朱 偉， 錢勇進， 閔凡路， 王 璐， 王 超， 徐 超， 胡澗楠

(1. 河海大學環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098； 3. 河海大學土木與交通學院， 江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國城市地鐵、大型過江過河隧道工程及引水工程的大規(guī)模興建，泥水盾構隧道技術的應用越來越廣泛[1-3]。已建成的上海、南京、武漢穿越長江隧道[4-6]，南水北調中線穿黃隧道[7]，杭州錢江隧道[8]、廣深港客運專線獅子洋隧道[9]、揚州瘦西湖隧道[10]等工程都采用泥水盾構施工，擬建或正在論證的煙大渤海海峽隧道[11]和瓊州海峽隧道[12]，以及正在建設中的多個城市地鐵的越江河隧道工程都準備或正在采用泥水盾構工法[13]。因此，泥水盾構隧道技術已成為我國重大地下工程建設領域不可或缺的關鍵技術之一。

由于我國幅員遼闊，各地地質條件差別較大，許多隧道遇到斷面上同時存在巖石和土層、軟土和卵石等復雜地質條件，加上施工中很多不可預知因素的影響，目前泥水盾構隧道施工中遇到了各種各樣的技術問題。除了盾構隧道施工普遍面臨的淺覆土施工控制、穿越大堤安全防治、地表沉降控制、管片拼裝上浮、錯臺控制及姿態(tài)控制等難題以外，大直徑泥水盾構也遇到了一些特有的困難和問題，例如： 在高滲透性地層中泥漿擊穿開挖面、開艙過程中開挖面失穩(wěn)、卵礫石地層攜渣困難、廢棄漿液如何處理等[14-18]。我國目前已成為世界上擁有大直徑盾構最多的國家，擁有數(shù)量眾多的大斷面泥水盾構[19]。未來，在很多重大隧道工程，尤其是穿江跨海隧道工程中，泥水盾構技術必然會成為主要的施工方法。因此，有必要對目前我國泥水盾構的使用情況進行總結，對工程中常遇到的問題進行分析，為下一步形成系統(tǒng)、全面和規(guī)范的施工方法提供借鑒。

本文結合幾個大直徑泥水盾構施工工程，收集相關工程實例，以期了解泥水盾構技術的使用現(xiàn)狀，分析施工過程中出現(xiàn)的一些問題，為未來的施工和泥水盾構技術的發(fā)展提供一定的借鑒。

1 泥水盾構的使用現(xiàn)狀

1.1 泥水盾構的使用日趨廣泛

泥水盾構在我國最早使用于1993年底開建的廣州地鐵1號線上，該工程在黃沙站至烈士陵園站區(qū)間穿越珠江時，采用2臺直徑6.14 m的泥水盾構(日本住友制造)，穿越地層主要為富水砂層與淤泥層，于1997年11月貫通[20]。1996年，上海地區(qū)采用直徑為11.32 m的泥水盾構修建了延安東路南線越江隧道。此后，泥水盾構在大斷面越江隧道中的應用越來越廣泛。2008年建成通車的武漢長江隧道是我國在長江上修建的第1條大型公路隧道，采用2臺直徑為11.34 m的泥水盾構穿越部分粉砂、卵石等高滲地層，地質條件復雜、地層上軟下硬，是當時施工難度較大的江底泥水盾構隧道工程[21]。隨后，南水北調中線穿黃隧道、上海滬崇蘇隧道、南京長江隧道、廣州獅子洋隧道、杭州慶春路過江(錢塘江)隧道、杭州錢江隧道、揚州瘦西湖隧道、南京揚子江隧道(緯三路)以及武漢三陽路隧道等相繼建成，一批大直徑泥水盾構隧道施工工程標志著我國水下大直徑泥水盾構隧道施工技術的成熟和工程應用的蓬勃發(fā)展[22-23]。

