1、113PROJECTMANAGEMENT理工程技术交流建设地铁海底隧道泥水盾构穿越破碎带掘进监理控制措施鲁梅（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海200032)摘要：介绍某地铁海底隧道泥水盾构穿越两条破碎带掘进的监理控制措施。施工前充分研究分析地质勘察报告，从本质安全方面对盾构机主机及刀盘、三大密封系统、泥浆循环及冲刷系统等关键部位进行改造事前监控；从行为安全方面在盾构施工中采取开挖土量控制、泥水压力控制、盾构姿态控制、同步注浆十二次注浆十环箍注浆控制、管片上浮控制及特殊情况下的盾构掘进等事中控制措施。通过事前事中一系列监理控制措施严格落实，安全顺利完成盾构穿越破碎带工程。关键词：地铁；海底隧道
2、；泥水盾构；破碎带；控制措施中图分类号：F407.9文献标识码：B文章编号：1 0 0 7-4 1 0 4（2 0 2 3）0 7-0 1 1 3-0 40引言近年来，伴随着国内地铁建设的高速发展，许多沿海城市建设地铁海底隧道。海底隧道一般区间距离较长，地质复杂，盾构在推进过程中难免会遇到穿越特殊不良地质，一些城市在地铁建设盾构施工过程中出现质量安全事故，既造成财产损失、人员伤亡，又造成工期严重滞后，因此盾构施工安全风险控制引起各参建方高度重视。本文将以青岛市地铁8 号线大洋站一青岛北站区间下穿胶州湾泥水盾构穿越两条破碎带掘进施工（以下简称“本工程”）为例，从本质安全、行为安全两个方面，事前针
3、对盾构机改造、事中针对盾构掘进控制要点采取一系列监理措施，以成功控制工程风险，使泥水盾构安全顺利地穿越破碎带。1工程概况青岛市地铁8 号线大洋站一青岛北站区间（以下简称“大青区间”）总长约7.8 km，其中两侧陆域段共长约2.4 km，海域段共长约5.4 km（海域段西侧长2.5 km，采用矿山法施工；海域段东侧长约2.9 km，采用泥水盾构施工）。泥水盾构在2 号风井始发，于胶州湾海底与西侧矿山法隧道对接段弃壳接收。泥水平衡式盾构段最大坡度为2 8%，埋深为26.4951.80m，线间距为1 6.5 7 2 4.9 0 m，隧道环外径为6.70m，管片厚0.3 5 m，标准环宽1.5 0 m
4、。泥水盾构段穿越F3、F 4 两条断裂带，右线F3断层破碎带约在9 4 1 9 9 9 环，共计5 9 环，左线F3断层破碎带约在9 4 3 9 8 1 环，共计3 9 环；右线F4断层破碎带约在1 5 3 0 1 8 9 0 环，共计3 6 1 环，左线F4断层破碎带约在1 4 7 0 1 8 6 8 环，共计3 9 9 环。盾构段总平面图，如图1 所示。大青区间海域段位于胶州湾北部，地表水为海水。区间地下水赋存方式为第四系松散岩类孔隙潜水、风化基岩孔隙水和构造基岩裂隙水。F3基岩破碎带位于海域中东部，宽约9 0 m，断裂西侧为凝灰岩，断裂东侧为泥质粉砂岩及火山角砾岩，主要力学性质为左行压扭
5、性断裂。主要地层为火山角砾岩：1 1-2 强风化块状碎裂岩和1 1-2 中风化块状碎裂岩。F4基岩破碎带位于海域中部，宽约6 1 0 m，大致呈东北西南走向，与隧道成角近9 0，破碎处基岩面上覆厚层砂土，主要力学性质为左行压扭性断裂。主要地层为8-2 层砂土状碎裂凝灰岩、8-2 层块状碎裂凝灰岩、8-3 层中等风化凝灰岩（J L）碎裂岩和8-3 层微风化凝灰岩（JL）。114楚理PROJECTMANAGEMENT程技术交流建设6号联络通道7号联络通道9号联络通道海底对接段2号风井8号联络3号风井通道10号联络通道11号联络通道图1盾构段总平面图2施工前监理控制措施2.1工程风险分析在海域段盾构
6、掘进通过两条断裂带时，存在掌子面失稳塌陷塌、覆盖土层被击穿、三大密封系统破坏或失效而造成涌水涌砂等重大风险，为确保本工程本质安全，监理应加强盾构机改造监控。2.2盾构机改造监理控制措施盾构机改造前，监理督促施工单位落实并参与盾构机选型及盾构机改造方案专家论证会，过程中严格监控专家及监理意见落实到位并全过程监督检查盾构机改造工作，改造完成后组织盾构机专家验收。2.2.1盾构主机及刀盘改造监理措施由于本工程管片规格与原盾构机应用工程相比变化较大，监理根据以往工程经验，结合本工程地质特点并落实专家意见，对盾构机配置提出要求。监理监控盾构机改造主要内容如下：（1）由于隧道尺寸及掘进阻力变大，开挖直径扩
