国内盾构开舱技术现状与风险管控

盾构在长距离掘进后,由于隧道地质的复杂性和工程的特殊性,不可避免地发生刀具磨损和刀盘损坏等现象,此时必须停机进行开舱检修,因此对盾构开舱技术以及刀盘、刀具的修复技术进行研究和总结至关重要。针对盾构开舱以及刀盘、刀具修复难题,通过实践经验对国内盾构开舱技术现状、开舱的目的和风险进行总结; 并以南京扬子江隧道饱和带压换刀作业和地铁盾构开舱为例,分别从两大盾构类型（泥水盾构和土压盾构）对常压开舱和带压开舱技术以及盾构开舱的辅助措施进行分析,详细介绍常压开舱和带压开舱的适用范围、开舱条件、工作原理、作业流程以及开舱的关键技术等。最后,分别以某地铁盾构隧道和南京扬子江隧道的动火修复作业为例,对常压和高压状态下的刀盘动火修复技术进行详细介绍。经过实践总结与分析可知： 1）目前国内关于盾构开舱高压下作业的培训及认证体系还不完善,专业队伍比较缺乏,安全生产许可证和业绩评定体系尚不够健全,带压换刀作业手册和管理尚不规范成熟,盾构动火作业的安全形势依然很严峻; 2）盾构开舱风险较大,因此应严格加强盾构开舱的风险防范,并应根据具体施工情况尽量做到主动开舱,避免被动开舱; 3）目前虽然已成功地在某些工程完成了盾构开舱及刀盘、刀具修复作业,但盾构开舱技术的相关管理体系亟需构建,新技术的开发异常紧迫,因此加强技术交流、加快新技术的研发是一项长期的工作。     

并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。     

高水压大直径盾构隧道刀盘配置与刀具更换关键技术

为系统总结大直径水下盾构刀盘配置与刀具更换先进技术，结合典型的水下大直径盾构隧道施工案例，分析不同地层刀具切削机制，阐述不同高水压复杂地层大直径盾构刀具配置技术。针对江底高水压、强透水、不稳定等特点，介绍常压刀盘刀具更换和带压开舱技术等。最后，提出在建及拟建的大直径盾构隧道工程中需要深入研究及探索的技术难题。     

泥水盾构带压开舱时泥浆配制及泥膜形成实验研究

在水下盾构隧道的建设中难免会出现盾构停机进行开舱检修的情况,带压开舱是目前水下隧道开舱常用的方法之一。然而,如何调整泥浆使其在开挖面上形成泥膜对开挖面稳定更有利,是工程界极为关注的问题。结合南京长江隧道工程在砾砂地层中的带压开舱作业,开展泥浆配制及成膜实验研究。提出先以低密度、低黏度的泥浆形成渗透带,再以较高密度、高黏度的泥浆形成泥皮型泥膜的2步调整的泥浆方案,并在现场带压开舱作业中进行了应用,形成了气密性良好的泥膜,保障了开挖面的稳定,对今后类似的泥水盾构开舱时的泥浆配制有重要参考意义。     

超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用

对于复杂地质条件下的盾构掘进,刀具更换往往不可避免。由于地质的复杂性、多变性和周边条件的局限性,常常无法实施盾构周边土体加固常压进舱换刀。带压进舱换刀技术以无需地层加固、地质适应性强、对周边环境要求低和影响小等特点,解决了苛刻条件下的换刀难题。为了能实现强渗透地层气压状态下开挖面稳定,采用室内试验对进舱泥膜的气密性进行了研究,研究结果表明： 进舱泥膜不仅要在开挖面形成一层致密的不透气泥皮型泥膜,还需在地层中形成均匀的透渗带泥膜,方能达到最佳的闭气效果。基于研究成果,南京纬三路过江通道N线工程实现了泥水盾构开挖面大面积气压支护进舱作业,并采用压缩空气作业与饱合潜水作业完成了盾构刀盘的维修和刀具的检查与更换。     

压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术

针对目前大直径盾构在水文地质条件复杂、江河湖海底部等不利环境下,排除盾构故障、清理障碍开舱方法的缺陷,提出盾构压气条件下饱和法开舱作业技术。先根据地质勘查报告了解本次盾构停机区域的地质情况,再在介绍饱和法开舱作业原理的基础上介绍掌子面压力计算、闭气泥膜的形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等。通过工程实际应用可以得出:饱和法开舱作业可成功处理施工中遇到无法采用常规方式进行的停机检查或刀具更换等作业的施工难题,提高盾构对复杂地层的适应性,并拓宽盾构的应用范畴。     

