大直径泥水盾构隧道施工现状及重难点思考与讨论

万 波

（上海隧道工程有限公司 上海 200032）

0 引言

城市轨道交通作为城市发展相匹配和适应的重要系统组成，在现今城市中扮演着越来越重要的角色［1-3］。而在城市及跨江跨河的隧道施工中，大直径盾构得到了广泛应用。据不完全统计，到目前为止，世界范围内采用直径超过14 m 的盾构进行施工的项目超80 项，其中国内64 项（泥水盾构59 项，土压盾构5项），国外17项（泥水盾构6项，土压盾构11项）。

目前，我国已经成为盾构里程最多的国家［4］。但是我国地域辽阔，水系丰富，地质复杂多变，所以各个地区泥水盾构在不同地层和跨江跨海的施工环境也不尽相同，面临的施工难题也是各式各样。尤其是近年各种超大断面盾构隧道的需求、特殊复杂地层和极端环境建造、城市环境保护要求等，给泥水盾构的施工带来了一系列新的挑战。比如，在部分富水软土地层中，泥水盾构面临着的流砂和管涌问题［5］；在复合地层中由于地层中岩石和软土的共同存在，上软下硬导致泥水盾构的掘进问题［6］；当地层中存在孤石和硬岩，盾构刀盘的磨损造成严重危害［7］；掘进土层中遇到沼气等有害气体，沼气从盾尾涌入盾构，对盾构的正常施工产生不利影响，同时引起盾构偏移［8］；当盾构穿越断裂带或地层存在较大差异，会给开挖掌子面稳定性带来困难［9］；穿越管线和密集建构筑物引发的变形控制问题以及小曲率半径掘进的施工技术问题等［9-11］，这些都是现今泥水盾构施工过程中遇到的一系列技术难点。所以将我国泥水盾构施工中面临的挑战和应对措施以及施工技术重难点进行总结分析，形成系统全面的技术参考具有重要意义［12］。

本文基于杭州江南大道、文一路隧道、钱江隧道、温州S2 线SG5 标、珠海十字门隧道、妈湾跨海通道I标、佛山季华路西延等一系列泥水盾构项目，先简要介绍了泥水盾构的概况，分析了目前泥水盾构面临的挑战，总结了施工过程中遇到的一些重难点问题，并以项目经验对重难点问题的解决提供对应的施工方案措施与建议，以期对今后泥水盾构施工技术的发展提供借鉴和参考。

1 泥水盾构施工现状与挑战

1.1 泥水盾构隧道简介

泥水平衡盾构包含5 大系统，主要为盾构掘进机、掘进管理系统、泥水处理系统、泥水输送和同步注浆系统，泥水气平衡盾构示意图如图1 所示。盾构机通过在前盾的密封仓中注入适当压力的泥浆，聚焦于泥水与土体的接触表面，使其在开挖面形成泥膜与掌子面土体达到平衡。在平衡阶段中泥膜的形成十分重要，平衡后盾构刀盘才开始切削土体，开挖的土体与泥水混合后形成高密度泥浆，再由排泥泵及管路送至地面处理，整个过程为泥水平衡自动管理系统统一管理模式。

图1 泥水气平衡盾构三维图Fig.1 Three-dimensional Diagram of Mud-water-gas Equilibrium Shield

1.2 泥水盾构施工现状与挑战

随着我国泥水盾构隧道使用日益广泛，泥水盾构的技术不断发展，泥水盾构隧道面临大直径、长距离和高水压的问题，城市邻近建筑物密集施工变形控制严格，盾构掘进穿越的地层与环境也愈加复杂化［13］。

1.2.1 盾构超大直径问题

与常规的6 m 左右盾构隧道相比，大直径盾构隧道在很多方面存在明显差异［14］。随着盾构直径的增大，刀盘开挖切削范围与对地层的扰动程度成倍增加，地层自稳能力降低，刀盘顶部与底部的泥水压力差进一步增大，其与地层水土压力的匹配性降低，从而降低了对开挖面的有效支护。同时，随着盾构直径的增大，盾构穿越复合地层的概率也大幅提高，从而对盾构适应性配置和相应施工技术提出了更高要求。再者，超大直径盾构泥水送泥口与排泥口距离大幅增加，刀盘和泥水仓结构更为复杂，泥水环流和作用机理更为复杂，从而对开挖面稳定控制和排渣带来影响。且大盾构隧道直径增大，衬砌接近于柔性结构，其性能退化与周边环境变化带来的安全风险增大。

