李祥钰，郭靖，赵越，孙小力，王亦嘉
摘要：当前，我国正处于城市建设中的高速发展时期，随着房地产行业的迅速发展，城市基础配套设施建设，尤其是地铁隧道相关设施需求量迅速增大。国内外盾构隧道施工技术在近年来正在向大深度、大断面、长距离的方向发展。由于大直径盾构隧道工程具有大尺寸断面、复杂地质条件等特点，其施工技术要求和难度也大大提高。结合我国大直径盾构隧道施工现状，围绕其施工技术展开分析和探讨，总结大直径盾构施工过程中的重难点，并针对重难点提出施工措施，促进大直径盾构隧道工程相关领域的发展，为类似工程提供借鉴。
城市地面空间及浅地下空间土地资源已被高强度开发，为进一步扩大人类的生活和发展空间，城市建设日益向超深地下空间拓展，盾构隧道施工技术逐渐崭露头角。随着地下空间施工工程需求的增加及科技的不断进步，盾构隧道尺寸逐渐增大，因而大直径盾构隧道施工技术逐渐被开发和使用。1965年6月开工建设的盾构刀盘直径为10.22m的上海黄浦江打浦路隧道和1982年9月开工建设的盾构刀盘直径为11.30m的延安东路隧道是我国大直径盾构隧道建设的开始[1]。这两个衬砌外径直径10~14m级盾构隧道项目的建成通车，是我国大直径盾构隧道建设的开端，标志着我国盾构隧道建设从普通盾构隧道工程向大直径盾构隧道工程进军。然而盾构隧道工程断面尺寸较大、隧道埋深起伏较大，工程地质条件、水文地质条件复杂，会面临许多复杂的施工方法、工程测试及施工技术等问题。肖明清[2]根据上海长江隧道、武汉长江隧道、狮子洋隧道及南京长江隧道4座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点，总结了国内大直径盾构隧道的设计技术进展。余暄平等[3]总结了上海长江隧道工程超大直径、超长距离盾构掘进施工技术，分析了施工过程中的技术难点及风险，并提出了解决问题的方案。大直径盾构隧道工程施工风险复杂、多样，通过对施工风险进行分析，可促进施工措施的研究，有效保障施工作业的安全性和工程质量。
1大直径盾构隧道项目数据
根据地下工程建成后衬砌尺寸大小，可将盾构隧道分为三类：普通盾构隧道、大直径盾构隧道和超大直径盾构隧道。普通盾构隧道是指建成后的衬砌外径直径≤10m级的盾构法隧道；大直径盾构隧道是指建成后的衬砌外径直径在10~14m级的盾构法隧道；超大直径盾构隧道是指建成后的衬砌外径直径≥14m级的盾构法隧道[4]。在2000年以后，我国大直径盾构隧道技术在工程设计、施工材料、施工技术等方面突飞猛进，衬砌外径直径10~14m级大直径盾构隧道工程数量与日俱增，衬砌外径直径≥14m级超大直径盾构工程也悄然出现。虽然我国标志性大直径盾构隧道项目层出不穷，但在先进装备、技术管理、安全管理、事故防范等方面仍需进一步提升。2021年之后，我国大直径盾构隧道工程逐渐向高智慧、高智能、高质量方向发展。我国技术管理水平逐渐提高，设备及技术逐渐国产化。表1为我国大直径盾构隧道工程一览表，7项工程中3项为大直径盾构隧道工程，4项为超大直径盾构隧道工程；4项为陆地工程，3项为水下工程；1项为土压盾构，1项为双模盾构，5项为泥水盾构[5]。
2重难点分析
2.1刀盘焊接风险
盾构隧道工程焊接刀盘作业需要专门的焊接场地，大直径盾构隧道施工所用盾构机刀盘体积和重量相对较大，普通的焊接场地无法满足其焊接作业要求，需要高承载力的焊接场地，否则将发生不均沉降，刀盘精度降低，易发生施工安全事故[6]。
2.2刀盘泥饼风险