7、径至7 0 2 0 mm，液压主驱动功率增达9 4 5 kW，最大扭矩6648KNm，脱困扭矩8 0 9 4 KNm，最大推力5 0 6 0 t，最大掘进速度6 0 mm/min;(2）由于隧道地质复杂、围岩差异较大，刀盘采用复合式刀盘，刀盘开口率3 5%，6 主梁十6 副梁，配置中心双刃滚刀、单刃滚刀、焊接撕裂刀及刮刀等，无刀处采用耐磨复合钢板覆盖，共设5 个磨损检测装置。2.2.2三大密封系统改造监理措施因本工程隧道最大水土压力达6.8 bar，密封系统本质安全尤为重要。原主驱动承压能力为6 bar，不能满足要求，故对主驱动外密封进行更换升级，升级后主驱动密封承压能力达到1 0.5 bar
8、；铰接密封采用两道气囊+橡胶组合式密封，且第一道铰接密封可进行调节及洞内更换；盾尾增加一道盾尾刷，成四道盾尾刷密封系统，最后一道尾刷采用特制的弹簧板，能有效防止砂浆进入尾刷内部。2.2.3泥浆循环及冲刷系统改造监理措施（1）泥浆门采用前置式：在泥水仓的压力下，门板处于压紧状态，在泥浆门内设置行程传感器可实时掌握泥浆门开合状态，因此泥浆门处增设开、合保护机械装置。（2）渣土堵仓滞排冲刷系统改造措施：依据工程经验并结合本工程实际，为解决渣土堵仓滞排问题，监理要求设置破碎机冲刷、格栅前部及内部冲刷、泥浆门前后冲刷等多道冲刷；盾构机还具备逆冲洗模式和主机段小循环模式功能。（3）防结泥饼冲刷系统改造措施
9、：依据工程经验并结合本工程实际，为有效解决结泥饼问题，设置多方位、多角度防泥饼冲刷系统。刀盘外环冲刷，要求配置较高水压力，以便冲刷水有足够的速度或动能对开口泥饼进行冲刷；中心冲刷，采用大功率的泥浆泵从进浆系统中获得浆液增压7bar、流量2 0 0 m3/h，通过3 个旋转中心喷孔分别对3 组中心刀背部进行冲刷；刀盘牛腿冲刷，利用泥水仓进浆口对牛腿方向冲刷。3斤盾构机穿越破碎带掘进监理控制要点及措施盾构穿越两条断裂带掘进前，监理组织各参建单位、专家及青岛市质安监督站参加关键节点条件验收会，严格监控专项施工方案及专家验收意见落实到位并全过程监督检查。115PROJECTMANAGEMENT理工程技
10、术交流建设3.1开挖土量监理控制措施泥水平衡盾构在开挖推进过程中，掌子面的泥膜处于形成一破坏形成的循环中。因掌子面综合因素不断变化，随时调整掘进参数，则开挖面泥水平衡是相对的；为确保掌子面稳定，须严格控制每环开挖量、出渣量，严禁严重超挖或欠挖情况出现。监理每班现场抽查估算2 3 环出渣量，对比理论出渣量，发现异常则及时下达指令调整掘进参数，同时监控检测泥浆各项指标，确保泥浆携泥砂能力及循环系统处于良好状态。3.2泥水压力监理控制措施掌子面泥水平衡是动态的，盾构在穿越破碎带掘进时，盾构机处于推进或停机状态，因此需要进行切口压力动态管理，防止波动过大，保证掌子面稳定的同时不击穿覆土层。根据国内类似
11、过江、过海地铁隧道监理经验，动态控制切口泥水压力【切口压力=水土压力十附加压力(1020kPa）】。本工程受潮起潮落影响，海面水位及地下水发生变化，切口压力有明显波动，因此过程中要实时监测海面水位变化。监理要求：水位变化每超过土1 0 cm即立刻报告监控室及中控室，及时调整修正切口压力设定值；过程中严格控制泥浆循环系统，确保其循环状态良好，以保持压力相对稳定，压力波动控制在土5 kPa范围内，同时避免长时间清洗土舱和长时间停机。3.3盾构姿态监理控制措施地层变化、导向系统产生测量错误、人工测量频率不足及盾构机在变坡段掘进等因素会导致盾体产生偏差，如果偏差超出规范要求范围，就会影响隧道验收，因此
