大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考

钱七虎，陈 健

(1. 陆军工程大学, 江苏 南京 210007； 2. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100; 3. 中铁十四局集团有限公司, 山东 济南 250014)

0 引言

随着隧道施工装备的不断革新，以及新工艺、新技术的不断推广和应用，盾构法作为隧道工程技术的首选引领着隧道工程向大埋深、大断面、长距离的方向发展[1-3]。

近年来，尽管应用盾构法已成功建成或在建诸如美国西雅图SR99隧道、香港屯门隧道、深圳春风路隧道(在建)、武汉三阳路隧道、济南黄河隧道(在建)等一批特大直径的海底隧道[4-5]和城市道路隧道工程，但由于项目多处于环境敏感区域，地质条件复杂、不确定因素多，施工难度大，建设过程中存在隐患和发生事故的可能性较大[6-7]。因此，结合工程实践中大直径盾构掘进出现的常见问题，研判分析工程建设风险，并提出有效的解决措施和建议，具有十分重要的现实意义。

1 国内外15.5 m以上特大直径盾构隧道工程初步统计

近年来，国内外15.5 m以上特大直径盾构隧道工程见表1。

表1 国内外15.5 m以上特大直径盾构隧道典型工程实例

2 大直径盾构掘进主要风险及常见问题分析

2.1 主轴承损坏失效

2.1.1 主轴承直接损坏

③［以色列］尤瓦尔·赫拉利:《未来简史——从智人到神人》，林俊宏译，中信出版社2017年版，第340～344页。

主轴承直接损坏的形式有以下4种：

1)润滑失效造成的轴承疲劳。据调查统计，润滑失效约占轴承损坏成因的50%，润滑不良是造成轴承过早损坏的最主要原因。

2)选型不当或荷载过大造成的轴承失效。盾构主轴承的不恰当选型、轴承短期严重偏离正常工况工作或长期超负荷运行，都会直接造成轴承失效。

3)微动磨损造成的轴承套圈破坏。即由于轴承滚道面和滚动体接触面间相对微小滑动而产生的磨损，长期反复小振幅的摇摆运动和过盈量不足形成变色磨痕，轴承套圈破坏最终直接导致主轴承的损坏。

4)接触疲劳造成的轴承主要部件失效。轴承表面的摩擦损失几乎都变为热量，主要受力件温度上升会造成运转时的冲击荷载、振动和噪声的加剧，叠加积累的接触疲劳大小决定了主轴承的使用寿命。

当土压盾构地层稳定性较好、透水性不强、水土压力较小时多选用常规刀盘。常规刀盘开口率设计、耐磨设计和刀盘刀具配置应结合工程实际综合考虑。常规刀盘见图8。

盾构选型时应从有效降低应力水平入手，主轴承直径不能太小，直径验算设计应综合考虑负荷承载量；盾构掘进中应控制循环作业时间，盾构推进距离不宜太长，避免或减缓主轴承接触疲劳造成的盾构损坏。前者涉及主轴承直径，后者涉及盾构推进距离(时间)。

2.1.2 密封失效引起的轴承损坏

主驱动密封系统是主轴承的关键部件，特别是位于主轴承前端的主驱动轴承密封，其主要作用是阻止盾构主驱动刀盘内的渣土进入主轴承齿轮箱内部和对主驱动轴承回转滑动机构、密封部位以及与泥砂接触的机构进行冲洗和润滑，密封一旦失效，泥砂进入轴承会造成主轴承损毁并直接导致盾构无法掘进。

2.1.2.1 密封机制

不同形式的主驱动密封系统虽有不同特点，但基本都由多道单唇密封、1道或多道双唇密封和迷宫密封组成，并在唇形密封间设置腔室且充满弹性材料。

2.1.2.2 密封失效案例

典型事例为武汉三阳路长江隧道。越江区间采用直径为15.76 m泥水盾构施工，配有全断面常压可伸缩刀盘，开口率为29%，安装了全断面可更换滚刀，中心区域直径5 m内无开口，在施工过程中刀盘前泥饼粘结严重。三阳路长江隧道盾构见图1，盾构结泥饼见图2[10]。

中性蛋白酶活力的测定：参照国标SB/T 10317-1999《蛋白酶活力测定》，采用福林法测定中性条件下pH 7.2的蛋白酶活力。

2)盾构掘进。要关注刀盘温度变化预警，加强、加大泥浆循环，保持拼装管片期间的泥渣循环。

2)水土压力过大，超过油脂阻力。在美国西雅图直径17.45 m土压盾构施工中，出现了结泥饼、压力不均、局部土压力增大、刀盘处高温、油脂阻力减小等现象，土舱渣土颗粒进入轴承内部，直接导致主轴承密封失效，较短时间内主轴承发生严重损坏。