1.2 逐漸向大斷面、長距離、高水壓方向發(fā)展

圖1為我國泥水盾構發(fā)展簡圖。隨著我國泥水盾構技術的發(fā)展，盾構直徑逐漸變大，掘進時遇到的最大水壓逐漸增加，掘進距離逐漸變長。此外，我國各大城市地鐵中過江穿河地鐵段也基本上都使用直徑在6 m左右的泥水盾構，如廣州地鐵穿越珠江段、成都地鐵、深圳地鐵、蘭州地鐵、上海地鐵穿越黃浦江段、杭州地鐵穿越錢塘江段等。除以上這些已建成的隧道之外，據(jù)筆者了解，目前我國在建的超大直徑(14 m以上)泥水盾構隧道有多條，如： 深圳春風隧道、上海北橫通道、南京和燕路隧道、香港屯門隧道、濟南黃河隧道、蕪湖城南長江隧道、汕頭海灣隧道。從我國正在規(guī)劃的一些重大越江海隧道工程、城市市政管網(wǎng)隧道、大型綜合管廊等重大基礎設施建設的發(fā)展趨勢來看，泥水盾構隧道在其中也起到不可或缺的作用。

(a) 我國泥水盾構掘進距離及深度發(fā)展簡圖 (b) 我國泥水盾構直徑發(fā)展簡圖

圖1我國泥水盾構發(fā)展簡圖

Fig. 1 Schematic of slurry shield development in China

2 施工的主要特點

我國早期的泥水盾構施工技術主要受日本的影響，但隨著各大城市地鐵隧道的大量建設，德國的盾構逐漸得到更為廣泛的使用。目前，我國已進入自主研發(fā)并制造盾構的技術階段，直徑在6 m左右的地鐵區(qū)間隧道所使用的泥水盾構大多數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，而大直徑泥水盾構隧道工程仍然采用與德國、日本等盾構廠商合作的方式，由此形成了我國泥水盾構施工技術的一些主要特點。

2.1 穿越地層復雜

我國泥水盾構技術在蓬勃發(fā)展的同時，盾構在掘進過程中遇到的地層愈加復雜。盾構的選型、刀盤布置、刀具磨損等方面與所穿越的地層密切相關。近年來修建的盾構隧道中，穿越的具有代表性的地層情況統(tǒng)計見表1。

表1不同工程中盾構隧道穿越地層條件

Table 1 Stratum conditions of shield tunnels in different projects

工程名稱穿越地層條件武漢三陽路長江隧道 粉質黏土、強風化粉砂質泥巖、弱風化粉砂質泥巖杭州錢塘江隧道淤泥質粉質黏土、粉土、粉質黏土南京長江隧道 淤泥質粉質黏土、粉細砂、礫砂及圓礫、強風化泥巖南京揚子江隧道 淤泥質粉質黏土、粉細砂、礫砂、圓礫卵石、中風化砂巖揚州瘦西湖隧道黏粒含量高達90%的硬塑性黏土層北京鐵路地下直徑線砂卵石、黏性土、粉土、中砂、粉砂等杭州慶春路越江隧道 粉砂夾粉土、淤泥質粉質黏土、粉細砂和圓礫益田路隧道 強風化花崗巖、中風化花崗巖、變質砂巖珠海橫琴馬騮洲交通隧道 軟弱黏土、礫質黏性土、中粗砂、強風化花崗巖、中風化花崗巖南京和燕路隧道全斷面巖層、粉砂、上軟下硬地層獅子洋隧道 微風化砂巖、砂礫巖、局部為淤泥質粉質黏土

從表1中可以看出，大部分盾構隧道在掘進過程中會穿越2種以上地層，其中，既有軟弱的黏土、泥巖，也有較堅硬的巖層。同時，隨著盾構隧道向著大直徑、長距離方向發(fā)展，同一個開挖段面上會出現(xiàn)3種甚至更多種地層復合的情況，例如： 南京揚子江隧道掘進過程中穿越上部粉砂及礫砂的軟土層、下部卵石及中風化砂巖的硬巖層，這些復雜地層往往是盾構掘進過程中最為困難的部分，因此，也對隧道施工提出了更高的要求。

