摘 要：隨著國內(nèi)城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，采用盾構(gòu)法建設(shè)隧道面臨直徑更大、埋深更深、距離更長以及地質(zhì)條件更加復雜的情況，中國已經(jīng)應(yīng)用不同的超大直徑盾構(gòu)完成了多個工程。本文統(tǒng)計了國內(nèi)外超大盾構(gòu)工程案例，通過南京長江隧道、揚州瘦西湖隧道和春風隧道等項目，針對工程特點和施工難點，總結(jié)了超大直徑泥水盾構(gòu)隧道穿越諸如淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、硬塑膨脹性粘土、粉細砂與礫砂( 巖) 、上軟下硬復合地層等復雜地層的關(guān)鍵技術(shù)；研究分析了盾構(gòu)選型、盾構(gòu)適應(yīng)性改造、洞門密封泄漏和始發(fā)、江中帶壓開倉換刀、江中淺覆土段冒頂塌方等主要風險，并結(jié)合工程案例提出了解決風險的對策，對超大直徑盾構(gòu)的施工具有重要參考價值和指導意義。
關(guān)鍵詞：超大直徑盾構(gòu)；盾構(gòu)施工；風險；對策
0 前言
過去的二百多年里，盾構(gòu)施工技術(shù)隨著生產(chǎn)實踐應(yīng)用得到不斷完善和改進。僅僅是最近的一二十年間，盾構(gòu)隧道外徑以及盾構(gòu)機直徑的大小被不斷刷新，盾構(gòu)隧道正朝著超大直徑的方向邁進。
超大直徑盾構(gòu)隧道一般應(yīng)用于公路或公路與軌道交通合建項目，其邊界很難界定。20年前，直徑10~11m的盾構(gòu)被認為是最大的，可以滿足單層2車道需求； 而近10年來，隨著我國城市化進程的發(fā)展及交通需求量的增長,14 m及以上直徑是當前的主流，可以滿足雙層4/6車道或單層3車道需求。目前我們所說超大直徑盾構(gòu)均為直徑14 m以上。
國際上，1994年首次采用?14.14 m盾構(gòu)進行日本東京灣隧道施工；國內(nèi)2004年在上海上中路隧道引進荷蘭綠色心臟?14. 87 m盾構(gòu)進行施工。截至 2016年，直徑14 m及以上的盾構(gòu)隧道項目有36 例（含在建項目），其中，國外有15例，國內(nèi)有21例。 國內(nèi)外項目的簡況如以下所示。國內(nèi)直徑14 m及以上的隧道主要應(yīng)用于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，已建成項目11項，在建項目10 項。采用泥水平衡式盾構(gòu)工法的17項，采用土壓平衡式盾構(gòu)工法的 4項。公路隧道19項，公路隧道與軌道交通隧道合建 2項（上海長江隧道和武漢三陽路隧道）。
1 國內(nèi)外超大直徑盾構(gòu)發(fā)展歷程
目前，盾構(gòu)機已從單一模式盾構(gòu)發(fā)展到泥水、土壓平衡復合盾構(gòu)，盾構(gòu)機的尺寸也從中小盾構(gòu)發(fā)展到直徑可達17m的超大直徑盾構(gòu)。部分國內(nèi)外超大直徑盾構(gòu)工程實例如圖1所示，見表1、2。
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圖1 國內(nèi)近年超大直徑盾構(gòu)工程分布情況
表1 國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)工程實例
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表2 國外超大直徑盾構(gòu)工程實例
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2 施工主要風險分析及對策
2.1盾構(gòu)機選型風險
地質(zhì)是基礎(chǔ)，盾構(gòu)機是關(guān)鍵，人是根本。
隧道建設(shè)成功與否同盾構(gòu)機的選型息息相關(guān)。由于盾構(gòu)法施工主要依靠盾構(gòu)設(shè)備這個載體，因此盾構(gòu)設(shè)備選型是施工成敗的一個重要環(huán)節(jié)，是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。
盾構(gòu)機選型所需要考慮的因素包括：
工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)；開挖面穩(wěn)定性能; 隧道埋深、地下水位；設(shè)計隧道的斷面；環(huán)境條件、沿線場地( 附近管線和建構(gòu)筑物及其結(jié)構(gòu)特性)；襯砌類型；工期、造價等。
盾構(gòu)機選型好等于工程成功了一半，選型不好嚴重影響工程開展。
2.1.1世界最大盾構(gòu)“伯莎”施工情況