1.2.2 盾构开舱技术问题

盾构机在复杂地层或长距离掘进时，经常会面临遭遇阻碍或者刀具磨损过大而被迫停机开舱的问题。而开舱面临如何保持开挖面稳定和人员带压进舱作业安全等问题，具有极高的风险。例如，2008 年广州地铁6号线和2014年南宁地铁1号线因为开舱造成了严重的工程事故［15］。随着盾构环境的复杂化，掘进过程面临刀具磨损、结泥饼以及遇到阻碍的问题愈加普遍，这一挑战对于开舱技术发展和创新存在巨大需求。

1.2.3 临近复杂工程问题

随着城市建筑物密集分布及地下空间的高度开发建设，盾构隧道不可避免地要穿越临近的建构筑物和其它地下结构。盾构隧道与不同建构筑物的相互作用机制比较复杂，受到地层条件、隧道结构特性、隧道与建构筑物相对空间位置、盾构机种类、盾构掘进参数与工后沉降变形等因素的影响。目前临近建筑物施工事故［16］大量频发，所以加强临近施工的扰动变形机理研究，更精准地对地层-结构相互作用变形进行控制是当前急需解决的技术难题。

1.2.4 盾构渣土处理技术问题

随着盾构项目的增加，施工过程中产生的工程渣土也在逐年陡增，2020年全国在建盾构隧道渣土总量已突破2.25 亿m3，“十三五”以来，我国积极推动落实建筑垃圾源头减量与资源化利用的相关政策，并逐渐形成建筑垃圾资源化利用的产业体系及行业标准［17］。目前建筑垃圾应用在许多领域，如：建筑地基填筑再利用、注浆再利用以及再生砖等。但是渣土的原地资源化再利用仍然存在一些问题，如分类标准不完善，渣土利用生产产品性能缺乏系统方法以及存在特殊性无法量产化等。

2 大直径泥水盾构施工重难点

2.1 软土地层盾构极限施工

当前，软土地层大直径泥水盾构施工工艺已比较成熟，但受地质和环境条件的限制，仍会遇到穿越高水压富水地层、近距离穿越建筑物、穿越沼气层、超浅覆土进出洞、小曲率半径曲线掘进等特殊工况。在此，将其定义为极限施工工况，其施工重难点如下：

2.1.1 盾构穿越高水压富水地层

泥水平衡盾构广泛用于水底隧道的掘进，或者在穿越城市时埋深大，从而易出现盾构位于高水压富水地层施工的情况，比如上海虹梅南路隧道，盾构段最大埋深为52.5 m，穿越高承压水〈7-2〉粉细砂地层。高水压富水地层一般埋深大，且为渗透性强的粉细砂地层，其施工难点在于：

⑴粉细砂在水动力条件和盾构掘进作用下，易产生管涌、流砂及振动液化现象，从而降低土层结构强度，不利于开挖面稳定。若泥水质量欠佳，或切口水压设定不当或波动过大，易造成开挖面不稳甚至出现坍方。

⑵高水压作用下，易导致盾构机主驱动轴承密封（外密封）系统失效、盾尾易发生变形和渗漏等灾害性风险。

2.1.2 近距离穿越建筑物

目前，大直径泥水盾构近距离穿越建筑物的案例已越来越多，比如上海北横通道盾构段共穿越建筑90 处，距建筑桩基最近约0.6 m；杭州文一路隧道下穿地铁2号线，垂直净距仅5.0 m。因控制不当引发的建筑物沉降过大、开裂甚至倒塌的案例也屡见不鲜。究其原因，主要有以下几点：

⑴盾构在掘进过程中不可避免地会对地层产生扰动，引发地层及周边建筑产生沉降。

⑵施工参数控制不当：比如泥水质量不佳或切口水压控制不当可能造成开挖面不稳，同步注浆浆液质量不佳、或注浆量和注浆压力控制不当、或二次补压浆不及时导致地层损失过大，盾构姿态控制不佳或纠偏过大造成土体扰动过大等，均会造成地面和建筑物沉降。