2.2 壓力艙結構特點

我國使用的泥水盾構壓力艙的構造有2類： 單艙式泥水盾構和雙艙式泥水盾構(如圖2所示)。其中，單艙式泥水盾構只有1個泥水艙，艙內泥漿壓力通過進出漿泵的流量差來控制，泥水平衡過程中壓力波動偏大，這種方式在小斷面和早期的施工中應用較多，如多數(shù)的城市地鐵隧道；雙艙式泥水盾構的泥水艙被中間隔板分成壓力艙和氣壓艙，艙中壓力主要通過氣壓艙的氣壓和進出漿泵的流量差共同調節(jié)。由于氣壓控制的準確性和艙內維護、維修的便利性，穿越復合地層的大直徑隧道多采用這種結構，如南京長江隧道、南京揚子江隧道、武漢三陽路隧道等。從我國盾構隧道施工的經(jīng)驗來看，一般都較為注重盾構端部設備的維護和維修，因此，大多數(shù)泥水盾構選型時較偏向于雙艙式構造，這已經(jīng)成為我國泥水盾構壓力艙構造的主流。

2.3 普遍出現(xiàn)刀具磨損等情況需開艙檢修

由于盾構穿越的地層復雜多變，國內盾構隧道工程中或多或少存在刀具磨損嚴重的現(xiàn)象。我國已建成及在建的大直徑泥水盾構工程由于多穿越江河及海底，幾乎都遇到了上軟下硬、上土下巖的復合地層，而成都、北京、沈陽、蘭州等城市，在地鐵區(qū)間修建過程中更是遇到了大尺寸、高強度的卵石、礫石地層。為了應對這種復雜的地質條件，盾構設計之初，大多數(shù)都同時配置切削土層的齒刀和擠壓巖石的滾刀。由于齒刀在巖層中的過量磨損、滾刀在土層中的滯滾偏磨等原因，盾構在掘進過程中普遍出現(xiàn)了刀具磨損嚴重、非正常磨損以及機械設備損壞等現(xiàn)象，進而被迫停機、不得不進行更換刀具作業(yè)。

(a) 單艙式

(b) 雙艙式

除上述的刀具磨損以外，還經(jīng)常遭遇異常地質條件、碎石機故障、刀盤結餅及環(huán)流系統(tǒng)故障等問題，需要技術人員進入壓力艙內實施維護、維修以排除施工故障、恢復掘進，如： 南京長江隧道在江底礫砂地層中因刀具磨損嚴重，開艙進行了刀具更換和刀盤加固；廣深港鐵路獅子洋隧道工程由于刀具更換及地中對接進行了開艙；南水北調中線穿黃隧道因需要更換刀具、處理刀盤結泥餅以及處理地下枯樹和孤石，進行了開艙檢修；廣州地鐵3號線盾構隧道工程因地層石英含量高，刀具磨損嚴重，開艙進行了刀具的檢查和更換；北京鐵路地下直徑線工程在砂卵石地層中因刀具磨損嚴重，進行了開艙換刀；武漢地鐵8號線越江隧道工程因刀具磨損及為適應地層更換滾齒刀進行了開艙。與國外通過預先勘探等措施盡量避免停機開艙的理念不同[24]，我國盾構施工中遇到復雜地層時，盾構常因掘進異常被迫停機，不得不進行刀具更換或維修。頻繁的停機開艙作業(yè)也成為泥水盾構施工常態(tài)化的技術環(huán)節(jié)。

2.4 泥水盾構泥漿處理及使用材料多樣化

我國的泥水盾構施工中，泥漿環(huán)流系統(tǒng)排出的泥漿大多數(shù)都通過泥水分離系統(tǒng)(振篩和旋流)配合尾漿沉淀池進行處理。少數(shù)工程還配置了板框壓濾設備和離心脫水設備，對泥漿進一步脫水后進行外運處置，但因泥漿處理效率較低和運行成本較高，目前在工程中還使用較少。

