摘 要：针对大直径泥水平衡盾构穿越高黏性土、角砾土和碎石土等复杂地层时的施工难题，依托武汉地铁12号线国博中心南站—凌吴村站区间越江隧道工程，从盾构设备选型、设备改造、掘进施工控制等方面提出针对性的解决处置方案。现场应用效果表明，采用增大刀盘开口率、刀盘中心区域倒锥形设计和多重组合式大流量冲刷等方式，可以解决大直径泥水盾构穿越高黏性地层时刀盘易结泥饼问题；通过刀具针对性配置、泥水舱搅拌臂加长及增设磨损检测系统等多重处理措施，使得盾构顺利通过角砾土地层，设备改造后，该地层盾构平均贯入度提高约247%；采用增设采石箱及交互式双联筛分管路系统的方式，能有效解决大直径泥水盾构穿越碎石土地层时大块碎石堵泵严重影响掘进连续性的问题。
关键词：泥水盾构；复杂地层；盾构设备选型改造；掘进施工控制；现场应用
随着城市现代化建设进程不断推进，城市交通需求逐步提升，交通拥堵问题日益严重，城市地下空间的合理开发和充分利用成为解决城市交通问题的重要途径。而盾构法已成为城市隧道施工的主要工法之一。
我国江河湖海众多，需要跨越水域阻隔修建的交通要道越来越多，水下盾构隧道的建设数量和建设里程不断攀升[1]。随着我国盾构施工技术的不断进步，新建盾构隧道工程开始逐步向大埋深、长距离、高水压领域迈进。尽管我国盾构隧道施工技术已取得长足进步，但面对水下隧道工程存在的高水压复杂地质条件以及严苛周边环境时，水下盾构隧道施工仍存在刀盘易结泥饼、刀具磨损异常、大块碎石堵泵严重等诸多困难。如武汉地铁7号线三阳路越江隧道[2]穿越粉砂质泥岩地层时，由于刀盘中心区域直径5 m 内无开口，导致刀盘前泥饼黏结严重且刀具严重磨损，刀盘面板后部的温度迅速上升，刀具贯入度显著降低，掘进效率大大降低。南京纬三路过江通道[3]穿越上软下硬地层时出现刀具非正常磨损、合金崩断等情况，换刀频率大幅提升，严重影响施工进度。扬州瘦西湖隧道[4]在全断面黏土地层中掘进时由于刀盘结泥饼、排浆管口堵塞等问题，盾构掘进速度大幅降低至10 h/环。为此，深入研究水下复杂地层条件下的大直径盾构设备针对性设计选型及优化方法具有重要的工程指导意义。
针对复杂地层条件下大直径盾构施工时遭遇的各类重难点问题，工程现场从业人员和科研工作者根据工程经验提出并实施了相应的针对性措施，以保障盾构施工。杨钊等[5]依托武汉两湖隧道工程，针对盾构在高黏性地层掘进时存在的刀盘结泥饼滞排问题，提出增大开口率、减小中心区域直径的刀盘改进方案。王志成等[6]针对盾构在穿越断层破碎带时发生泥浆滞排、堵舱、卡刀盘等问题，提出了缩短滚刀（齿刀）的间距、加强对压力舱的泥浆冲刷、增加泥浆直排模式等系列改进措施。李茂松[7]针对碎石地层大粒径卵石堵塞泥水盾构采石箱及排浆泵问题，提出并实施开关液压阀冲洗采石箱、反冲洗改变卵石方向等措施，有效解决了实际工程中遇到的施工难题。杜昌言[8]针对大直径盾构在碎石土地层施工时遭遇的大粒径碎石造成前舱堆积问题，提出将搅拌器替换成碎石机、设置双管路液压闸阀采石箱等方案。
虽然大直径盾构隧道施工已有众多案例可供参考，但由于武汉地铁12号线越江隧道国-凌段沿线地质条件复杂多变，隧道穿越地层丰富多样，包括高黏性地层、碎石土地层及角砾土地层等多重复杂地层，盾构在不同地层掘进过程中所需侧重的关键技术角度不同，如何同时兼顾多变的地层条件并有效解决不同地层条件下潜在的重难点问题尚需进一步的研究。