2.1.3 穿越沼气层

在淤泥质粉质粘土、粉质粘土等地层中易形成产气层，形成气囊。当气囊超过一定量或压力超过0.05 MPa 时，若不预先处理，会对盾构掘进施工带来巨大风险。

⑴在地下隧道盾构掘进过程中，气体由于外因作用而突发性释放，含气层的压力急剧下降，导致气-水界面向喷气口移动，快速的气流对土层产生强烈的冲刷作用，大范围挠动含气土层，同时严重扰动上覆或下卧地层。随着强烈喷气的结束，土层必然产生急剧沉降，随后土体重新固结下沉。由于地下气体的分布不均匀，气压大小不等，地层承载力大小差异较大，故在气体释放过程中往往引起不均匀沉降，进而诱发隧道结构的严重变形，甚至管片断裂损坏。

⑵沼气对施工人员造成危害。由于浅层沼气主要成分为甲烷和氮气，因此，气体浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷含量达25%～30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离，可能窒息死亡。当浓度在5%～15%的爆炸极限范围内时，如遇到明火，将发生剧烈爆炸，危害人身安全。

2.1.4 浅覆土进出洞

盾构浅覆土进出洞一直是盾构施工的关键风险点。长期以来，因为方案不得当或处理不到位而造成盾构进出洞施工中土体坍方、洞门喷涌、隧道大幅上浮造成管片错台甚至螺栓剪断等事故层出不穷。目前盾构进出洞施工的基本工艺流程已比较成熟，但对于针对不同地质和工况条件下的进出洞加固施工方案仍存在分歧，且浅覆土施工中隧道大幅上浮现象仍较为普遍。究其原因，主要如下：

⑴针对不同水文地质和环境条件下，进出洞加固方案的选择欠妥，或过于激进导致加固效果难以满足要求，或过于保守而造成成本大幅增加。

⑵盾构在浅覆土中施工隧道上浮原因分析：成型隧道重量小于开挖土体（含水）的重量，若同步注浆参数控制不佳（注浆压力过大、填充不饱满、凝固时间缓慢等），单点压注压力过大使管片受向上的顶力、底部浆液先填充满，存在管片上浮空间及浮力，当管片所受浮力大于管片自重、上覆土重力、螺栓周边土体粘滞助力及环间摩擦力，往往会导致管片和上覆土一起上浮；覆土越浅，土层往往比较松软，甚至是液化地层，对注浆层无法形成包裹作用；管片螺栓不紧固导致管片之间整体性较差，造成管片上浮；管片与盾构及隧道轴线姿态不一致导致管片上浮等。

2.1.5 小曲率半径曲线掘进

泥水盾构穿越海底或城市建筑群时，由于受两岸接线条件的限制，以及尽可能避开建筑物，常需要进行小曲率半径施工。极限小半径极易造成管片错台破损及盾尾防水系统的磨损漏水，加之盾构处于海底软硬不均地层刀具易磨损，需在水底高水压下更换刀具或盾尾密封刷，同时开挖面如失稳产生河床隆起或塌陷可能引发上方覆水倒灌，其风险和难度极大。

2.2 盾构穿越复合地层

2.2.1 盾构穿越软硬不均地层

盾构在穿越软硬不均地层的过程中，隧道轴线控制困难，推进时可能发生盾构偏移，出现蛇形推进。由于软硬比例变化幅度及频率大，隧道掘进工况转换频繁，对地表沉降、开挖面稳定、盾尾密封等控制难度大，容易造成施工过程开挖面失稳。同时在穿越软硬不均及硬岩地层时，盾构推进速度缓慢，刀具磨损快，换刀频繁，甚至损坏刀盘，对施工工期造成影响。

2.2.2 盾构穿越砾石层

盾构穿越砾石等高渗透性土层，泥水盾构工作面的泥膜难以建立，同时在承压动水头压力下易发生流砂、崩塌现象，影响开挖面稳定。盾构掘进中遇砂土、圆砾石层，如泥水质量不佳，极易造成吸口封堵，从而无法出土，由于砾石的硬度较大，盾构的刀盘还易损坏，施工过程中的开仓更换刀具也具有较大风险。