泥水盾構領域使用的泥漿材料主要以膨潤土為基礎，加入黏土、粉土等填充材料以調節(jié)泥漿中固相顆粒的級配組成及泥漿密度，并進一步加入CMC、正電膠、碳酸鈉等添加劑以調節(jié)泥漿的黏度及穩(wěn)定性。目前，我國泥水盾構用泥漿材料種類繁多、品質各異，各種泥漿添加劑，如堵漏劑、增黏劑、分散劑、造漿劑等多達數(shù)十種，再加上我國膨潤土的產(chǎn)地眾多，生產(chǎn)出的膨潤土的品質參差不齊，致使其造漿性能千差萬別，缺乏相應的行業(yè)規(guī)范及標準。因此，在泥漿材料的使用和泥漿的配制上經(jīng)常出現(xiàn)混亂。

2.5 盾構的重復使用

國際上，一般盾構設計理念為“量身定做”，即根據(jù)工程的特點和地質條件進行專門設計和制造，一般是1臺盾構僅服務1個工程。而我國的盾構普遍進行重復使用，根據(jù)地鐵施工不完全的統(tǒng)計，盾構的重復使用率占80%以上，許多盾構都從20世紀90年代地鐵建設初期一直使用至今[25]。南京長江隧道工程完工后，直徑為14.93 m的盾構被稍加改造后在揚州瘦西湖隧道穿越全斷面硬塑黏土地層中再次利用；上海長江隧道施工時使用的直徑為15.43 m的盾構，后來在杭州錢塘江隧道施工時被再次利用；許多城市地鐵盾構同樣存在著重復利用的情況，如購于2004年的“中建二號”盾構曾先后應用于北京地鐵4號線、沈陽地鐵1號線和2號線等工程[26]。這也是利用了我國對盾構進行改造的成本較低的優(yōu)勢，通過重復使用，更大程度地利用盾構進行掘進施工，也推動了盾構再制造技術的發(fā)展。

2.6 單管雙層結構的采用

隨著隧道斷面的逐漸增大，隧道單管雙層結構設計方案逐漸被國內越來越多的工程考慮并采納。相較于單管單層隧道而言，單管雙層隧道可以大幅提高內部的空間利用率，并且相較于常規(guī)的雙管隧道，建設成本可以減少，同時減少了對地下空間的占用。目前，國內已經(jīng)建成及在建的超大直徑單管雙層盾構隧道有南京揚子江隧道[14，27]、揚州瘦西湖隧道[28]、深圳春風隧道[29]等。與常規(guī)的單管結構相比，雙層結構需要更多考慮內襯荷載的施加、傳遞方式，一般應該考慮進行內襯荷載的結構應力驗算。另外，雙層公路隧道也要妥善考慮火災等特殊情況下的逃生通道設計，尤其是解決好隧道下層發(fā)生火災情況下，由于煙霧及火勢有向隧道上部蔓延的風險，下層人員向上層如何安全逃生的問題。

2.7 卵石地層典型施工特點

盾構隧道在穿越砂卵石地層時，因地層卵石強度高、顆粒大等特點，施工過程中出現(xiàn)一系列的問題。其中，以蘭州軌道交通建設過程中遇到的問題尤為突出。蘭州市受黃河走向及地質構造的影響，區(qū)域內分布第四系下更新統(tǒng)砂卵石，厚度可達300 m[30]。蘭州軌道交通1號線盾構隧道施工時大范圍穿越砂卵石地層，盾構在掘進過程中因砂卵石層自穩(wěn)性差、含砂率低、泥水盾構施工中形成的泥膜性質不穩(wěn)定、開挖面穩(wěn)定性難以控制，會發(fā)生開挖面失穩(wěn)甚至塌方的情況；地層中卵石粒徑大、石英含量高，刀盤刀具在掘進過程中磨損非常嚴重，有時會發(fā)生滾刀卡住而偏磨的情況[31]。大部分地區(qū)大于40 mm粒徑的卵石含量高達50%以上[32]，大卵石需經(jīng)過碎石機破碎后才能通過排漿管攜帶，因此，造成碎石機負荷過重、經(jīng)常故障；同時，卵石經(jīng)過泥漿管帶出隧道，泥漿管的磨損情況非常嚴重。大粒徑卵石層中刀具磨損、碎石機故障、泥漿攜渣困難、管道損破等問題異常突出[33]。