大直径泥水盾构在长距离掘进时，刀盘易出现结泥饼现象。刀盘泥饼是指盾构机掘进过程中，刀盘切削地层形成的细小颗粒、碎屑与一定的水分结合并重新在刀盘中心或开口区域凝结形成的半固体状、固体状的块状体 [7]。刀盘泥饼的形成会阻碍盾构机掘进、增大刀盘的扭矩和推力、升高刀盘温度、加重刀具磨损，严重影响施工进度和施工安全。
2.3吊运设备风险
吊运作业是盾构隧道工程施工流程的开端和基础，吊运作业的安全性及吊运速度直接影响整体工程的工效。大直径盾构机各部件及隧道管片均具有较大的体积和较高的质量，普通盾构隧道工程的吊运设备无法满足要求，需承载能力更高的吊运设备。当大直径盾构隧道工程组件在吊运过程中不够稳定时，其出现的摆动能量比普通盾构隧道工程组件更大，因此需要专门的抗摆动设计或设备提高吊运过程稳定性。若吊运设备选型失当，不仅容易损坏设备和场地，还会对施工作业人员安全造成威胁，易发生严重的吊运事故。
2.4抗震风险
由于大直径盾构隧道工程施工区域自然环境条件差别很大，对于某些地处地震带或地震带周边的地区，大直径盾构隧道工程就需要考虑地震等高震动因素，因此对其有更高的抗震要求。地震波不仅对施工过程中作业人员的安全造成威胁，还对工程建成通车后使用人员的安全留有隐患。因此，为保证工程的安全性、保障人员的生命安全，该类地区的大直径盾构隧道工程需加强抗震分析并做好应对措施。
2.5盾构姿态上浮风险
地质条件不同，大直径盾构机施工状态也不同，尤其对于上软下硬地层（见图1），盾构掘进过程中，上侧为软土层，下侧为硬土层，软土层对刀盘掘进产生的阻力F1较小，硬土层对刀盘掘进产生的阻力F2较大，不平衡的掘进阻力会使刀盘受到斜向上的合力F合，其向上的垂直分量会导致盾构姿态上浮。盾构机掘进阻力不平衡，很容易发生姿态上浮的情况，若姿态上浮超限，极易导致盾构机损坏，从而影响施工进度及工程质量。
2.6管片上浮风险
我国不同地区水文地质条件差异性很大，尤其在富水地区，地下水资源丰富，管片时刻浸泡在壁后注浆浆液和地下水中。如图2所示，由于盾构机外壳直径略大于管片直径，因此在盾构掘进过程中，已挖段土体与管片外表面之间会出现一定宽度的间隙，间隙中充满地下水或注浆浆液。由于管片时刻浸泡在壁后注浆浆液和地下水中，管片不仅受到向下的自身重力G的作用，还受到地下水及注浆浆液对其向上的浮力F的作用，当浆液及地下水对管片向上的浮力F大于管片自身向下的重力G时，管片所受合力向上，就会导致管片上浮。
如图3所示，若壁后注浆不及时，注浆量不充分或注浆液凝固不及时，在土体与管片之间就会出现注浆间隙，注浆间隙会为管片上浮留有空间，导致管片上浮风险。
2.7穿越建筑风险
目前，大直径盾构隧道技术已有许多工程应用，虽然大直径盾构掘进施工在地下空间和超深地下空间，但这些隧道的掘进过程中容易出现地表变形和位移过大等情况，施工过程中产生的土质损失易导致地面下沉、房屋开裂等连带性风险，严重甚至可导致房屋坍塌[8]。
2.8工程地质、水文地质条件
复杂大直径盾构施工对工程地质、水文地质差异的敏感度很高，盾构施工与工程地质条件、水文地质条件、地形地貌、地面建筑、地下管线、隧道结构、线路线形等因素息息相关，施工过程中也会导致土层应力发生变化[9]。由于埋深变化大，即使地质组成相同，都为岩性的砂土、黏土等，工程性质也会截然不同。若盾构机选型错误，很容易发生机械设备损坏，施工进度受阻等风险。
2.9管理风险