2.2.3 盾构穿越断裂带地层

断裂带中掘进时水压较高、水量大，对盾构保压及密封系统都是严峻的考验。断裂带具有岩层破碎、块度大、岩层变化大、地质松散等特点，盾构在掘进时容易出现泥水漏失、开挖面失稳等施工难题，如果控制不当甚至可能出现坍塌、渗水被淹等灾难性安全事故。断裂带由于岩层稳定性差，若同步注浆效果不好，已拼装管片在推出盾尾后容易出现上浮、错台、密封条失效和管片连接缝隙处渗水等现象，隧道稳定控制难度大，影响施工质量。

2.2.4 盾构穿越孤石地层

孤石地层中盾构掘进经常会导致刀盘前端瞬间压力猛然增大，易将刀盘卡死、造成刀具磨损和刀座严重变形等问题，盾构机极易被困，影响施工进度。盾构穿越孤石地层时，因为孤石与周围地层有较大的强度差异，对盾构掘进的姿态控制带来困难，容易使盾构掘进偏离设计轴线。当孤石分布广泛时，如果无法完全探明，盾构在未探明的孤石掘进中，孤石容易随刀盘旋转而移动，对于地层有较大的扰动，造成地层失稳的现象。

3 泥水盾构重难点施工方案

3.1 软土地层盾构极限施工

3.1.1 盾构穿越高水压富水地层

以杭州钱江通道为例，圆隧道段采用ϕ15.43 m的泥水气压平衡盾构掘进施工。江南段盾构穿越土层主要为〈3-2〉层粉砂、〈4-2〉层粉质粘土，其中约300 m 长含有1∕2～2∕3断面的〈3-2〉层粉砂，其渗透系数为3.13E-4 cm∕s。主要应对措施如下：

⑴盾构配置：驱动密封系统按承压7.5 bar设计，满足工况要求，且采用自动油脂压注系统，确保密封系统完好；盾构机设置4道盾尾刷（3道钢丝刷+1道钢板刷），可抵抗7.5 bar 的水土压力，并配备了1 套充气式盾尾紧急密封系统，盾尾油脂压注孔3×12 个，利用3 台油脂泵压注。在盾构掘进过程中，定期、定量、定压进行盾尾油脂压注，以保证盾尾密封安全。

⑵采用重浆推进，泥浆比重不低于1.25 g∕cm3、粘度不低于20 s，且在泥浆中增加了高分子材料堵漏剂，以提高泥浆护壁性能。

⑶准确设定泥水压力，并根据地表沉降监测数据进行及时微调，并将泥水压力波动控制在±0.005 MPa以内，从而保证开挖面的稳定。

⑷推进速度保持在2～3 cm∕min，尽量保持匀速推进，以减小对土体的扰动。

⑸采用6点同步注浆系统，压注量为理论建筑空隙的120%～130%，上、中、下部的压注量比例为5∶3∶2，以及时填充管片与土体之间的空隙，并有效减小隧道上浮。

3.1.2 近距离穿越建筑物

以上海市北横通道为例，北横通道盾构段共穿越建筑90 处，其中下穿建筑25 处，侧穿建筑65 处；穿越多层及地下室36 处，穿越带桩基多层16 处，穿越高层38 处，距建筑桩基最近的约0.6 m，与隧道距离小于1.5 m 带桩基建筑物的有7 处。隧道采用1 台ϕ15.56 m的泥水气压平衡盾构掘进施工，主要穿越地层为〈5-1〉灰色粉质黏土、〈6〉暗黄～绿色粉质黏土、〈7〉粉细砂、〈8-1〉灰色粘土等。主要采取措施如下：

⑴盾构穿越前对影响范围内建筑进行检测与评价，并按保护等级进行分类。

⑵根据建筑物特性、与隧道的位置关系以及隧道埋深、地质情况等，合理设定并精确控制泥水指标、推进速度、切口水压、出土量、同步注浆、盾构姿态等施工参数，并根据监测情况及时调整。在穿越建筑物期间尽量保持匀速通过，并在盾构姿态控制方面做到勤测勤纠、单次纠偏幅度小，以减少盾构纠偏给土体带来的扰动，从而减小对建构筑物的影响。