3 關鍵問題及實例

3.1 盾構刀具磨損和地層適應性問題

盾構在復雜地層中掘進時，常因刀具配置與地層適應性不合理，如刮刀在巖層中的過量磨損、滾刀在土層中的滯滾偏磨等，不可避免地會遭遇刀具過量磨損等情況。盾構刀具磨損會引發(fā)許多問題，如盾構有效切削效率減小，掘進速率降低；盾構所需轉矩增大，影響盾構整體工作機能；破碎刀具等混入壓力艙中，對刀盤刀具及管路造成二次磨耗或損壞等。南京揚子江隧道施工過程中，盾構在穿越粉質黏土、礫砂、卵石和砂巖的復合地層時(典型地層如圖3所示)，造成了刀具的嚴重磨損(見圖4)。

南京揚子江隧道盾構刀盤配切削刀628把，滾刀89把。掘進至596環(huán)時，發(fā)現(xiàn)掘進異常，進艙檢查后發(fā)現(xiàn)刀具磨損嚴重，隨后進行帶壓進艙檢修，更換51把滾刀，占滾刀總數(shù)的57%；更換切削刀58把，占切削刀總數(shù)的9%。在后續(xù)掘進過程中，逐次掘進5環(huán)、8環(huán)、35環(huán)、19環(huán)及34環(huán)后進行了刀具的更換，分別更換了28把滾刀、43把滾刀、29把滾刀、4把滾刀；掘進中第6次開艙時更換了68把滾刀及34把刮刀。盾構整個掘進過程中總共更換滾刀223把，約占滾刀總數(shù)的251%，更換切削刀92把，約占切削刀總數(shù)的15%?？梢钥闯龆軜嫷毒咴谠撋贤料聨r地層掘進過程中，容易造成刀具的崩刃，如圖4(a)所示；刀體斷裂，如圖4(b)所示；另外，由于地層卵石中石英含量高，對刀具的磨損嚴重，如圖4(c)所示；地層中存在黏土的夾層，容易使?jié)L刀刀箱結餅，造成滾刀偏磨，如圖4(d)所示。

圖3 南京揚子江隧道典型上土下巖斷面示意圖(單位： m)

Fig. 3 Schematic of typical mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel (unit: m)

(a) 崩刃

(b) 刀體斷裂

(c) 刀體磨損

(d) 偏磨

此外，南京長江隧道盾構在穿越粉砂與砂卵石等上軟下硬復合地層時(如圖5所示)，因粉砂地層中石英含量高達70%，刀具也出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象。類似地，南水北調中線穿黃隧道盾構穿越高石英含量的砂地層和堅硬的鈣質結核時，造成了全部16把邊緣鏟刀嚴重損壞，占鏟刀總數(shù)的100%；3把滾刀已經(jīng)損壞，占滾刀總數(shù)的38%，其余的只是刀圈磨損；24把先行刀合金塊掉落，占先行刀總數(shù)的100%，刀盤外緣也受到了不同程度的磨損。

圖5 南京長江隧道典型上軟下硬斷面示意圖(單位： m)

Fig. 5 Schematic of typical mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel (unit: m)

3.2 開艙檢修實例

盾構開艙檢修過程主要包括分析停機原因、確定開艙方案、確保開挖面穩(wěn)定、艙內機械維修、艙內施工技術及進艙人員的安全保障等，開艙過程中遇到了如開挖面的穩(wěn)定控制、壓氣條件下焊接及人員安全保障等技術問題[30]。雖然國內外已有不少成功開艙的實例，但相應的技術和相關理論尚未進行深入的分析和系統(tǒng)的梳理，開艙檢修過程中的關鍵技術問題引起了工程界和學術界極大的關注。

根據(jù)開艙檢修時壓力艙內維持壓力的方式，目前的開艙方式可以分為常壓開艙和帶壓開艙2種。常壓開艙是指通過對盾構刀盤前方的土體加固處理后，釋放艙內壓力,操作人員在常壓情況下進入盾構艙內作業(yè)，或從地面向下開挖豎井至刀盤前方，技術人員在豎井內進行作業(yè)。土體加固措施的選取，一般視開挖面前方土體的穩(wěn)定性來定，若土體具有足夠的自穩(wěn)性，甚至可以不采取加固措施，直接進行開艙作業(yè)。目前采用的土體加固措施，主要以降水和常規(guī)的土體加固措施為主，這些工藝和技術相對成熟。