“伯莎”是為美國西雅圖市SR99公路隧道服務(wù)的土壓平衡盾構(gòu)機，日立造船株式會社制造，開挖直徑達到17.5m，價格為8000萬美元，如圖2所示。
2013年8月，完成組裝的“伯莎”在一片歡呼聲中開始了工作，按計劃，“伯莎”每天能推進10m，整條隧道應(yīng)在16個月后貫通?！安弊畛醯谋憩F(xiàn)還是不錯的，一切都在有條不紊按計劃推進，然而在12月初“伯莎”已經(jīng)前進了300m時突然停了下來，原來這時施工方發(fā)現(xiàn)“伯莎”無法前進，感覺像是遇到了神秘不明物體。
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（a）組裝 （b）嚴重破壞
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（c）跟換新軸承、密封件 （d）完成掘進
圖2 世界最大盾構(gòu)“伯莎”（外徑?17.45m）
調(diào)查工作隨即開始，到2014年 1月初，問題似乎有了眉目，人們認為是一根埋在地下的35m長、直徑20cm的鋼管阻礙了“伯莎”的腳步，施工方認為它卡在刀盤輻條中間導致刀盤無法正常旋轉(zhuǎn)。
經(jīng)過緊張工作，到1月底，鋼管剩余部分終于被清理出來，“伯莎”經(jīng)過調(diào)試又可以工作了。但不幸的是，僅僅前進了1.2m，“伯莎”再次停了下來。原來控制室內(nèi)發(fā)出了過熱警報，靠近刀盤的位置出現(xiàn)了140度的高溫。隨后的檢查發(fā)現(xiàn)刀盤的開口已經(jīng)被泥餅糊住，更重要的是主軸承密封件已經(jīng)遭到嚴重損壞。只有更換密封件才能將隧道掘進進行下去。
“伯莎”的刀盤被進一步分解以接受評估，隨后人們發(fā)現(xiàn)“伯莎”的狀況比預(yù)想的還要糟糕。原本以為只有主軸承的7個橡膠密封圈被沙子和水堵塞破壞，后來發(fā)現(xiàn)保護密封圈的鋼筒也發(fā)生了破損，一些碎片進入了傳動齒輪導致齒輪的破壞。
在長達四年半的時間里，“伯莎”土壓盾構(gòu)歷盡千辛，且經(jīng)歷繁雜的維修過程。其中，修理費用高達1.43億美元，比“伯莎”本身價格還要高。這是盾構(gòu)機選型失敗的典型例子。
2.1.2廣深港客運專線大盾構(gòu)遇到的問題
2011年10月31日，深圳福田梅林路與梅村路交界處突然發(fā)生塌陷，出現(xiàn)近百平方米大坑。此前與事發(fā)地一墻之隔的中康生活區(qū)地面出現(xiàn)四次塌陷，均因地下的廣深港客運專線施工所致，如圖3所示。
該大盾構(gòu)采用常規(guī)刀盤，帶壓進倉換刀，費時費錢，工期延誤較多。該盾構(gòu)機選型方面也存在一些問題。
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圖3 廣深港客運專線盾構(gòu)施工造成多次地陷
2.1.3伊斯坦布爾博斯布魯斯海峽隧道施工情況
“伊斯坦布爾海峽公路隧道工程”是博斯布魯斯海峽下第一次應(yīng)用盾構(gòu)施工的隧道，采用直徑為13.66m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)（常壓刀盤）進行掘進。本項目隧道全長3.34km，線路最深點在海平面以下106m，工作壓力高達13bar，盾構(gòu)掘進16個月后貫通。該盾構(gòu)機選型正確，進展順利，如圖4、5所示。
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圖4 盾構(gòu)下穿博斯布魯斯海峽
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圖5 伊斯坦布爾海峽公路隧道13.66m盾構(gòu)（常壓刀盤）
2.1.4南京長江隧道盾構(gòu)選型
南京長江隧道根據(jù)其穿越的江中礫砂復合地層且水壓較高的透水地層性質(zhì)，采用德國海瑞克公司設(shè)計制造的泥水加壓式盾構(gòu)機，如圖6所示。盾構(gòu)機的刀盤為中心支撐、輻條面板式，6個輻條內(nèi)部分刀具可以更換，便于檢修。刀盤上共有118把刮刀，其中71把可以在常壓下進行更換。盾構(gòu)機具有泥漿艙和氣壓調(diào)節(jié)艙兩個壓力艙，氣壓艙的壓縮空氣為壓力艙施加泥水壓力，實現(xiàn)帶壓進艙檢修；同時為方便技術(shù)員進入到壓力艙的內(nèi)部進行檢修還設(shè)有人閘、主艙和副艙。該盾構(gòu)機較適應(yīng)本項目地層的掘進。
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圖6 南京長江隧道泥水盾構(gòu)機構(gòu)造簡圖
2.1.5春風隧道盾構(gòu)選型
春風隧道工程起于上步立交東側(cè)，沿濱河大道進入地面，下穿濱河紅嶺立交、地鐵九號線、布吉河、海關(guān)宿舍樓、漁景大廈、大灘大廈、廣深鐵路股道及深圳站等建（構(gòu)）筑物；于北斗路東側(cè)歸入沿河南路，新秀立交以南穿出地面，在新秀立交西側(cè)與東部過境高速公路市政連接線配套工程相接。