本文依托武汉地铁12号线越江隧道国-凌段项目，结合工程设计及地质勘察资料，梳理此项目盾构掘进过程中存在的重难点问题，如穿越高黏性地层易结泥饼、碎石土地层掘进大块石频繁堵泵、角砾土地层刀具磨损严重等，分别从盾构设备选型、设备改造、掘进施工控制等方面提出针对性解决方案，提出复杂地层条件下大直径盾构选型技术以及盾构穿越高黏性地层、角砾土地层和碎石土地层针对性施工处置方案，以期为后续同类水下盾构隧道工程施工提供技术支撑。
武汉市轨道交通12号线线路全长约59.9 km，是国内最长的城市轨道交通环线，连通武汉三镇，串联7个行政区域。12号线沿线全为地下线路，共设车站37座，其中换乘站26座，与既有地铁线网中其他18 条线路实现换乘，平均站间距约为1.62 km。其中，国博中心南站—凌吴村站区间（国-凌段）越江隧道是全线控制性工程之一。12号线线路平面布置及国-凌区间隧道工程建设线路如图1所示。国-凌区间隧道东起凌吴村站，位于联系白沙洲大道与武金堤路的白沙三路规划道路线内，设计起始里程为右CK38+497，西至国博中心南站，终点设计里程为右CK41+871，区间隧道全长3 374 m。
国-凌段隧道设计采用盾构法施工，由国博中心南站向凌吴村站掘进，选用开挖直径为12.56 m的泥水盾构机掘进，隧道最大埋深为51.8 m，越江段最大水压达0.5 MPa，盾构承受的最大水土压力达到0.74 MPa。区间隧道采用单洞双线布置型式，隧道衬砌由外层钢筋混凝土管片和内部现浇二次衬砌组成。外侧管片衬砌采用“1+2+5”型式分块，即每环衬砌由1块封顶块、2块邻接块和5块标准块组成；衬砌管片采用通用楔形管片，外径为12.10 m，内径为11.10 m，厚度为500 mm，环宽为2.0 m。
国-凌段隧道沿线穿越多种地层，地质条件复杂多变，地层编号及岩土层特征见表1，盾构区间地质纵断面图如图2所示。国-凌段隧道掘进范围内岩土层主要为强风化泥岩、中风化泥岩、粉细砂层、粉质黏土层、角砾土层、黏土和卵石土层等，下卧岩层岩块质极软，手掰易散，土体失水易干裂、遇水易软化，局部位置存在岩溶地层，凌吴村站至白沙洲大道段为岩溶发育区，武金堤路两侧揭示有溶槽，对工程有不良影响。
盾构掘进时穿越的黏性地层（黏土、粉质黏土、中-强风化泥岩）占比达63%。其中<10-3a>黏土层土样的直剪和三轴剪黏聚力最大可分别达到114.8 kPa和97.9 kPa；X射线衍射结果表明，强风化和中风化泥岩中，黏性矿物含量分别达到67.95%和54.32%，表现出较强的黏附性。
此外，越江隧道存在以岩溶为代表的多种不良地质。工程场区白沙洲—晴川大道段地层中上部存在可液化土层<3-2a>，层厚4.50～16.25 m，层底高程介于5.51～9.12 m之间，地层埋深较浅，在地震或机械震动作用下，有可能产生液化，使其承载能力降低或丧失。局部段隧道从可液化土层穿过或可液化土层距隧道顶板距离很近，地震时易产生震陷及上浮，对隧道施工和运营有影响。同时，盾构机在掘进岩溶地层存在盾构机卡机、栽头、姿态超限、掌子面压力剧烈波动等风险。