南水北調中線穿黃隧道工程中盾構開艙是我國典型的常壓開艙實例之一。該工程盾構停機于平坦的黃河灘地，場地水位在自然地面以下4 m，隧道拱頂覆土29 m(其中，上部28 m為中粗砂地層，下部1 m為壤土地層)，通過采用先水泥攪拌樁從地面向下加固地層、后井點降水的方法，技術人員通過盾構人閘進入壓力艙，常壓下對刀盤刀具進行修復。

常壓開艙作業(yè)安全性好，同時避免了帶壓開艙作業(yè)中的升壓、降壓過程對施工人員的健康造成不良影響。但是，施工過程中輔助工程量大、工期較長、工程成本也較高；當隧道上方有構筑物、交通繁忙的道路以及江河湖等富水區(qū)域時，往往無法從地表進行加固施工，而需要考慮采取帶壓開艙操作來完成維修和刀具更換作業(yè)。

泥膜支護帶壓開艙作業(yè)是目前應用較多的帶壓開艙方式，是以壓縮空氣的壓力置換壓力艙內的泥漿壓力，以氣壓通過泥膜平衡開挖面的水土壓力，操作人員在氣壓環(huán)境下進入壓力艙進行操作。在遇到砂土等高透水性地層時，需要先進行地層成膜及閉氣性的輔助施工，保證壓氣條件下開挖面的穩(wěn)定性。已通車的南京長江隧道是我國典型的泥膜支護帶壓開艙實例之一。該盾構停機于江面下方約50 m處，其中,覆土約22.5 m，其所處斷面上部約1/4為⑧粉細砂，滲透系數(shù)為6×10-3cm/s；下部約3/4為⑩礫砂，滲透系數(shù)約為3×10-2cm/s(見圖6)，采用泥膜支護帶壓開艙的方式進行作業(yè)。由于粉砂、礫砂地層滲透性大，開艙前先將質量分數(shù)為8%～10%的膨潤土泥漿泵送至泥水艙，向開挖面進行滲透，在開挖面附近形成滲透帶；然后將密度為1.15～1.20 g/cm3的純膨潤土泥漿泵送至泥水艙，繼續(xù)向開挖面進行滲透，在開挖面上形成閉氣性良好的泥膜(見圖7)。然后在盾構泥漿艙頂部以下3.0 m范圍內降低泥漿液面，置換為0.6 MPa的壓縮空氣，工作人員在拱頂?shù)母邏簹怏w中進行刀具更換和修復作業(yè)。揚州瘦西湖隧道工程的開艙檢修也是采用的常規(guī)壓縮空氣帶壓開艙方式。

圖6 南京長江隧道盾構停機斷面示意圖(單位： m)

Fig. 6 Schematic of mix stratum in Nanjing Yangtze River Tunnel when shield stopped (unit: m)

圖7 南京長江隧道盾構開艙后觀測到的泥膜

Fig. 7 Filter cake observed during intervention in shield chamber in Nanjing Yangtze River Tunnel

泥膜支護帶壓開艙不需要對地面進行特殊的加固處理，能夠有效地縮短維修時間，也在國內有了幾次成功的案例，應用較為成熟。但是，由于每次進艙均需要1次加減壓流程，加減壓過程需花費大量的時間，而艙內有效作業(yè)時間僅有幾十min，工作效率低，且作業(yè)人員呼吸的為壓縮空氣，極易引發(fā)減壓病、氮麻醉等病癥，不適用于開艙作業(yè)量較大、作業(yè)壓力高等情況。