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圖7 工程地理位置平面圖
盾構(gòu)段全長3.583km。盾構(gòu)段最小水平曲線半徑R750m，最大縱坡49‰，凸形豎曲線最小半徑為2800m，凹形豎曲線最小半徑為7500m。盾構(gòu)區(qū)間覆土厚度為8m～46m。最大埋深位于羅湖車站附近，站埋深46.58m。盾構(gòu)機從位于于濱河污水處理廠北側(cè)的西始發(fā)井始發(fā)，在位于沿河路與北斗路交叉口的東接收井吊出。
隧道主要穿越地層為粗?；◢弾r、構(gòu)造碎裂巖、片巖、變質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、糜棱巖，少量卵石，礫砂地層，隧道全斷面巖層約占80%，存在部分上軟下硬、斷層破碎帶地層。中微風化巖層抗壓強度普遍在50MPa--100MPa之間，最大強度為173.7MPa
春風隧道工程主要特點：
1)長距離、大斷面，區(qū)間長度3583m，開挖直徑達到φ15.8m；
2)大埋深、高水壓，最大凈水頭壓力達到5.9bar；
3)高巖石強度，最大巖石強度173.7MPa；
4)巖層較破碎，總共11條斷層破碎帶，總長度約為431m；
5)小曲線、大坡度，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑R750m，最大坡度49‰；
6)下穿大量重要構(gòu)建筑物；
7)始發(fā)段和接收段覆土較淺，存在上軟下硬地層。
本標段隧道主要穿越中微風化巖層，破碎地層多，水壓較大。從破巖和刀具消耗來講，常規(guī)刀盤具有一定的優(yōu)勢，但是由于地層常壓下的穩(wěn)定性具有不確定性，從檢查刀具方便性和換刀安全性來說，常壓刀盤優(yōu)更有勢。根據(jù)工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境分析與評價，以及刀盤的對比分析，決定采用常壓刀盤。
2.2盾構(gòu)機適應(yīng)性改造風險
揚州瘦西湖隧道借鑒南京長江隧道工程經(jīng)驗，為節(jié)約成本，選用南京長江隧道所用盾構(gòu)機。為適應(yīng)長距離、全斷面硬塑膨脹性粘土地層，針對盾構(gòu)機刀盤容易結(jié)泥餅、排漿管容易堵塞的問題，對盾構(gòu)機刀盤沖刷和環(huán)流系統(tǒng)兩方面進行改造，如圖8所示。
刀盤沖刷系統(tǒng)改造：增加 6個主刀臂沖刷，每個刀臂4個沖刷口；中心孔6個噴口分別布置在泥水及碴土匯流集中處；中心刀替換為魚尾刀，增加3個魚尾刀沖刷口。
環(huán)流系統(tǒng)改造：增加高壓沖刷系統(tǒng)。
高壓沖刷系統(tǒng)采用直徑250 mm專用高壓管道從地面清水池開始敷設(shè)，采用2臺壓力 10bar的加壓泵在地面加壓，到達盾構(gòu)機后分成4根100支管，每個支管分別連接一臺壓力 14～18 bar的增壓泵，再用60高壓管從增壓泵引入艙內(nèi)前閘門下方，全部均布固定在前閘門后方殼體內(nèi)壁上，分別采用4個20高壓噴頭正對出漿管吸口進行高壓沖刷，使刀盤切削下的碴土，及時通過排漿吸口帶走。
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圖8 刀盤刀具改造示意圖
2.3洞門密封泄漏和始發(fā)風險
2.3.1洞門密封泄露風險
盾構(gòu)進出洞的安全是盾構(gòu)法隧道施工一個非常重要的環(huán)節(jié)，目前，國內(nèi)盾構(gòu)法隧道多起事故均發(fā)生在盾構(gòu)進出洞上，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)進出洞端頭地層的加固效果不良、盾構(gòu)進出洞時洞口涌水、盾構(gòu)姿態(tài)的控制困難、良好的泥水平衡沒有盡快建立、洞口密封破壞等方面。洞門密封效果不佳，將導致大量泥水外溢及涌砂等后果，因此，洞門密封也是工程的風險點之一。
南京長江隧道工程洞門密封防水措施如圖9所示，其中2道簾布橡膠板隨盾構(gòu)前進方向翻轉(zhuǎn)，由于其下緣被拉伸而緊貼盾構(gòu)外壁，形成一道密封止水帶。此外，外側(cè)的翻板也向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)而頂住簾布橡膠板，防止出現(xiàn)因前方水土壓力過大而導致簾布橡膠板逆向翻轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，是目前運用較多的盾構(gòu)、頂管機出洞密封裝置。
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圖9 洞門密封防水措施布置圖