武汉地区地表水系发育，场区内地表水体主要为长江及武昌岸塘内积水，其水量主要来源于大气降水、地表径流和人工蓄水。长江水位受季节、气候影响较大，夏季水位明显高于冬季水位，武昌岸塘内水量极小。地表水多向长江方向汇集。沿线地下水类型主要有上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存于填土层及表部黏土层中，且水位连续性差，无统一的自由水面，接受大气降水和供、排水管道渗漏水垂直下渗补给，具有不均匀性。
国-凌段隧道穿越强风化泥岩及中风化泥岩等高黏性地层段长约1.7 km，近占全长的50%。盾构穿越高黏性地层主要矿物成分见表1，地层中云母、蒙脱石和高岭石等黏土矿物含量超过50%，土体附着力强，黏性颗粒具有一定的吸水膨胀和吸附能力，当盾构掘进至高黏性地层段时，经过表面张力的作用，在刀具切削和刀盘冲击作用下的黏土被切削碾碎成碎屑和粉末状，当黏性颗粒含量较高时极易形成连生型固溶体，附着于刀盘面板、刀盘开口位置，产生开口结泥饼问题[9，10]。随着摩擦力逐渐增加，未能及时清理的泥饼不易通过环流出舱，从而出现滞排、在舱底堆积的情况，此时需要停止掘进进行清理，导致掘进工效降低[11，12]。
国-凌段盾构隧道穿越角砾土地层段长约1.2 km，占区间长度的35%。角砾土地层主要由颗粒不均的砾石组成，个别碎石粒径较大，达到5～10 cm，砾石及碎石含量高达50%～80%，成分主要为石英岩、石英砂岩等，角砾土岩石平均单轴抗压强度达72 MPa，磨圆度差，多呈棱角状、次棱角状[13]。盾构穿越全断面硬岩或软硬不均地层时，容易出现刀具异常磨耗的问题[14，15]，长距离在硬岩或软硬不均地层中掘进施工时可能导致换刀频繁、螺栓松动或断裂等问题，严重时甚至会造成刀盘面板受损。
盾构在碎石地层中掘进时，若出现砾石强度大而无法破碎、破碎后石块粒径大于格栅开口尺寸等问题，容易造成堵舱滞排现象[16，17]。
国-凌段盾构隧道穿越碎石土地层段长约630 m，占区间长度的18.5%。根据地勘资料，该地层主要由粒径为0.2～5.0 cm的碎石、砾石组成；但在盾构实际掘进过程中，该区段频繁出现大块石堵泵现象，实际施工时出现的部分大块碎石直径在30 cm以上。盾构在该地层掘进时遭遇的砾石硬度大，碎石土地层段内砾石含量高，在掘进过程中不仅对管路不停磨损，还会频繁造成堵塞排浆泵现象（图3），严重影响施工进度。施工时经筛分发现的最大石块尺寸为50 cm（长）×33 cm（宽）×42 cm（高），单环掘进过程中最高因堵泵停机清理16次，平均单次拆检泵需要耗时2 h，严重降低了施工效率。
合理的盾构设备是盾构隧道高效施工的重要保障。盾构选型需要综合考虑地层条件、设计断面参数、工期造价等因素。本工程在考虑场地地质特点的基础上，参考武汉地区既有越江盾构隧道工程（如武汉地铁7号线三阳路站—秦园路站越江区间隧道、8号线黄浦路站—徐家棚站越江区间隧道）进行盾构选型，最终选用泥水平衡盾构进行本工程越江隧道施工。
武汉地铁7号线三阳路站—秦园路站越江区间隧道与8号线黄浦路站—徐家棚站越江区间隧道沿线地质条件与本工程类似，隧道施工时均需长距离穿越粉细砂、高黏性泥岩等地层，均采用德国海瑞克公司设计制造的泥水平衡盾构机进行施工，其盾构刀盘面板设计如图4所示。7号线盾构开挖直径为15.76 m，刀盘开口率为29%，中心区域未设置开口，刀盘面板设置6个辐条，共有41把常压刮刀，设置8个刀盘面板磨损检测装置检测面板刀具磨损情况，泥水循环排浆流量设置为2800 m3/h。8号线盾构开挖直径为12.56 m，刀盘面板开口率为26%，共有41把常压刮刀，设置6个刀盘面板磨损检测装置检测面板刀具磨损情况，泥水循环排浆流量设置为2300 m3/h。