⑶严格控制同步注浆压力、注浆量和浆液质量。每环盾构推进结束后，补充压注适量浆液，保持注浆压力。在盾尾快脱出建构筑物下方时，须适当增加浆液压注量，必要时通过壳体进行注浆。

⑷在穿越建筑物特殊区段（如小曲线半径段）管片上设置剪力销，管片上增设注浆孔（见图2），适时压注双液浆，以减小盾构穿越后的建筑物沉降。

图2 增开注浆孔示意图Fig.2 Schematic Diagram of Adding Grouting Hole

⑸对建筑物采取跟踪注浆加固的保护措施。

3.1.3 穿越沼气层

针对盾构穿越沼气层存在的风险，主要从沼气探测与释放、盾构设备配置、施工措施3个方面进行应对。

⑴沼气探测与释放：通过补勘探明盾构掘进线路上的沼气分布位置、气囊大小、压力等，对于压力超过0.05 MPa 的应进行沼气释放。沼气释放施工方式为采用钻机和静压结合方式。即钻孔前进行孔位及标高测量，确定钻孔深度，原则上在含气层上面5.0 m改为静压施工，静压到位后进行沼气释放。该方法在江南大道改造提升工程进行应用，如图3所示。

图3 沼气释放现场Fig.3 Biogas Release Site

⑵盾构机配置：在盾构机的排泥口、盾尾和第一节车架处设置固定式自动报警有毒有害气体监测装置。另外考虑到第二、第三节车架电器设备较多，且较接近沼气涌出源，故在第二和第三节车架间固定放置一把移动式手持有害气体监测仪器，作为该区域特定的检测设备。

⑶施工措施：推进前后进行充分的泥水循环，以排净可能进入到泥水管路内的气体；做好隧道内有害气体监测；加强隧道通风。

3.1.4 浅覆土进出洞

针对不同地质和工况条件下的进出洞加固施工方合理选择，以及浅覆土施工中如何控制隧道上浮两个方面，根据自身的工程经历，并通过对类似工程案例的总结，就应对措施进行探讨。

⑴盾构进出洞加固技术

众所周知，盾构进出洞加固方案的合理性及实施效果是盾构进出洞施工安全的首要保障。本着安全可靠、经济合理的原则，对于不同的地质水文条件和环境条件，进出洞加固方案也大有不同。通过对大量工程案例的分析，对不同工况条件下适用的进出洞加固方案进行总结如下：

①当加固范围内为软土地层，且地下水不丰富或地下水位不高的情况下，宜采用水泥系加固辅以降水井的方式。一般情况下，若加固深度不超过35 m，宜采用搅拌桩+高压旋喷加固方式，若加固深度超过35 m，宜采用MJS或RJP进行加固。需要注意的是，当加固范围存在抛石、填石等障碍物时，应预先将其清除（浅层障碍物一般采用挖除后回填，深层障碍物一般采用全回转清除后回填）后再进行加固，以保证加固效果。应用案例有杭州钱江隧道、杭州江南大道提升改造等。

②当盾构工作井临江临海，或隧道位于或受高承压含水层影响时，除了常规的水泥系加固辅以降水外，宜在加固区周边设置一圈“U”字型的隔水帷幕（一般采用素地连墙、素咬合桩或TRD 等方式）隔断承压水，在隔水帷幕内设置降水井，并在隔水帷幕外设置观测井和备用井。应用案例有佛山季华西延工程、妈湾跨海通道等。

③当加固深度过大，或加固范围内存在圆砾层、砾石等地层，导致水泥系加固效果不佳；或受场地限制导致水泥系加固无法实施或加固长度不足时，宜采用冻结加固方案，一般采取垂直冻结与水平冻结相结合的方案。值得注意的是，在此基础上，应尽可能增设一圈“U”字型的隔水帷幕（素地连墙或素咬合桩），并设置降水井，从而降低施工风险。应用案例有珠海十字门隧道出洞加固等。