2.2 盾构管片拼装脱出盾尾后上浮

盾构管片拼装脱出盾尾后上浮的原因分析[8]如下：

1)盾构隧道直径越大，成型的管片环直径也越大，管片脱出盾尾后，在不能及时填充或浆液凝结速度较慢时，成型密封的管片环在高密度的液态砂浆中受到浮力要更大。

2)盾构直径增大，盾构壳体厚度加大(盾构结构刚度要求)，盾尾间隙也适当加大，致使管片外圈与开挖土体间的空隙加大，砂浆填充空间及填充量也在增大，导致管片上浮空间和上浮量也随之增大。

3)隧道直径越大，径向高度越大。由于盾构主机长度基本没有变化，致使盾构主机的高长比加大，更易造成盾构“栽头”，使盾尾后方同步注浆浆液流入前舱，脱出盾尾管片上部外圈砂浆填充不密实，加大了成型隧道上浮的趋势。

2.3 刀具磨损随盾构直径增大而加剧

大直径盾构在砂卵砾石地层中推进时，刀具磨损问题格外突出，主要体现在：

1)盾构刀具在同样进尺条件下，其磨损长度与刀具配置部位半径成正比，随着盾构直径的增大，刀具轨迹长度增加，刀具磨损加剧，如南京纬七路直径为14.93 m的大直径盾构的刀具磨损是直径为6.3 m盾构刀具磨损的2.5倍。

与国际先进水平相比，我国的碳会计披露理论尚处于初步发展阶段，知识技术大多停留在概念外延及书面上，缺乏对实际工作的指导性和应用性。理论研究成果无法实际应用到现实案例中，也是碳会计信息披露面临的巨大挑战。

2)大直径盾构掘进过程中遇复合地层的可能性更大，刀具配置适应性复杂，更易引起刀具磨损问题，在石英含量高的砂卵石地层中，大直径盾构刀具的磨损可达软土地层中小直径盾构刀具磨损的10倍[1]。

2.4 刀盘前泥饼粘结、渣土滞排、刀盘升温

经济基础决定上层建筑，这是内蕴于经济体制改革同行政体制改革的耦合关系中的逻辑起点，同时也暗含了经济体制改革的变革势必会引起行政体制的变革。理想状态下的经济体制改革与行政体制改革需要保持步调一致，但囿于种种原因，二者很难协调同步，探讨影响二者耦合的因素，能够为二者的协同变革做出有益探索。

综上，为了实现初中物理素质教学改革，教师应当注重更新物理教学思想，创新课堂教学方式。教师将多媒体合理引入初中物理课堂中，利用多媒体整合教学资源，构建课堂情境，创建虚拟实验模型，设计微课视频、组织翻转课堂，构建信息化学习平台，全面提高初中生物理学习品质。

图1 武汉三阳路长江隧道盾构

图2 盾构结泥饼现象

3 对特大直径盾构挑战的思考

3.1 特大直径盾构带来的事故风险

由于工程客观需求，盾构直径面临越来越大的挑战，必须重视由此带来掘进事故风险的防范。特大直径盾构由于盾构直径的增大，主要可能引起的掘进事故风险如下：

1)随着盾构刀盘直径的增加，荷载也随之增大，所配置的主轴承尺寸若不能完全匹配，将导致接触疲劳引起的轴承损坏风险增大；随着盾构直径增大，渣土舱压力分布不均的概率增大，若主轴承前舱局部压力超出密封和油脂阻力，也会导致主轴承密封失效风险概率增大。

2)随着盾构直径的增大，管片脱出盾尾后受到的浮力比常规盾构隧道管片受到的浮力更大，控制隧道上浮的风险和难度加大。

鲎的体形呈瓢形，为深褐色或灰绿色，头胸部有宽阔的背甲。虽然整体上看起来鲎和螃蟹有几分神似，但它们的“近亲”并非螃蟹，而是已经灭绝了的古生物三叶虫。

3)由于盾构直径增大后刀具运行轨迹也随之增大，刀具磨损损坏的概率和风险大大增加。尤其是在复合地层中掘进时，刀具的磨损速度极快，刀具更换次数的增加会造成工期延长、成本增加、安全风险等系列施工问题发生的可能性增大。