2.3.2盾構(gòu)始發(fā)風險
盾構(gòu)法隧道施工中，端頭土體加固是盾構(gòu)機始發(fā)、到達技術(shù)的一個重要組成部分，端頭土體加固成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)機能否安全始發(fā)、到達。盾構(gòu)進出洞端頭地層處理不當，盾構(gòu)機在進出洞時工作面可能會產(chǎn)生涌水、涌砂，不能及時形成壓力平衡，容易導致地面大幅度沉陷、盾構(gòu)機被掩埋、工作井周邊構(gòu)筑物損壞等事故。南京長江隧道盾構(gòu)機始發(fā)段的土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，洞門前方0～18m區(qū)間采用高壓旋噴樁加固地層，加固深度23m，寬度23m。為了更好地增強土體強度及密封性，保證加固土體可靠地封水，在高壓旋噴樁加固土體和端頭地下連續(xù)墻之間設(shè)計一道寬1.6m的凍土壁，通過人工制冷工藝形成的凍土壁將高壓旋噴樁加固區(qū)和地下連續(xù)墻膠結(jié)，使旋噴加固土體與凍結(jié)壁共同抵抗水土壓力，以確保洞門破除和盾構(gòu)機始發(fā)的安全。
2.4始發(fā)段超淺覆土掘進的風險
由于受線路控制影響，南京長江隧道工程盾構(gòu)始發(fā)段（K3+600～730）屬于超淺埋，最淺覆土厚度為5.5 m，僅為 0.37D（D為盾構(gòu)機直徑），主要穿越地層為流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，施工技術(shù)難度非常大。盾構(gòu)在淺覆土施工易產(chǎn)生以下問題：
(1)由于豎向壓力較小，盾構(gòu)推進時姿態(tài)控制困難；
(2)由于覆土層薄，給切口水壓控制增加了難度，泥水易竄出地面“冒漿”，破壞泥水平衡；
(3)土質(zhì)松軟，端頭土體易發(fā)生失穩(wěn)、涌水涌砂、地層塌陷等惡劣后果。
本工程盾構(gòu)機在此段施工時，采取了嚴格的地表沉降監(jiān)測、泥漿壓力控制，并結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場泥漿劈裂試驗等措施，設(shè)置了合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)，使盾構(gòu)機安全通過了超淺覆土的始發(fā)段。
2.5粘土地層泥水環(huán)流系統(tǒng)難點及對策
春風隧道工程為應(yīng)對可能存在的粘土地層刀盤前面滯渣問題，配置獨立P0.1增壓沖刷泵，可向刀盤正面提供最大2000m3/h沖刷流量。刀盤中心面板區(qū)域設(shè)有7路橫向沖刷，中心進渣通道設(shè)有6路開口沖刷口，刀盤主梁周邊面板區(qū)域設(shè)有6路橫向沖刷，降低刀盤滯渣可能性。同時，沖刷通道可實現(xiàn)組合分區(qū)控制，包括：中心面板區(qū)沖刷、刀盤左半?yún)^(qū)沖刷及刀盤右半?yún)^(qū)沖刷，減低噴口堵塞概率，如圖10所示。
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圖10 刀盤前大流量分區(qū)高壓沖刷設(shè)計
2.6江河大堤沉降、開裂的風險
南京長江大堤起著防洪的重要作用，處于航道局嚴密監(jiān)控之內(nèi)，在盾構(gòu)機通過長江大堤時，如何防止大堤沉降也是一個施工風險。盾構(gòu)機2次穿越長江大堤時，其中浦口岸穿越地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層。由于大堤防洪等級高，地表沉降控制要求必須控制在+10～－30 mm，且由于該處地面覆土厚度變化明顯，盾構(gòu)掘進施工技術(shù)參數(shù)控制難度極大。
本工程盾構(gòu)機穿越長江大堤時主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，為了降低對土層的擾動，適當減小了刀盤轉(zhuǎn)速，控制切口壓力在較小的范圍內(nèi)波動，同時嚴格按照設(shè)計量進行同步注漿，及時回填開挖空隙，以減小大堤的沉降。
同步注漿為水泥砂漿（單液漿），其膠凝時間為 3～10 h，固結(jié)體強度一天不小于0.2 MPa（相當于軟質(zhì)巖層無側(cè)限抗壓強度），28 d不小于2.5 MPa（略大于強風化巖天然抗壓強度）；壁后注漿體固結(jié)收縮率＜5%；注漿壓力設(shè)定為 0.3～0.6 MPa，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果作適當調(diào)整；實際注漿量為建筑間隙的 110%～130%，即為 23.42～28.47 m3/環(huán)（每環(huán)理論注漿量為：V =π/4×(14.962－14.52)×2 = 21.29 m3）。