12、须对盾构姿态高度重视、严格控制，最大偏差值控制在土5 0 mm之内。在施工过程中产生偏差难以杜绝，且盾构纠偏难度较大，纠偏不当会造成管片错台、破损及渗漏水等质量问题，因此盾构姿态偏差控制要秉持原则，即要做到早发现早纠、少纠勤纠、有计划有步骤纠偏。监理要求及措施如下：（1）各组千斤顶推力均衡，且避免千斤顶行程过大；(2）在推进过程中实时密切关注滚动角的变化，根据盾构机的滚动角数值变化及时调整刀盘的转动方向；(3）严格管控管片拼装质量；(4)根据泥岩地层情况，对各项掘进参数进行调整；（5）增加人工复站次数，复站前后盾构姿态偏差不得超过1 5 mm;(6）纠偏过程中进行旁站，严格监控盾构推进速度，合
13、理放慢推进速度，并且要避免因单侧千斤顶受力过大而造成管片破损，同时要密切关注盾尾与管片的间隙是否均匀；（7）当隧道偏离设计轴线较大时，要2 4 h跟踪监控，严禁猛纠猛调，否则会出现纠偏过大或盾尾与管片摩擦加剧的现象，致使管片破裂；（8）严格控制同步注浆量及其质量，确保管片背后有效填充。3.4同步注浆、二次注浆及防水分区环箍注浆监理控制措施3.4.1同步注浆监理控制措施在盾构推进过程中，同步注浆与掘进同步进行。同步注浆填充环形空隙，有利于周围地层变化、隧道变形、结构稳定、盾构掘进方向及偏差等控制；有利于保护管片；增强隧道结构外防水等重要作用。同步注浆是至关重要的一道工序，因此同步注浆质量控制是监
14、理工作重点之一。同步注浆主要通过注浆压力和注浆量两个指标进行控制。本工程穿越破碎带同步注浆采用的基本配合比，如表1所示。穿越过程中，根据地层变化、地下水、周边环境等，现场试验优化调整。表1 1 m同步注浆材料基本配合比单位:kg/m3水泥粉煤灰膨润土砂水外加剂18027070840410按需要根据试验加入同步注浆压力控制措施：同步注浆压力应大于静止水压与土压力之和，做到有效填充的同时又不出现劈裂现象。如果压力过大，可能会造成同步注浆扰动周围土层，致使后期地层及隧道沉降，且易造成跑浆；如果注浆压力过小，注浆量小，则填充效果不理想，同时也会出现不良后果。监理要求同步注浆压力控制在静止水土压力之和的
15、1.1 1.2倍之间。同步注浆量控制措施：根据理论计算，本工程隧道管片与围岩间空隙体积为5.1 7 m3/环，而本工程在穿越断裂带时周围均为围岩等级较高的地层，要想达到较好的填充效果，在岩层掘进过程中要确保注浆量控制在理论注浆量的1.11.2倍之间，即5.6 9 6.2 0 m/环范围内。监理控制注浆量和注浆压力是两个指标结合进行。监理在过程中每班不定期随机抽查2 3 环注浆量情况，同时检查注浆压力是否在控制范围内，当两者出现矛盾时，以注浆压力为主控指标，即如果压力增大显著，现场监理则及时要求施工人员暂时停止注浆，以防击穿地层。3.4.2二次补强注浆监理控制措施为避免管片与围岩间的空隙同步注浆
16、填充不密实，或浆液体积收缩或跑浆较多，致使隧道变形或管片出现渗漏等116.理PROJECTMANAGEMENT建设工程技术交流情况，需要进行二次注浆，浆液采用水泥-水玻璃双液浆。二次注浆控制以注浆压力为主控指标，注浆量为辅助控制指标。本工程二次注浆压力控制在0.3 0.6 MPa范围内，二次注浆现场监理进行旁站监督。3.4.3防水分区环箍注浆监理控制措施本工程泥水盾构区间海底埋深2 6.4 9 5 1.0 0 m，高差较大，如果管片外侧上下游水力联系，形成水压差较大，会使管片结构稳定、渗漏水及盾构密封系统存在潜在风险。为解决该问题，监理要求施工单位进行防水分区环箍注浆，隧道每隔5 0 环管片进
17、行一段环箍注浆，每段为3 5 环管片背后进行止水环箍注浆。注浆采用水泥与水玻璃双液浆进行封堵，以达到成圈的止水环箍，防止环箍前后形成水力联系，实现防水分区目的，降低潜在风险。环箍封堵时根据泥水仓压力控制注浆压力，维持3 4 min。3.5防止管片上浮的监理控制措施整个泥水盾构段为下坡段施工，脱出盾尾后的管片受到地下水及同步注浆浆液的浮力作用，会有向上挠曲的现象。为防止管片上浮，监理采取如下监控措施：（1）合理增加同步注浆浆液中的水泥比重，缩短凝固时间，减小浮力；（2)仅使盾尾上部两个注浆孔进行注浆，下部两个注浆孔停止使用，避免下部浆液加剧上浮；（3）防水分区环箍注浆（同上），控制管片上浮。3.