由于武汉地铁7号线和8号线越江隧道是武汉地区较早的水下大直径越江盾构隧道，相关工程经验有限，采用上述盾构设备在高黏性地层段掘进时均遭遇了较为严重的刀盘结泥饼滞排问题。为此，本工程借鉴这两条隧道的宝贵施工经验，对选定的泥水盾构进行了刀盘结构优化设计。在刀盘开口率方面，将中心开口增大，其他开口均匀分布，整体开口率提高至34%，相比于7号线和8号线的盾构刀盘开口率分别增大5%和8%；同时，在满足中心区域常压更换滚刀布置和刀盘结构强度情况下，最大程度减少中心无开口区域尺寸。本工程刀盘整体采用复合式刀盘，如图5所示，一共设计有6个滚刀刀具轨迹、18个中心常压撕裂刀轨迹、21个常压刮刀轨迹。多种刀具立体布置，利于上软下硬地层中底部基岩的切削及中部泥岩渣土的流动，从而减少中心
泥饼的产生。本工程盾构设备主要参数与武汉既有大直径越江隧道盾构设备参数对比见表2。
图5 12号线国-凌段越江隧道盾构刀盘结构
为有效减缓盾构在高黏性地层掘进时的刀盘结泥饼问题，刀盘采用6个“主梁+副梁”组合结构设计，刀盘中心部位设计6个导渣槽，即中心部分设计为倒锥形，如图6所示。导渣槽设计有效增强中心区域溜渣能力，减少渣土进舱阻碍，缩短渣土搬运路径，提高渣土移动速度，保障渣土能够快速出舱。
刀具选型方面，针对高黏性地层选择了羊角式撕裂刀和双刃羊角式撕裂刀。羊角式撕裂刀在黏土及泥岩地层中更容易贯入，便于控制掘进稳定。双刃羊角式撕裂刀对圆弧区域的常压切刀具有保护作用，可以有效减小刀间距，提高刀具使用寿命。
为确保顺利穿越角砾土地层，针对地层情况选取平面式撕裂刀进行装配，平面式撕裂刀及原装常压切刀能够有效破碎地连墙及加固体，防止刀具异常损坏，刀具采用合金材料以提高耐磨性能，增长使用寿命。
泥浆循环系统方面，将盾构机主机段舱底设置多重组合式大流量冲刷，如图7所示，泥水舱和气垫舱底部由前到后布置泥浆门前冲刷（P0.2泵增压冲刷）、泥浆门后冲刷、破碎机冲刷、格栅冲刷和底部冲刷，多重组合式冲刷可有效减少易滞排区域渣土形成。
为避免舱底渣土堆积，在盾构机泥水舱中加长渣土搅拌臂，使盾构在角砾土地层掘进过程中充分发挥碎石机搅拌作用。为防止出现大量碎石堵泵现象，加大泥浆门格栅限径尺寸，将碎石机格栅尺寸从原本300 mm×300 mm增大为400 mm×400 mm，取消限径三角块，同时将格栅板更改为60°样式，以避免格栅表面黏土堆积，减少渣土在舱底形成阻碍，改造后碎石机格栅如图8所示。
5.1.1施工措施
掘进参数控制方面，盾构通过黏性地层时采用较大贯入度的掘进参数进行控制；将碎石机开启为清扫模式，防止碎石机两侧积渣；储备一定量的分散剂，若出现刀盘结泥饼问题时将分散剂注入泥浆，浸泡刀盘处理泥饼。盾构隧道穿越黏性地层时易出现管片上浮现象，因此在盾构掘进过程中，利用管片上浮自动监测模块在盾构姿态测量空隙时间对管片上的监测棱镜定期测量，计算每个测点的横向和竖向累积位移，实时监测管片位移。