施工時的大堤沉降監(jiān)測顯示，大堤出現(xiàn)小裂縫，隨即采用深層攪拌樁對大堤進行加固，有效地防止了大堤的沉降和穩(wěn)定性，并在大堤上游側(cè)建造防滲帷幕，保障了大堤安全。
2.7膨脹性粘土泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)
因盾構(gòu)施工需要，揚州瘦西湖隧道泥水盾構(gòu)在掘進過程中有過幾次停機，在停機過程中出現(xiàn)了三次開挖面失穩(wěn)塌方事故，表現(xiàn)為近似圓桶形豎向塌方，三次塌方均發(fā)生在停機后第 6 天左右。針對停機時在確保開挖面支護壓力不降低情況下，仍然發(fā)生了多次開挖面塌方的問題。通過深入研究后，認為粘土的膨脹性是開挖面失穩(wěn)發(fā)生的主要原因。
隨著盾構(gòu)開挖擾動，開挖面前方具有裂隙性的膨脹土裂隙開展，滲透系數(shù)增大，加速了泥水入滲。由于泥漿入滲，膨脹土因含水率增加發(fā)生一定量的膨脹，向泥水艙內(nèi)部發(fā)生擠入，并且其強度將會降低。由于盾構(gòu)停機時間較長，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導致開挖面極限支護壓力比增大，開挖面穩(wěn)定性降低。
根據(jù)塌方發(fā)生的原因和機理，提出了如下的控制措施:
（1）控制開挖參數(shù)，盡量平穩(wěn)勻速開挖，減少開挖面擾動，盡量避免開挖面前方膨脹土裂隙開展，減少泥漿入滲通道；
（2）減少非必要停機時間，如因特殊情況需要停機檢修，可以采用“多次短?！钡姆绞竭M行，如停機兩天，開挖五環(huán)再次停機。防止因停機時間過長，開挖面前方土體強度不足而導致坍塌；
（3）適當提高泥水支護壓力，防止因為開挖面極限支護壓力比增加而發(fā)生破壞；
（4）停機時適當增加泥漿密度和粘度，選用低滲透性能的泥漿，減少泥漿入滲量。通過采取開挖面穩(wěn)定性控制措施之后，再無塌方事故發(fā)生，取得了顯著的效果。
2.8對易燃易爆混合氣體的對策
意大利Sparvo隧道位于博洛尼亞（Bologna)與弗洛倫薩（Florence）山脈，工程面臨地層復雜和富含易燃易爆氣體等挑戰(zhàn)。Sparvo隧道采用德國海瑞克公司制造的直徑為15. 55 m的土壓平衡盾構(gòu)施工。
針對地層內(nèi)富含易燃易爆氣體的特殊情況，螺旋輸送機與皮帶運輸均采用雙層密封進行封閉（圖11），防止開挖土體中的易燃易爆氣體逃逸。
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圖11 旋輸送機與皮帶運輸通道密封設(shè)計
亞平寧山脈富含易燃易爆的硝酸甘油和甲烷氣體，是Sparvo隧道面臨的難題與挑戰(zhàn)，因此盾構(gòu)裝備的設(shè)計必須考慮這一點。如螺旋機就是密封在管道內(nèi)以防止氣體逃逸，同時安裝了相應(yīng)的感應(yīng)與監(jiān)測裝置，以防止易燃易爆氣體累積。
沼氣的監(jiān)測工作分包給一家專業(yè)公司（Collins)，每個班組均由專人負責監(jiān)測。每個斷面設(shè)10個監(jiān)測點和2個備用監(jiān)測點，當沼氣含量超過規(guī)定的限值時盾構(gòu)將關(guān)閉電源停機。
發(fā)生沼氣爆炸的沼氣含量的限值為5%，在不同的斷面設(shè)定不同限值，盾構(gòu)內(nèi)沼氣含量嚴格限制在0.35%，隧道內(nèi)則為3%。當隧道內(nèi)沼氣含量高于1%時，盾構(gòu)司機將降低掘進速度，否則機器將自動停機。
在盾構(gòu)內(nèi)設(shè)置了類似交通信號燈的沼氣報警系統(tǒng),，由綠、藍、黃、紅4種顏色組成，綠色意味著正常水平，紅色代表所有工作人員應(yīng)立即撤離。出土皮帶系統(tǒng)設(shè)置雙層保護罩，層間充滿高壓氣體以防止沼氣逃逸；與此同時，對通風系統(tǒng)也做了特殊考慮，盾構(gòu)司機可將送風量最高調(diào)到25 m3/s。盾構(gòu)通風系統(tǒng)設(shè)計如圖12所示。
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圖12 盾構(gòu)通風設(shè)計
2.9穿越江中礫砂等復合地層的風險
南京長江隧道從K4+462 開始進入江中粉細砂和礫砂層混合地層，其中還穿越長約370 m、厚0.0～3.9m圓礫層和強風化鈣質(zhì)泥巖地層，地層巖性上軟下硬，性質(zhì)差異明顯，同時卵石地層還容易造成開挖艙阻塞、損壞刀具等，盾構(gòu)掘進控制技術(shù)難度大，施工風險高。地層滲透系數(shù)高達10～2cm/s，且地層大于2 mm的粗顆粒占整個地層含量的40%左右，黏粒含量很少。