4)随着盾构直径的增大，由于受到制造的限制及影响，刀盘中心的开口率也随之降低，在掘进中，使盾构刀盘结泥饼的风险和概率大大增加。

常规大直径盾构刀盘开口率分布均匀，常压刀盘中心部位一定半径内开口率几乎为零。如果设置开口部位刀盘开口率的均匀度不好(或不合理)，将导致刀盘前泥饼粘结、渣土滞排、刀盘升温等风险增大[9]。

3.2 土压盾构与泥水盾构主轴承密封问题

盾构选型是影响隧道工程成败的重要环节，是盾构施工的关键[2]，需要考虑地层条件、地下水位、隧道埋深、开挖面稳定、设计隧道的断面、衬砌类型、工期、工程造价等。伊斯坦布尔海峡公路隧道工程盾构的正确选型和西雅图市SR99公路隧道工程盾构的错误选型带来了不同的工程效果[11]。

3.2.1 土压盾构主轴承密封问题

土压盾构适用于稳定性较好、透水性不强的地层以及水土压力较小、盾构驱动功率较大、耐压能力相对较弱的情况。土压盾构结构见图3。

图3 土压盾构结构

1)意大利Sparvo隧道： 双洞双向6车道，采用土压盾构施工，盾构直径为15.55 m，盾构驱动功率达12 000 kW，刀盘开挖力为315 000 kN，驱动转矩为94 793 kN·m。意大利Sparvo隧道盾构见图4。

对系统进行体温测量对比试验。图7中分别采用鱼跃医用水银温度计、厦门安氏兄弟科技有限公司生产的医用电子体温计与系统测量的体温进行对比。测量精度达到传统手持式体温测量精度。对比所采用的医用电子体温计符合《医用电子体温计校准规范》。人体基础体温生理性改变一般在24 h内波动幅度不超过1℃，以腋窝温度为例，正常范围为36.4～37.3℃平均为36.8℃[16]。测量结果在理论范围内。所以实时系统对体温的监测能够做到实时、准确。

2)美国西雅图SR99隧道： 采用土压平衡盾构施工，盾构直径为17.45 m，主轴承直径为8.0 m，装机功率为12 135 kW。美国西雅图SR99隧道盾构见图5[11]。

股骨颈骨折手术治疗后,深静脉血栓形成率比较高,是一种常见的股骨颈骨折术后并发症。深静脉血栓形成对股骨颈骨折手术治疗效果会产生十分重要的影响,容易降低手术治疗的有效性,从而降低患者的生活质量[3]。通过有效的护理管理措施,对深静脉血栓的形成可以起到一定的预防性作用,降低其发生率[4]。

土压盾构负荷重，驱动功率偏大，主轴承加工尺寸大，特大直径土压盾构主轴承密封以聚氨酯密封结构为主。其主要优缺点如下。

1)优点： 采用水冷却降温方式，油脂消耗量小，节约成本和降低能耗。

2)缺点： 无法建立备压措施，耐压能力相对偏弱；一旦密封损坏或失效，必须吊出更换修复。如美国西雅图SR99土压盾构密封损坏，为吊出更换修复而建设吊出井，付出了较大的代价。

图4 意大利Sparvo隧道盾构

图5 西雅图SR99隧道盾构

3.2.2 泥水盾构主轴承密封问题

3.6.1 预探前方复杂地质

图6 泥水盾构结构

香港屯门隧道： 采用泥水盾构施工，盾构直径为17.63 m，主轴承直径为7.6 m，装机功率为8 600 kW。香港屯门隧道盾构见图7。

图7 香港屯门隧道盾构

泥水盾构负荷小，驱动功率相对较小，主轴承加工尺寸也小。特大直径泥水盾构主轴承密封以唇形密封结构为主。其主要优缺点如下。

1)优点： 采用油脂备压方式，运用成熟高水压条件下的耐压密封体系，能实现原位带压更换作业，且维修操作安全。如济南黄河隧道盾构原位密封修复，已为其他项目提供了借鉴。

2)缺点： 油脂消耗量较大，会相对增大能耗和掘进成本。

3.2.3 对盾构选型的建议

同级别的特大直径土压盾构相对于泥水盾构，渣土舱压力不均匀度及局部土压力更大，轴承承受荷载更大(如美国西雅图SR99土压盾构)，滚动体和滚道表面接触应力更大。因此，土压盾构主轴承密封失效及直接损坏(接触疲劳)概率更高，风险也就更大。在特大直径盾构选择方面，尽管泥水盾构比土压盾构造价高，但土压盾构主轴承密封失效风险大，修复造价高，因此，仍建议选择泥水盾构。