大直径盾构隧道工程施工节点较多、施工流程复杂、施工要求较高，不同地区的施工项目甚至相同地区不同区域的施工项目所面临的施工条件差异性很大，这就导致每个施工项目都有各自独特的施工流程和作业要求。若施工组织管理不恰当，场地空间布置不科学，现场施工流程不清晰，作业人员操作不规范，将出现许多易忽视的管理盲区，施工作业交叉互阻，工程质量及施工安全无法保障。
3大直径盾构施工措施
3.1刀盘焊接措施
应结合大直径盾构隧道工程施工场地布置、施工工期安排、施工安全要求等方面，将刀盘焊接场地选定在距离始发井5~10m处，同时设计科学合理的盾构机部件摆放位置及顺序，便于焊接作业的顺利进行。应加强盾构机部件焊拼焊过程的监测力度，保证焊接过程的全面性和安全性，保障刀盘拼焊高质量进行。
广东珠三角城际佛莞线狮子洋隧道，通过风险源分解结构法（RSBS）从刀盘拼焊场地、吊装、端头加固欠效、吊装设备选型、始发台选型和管理方面对盾构始发阶段的风险源进行风险识别，得到该大直径隧道工程盾构始发风险为Ⅳ级，同时采取相应措施进行预控[6]。
3.2刀盘泥饼措施
大直径盾构刀盘在盾构掘进过程中易出现泥饼，泥饼的产生会使刀具对土体的切割不流畅，从而导致土体切削作业工效降低，阻碍盾构掘进作业的正常进行，因此在施工过程中需对形成的泥饼进行处理，主要的措施有以下四种。
（1）化学添加剂。随着盾构掘进技术的发展，许多不同种类的针对泥饼处理的化学添加剂被研制成功，可采用适量浓度的化学添加剂混合液对刀盘上的黏土进行浸泡，通过化学添加剂与黏土的化学反应使黏土溶解、软化或开裂，从而利于黏土块从刀盘上分离，以化学手段解决刀盘泥饼问题。
（2）优化刀具配置。大直径盾构机刀盘上通常配有一定数量的搅拌臂、滚刀、刮刀、边刮刀、撕裂刀、保径刀和超挖刀等，根据施工掘进土层的组成差异，刀具也有许多不同的种类和型号。可根据地质勘探所得资料，根据土层变化，更换适配的刀具，同时改变刀盘开口率，从而为切刀创造良好的切削条件，保证大直径盾构刀盘切削土体的流动性，提高施工掘进效率[10]。
（3）冲刷设备改进。大直径盾构及刀盘处往往配有刀盘冲刷设备，根据大直径盾构隧道工程施工具体条件及需要，可选择增大冲刷水流量，或保持冲刷水流量不变减小冲刷孔直径，从而增大冲刷压力，同时调整冲刷方向，保障冲刷水流的通畅，使刀盘得到充分的冲刷清洗，降低切削土与刀盘的黏结率，预防刀盘形成泥饼。
（4）人工清理。当大直径盾构刀盘结饼速度过快，以上三种方法无法及时处理泥饼时，最直接有效的方法就是带压进仓进行人工泥饼清理。
3.3平稳吊运措施
大直径盾构隧道施工对组件吊运要求更高，需要选购满足施工系数的吊运装备，进行专门的抗摆动设计，并研制配套的施工辅助系统及其装备，细化组件吊运作业流程，设计优化吊运场地布置及机械行走速度，加强盾构机部件及管片的吊运平稳度。
3.4隧道抗震措施
应对隧道纵向结构变形、水平方向位移、管片强度进行测算，使隧道整体结构满足抗震需求。可增加密封垫厚度，预防地震时发生漏水，加强隧道安全性。在地层易发生变形处适量增加变形缝数量，提高管片间连接处抗震性。
3.5盾构姿态措施
大直径盾构掘进过程中所受阻力不平衡，很容易发生盾构姿态上浮的情况，盾构姿态上漂阻碍盾构掘进作业的正常进行，影响盾构施工的安全性及工程质量，预防及纠正盾构姿态的措施主要有以下几类：
（1）可通过控制各油缸压力大小，改变盾构机上下油缸压力差，从而调整盾构姿态，防止或纠正盾构姿态上浮。
（2）可调控土舱重量，使盾构机产生向上或向下掘进的趋势，平衡所受阻力F合的垂直分力。
（3）调控盾构机掘进速度，防止掘进速度过快影响盾构机姿态调控。
（4）调整管片拼装顺序，来调整铰接行程差。