此種情況對泥水盾構(gòu)在開挖面上形成泥膜非常不利，極易出現(xiàn)因泥漿大量濾失而無法建立開挖面的壓力平衡的事故，如瑞士蘇黎世的Her-metschloo污水隧道，采用泥水加壓盾構(gòu)穿越滲透系數(shù)為3×10-3m/s的高滲透性地層，以膨潤土泥漿支護開挖面掘進時，由于泥漿大量滲入地層而導致多次開挖面失穩(wěn)、地層坍塌等事故的發(fā)生。
已建成的兩條長江隧道，上海滬崇蘇隧道地質(zhì)情況單一，幾乎全部為淤泥質(zhì)地層，武漢長江隧道只穿越很短的復合地層，同時這2座隧道的最大水壓為 0.50~0.55 MPa，而南京長江隧道盾構(gòu)機工作最大壓力約0.65 MPa。這也大大增加了盾構(gòu)機越江的風險，對盾構(gòu)機本身和施工過程也是一個考驗。
在本工程隧道施工中，為了解決高水壓和強透水性下泥膜形成的問題，通過向膨潤土與天然黏土的混合泥漿中添加2‰的NSHS-3制漿劑（增黏劑）調(diào)節(jié)泥漿的黏度（與泥漿的質(zhì)量體積比，即1000mL泥漿中加入2g NSHS-3制漿材料）。室內(nèi)泥漿成膜試驗顯示，密度為1.15～1.20 g/cm3、漏斗黏度20 s左右的泥漿在礫砂層中可以快速形成微透水的泥皮型泥膜。同時還總結(jié)了各地層泥膜的形成規(guī)律，為大直徑泥水盾構(gòu)穿越礫砂地層積累了寶貴的經(jīng)驗。
2.10高壓氣焊接與更換刀具難點及對策
刀盤作為盾構(gòu)的核心部件，是決定工程成敗和效率的關(guān)鍵，當?shù)侗P磨損破壞非常嚴重且需要焊接修復時，無法實現(xiàn)常壓條件下對刀盤的修復，也無法有效保證掌子面的穩(wěn)定，此時就需要考慮帶壓進艙，在壓縮空氣條件下帶壓對盾構(gòu)刀盤進行焊接修復，同時保證修復期間掌子面穩(wěn)定和施工安全。
南京長江隧道通過采用高水壓、強透水性地層中大直徑盾構(gòu)開艙泥膜的形成技術(shù)，提出了滲透帶加泥皮氣壓支護開艙的方法并首次成功運用。用濃度5%的泥漿在開挖面附近形成滲透帶，用濃度12%，密度1.20的泥漿在開挖面形成泥皮，用氣壓置換部分泥漿，形成工作空間。采用低濃度的泥漿先形成滲透帶型泥膜，滲透部分微泥漿粘粒進入粉細砂和礫石地層，有助于提高地層的粘聚力，然后再在開挖面形成狀態(tài)優(yōu)良泥膜達到封閉壓力艙內(nèi)的泥漿，也更加有利于封閉開艙進入時的高氣壓，更加有利于保證開挖面的穩(wěn)定性。通過這一技術(shù)實現(xiàn)了在高壓環(huán)境下進行的刀盤刀具的更換與焊接。
揚州瘦西湖隧道工程中，在泥水平衡盾構(gòu)機出洞掘進時，因全斷面粘性土造成泥水環(huán)流系統(tǒng)排渣不暢，排漿管口堵塞的現(xiàn)象，掘進速度慢，刀盤易結(jié)泥餅，需要在原位高壓氣環(huán)境下進行停機焊接檢修。但是國內(nèi)因同時具備焊接技術(shù)與潛水能力的技術(shù)人員缺失，導致盾構(gòu)原位高壓縮環(huán)境下盾構(gòu)機帶壓動火檢修施工嚴重依賴德國潛水公司，但是國外報價高、時間長、技術(shù)壟斷，在工期緊張的瘦西湖隧道中并不現(xiàn)實。
針對這一難題，通過公開選拔焊接技術(shù)人員，由南京軍區(qū)總醫(yī)院進行高氣壓環(huán)境專業(yè)培訓。通過試驗確定壓氣環(huán)境下焊接時保護氣體選擇氬氣與 2%氧氣相結(jié)合的最佳焊接技術(shù)。最終實現(xiàn)在揚州瘦西湖隧道盾構(gòu)機壓氣檢修作業(yè)中，最大環(huán)境壓力為4.2 bar的突破，打破了德國技術(shù)壟斷（圖13）。而且壓氣培訓與高壓焊接作業(yè)時間大幅減少，實現(xiàn)了高效率壓氣檢修作業(yè)。
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圖13 原位高壓氣焊焊接作業(yè)
2.11江中帶壓開艙更換刀具的風險
南京長江隧道右線盾構(gòu)機推進到655～659環(huán)時（K4+910～918，此時盾構(gòu)機已經(jīng)進入粉細砂和礫砂、圓礫的復合地層一段距離），刀盤扭矩值相比之前的掘進明顯偏高，最高達到20 MN?m，推進速度急劇減小，同時排出的渣土中出現(xiàn)直徑 20 cm 以上的卵石。通過對常壓可更換刀具的檢查，發(fā)現(xiàn)部分刀具磨損嚴重，出現(xiàn)了刀刃崩落的現(xiàn)象。
盾構(gòu)機停機位置，其所處斷面上部約1/4為粉細砂地層，其滲透系數(shù)約為6×10-3 cm/s；下部約3/4為礫砂地層，其滲透系數(shù)約為3×10-2 cm/s。根據(jù)實際的地層條件，可以計算出盾構(gòu)機頂部往下5 m處（氣壓作用面處，按氣壓面下端處埋深25.5 m，水深48 m計算）的靜止土應(yīng)力（k = 0.5）為 0.11 MPa，孔隙水應(yīng)力為 0.48 MPa，總靜止土壓力為 0.59 MPa。在這樣高滲透性高水壓的地層中開艙，如何保證開挖面的穩(wěn)定性成為工程中十分關(guān)注的問題。