18、6特殊情况下的盾构掘进监理控制措施3.6.1进浆管路堵塞监理控制措施在泥水盾构穿越破碎带掘进时，偶尔出现过一根或几根进浆冲刷管路不通畅的现象，解决该问题要秉持“早发现早处理”原则，在管路未彻底堵死之前采取大流量的旁通循环进行疏通。3.6.2渣土滞排监理控制措施泥水盾构穿越破碎带掘进过程中时常出现出渣不畅现象。为处理滞排问题，监理要求：首先及时转换至旁通模式，再转换至逆循环模式，逆循环时间应控制为2 3 min/次。3.6.3覆土层击穿措施开挖面失稳是造成覆土层击穿的主要因素之一。覆土层击穿后，失去压盖作用泥水仓压进一步击穿土体泥浆逃逸泥水仓压降低继续引起塌方一泥水仓堵塞排浆管路停止掘进。要恢复
19、正常掘进状态，必须重新维持开挖面的稳定，处理措施如下。(1)调整保压系统的压力设定值（水土压力+0.2 bar)，将气垫仓的液位控制在“0”值附近，停止掘进与泥水循环，观察液位的变化，根据液位的变化对开挖面的情况作出判断：若液位迅速上升，开挖面失稳相对严重，则将压力设定值继续调高，稳定开挖面；若液位迅速下降，压力设定值过高会造成气垫仓内的泥浆逃逸，则将压力设定值下调至一个合理的位置，以减缓泥浆的逃逸速度直至开挖面稳定。通过压力调整，开挖面稳定后，进入泥水循环模式，进行气垫仓循环，在稳定液位的同时，将仓内堆积的渣土携出。该过程伴随部分泥浆逃逸，需调整进浆泵和排浆泵的转速和抽送浆压力，以控制泥浆的
20、逃逸量。（2）先循环后掘进，循环完成后恢复掘进，同时关注出渣量和渣样，与击穿前的渣样进行对比，重新计算水土压力的理论设定值，恢复掘进3 5 环。循环状态平稳后，将保压系统压力设定值以0.2 bar为一个档位逐步调至经过校正的理论压力设定值，随后泥浆逃逸的现象会渐渐减弱，直至出渣正常，开挖面渐渐稳定。恢复掘进2 0 环后，对停机位置管片背部及时进行二次补充注浆。4结语本工程海底隧道泥水盾构段长约2.9 km，工期约1 7 个月，期间盾构穿越两条破碎带，事前监理对工程风险分析清晰，对关键部位改造要求明确、监督到位，组织专家进行盾构机改造后出厂验收；事中监理在盾构掘进过程中严格控制，对关键工序、关键措施及特殊问题处理方法等进行跟踪旁站到位，整个施工过程无任何质量安全事故发生且提前完成工程任务。通过本成功案例提醒其他类似工程参建者，工程风险控制要从本质安全抓起，事前分析风险、明确控制要点及措施，过程中对关键工序、关键措施严格控制落实，以确保工程安全顺利完成。收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 8作者简介：鲁梅，任职于上海地铁咨询监理科技有限公司。通信地址：上海市徐汇区宛平南路7 5 号2 号楼3 楼上海地铁咨询监理科技有限公司。