3.6管片上浮措施
在地下水资源充沛的富水地区，大直径盾构管片会受到浆液及地下水产生的浮力影响，极易发生管片上浮现象，管片上浮可能会导致管片间连接处产生裂缝甚至出现涌水等危险，严重威胁施工安全，影响施工质量及进度，预防及改善管片上浮情况的措施有：
（1）通过调控注浆间隔时间，加快土层与管片间浆液的填充频率，降低管片上浮概率，缓解管片上浮速度，抑制管片上浮过限。
（2）适当增加壁后注浆浆液中水泥及膨润土的比例，降低水的比例，降低浆液的流动性，提高其固结强度，使凝固的浆液对管片有良好的包覆定位作用。
（3）在浆液中加入适量的粉煤灰，改善壁后注浆浆液的拌和物和易性，提高其强度。
（4）通过加入适量的水玻璃，调控注浆浆液凝固速度，降低管片上浮程度。
3.7穿越建筑物措施
大直径盾构隧道工程施工往往要穿越建筑区域地下地层，盾构掘进过程中可能导致地层振动、土层损失等危害，进而出现地表变形、位移过大、地面下沉、房屋开裂等连带性风险，从而对地表建筑物区域造成一定威胁，为保障施工人员、居民及建筑的安全，需要在盾构施工时采取以下防范措施：
（1）大直径盾构机施工过程中，会一定程度上导致应力的减少和地层的损失，从而导致地表沉降。泥水盾构可采用泥水压力平衡土压力，泥水在盾构机前方形成一层泥膜，泥膜的存在可以抑制土体突涌。通过壁后注浆填充管片与土体间间隙，在土体与管片间起到支撑作用，也可减少应力和地层损失，防止塌陷。
（2）为减少大直径盾构施工对地表建筑物的影响，通常要对建筑物采取一定的保护措施，比如对建筑物主体及地基进行加固。也可采用土体注浆加固，提高土体强度，减少施工过程中土体及地基的变形，防止其开裂和塌陷。也可在大直径盾构施工区间和建筑物之间设计隔离措施，将施工过程土体变化对建筑物的影响控制在隔离区域内，可大幅度降低地表建筑物受到的威胁及影响。
南京纬三路过江通道工程SG-1标段N线工程，通过优化盾构掘进施工参数的方法，科学选择掘进参数、选择合理的泥浆参数、适当的泥水压力、合适的掘进速度等，达到保护建（构）筑物不受影响的目的[8]。
3.8地质、水文条件措施
由于不同地域的地质、水文条件差异很大，需根据项目需要分别进行地下水位分层观测、孔隙水压力观测、水文地质试验等进行测试，对地下水分布情况、孔隙水压力动态、地下水位发展情况等进行模拟分析，大直径盾构施工方案需根据提供的测试及分析报告进行设计规划，从施工“源头”降低地质、水文条件带来的影响。
3.9管理措施
大直径盾构隧道施工节点更多，流程更复杂，对施工管理组织要求更高。要对大直径盾构施工进行风险评估，识别风险种类，提前做好防范和解决措施；设定风险预控原则，加强风险管控；对施工流程进行合理化科学化调整，降低风险发生概率。
4结语
随着盾构施工技术的不断发展、人类活动的更高需求、城市建设的更多需要，盾构隧道工程纵向断面尺寸也逐渐增大，盾构机型号已从10m以下中小型普通盾构向10~14m大直径盾构，再向14m以上超大直径盾构发展。与此同时，智能操作系统和盾构辅助设备的研究完善，使盾构施工也随科技的进步逐渐向少人化、无人化、智能化、精准化、可视化方向发展。城市的发展日新月异，建设的空间逐渐拓展，盾构施工面临的困难与挑战也在不断更新提高，因此更需要相关技术及研发人员坚持持续创新、勇于突破的精神，为大直径盾构隧道工程相关领域的发展贡献力量。
转载文献来源：中国知网-城市建筑
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