本工程最終采用在開挖面上形成氣密性良好的泥膜、氣壓支護開挖面的帶壓開艙方法，成功實現(xiàn)了江底更換刀具、修復刀盤。實驗室內(nèi)對使用膨潤土與黏土的混合泥漿（密度 1.15 g/cm3，漏斗黏度25s）形成厚度為5 mm泥膜進行氣密性模擬試驗，結(jié)果表明該泥膜能夠閉氣的臨界壓力差（泥膜閉氣值）為 0.12 MPa，如圖14所示。實際工程上可采用的極限壓氣壓力值應(yīng)該是地層水壓力+泥膜閉氣值，也就是0.48＋0.12 MPa，為0.60MPa，這一極限壓氣壓力略大于開挖面上總靜止土壓力值，除抵消孔隙水應(yīng)力以外，還可以抵消開挖面上的有效應(yīng)力。從現(xiàn)場氣壓的穩(wěn)定性及泥漿壓力的變化情況來看，形成的泥膜致密性良好，開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以滿足短時間內(nèi)開艙修復的安全性要求。0.6Mpa氣壓下焊接修復受損刀盤情況如圖15所示。
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圖14 開挖面上形成的泥膜
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圖15 0.6Mpa氣壓下焊接修復受損刀盤
2.12開挖面漏氣應(yīng)急處理
帶壓作業(yè)漏氣的原因主要有以下幾個方面：開挖面漏氣、盾殼周圍地層漏氣、盾構(gòu)內(nèi)部管線漏氣和盾尾漏氣等。一般來講，開挖面與氣體接觸面積最大開挖面漏氣為帶壓作業(yè)漏氣的主要原因。
地層漏氣時，氣體通過破損或老化的泥膜裂隙向地層滲透，逐步形成漏氣通道。漏氣過程為氣壓作用下泥膜破損的過程，泥膜破壞將進一步增大漏氣量，形成惡性循環(huán)。
開挖面漏氣事例描述：
2013年10月6日6點50分，完成降液位，通知帶壓進艙作業(yè)人員進艙作業(yè)。
7點10分，人員進艙后發(fā)現(xiàn)刀盤未轉(zhuǎn)到位，通知操作室轉(zhuǎn)刀盤。
7點20分，刀盤轉(zhuǎn)動到位。
8點15分至8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降。
8點20分至 8點35分，空壓機出口壓力降至與泥水艙壓力基本一致。
8點30分，立即通知艙內(nèi)作業(yè)人員退回至盾構(gòu)人閘內(nèi)保壓，并啟動備用空壓機供氣。
8點35分，空壓機出口壓力值回升，但并未達到設(shè)定壓力值。
8點40分，啟動送泥泵，回升液位，空壓機出口壓力曲線恢復正常。
開挖面漏氣原因分析：
本次換刀刀盤回縮5 cm，建膜后開挖面與滾刀刀刃之間的實際間距不到3cm。而新更換的滾刀刀刃較舊滾刀刀刃（滾刀磨損）高出3cm多，新刀刃與開挖面泥膜相接觸。
刀盤旋轉(zhuǎn)時，新更換的滾刀切削開挖面泥膜，滾刀軌跡線區(qū)域的氣密性僅依靠滲透帶泥膜保持。7點20分至8點20分，空壓機出口壓力曲線正常，滲透帶泥膜氣密性可靠；8點20分，空壓機出口壓力曲線驟降，滲透帶泥膜氣密性失效，這與室內(nèi)試驗滲透帶泥膜氣密性不足1h的結(jié)論基本吻合。
開挖面漏氣應(yīng)急處理：
開挖面漏氣應(yīng)急處理的最佳方案為作業(yè)人員緊急撤出泥水艙后立即以最快的速度以最快的速度回升泥水艙內(nèi)液位。升液位不僅可以減少漏氣量，同時還可對受損泥膜進行修復。
2.13長距離復合地層刀盤刀具磨損問題
與南京長江隧道類似，武漢地鐵8號線越江隧道江中段，盾構(gòu)穿越長達1365m的復合地層，其中400m長度巖層超過斷面的50%，穿越巖層為強風化礫巖、弱膠結(jié)礫巖和中等膠結(jié)礫巖，其中中等膠結(jié)礫巖強度可達24.4MPa。根據(jù)施工經(jīng)驗，在此地層中掘進時刀具的磨損速度極快，需要經(jīng)過多次刀具更換才可完成復合地層掘進。
合理的、針對性強的刀具布置方式、刀具設(shè)計形式，可以延長刀具的使用壽命，減少刀具更換次數(shù)。因此刀盤刀具的合理設(shè)計以及如何在高水壓下安全高效的更換刀具將是本工程的重難點。
針對復合地層，提出如下主要應(yīng)對措施：（1）采用貝殼型先行刀和刮刀搭配的刀具體系，邊緣區(qū)域布置一定數(shù)量的滾刀；（2）盾構(gòu)刀具設(shè)置應(yīng)有層次性，先行刀高出刮刀30 mm，先行破碎、疏松地層，為刮刀創(chuàng)造更好的工作環(huán)境；（3）采用可常壓更換刀具設(shè)計：刀盤內(nèi)部設(shè)計為中空，1 /3的刀具（軌跡覆蓋掌子面）可以常壓更換；（4）選擇合適位置，及時常壓對刀具進行檢查更換，同時在復合地層中加強刀具磨損檢測頻率，避免出現(xiàn)刀具磨損后繼需帶傷作業(yè)；（5）確保盾構(gòu)推進速度與出渣相匹配，減小地層中大顆粒在開挖艙中的堆積，避免刀具出現(xiàn)二次磨損；（6）全部滾刀均采用常壓可更換設(shè)計，并能實現(xiàn)滾齒互換。