冲刷系统方面，盾构施工掘进过程采用大流量循环模式，并将进浆流量大部分调整至刀盘前方及泥水舱，加强泥水舱内浆液流动，实现黏性土的“快进快出”。掘进过程严格控制泥浆质量，泥浆比重宜保持在1.05～1.15 g/cm3之间，黏度宜控制在20 s左右；整机管路直径增加，将盾构机整体流量增至2800～3000 m³/h。
在掘进过程中，采用大流量分区高压刀盘冲刷模式，对刀盘中心区面板、夹角、主臂及牛腿等易结泥饼位置进行多层次多点位重点冲刷，增大死角部位的泥浆流速，降低黏性渣土附着于刀盘表面概率。对易滞排区域实现增压冲刷，即在主机段增加小循环局部冲刷，利用独立的P0.2泵从排浆管引浆，额外增加约800 m3/h的进浆流量对主机段进行小循环冲刷，独立的P0.2泵提高了主机段浆液流速，有利于渣土的排放，有效降低滞排概率，减少结泥饼现象产生。
同时，每掘进50 cm停机进行循环清舱，清舱采用集中冲刷方式，清舱顺序先从碎石机两侧到泥浆门，再到前舱，然后从前舱到泥浆门，再到碎石机，结合分离设备出渣情况及泥浆比重判断清舱效果，以此循环。
5.1.2应用效果
武汉地铁7号线三阳路站—秦园路站越江区间隧道盾构在通过相似强风化泥岩段时出现较为严重的刀盘结泥滞排问题，刀盘结泥期间盾构推进速度显著下降，在第400～420环结泥饼段内，盾构推进速度从正常掘进时的20 mm/min逐渐下降至5 mm/min。
本工程通过“设备优化+掘进参数控制+常态化冲刷”多重措施处理，盾构较为顺利地通过高黏性地层区段。本工程中对应高黏性地层段为第530～890环，断面地层主要为<15a-1>强风化泥岩和<15a-2>中等风化泥岩，该区段盾构平均推进速度为22.91 mm/min。
图9对比了7号线越江隧道和本工程盾构穿越高黏性地层时的掘进速度变化，由对比结果可知，本工程针对大直径泥水盾构穿越高黏性地层所采取的设备改造及施工措施应用效果良好，对高黏性地层盾构刀盘结泥饼防治处理起到重要作用。
5.2.1施工措施
针对角砾土地层刀具磨损严重需要频繁换刀问题，增设刀具磨损检测和刀盘磨损检测系统，设置了电阻式磨损传感器，如图10所示，以期实时监测刀盘、刀具磨损情况。
刀具磨损检测系统包含滚刀磨损检测和滚刀状态监测功能。每把滚刀刀筒均设计有可更换液压磨损检测，用于检测该滚刀刀毂的磨损，如图11（a）所示；大圆环外表面圆周布置有可更换液压磨损检测装置，用于检测大圆环外表面磨损状况，如图11（b）所示。
滚刀状态监测装置用于实时测量滚刀转速、温度数据，如图12所示。主控室可实时显示滚刀旋转状况、刀筒内部温度和刀圈磨损情况，一旦出现异常可及时报警并进行处理。
刀盘磨损检测包括柱状磨损检测和带状磨损检测两个部分，刀盘面板及大圆环设计有6个可更换柱状液压磨损检测装置，用于检测刀盘的结构磨损情况。分别于刀盘前后面板各设置6条带状磨损检测带和2条带状磨损检测带，如图13所示。刀盘前后面板、大圆环、刀盘边缘过渡区及后弧形板均采用耐磨钢板覆盖设计，有效地提高整体耐磨性能。
5.2.2应用效果
国-凌段区间内对应角砾土地层段为第275～340环，段内地层主要为<10-3>粉质黏土、<12-1>角砾土和<15a-1>强风化泥岩等，在该段内掘进时贯入度变化情况如图14所示，可以看到角砾土地层段掘进初期贯入度较低，约为10 mm/r，通过采取“刀具选型+泥水舱搅拌臂改造+磨损检测系统”多重措施处理，角砾土地层区间得以较为顺利地掘进通过，后期贯入度平均在40 mm/r，效率提高300%。通过贯入度变化情况可知，国-凌段穿越角砾土地层段设备改进应用效果良好，对提高掘进效率、保障施工顺利推进起到重要作用。