④当隧道进出洞全断面位于岩层时，一般不需要采取额外的地基加固措施，但应做好降水、洞门圈止水装置等措施。

⑵浅覆土隧道抗浮技术

①在浅覆土段设置管片剪力销，增加隧道整体性。

②同步注浆采用高比重、抗剪能力形成快的浆液，适当增加上部注浆量比例（一般占总量的60%甚至更多），并在管片上增设注浆孔进行隧道二次补压浆，以控制隧道上浮。

③通过盾壳注浆孔压注克泥效，有效封堵泥水回窜至盾尾的通道。

④在盾尾附近的管片（尤其是刚脱出盾尾的管片）上设置压重块，以增加抗浮力。

⑤若覆土过浅，可采取上覆土加固、地面堆载或设置抗浮板的措施，以增加抗浮力。

3.1.5 小曲率半径曲线掘进

盾构在小曲率半径施工掘进时，易出现姿态偏差过大、管片错台超标、盾尾间隙不均导致管片或盾尾刷损伤等不利情况。以珠海十字门隧道为例，盾构段全长940 m，全线处于平面小曲线半径R=599.75 m，如图4所示。主要采取以下措施：

图4 十字门隧道盾构段平面Fig.4 Plane View of Shizimen Shield Tunnel

⑴设计方面：采用楔形量80 mm 的管片，保证小半径轴线拟合需要；管片设置剪力销，改善成环管片受力情况，保证成环质量；在管片上增设注浆孔，适时压注双液浆。

⑵盾构配置方面：盾构采用倒锥形设计，以满足转弯要求；刀盘配置仿形刀，通过PLC 控制实现相应角度范围内伸出或缩回，实现单边超挖，利于盾构机推进纠偏；配置自动导向系统（见图5），实时提供盾构姿态，便于操作人员控制好盾构姿态，可有效防止不当纠偏。

图5 自制自动导向系统示意图Fig.5 Diagram of Self-made Automatic Steering System

⑶施工方面：根据盾构姿态以及盾尾与管片间隙，适时调整盾构推进方向及姿态，做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保管片环面始终处于曲线半径的径向竖直面内；利用管片选型软件，合理选择管片旋转角度，实现轴线拟合，管片拼装尽量居中；采用同步注浆与推进联动的方式，控制好浆液质量、注浆量和注浆压力，同时，考虑到曲线段施工外侧出土量更大，适当加大曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙，必要时，采取二次注浆（双液浆）的措施，以加固隧道外侧土体，减少隧道水平位移量，提高隧道稳定性；必要时采取环、纵向拉紧措施，提高管片纵向刚度；适当加大隧道测量频率，加密测量点和后视点，并对后视点进行定期复核。

3.2 盾构穿越复合地层

3.2.1 盾构穿越软硬不均地层

盾构穿越软硬不均地层易出现地面沉降过大、刀具磨损严重、轴线控制困难、刀盘结泥饼［18］等施工难点。以妈湾跨海通道Ⅰ标为例，阐述应对措施。

妈湾跨海通道I 标盾构段全长2 060 m，采用1 台ϕ15.55 m的泥水气压平衡盾构掘进施工，主要穿越地层为〈5-1〉黏土、〈5-1〉淤泥质土、〈8-1〉砂质粉质黏土、〈10-1〉全风化岩、〈10-2〉强风化岩、〈10-3〉中风化花岗岩、〈10-4〉微风化花岗岩。其中，822 m为全断面硬岩，938 m为上软下硬土层，300 m为软土。

主要难点分析及应对措施如下：

⑴地面沉降控制

地面沉降在软硬不均地层中开挖时，上部软土地层易于切削，下部岩层强度高，不易切削。施工时掘进速度低，增大了对上部地层的扰动，引起地面沉降过大。施工时可适当降低盾构机推力及刀盘扭矩，减小对地层的扰动。提高泥水质量，防止开挖面上部土体坍塌。同时加强沉降监测和出碴量管理，保证掘进顺利进行。

⑵刀具磨损

难点分析：在软硬不均地层中施工时，刀具在软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘受到的冲击力很大，容易造成局部刀具受力超载，刀盘和轴承受偏心荷载作用致使主轴承受损或主轴承密封被破坏。同时，由于切削所释放的热量高，导致刀盘刀具温度升高，加速了刀盘刀具的磨损速度，对盾构机工作状态非常不利。