2.14江中高水壓、強透水地層長距離掘進風險
南京長江隧道江中長126m的江中沖槽地段隧道頂面覆蓋層厚度均小于14 m，不足1D，尤其是江中長30m范圍覆蓋層厚度僅為9 m，達不到0.7D，且上部水深達29m，隧道頂部覆土以宜液化粉細砂層為主，掘進斷面為透水的粉細砂。
武漢地鐵8號線越江隧道盾構(gòu)江中推進約1.5km。盾構(gòu)隧道穿越江底淺覆土段，水壓力較大，且淺部為松散粉細砂，透水性極強。隧道頂部距離最大沖刷包絡(luò)線最小不足5m，長度約為400 m。在盾構(gòu)掘進時需嚴格控制泥水的質(zhì)量和泥水壓力的設(shè)定，保證開挖面的穩(wěn)定。在高壓、富水、上軟下硬復合地層中掘進，若盾尾密封失效將造成突泥、涌水、開挖面失穩(wěn)坍塌等災(zāi)害性事故。
提出如下應(yīng)對措施：
（1）掘進過程中合理設(shè)置油脂注入量及注入壓力，同時加強對油脂注入設(shè)備及油脂管路的檢查，確保油脂腔始終處于飽滿狀態(tài)，確保尾刷安全；
（2）控制好盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾尾間隙均勻。掘進過程中加強盾構(gòu)姿態(tài)量測，勤測勤糾，避免大量的糾偏，杜絕急轉(zhuǎn)急糾；
（3）保證管片拼裝質(zhì)量，環(huán)縫平整度及縱縫張開量滿足設(shè)計要求，避免出現(xiàn)大的錯臺；
（4）及時、足量注入保水性良好的水泥砂漿，在盾尾刷與水體間形成良好的隔離層，避免水壓力直接作用在盾尾刷上。同時控制注漿壓力，避免漿液擊穿盾尾；
（5）制定合理可行的盾尾刷更換及盾尾漏水專項處理應(yīng)急預(yù)案。
2.15江中沖槽淺覆土段冒頂、塌方風險
南京長江盾構(gòu)隧道在K5+988～K6+104 段，長126m的江中沖槽地段隧道頂面覆蓋層厚度均小于14m，不足1D，尤其是K6+075～105段長30 m 范圍覆蓋層厚度僅為9 m，達不到0.7D，且上部水深達29 m，隧道頂部覆土以宜液化粉細砂層為主，掘進斷面為透水的粉細砂。盾構(gòu)機在高壓平衡掘進過程中，極易發(fā)生掌子面失穩(wěn)、地層隆陷、透水冒漿和局部擾動液化，施工技術(shù)難度和工程風險極大。
本工程綜合分析拋填與不拋填方法利弊，最終采用高黏度泥漿（漏斗黏度23～25 s）維護開挖面，控制開挖面泥水壓力波動和泥漿流量，掘進過程中嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)，確保注漿均勻充足，依照“優(yōu)配泥漿質(zhì)量、精細控制壓力、嚴格控制姿態(tài)、強化參數(shù)匹配、平穩(wěn)操控推進、快速管片拼裝”的施工原則，迅速通過了江中淺覆土地段。
3 結(jié)論
本文回顧了國內(nèi)外超大盾構(gòu)發(fā)展歷程，統(tǒng)計了超大直徑盾構(gòu)工程實例，針對某些典型工程案例進行重點分析，在盾構(gòu)機選型風險、盾構(gòu)機適應(yīng)性改造、洞門密封泄漏與始發(fā)風險、江中帶壓開倉換刀風險、江中沖槽淺覆土段冒頂、塌方風險、穿越砂礫等復合地層風險的問題進行分析總結(jié)，提出對特定風險的針對性解決方法，對解決工程中所遇到的超大直徑盾構(gòu)技術(shù)難題具有重要的參考價值。
4 展望
從國內(nèi)首條超大直徑盾構(gòu)隧道開始，中國14 m以上超大直徑盾構(gòu)數(shù)量已達25臺，掘進里程累計超100 km。超大規(guī)模隧道工程的建設(shè)推動了新技術(shù)、新工藝、新材 料、新設(shè)備的引進、開發(fā)和應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道在大直徑、大深度、長距離和復雜地層掘進的應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)得到了長足發(fā)展。多條超大直徑隧道工程的成功建成標志著我國在超大直徑隧道建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)已達到國際先進水平。
從發(fā)展趨勢來看，超大直徑的城市道路隧道采用雙層結(jié)構(gòu)因斷面利用率高而成為發(fā)展方向。單孔雙層4車道和6車道已在國內(nèi)外多項隧道工程中成功地得到應(yīng)用。擬建中的白令海峽隧道工程將采用?19.2m盾構(gòu)掘進機施工103km，在超大直徑和超長距離盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域成為世界隧道工程史上的又一次新的挑戰(zhàn)。