3.3 管片盾尾脱出后上浮风险

管片盾尾脱出后上浮会造成管片裂隙、错台、破损、渗漏等施工病害，导致管片拼装质量达不到规范及设计要求，给建成后的运营安全和隧道维护带来巨大挑战。管片上浮病害预防和处理措施应尽早实施。造成管片上浮的原因有多种。

施工中，在管片环与地层之间难以避免地存在盾尾管片拼装空隙，通过加强管理，严格控制空隙量在规范允许范围的前提下，向空隙中泵入浆液，主动控制地层沉降的同时保持管片稳定，是解决以上问题的有效措施[12]。

据统计，管片上浮量的70%发生于安装后的48 h之内。除施工前考虑盾构掘进姿态预留、管片合理选型外，施工中应结合监控量测数据综合分析地质情况及外部影响因素，根据施工信息动态分析研究，适时调整浆液配合比，提高管片拼装精度等，以达到满足规范及设计要求的管片上浮控制效果。

从注浆凝固速度进行对策分析： 由于盾构快速推进，必须保证注浆凝固时间小于盾构推进时间，可以通过预先试验来达到并检验。

3.4 常规刀盘与常压刀盘的选择

3.4.1 常规刀盘

通过正确的组合安装和维护保养，轴承的前3种失效形式是可以部分或全部避免的。轴承在运转过程中，滚动件与滚道接触面的接触应力作用始终存在，滚动接触疲劳造成的损坏贯穿轴承的整个使用寿命周期，接触疲劳带来的损坏也就成为轴承使用过程中唯一不可避免的失效形式。

图8 常规刀盘

3.4.2 常压刀盘

当泥水盾构地层稳定性较差、透水性较强、水土压力较高以及穿越地层为土岩复合地层时，多选用常压刀盘[13-14]。常压刀盘见图9。

合同终止有可能是由违约导致，也有可能是因为特定终止事项出现所致。合同终止不一定是因为违约，违约也不一定导致合同终止。碳交易相对于其他国际交易行为有太多特殊性，因此不能简单地用现有的法律框架和国际惯例直接适用于碳交易，于是交易双方通常以详尽的合同条款来弥补，规定了非常复杂的合同终止事项。虽然规定得详尽可以避免不确定事项，但也给国外买家动辄终止合同提供借口。

图9 常压刀盘

在特大盾构工程实践中，为应对高水压、土岩复合地层、减少带压换刀风险，宜配置常压刀盘。常压换刀不需要带压进舱，换刀风险大大降低，但常压刀盘中心开口率小，甚至没有开口，从而增大了结泥饼的风险。

3.5 泥饼粘结、渣土滞排难题

解决泥饼粘结、渣土滞排等难题，多从如下方面入手：

1)盾构配置。针对软塑—硬塑易结泥饼地层，可加大刀盘开口率(缩小中心封闭区域范围)，刀具多层次布置，强化切削功能，降低碾磨，尽可能使渣土成块排出；增加、增强刀盘中间结泥饼冲刷系统，创新内循环冲刷；配置刀盘温度自动监测系统和刀盘伸缩功能。

1)油脂量不足，油脂溢出压力不足。广深港直径为11.182 m的泥水盾构由于油脂注入不到位，在0.7 MPa水压下，泥浆通过迷宫密封进入轴承密封，轴承滚子及滚道表面在夹杂硬质小颗粒后出现压痕，焊接刀盘时搭铁线未严格按标准放置，致使主轴承滚子和滚道面接触处有大电流通过产生电熔蚀坑，两者在重载作用下造成了主轴承的逐步损坏(轴承直径为4 800 mm)。

3)辅助措施。创新破除泥饼技术，如水刀切割、分散剂(双氧水)化学剥离方法等；在气密性好的围岩下辅助气压作业。

刀盘结饼见图10。高压水刀现场喷射试验见图11。刀盘冲刷系统改造见图12。

图10 刀盘结饼

图11 高压水刀现场喷射试验

在选择冲刷方式时，采取分时集中冲刷和舱底顺流冲刷理念，能较好地解决高黏性地层刀盘粘结的施工难题。

另据介绍，2017年初，原农业部印发《关于进一步加强农业新闻舆论工作的意见》。《意见》对做好新闻发布、政策解读、涉农突发事件舆论引导等工作做出了明确规定；加强政策解读，建立工作机制，主动开展政策解读工作；做好涉农突发事件的舆论引导工作。