主要措施：

①目前盾构机均配置了滚刀旋转检测装置和刀具温度、荷载检测装置，施工过程中应密切关注刀具检测装置的完好性及检测数据，及时发现“零号病刀”，并及时更换。

②因岩面起伏较大，在掘进施工中应掌握每一环穿越的地层分布情况，按照“一环一策”的原则设定相关施工参数。适当降低刀盘转速（一般不超过1.5 r∕min），防止刀具因转速过快而与岩层发生严重碰撞从而损坏刀具。密切关注推力、推进速度、扭矩的变化，当出现推力或扭矩陡升、推进速度陡降等异常情况时，应立即停推，对刀具磨损、泥水仓集渣等情况进行排查，并采取换刀、清仓排渣等措施后，再恢复推进。

③保证泥水质量和泥水流量及分配，必要时进行清仓工作，将切削下来的渣土排除，减轻对刀具的磨损，减少换刀频率，提高掘进效率。

⑶轴线控制

在软硬不均地层中，土体性质极不均匀，致使盾构掘进姿态控制闲难，容易引起轴线偏差，姿态控制难度大。在岩面起伏大或侵入盾构断面岩层较小的情况下，应适当降低推进速度和刀盘扭矩，并合理设置各区域千斤顶油压，从而有效控制盾构轴线。另外，在软硬不均地层施工易出现盾构转角过大现象，应予以密切关注并通过正反转刀盘进行及时调整。

⑷刀盘结泥饼

盾构在泥岩、富含粘性颗粒的全、强风化岩层中掘进时，极易出现刀盘结泥饼现象，主要原因为：粘性颗粒易成团聚集在刀盘正面，同时由于切削释放的高热量进一步加剧了泥团的失水和固结硬化，导致结泥饼现象越来越严重，不仅造成滚刀偏磨加剧，而且大幅削弱刀具切削功能，并造成排泥管吸口堵塞。主要措施：在刀盘正面和刀筒内设置大流量、高压力的泥水冲刷装置，有效减低泥饼的形成；适当增加泥水流量，在排泥管吸口设置冲刷口，以增加排渣、携渣能力；加强刀具检查，及时发现并更换磨损严重的刀具。

3.2.2 盾构穿越砾石层

盾构穿越砾石层易出现刀具磨损严重、泥浆漏失导致开挖面不稳、砾石滞排堵塞排泥管吸口等问题。以江南大道改造提升工程为例，盾构段南线、北线分别穿越约350 m、600 m 长圆砾层，且位于高承压水地层中，其中，最大覆土厚度约37.5 m。采取措施如下：

⑴刀具配置上选择重型刮刀和撕裂刀，采用固定刀具+带压可更换刀箱的组合形式，且每个轨迹上至少布置2 把。刀盘外缘有高度耐磨硬质堆焊层，同时配置液压刀具磨损监测系统。当刀具磨损到设定值时，及时开仓更换刀具。

⑵配置高性能刀盘驱动密封系统与盾尾密封系统，以满足高水压下密封要求。

⑶刀盘背面配置有4根主动搅拌棒，可大幅提高出渣效果。并在掘进过程中适当增加泥水流量，以提高携渣能力，防止渣粒在管路内沉淀引起管路堵塞，影响正常施工。

⑷采用重浆推进，并在泥水中增加堵漏剂，以提高泥浆护壁效果，保证开挖面稳定。

3.2.3 盾构穿越断裂带地层

针对盾构在断裂带地层中的施工风险，需要从盾构机针对性配置、预处理以及盾构掘进参数控制几个方面综合考虑。以妈湾跨海通道工程为例，盾构在两处穿越断裂带，断裂段中含承压水，水量丰富，推进时易造成泥水逃溢，导致开挖面失稳，隧道稳定控制难度大。采取措施如下：

⑴首先，需要通过补勘等方式探明断裂带的产状、破碎程度、填充物、含水状况等，从而对盾构机配置及是否需要预处理等提供依据。若断裂带破碎严重、含水量大且水压高，则需要对其进行注浆加固预处理，若条件允许，首选地面开孔注浆加固，若无地面注浆加固条件，可通过盾构机配置的超前钻探和注浆装置，对盾构前方地层情况进行预判，在穿越碎裂带岩层进行钻孔超前注浆。