泥膜支護飽和法帶壓開艙技術是一種新型的帶壓開艙技術，是指經(jīng)過1次加壓后作業(yè)人員可以長期(15～30 d)在設定壓力的生活艙內生活，每次乘坐穿梭艙至盾構泥水艙工作4～6 h，然后乘坐穿梭艙返回生活艙，待作業(yè)全部完成后進行一次性減壓。飽和法帶壓開艙技術避免了常規(guī)壓縮空氣帶壓開艙頻繁加減壓的問題，極大地提高了艙內的作業(yè)效率；同時，作業(yè)人員呼吸專用的壓縮氦氧混合氣體(以氦氣代替空氣中的氮氣)，降低了作業(yè)人員呼吸阻力，避免了氮麻醉情況的發(fā)生，減小了減壓病發(fā)生的概率。由于艙內工作時間的增長，對開挖面穩(wěn)定性的考驗也大幅增加，如何確保開挖面在較長時間內具有良好的閉氣性，成為工程成功的關鍵。

南京揚子江隧道是我國首次應用泥膜支護飽和法開艙技術進行開艙更換刀具作業(yè)的工程。該工程盾構停機處中心埋深為58.02 m(其中，覆土23.64 m，江水34.38 m)，隧道斷面上主要為粉細砂、卵石圓礫層和中風化砂巖地層。帶壓開艙前，泥漿置換和成膜方案與南京長江隧道相似，先采用質量分數(shù)8%～10%的膨潤土泥漿在開挖面附近形成滲透帶，降低地層的滲透性；然后采用密度1.15 g/cm3以上、馬氏漏斗黏度50 s以上的膨潤土泥漿置換低密度的泥漿，使其在開挖面上形成致密的泥膜(見圖8)；泥漿艙內頂部泥漿液面需下降8～10 m，開艙氣壓值設定為0.6～0.62 MPa，技術人員在艙內工作的時間每次大概4～6 h。因此，要求泥膜至少在6 h以上的時間內保持穩(wěn)定、不漏氣(或漏氣量在可補充范圍內)，同時，在進艙工作間隙通過上升泥漿液位對泥膜進行修復，以保證其長時間的穩(wěn)定。在施工過程中，出現(xiàn)了泥膜因較長時間的氣壓作用而出現(xiàn)干裂等，導致泥膜閉氣性降低。

圖8 南京揚子江隧道盾構開艙后觀測到的泥膜

Fig. 8 Filter cake on the working face during hyperbaric intervention of Nanjing Yangtze River Tunnel

3.3 泥膜閉氣問題

為保證泥水盾構帶壓開艙的順利進行，泥水艙內的氣壓必須平衡開挖面處的土水壓力，即通過向泥水艙中注入泥漿滲透至開挖面，在開挖面上形成不透氣或微透氣的泥膜，將氣壓轉化為有效應力才能實現(xiàn)(見圖9)。

對于已成型的泥膜，其密封閉氣的能力最為重要。泥膜存在進氣值與擊穿值2個壓力指標。進氣值大小等于泥膜孔隙水表面張力，擊穿值是氣體直接擊穿泥膜時的氣壓力。當氣壓力小于泥膜進氣值時，泥膜在氣壓下可以長時間閉氣；當氣壓力大于進氣值小于擊穿值時，氣體進入泥膜，驅替孔隙水，經(jīng)過一段時間后，氣體穿透泥膜，泥膜開始漏氣；當氣壓力大于擊穿值時，泥膜瞬間被擊穿透氣。在實際工程中應避免氣壓力大于擊穿值情況的發(fā)生。

(a) 頂部閉氣泥膜

(b) 開挖面前方閉氣泥膜

Fig. 9 Airtightness state of filter cake during Hyperbaric Intervention

由于測量原狀泥膜的進氣值與擊穿值具有較大的難度，這里提出閉氣值與閉氣時間2個指標來評判泥膜的閉氣性能。采用自制泥漿滲透及泥膜閉氣裝置進行泥漿試驗，在泥膜形成后，以一定的速率增大氣壓直至泥膜透氣，透氣時的壓力值為閉氣值；以某一固定氣壓值作用在泥膜上，泥膜將氣壓轉化為有效應力的時長定義為該氣壓下泥膜的閉氣時間。閉氣值越大，閉氣時間越長，泥膜質量越好。需要注意的是，由于閉氣值測量過程中泥膜存在固結過程，因而閉氣值大于擊穿值。