3.6 其他思考

泥水盾构适用于稳定性较差、透水性较强的地层以及水土压力较高、盾构驱动功率较小、耐压能力相对较强的情况。泥水盾构结构见图6。

1)利用泥水盾构SSP(seismic scatter profile)超前探测系统加强预探前方地质分布情况。泥水盾构SSP超前探测系统见图13。

2)利用超前钻机系统超前钻探兼顾预处理措施。超前钻机系统见图14。

3)结合综合掘进参数超前预判前方地质变化。结合预探地质信息，可准确预测孤石基岩、断裂构造和软弱破碎围岩的位置，为后续爆破孤石或注浆固结围岩提供可靠的第一手资料。

要真正发挥学生和学生组织在学校办学中的作用，让学生参与学校的事务管理，需要进一步完善体制机制，要变直接管理为主到宏观和导向管理为主，变教师管理为主到以学生自主管理为主，提升学生自主管理能力和水平。在涉及学生切身利益的事务中要吸纳学生代表和学生组织参加[9]，倾听学生意见建议，突出学生的主体地位，切实提高学生参与学校管理的积极性，为学生参与学生事务管理乃至大学治理创造良好的环境和条件。

(a) 刀盘中心冲刷系统

(b) 舱底冲刷系统

图13 泥水盾构SSP超前探测系统

图14 超前钻机系统

3.6.2 高水压复杂地质特大直径盾构施工辅助处理技术

3.6.2.1 海中基岩爆破辅助处理技术

对施工中遇到的超强基岩、孤石等，采用预裂、微裂或提前爆破技术，实现盾构顺利推进[15]。

珠海横琴三通道马骝洲交通隧道工程，隧道全长2 834.6 m，采用直径为14.93 m泥水气压平衡盾构掘进施工，是我国首条海域超大直径复合地层盾构隧道。马骝洲海域岩面变化剧烈，抛石最大直径为2.2 m，花岗岩层高为6 m，强度高达120 MPa。为确保盾构的顺利掘进，采取“物探+爆破”组合的方法进行预处理，对侵入隧道断面内的基岩采用水下爆破，爆破后爆破孔的封堵选用高压旋喷注浆方法并进行河床加固。该方法消除了基岩突起对盾构掘进的威胁，有效降低了盾构刀具的损坏，保证了盾构顺利掘进。珠海横琴三通道马骝洲交通隧道断面见图15。水下爆破封堵见图16。

图15 珠海横琴三通道马骝洲交通隧道断面图

图16 水下爆破封堵

3.6.2.2 海中注浆固结辅助处理技术

台湾应用型本科教育对大陆独立学院的启示………………………………………………………………………刘尧飞（4.70）

对施工中遇到的软弱破碎围岩，为防止发生工作面坍塌或卡机等事故，采用地面或水域预注浆固结处理、洞内盾构超前注浆固结等辅助措施，能有效地解决盾构掘进施工难题。

4 结语

盾构法以其明显的技术、经济、安全、环保等优势已成为地下工程首选的施工工法。近20年来，随着工程规模和功能的建设需要，盾构有明显向特大直径发展的趋势。

当然，这样讲不是说知识分子不该讲气节，对于那些主动攀附权贵，故意混淆视听的知识分子，我们要进行深入的批判；但对于其他不少在气节上有损的知识分子，我们对他们的处境应当有同情之理解，这样方能不失公允。

然而，隧道盾构施工是个复杂的系统工程，特大直径盾构往往因隧道掌子面围岩软硬分布不均匀导致施工难度更大，除要突破现有装备水平限制和面对施工技术的挑战外，更需要对施工掘进中常见的问题进行总结分析，及时优化方案，破解各类技术难题。

一系列工程统计数据证明： 特大直径盾构不仅是工程建设中的难点、重点，更是业界关注的亮点，特大直径盾构在新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、研发和推广应用中发挥了积极的推动作用。应用大直径盾构先进装备发挥其优良性能的同时，要结合工程实践对大直径盾构从整体选型、主轴承密封选择、刀盘设计等方面进行进一步的研究思考，科学研判，研发更多盾构施工的辅助技术，有效化解大直径盾构掘进可能出现的事故和风险，不断迎接新的更大挑战。