⑵在排泥管吸口设置格栅，并配置高性能颚式破碎机，可将切削下来的大块石块破碎至20 cm以内，从而避免石块留滞在泥水仓，造成滞排或堵塞吸口。

⑶盾构驱动密封系统采用自动加压系统。盾尾密封系统可承受高水压能力，采用4 道钢丝刷和1 道钢板刷密封形式，如图6 所示。盾尾油脂采用压注量和压力双控系统，有效防止产生渗漏。

图6 盾尾密封示意图Fig.6 Diagram of Shield Tail Seal

⑷盾构掘进中严格控制切口水压波动范围，将其制在（-0.05）bar～（+0.05）bar 内，保证正面稳定。合理设定推进速度，保证掘进稳定同时，注意刀盘扭矩、推力等参数的变化。当发现泥浆损失量很大，在不降低开挖面水压下能进行推进，则向前推进（并使用堵漏型泥水材料），应适当加快推进速度，提高拼装效率，使盾构尽早穿过断裂带。

3.2.4 盾构穿越孤石地层

盾构穿越孤石地层易出现刀具损坏（因磕碰出现缺损甚至掉落或磨损）、卡刀盘、孤石随着刀盘转动而移动从而对地层带来较大扰动等问题。采用的有效手段为首先对孤石进行探测，明确其位置和大小。若孤石较小，能够从刀盘开口通过，则不需要额外处理，可通过在排泥管吸口处的高性能破碎机予以破除后通过吸口格栅，并在排泥泵前安装捕石器，予以清除。若孤石尺寸过大，不能通过刀盘开口，则需要在穿越前预先进行处理。以珠海马骝洲交通隧道为例，盾构掘进断面内位于软硬不均地层中，存在大量的孤石，采取如下措施：

⑴在盾构机上加装SSP 超前探测装置（见图7），对盾构开挖面前方孤石进行探测，SSP 探测精度为刀盘前40 m，直径大于800 mm 的障碍物。并结合钻孔探测的方式对疑似孤石点和基岩突起进行确认。

图7 SSP安装位置示意图Fig.7 SSP Installation Position Diagram

⑵采取全回转清障、定点爆破等方式对盾构断面内的孤石进行清除。定点爆破采用深孔控制爆破技术，可将破碎后的石块控制在10 cm以内，从而满足盾构切削及排渣要求。若盾构机开挖面出现了未探测到的孤石，则采用气压法人工进仓清障的方式，清除刀盘前的孤石。

⑶为保证盾构顺利穿越孤石（经预处理后），盾构机设置滚刀以提高破岩能力，并且安装刀具磨损检测装置，及时进行刀具磨损检测并更换“病刀”。

4 结语与展望

泥水盾构作为城市交通系统的利器，在城市跨江跨河工程项目中起到了举足轻重的作用。本文先简要介绍了泥水盾构的施工现状与挑战，然后基于多年参与过的泥水盾构项目经验，总结了目前泥水盾构隧道施工过程中遇到的一些重难点问题，并对解决重难点问题提供了对应的施工方案措施与建议，以期对今后泥水盾构施工项目的发展提供借鉴和参考。除了上述总结之外，对于泥水盾构的发展，提出几点展望，希望为相关行业的研究人员提供研究的思路：

⑴泥水盾构隧道经常处于江河等水底下进行作业，现存在部分方面的监测无法像土压平衡盾构一样进行直接监测，但是其隧道的实时监测数据对于施工有着巨大指导意义。做到岩层-机器相互作用智能感知是今后水下隧道需要突破的方向；

⑵泥水盾构的施工环境存在大量的特殊复杂地层，掘进后的复杂地层渣土如何进行利用，给现在提倡的绿色施工和渣土再利用带来一定的困难。如何快速高效地处理好泥水盾构的渣土是亟需解决的问题，也是支撑城市绿色、低碳发展的重要路径；

⑶当泥水盾构遇到地层复杂、临近结构敏感、生态环保要求高等问题时，抓住信息化社会带来的机遇，跟随创新科技技术的发展，通过人工智能、机器学习、5G 大数据等相结合的方式，推进泥水盾构数字化建造是今后的重要方向。