分析大量泥膜閉氣試驗結果，發(fā)現(xiàn)泥膜的閉氣時間由所設定氣壓與閉氣值之比決定。當設定氣壓值小于0.5倍閉氣值時，泥膜可以長時間閉氣，閉氣時間在12 h以上；當設定氣壓為0.5～0.7倍閉氣值時，泥膜可以短時間閉氣；當設定氣壓值大于0.7倍閉氣值時，泥膜直接透氣。

3.4 全斷面硬塑黏土地層泥漿環(huán)流問題

揚州瘦西湖隧道盾構掘進時，因處在全斷面硬塑黏土地層，黏粉粒含量高達90%以上，導致棄漿量大、泥漿環(huán)流過程中排渣不暢，開挖的土塊堆積在壓力艙內堵住排漿口，篩分設備出渣流量分配不均，旋流分離沒有效果，嚴重影響了施工效率；同時,該工程采用修建南京長江隧道穿越粉砂、砂卵石等地層時的泥水盾構，易造成刀盤結餅、土塊在泥水艙及排漿管堵塞等問題。

通過掛起碎石機，去掉排漿口格柵，增加大黏土塊切割機以防止大塊黏土進入排漿管堵塞環(huán)流系統(tǒng)；并在排漿管口增加2對高壓沖刷噴頭，使黏土塊更快進入排漿管；增大進泥漿流量，確保黏土以塊狀形式排出(如圖10所示)，減少泥漿的產(chǎn)生量；控制泥漿密度不高于1.08 g/m3，黏度在20 s以內。圖11示出黏土塊在管道運移過程中的溶崩破碎率現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的進泥漿管和排泥漿管中泥漿密度及泥漿流量的變化情況，按照總質量守恒的原則進行計算。前200環(huán)黏土的溶崩破碎率維持在60%左右；在250環(huán)至350環(huán)掘進時，多次出現(xiàn)大黏土塊堵管現(xiàn)象；350環(huán)后，采取了上述施工措施，黏土塊的溶崩破碎率明顯下降，并保持在50%左右，表明近一半的渣土以塊狀形式排出，并減少了近一半的泥漿產(chǎn)生量，極大減輕了泥漿的排放壓力。

圖10 盾構改造后黏土塊的排出情況

圖11 黏土塊的溶崩破碎率現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結論與展望

1)泥水盾構技術在我國經(jīng)歷了26年的發(fā)展，在我國復雜的地質條件下探索出的施工技術日趨成熟，尤其在大斷面、越江海、復雜地層及多用途隧道中均有成功的應用。未來泥水盾構將向更大斷面、更長距離、更深的地下空間發(fā)展，但是泥水盾構在向大斷面發(fā)展的同時，需要綜合斷面的形狀、利用率以及施工可控性等方面考慮最適宜的斷面選擇。

2)隨著盾構直徑、掘進距離的增大，遇到復雜地層的概率也會增大，刀具磨損引起的各種施工故障仍將會是經(jīng)常發(fā)生的問題，因此，對盾構刀具的要求也將越來越苛刻。根據(jù)實際復合地層(上土下巖或上軟下硬等)，對盾構刀具的耐磨及抗沖擊等方面的優(yōu)化設計仍將是盾構技術研究的熱點。

3)隨著盾構開艙的頻繁使用，開艙相關的技術、理論逐漸規(guī)范及成熟，且在盾構刀具設計完善及制造工藝成熟之前，盾構開艙仍將是解決刀盤、刀具問題的關鍵技術。

4)泥漿處理是泥水盾構面臨的一大難題，尤其是在城市中開展的泥水盾構，泥漿處理將越來越受到人們的重視。未來泥水盾構用泥漿對綠色環(huán)保的要求越來越高，其中，泥漿的快速脫水處理及環(huán)保處置將成為泥漿處理的重要方向。

5)泥水盾構泥膜能否形成、形成后的質量如何，均取決于所使用泥漿的性質。目前，市場上泥漿材料的品種繁雜，尚沒有泥水盾構泥漿使用的規(guī)范或標準，泥水盾構泥漿材料的規(guī)范化、標準化勢在必行。