水压力与开挖面土压力及水压力之和平衡，保持其稳定性。

3)掘进参数。选择合适的掘进速度，确定合理的贯入量和掘进速度;根据岩层硬度、掘进速度、掌子面水压和盾壳摩擦力确定合理的推力。

4)注浆管理。加强壁后注浆质量管理，不仅要充填管片间隙及控制上方地层沉降，而且还要使浆液不受泥水的侵蚀，尽快具有一定的早期强度，防止上方地层发生沉降。做好地表注浆准备工作，沉降达到预警值时，立即进行地表注浆。

5)刀具管理。确定合理的刀具配置方案和换刀方案，尽量减少盾构机在码头区开仓的作业次数;掘进时尽可能采用低转速、低推力、低扭矩的模式推进。

6)防止盾尾漏浆措施。提高同步注浆质量;保持切口水压稳定;加强盾尾注脂质量管理，均匀足量压注盾尾油脂;合理的管片选型，确保管片盾尾间隙均匀;严格盾构机的操作，加强对盾构机姿态的控制合理，控制盾构掘进纠偏量，防止盾尾漏浆。

7)防止地表冒浆措施。严格控制切口水压波动范围;严格控制出碴量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体的密实，以免地下水渗透入土体并进入盾构;严格控制同步注浆压力，并在注浆管路安装安全阀，以免由于注浆压力过高而顶破覆土;若出现机械故障或其他原因造成盾构停推，采取措施防止盾构机移动。

8)防止土层沉降措施。按设计值设定切口水压;加强泥浆管理，防止超挖;当发现隧道沉降大于5 cm时适当增加同步注浆量，必要时进行补压浆。

9)防止堵塞措施。开启搅拌机，在遇到切口不畅时，应及时转旁路，同时找出导致不畅的原因并采取降低推进速度、逆洗等措施加以解决。

10)防止管片上浮或下沉措施。严格控制隧道轴线使盾构尽量沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动;提高同步注浆质量，要求浆液有较短的初凝时间，使其遇泥水后不产生裂化，并要求浆液具有一定的流动性，能均匀地布满隧道一周，及时充填建筑空隙;加强隧道纵向变形的监测，并根据监测的结果进行针对性的注浆纠正，如调整注浆部位及注浆量，配制快凝及提高早期强度的浆液;对管片的上浮量进行分析和总结，必要时适当调整盾构机的掘进姿态，以达到隧道线型不超限的目的。

6.2 应急处置措施

1)刀盘转动时掌子面石块脱落，掌子面坍塌、失稳。停止掘进，选择适宜气压，向仓内注高黏度泥浆，形成护壁后恢复掘进。

2)刀盘被卡。选择适宜气压，向仓内注高黏度泥浆，形成护壁后再进行刀盘脱困，控制出碴量，确保出碴量与设计出碴量相符。

3)掌子面坍塌致使出碴不顺，不能形成正常的泥浆环流。停止掘进，选择适宜气压，向仓内注高黏度泥浆，形成护壁后依次对气垫仓和泥水仓进行循环疏通，恢复正常泥浆环流，确保出碴量与设计出碴量相符。

4)超量出碴引起刀盘上方塌陷。对地表或江面进行监测，停止掘进，向仓内注高黏度泥浆，形成护壁后恢复掘进，确保出碴量与设计出碴量相符。

5)管片上浮量超标。当发现隧道上浮量超标，且波及范围较远应立即采取对已建隧道进行补压浆措施，以割断泥水继续流失路径。

6)泥浆门前方堵塞。为恢复畅通的泥浆环流必须进行疏通，采用的方法主要有反冲洗及反循环，主要依靠进出浆流量差对泥浆门附近进行冲洗。

7 实施效果

1335～1354环掘进施工期间出浆泵堵泵频繁，有不间断的小范围岩层剥落或坍塌。总推力比正常掘进高10 000～15 000 kN，刀盘扭矩比正常掘进低400～1 000 kN·m，速度为12～16 mm/min，掘进中不间断出现推力增大而扭矩变化不大等现象。从以上可以判断，本段掘进地层较为破碎，掘进时发生有小范围岩层剥落或坍塌。管片脱出盾尾后无明显上浮或下沉，地表无沉降。

1355～1364环掘进较困难，刀盘启动扭矩高，推力为72 000～91 000 kN，扭矩为3 500～5 800 kN·m，速度为10～12 mm/min，堵泵频繁。管片脱出盾尾后无明显上浮或下沉，地表无沉降。

虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工中，通过选择合适的掘进参数，采取泥浆管理、加强注浆等针对性措施，正确处理了出碴不顺、泥浆门前方堵塞等问题，顺利通过了港区地层破碎段，规避了地表沉降、盾尾漏浆、地表冒浆、管片上浮等风险的发生，未发生一起安全事故。

8 结论与讨论

1)本文对虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工中采取的地质超前预报、技术保证措施和应急处置措施正确、有效、全面、针对性和可操作性强。

2)地层破碎段盾构掘进关键技术要点是掘进参数选择、稳步掘进、泥浆质量、同步注浆和二次注浆。

3)地层破碎段盾构掘进重大危险源有掌子面坍塌失稳、刀盘被卡、泥浆环流堵塞、刀具损坏无法掘进。

4)在地层破碎段盾构掘进施工中，在不具备辅助工法进行超前加固、无法常压或低压进仓条件下，须确保掘进施工中刀具方面、泥浆环流、掌子面稳定性等不能发生需开仓才能进行处理的问题或风险。

5)在地层破碎段进行盾构掘进施工中，需进一步深入研究利用盾构超前注浆孔进行超前加固的可行性，这是在无地表加固条件下确保安全进仓的必备的、唯一的辅助工法。

6)本文系统地分析了在狮子洋隧道盾构施工中，虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进采取的技术保证措施和应急处置措施，且在施工实践中得到了很好的应用，对类似工程有一定的参考价值。

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