5.3.1施工措施
在碎石土地层段，存在较多大直径砾石，极易造成盾构排渣设备故障。本工程在该地层段掘进初期采取的解决办法是停机拆检出浆泵，但停机会严重影响盾构施工效率，迟滞施工进度。为此，项目组通过实际调查研究，提出并实施了大直径盾构此类地层掘进时的针对性措施。
为避免大块碎石过多堵塞出浆泵，在盾构机碎石机格栅后增加采石箱用于收集大块碎石，防止大块碎石进入出浆泵造成堵塞现象，如图15（a）所示。同时，对出浆泵进口位置的拆检管路连接构造进行改进，将螺栓连接改为抱箍连接以缩短拆检时长。
为进一步提高效率，将单管路改为交互式双联筛分管路，如图15（b）所示，通道1（TD1）和通道2（TD2）为两条独立线路，在分叉口设有格栅进行阻隔。当通道1出现堵塞现象时，可利用通道1内置格栅将其隔断，利用通道2继续完成泥浆循环，与此同时对通道1进行拆检恢复管路畅通。交互式双联筛分管路有效避免了单通道堵塞情况下拆检停机现象的发生。应用交互式双联筛分管路仅需在管路切换时短暂停机，极大缩短停机时间，提高效率，实现快速切换的间歇性连续掘进。
5.3.2应用效果
增设采石箱并改进出浆泵进口位置拆检管路连接构造后，大块碎石堵泵后单次拆检时长由原来的2 h/次缩短至35～40 min/次，拆检效率得到较大提升。
图16所示为国-凌段区间内碎石土地层段（第890～1 125环）的推进速度变化曲线，可以看到在增加双联筛分管路后（图15（b）中箭头处），盾构整体推进速度从5.11 mm/min提升至到13.37 mm/min，增幅161.64%。综上，本工程提出并实施的各项复杂地层大直径越江泥水盾构针对性设计和施工方案均取得了良好的应用效果。
本文依托武汉地铁12号线国-凌段区间越江隧道工程，详细阐述了其工程特点及重难点问题，从设备改造和施工控制措施两方面提出了相应的关键施工技术，并通过盾构实际掘进效果论证了相关举措的有效性。所得主要结论如下：
（1）针对大直径盾构穿越高黏性地层易结泥饼问题，提出增大刀盘开口率、刀盘中心区域倒锥形布局和增大格栅尺寸的针对性设计和设备改造方案，同时采用多重组合式大流量冲刷和掘进参数控制等措施。通过设计改进及施工措施调整，盾构穿越高黏性地层段时未出现刀盘结泥饼滞排问题，与同类工程相比，本工程实现了高黏性地层段的高效掘进，证明了本工程防结泥饼设计及施工措施的实用性及有效性。
（2）针对穿越角砾土地层磨损刀具严重问题，提出刀具针对性选型及配置、泥水舱搅拌臂加长改造及全程磨损检测系统的改进措施，通过盾构设备优化，穿越角砾土地层时总推力显著降低，有效解决了角砾土地层刀具磨耗问题。
（3）针对碎石土地层掘进大块石堵泵问题，改进出浆泵进口位置拆检管路连接构造，实施增设采石箱及泥水循环系统交互式双联筛分管路等措施，极大提升了盾构在此类地层掘进时大块碎石堵泵后的拆检作业效率，提高了盾构掘进效率，基本实现快速切换的间歇性连续掘进。
本文摘编自《现代隧道技术》第61卷第4期(总第417期), 2024年8月出版，参考文献略。