富水砂卵石地层盾构隧道长距离穿越机场飞行区技术研究

为确保国内首次在富水砂卵石地层长距离下穿机场飞行区，以及成都地区首次采用冻结法实施联络通道的隧道工程顺利实施，通过工程类比、专家论证、优化设计、数值计算与现场监测数据分析相结合等手段，提出长距离隧道整体工程筹划优化设计、盾构配置优化、克泥效工法、陆地声呐法空洞探测、联络通道预注浆与冻结法复合截水等一系列组合技术措施。实践结果表明： 1）采用盾构工法，优化线路平、纵断面设计，增设中间风井以大幅减少盾构单次掘进距离至1 km左右，并辅以严格的沉降控制组合措施等，可以成功解决富水砂卵石地层长距离下穿机场飞行区的重大技术难题； 2）本工程提出的先在洞内使用双液浆注浆预堵水，再采用冻结法加固的复合截水方案，在富水砂卵石地层可以达到良好的截水效果。     

富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营隧道加固方案研究

以长沙地铁4号线溁湾镇站-湖南师大站区间在富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营2号线区间为工程背景,采用Midas/GTS岩土有限元分析软件,对比分析了地层不加固、超前管棚加固、地表注浆加固、运营隧道内加内箍支撑及MJS工法加固等多种方案对既有运营隧道的影响。由于水文地质条件的复杂性、施工过程的不确定性、砂卵石层容易受到扰动、既有运营隧道对变形要求极高等特点,综合比选后采用盾构施工前MJS工法加固措施,确保盾构施工及运营线路安全。研究结果及现场施工表明,在富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营隧道,采用MJS工法加固措施是极为必要且合理可行的。     

大断面矩形盾构开舱处理障碍物技术

为解决矩形盾构掘进过程中不明地下障碍物导致的刀具脱落、螺旋输送机阻塞、刀盘卡顿及刀盘无法启动等问题,对大断面矩形盾构开舱处理障碍物的施工技术进行总结。主要结论如下:1)带压进入土舱查明掌子面稳定情况后,常压开舱成功移除导致刀盘无法启动的孤石以及土舱内废弃的铁管;2)浅埋矩形盾构施工前,尽量在盾构到达前清除隧道范围内的障碍物,以避免后期处理的重大工程风险与经济损失;3)盾构掘进前,应充分考虑掘进过程中可能遇到地下障碍物的风险及应对措施,尽可能地配置满足条件的进舱带压作业班组,并准备相应的带压进舱设备等。     

衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果研究

为研究衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果,通过室内试验及理论计算的方法对衡盾泥的泥膜气密性进行分析。结果表明： 1）3 d龄期的衡盾泥泥膜中自由水所占比例约为10％; 2）在0.292 MPa压力下,改良黏土浆体泥水质量比为1∶2、塑化剂掺入质量比为1/20、成膜龄期为3 d的衡盾泥泥膜,仅1.7％的孔隙可能出现渗气; 3）衡盾泥泥膜渗气系数为10-8~10-7 cm3/s,换算到直径为6 m的隧道开挖断面上,泥膜的渗气量为2~3 m3/h,盾构开舱时配置的空压机完全满足补气条件。     

盾构隧道刀具更换技术综述

盾构穿越复杂水文地质地层时,常因刀盘刀具过量磨损而导致盾构被迫停机,这已成为困扰盾构施工的重要难题之一,进行刀具更换是目前解决这一难题,恢复盾构掘进的主要方法。然而,工程界尚未形成系统的盾构换刀技术体系。针对这一问题,在对已有技术研究理解和总结的基础上,阐述了盾构刀具更换技术的内涵和主要分类,并结合典型盾构工程换刀作业实例和笔者所在课题组的研究成果,对加固地层-常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统的分析和总结。最后介绍了日本最新的刀具更换技术,并对中国盾构隧道刀具更换技术进行了展望。结果表明：地层加固-常压换刀技术和带压换刀技术都是在常规刀盘设计条件下形成的,其关键都是保障开挖面地层的稳定性;差别在于,前者是使加固开挖面地层达到自稳后,在常压条件下实施的,而后者则是通过泥浆渗透成膜等辅助工艺提高开挖面地层的闭气性后,在气压支护条件下实施的;对于基于常压可更换刀盘设计的换刀技术来说,开挖面地层的稳定性不需要重点考虑,盾构机特殊的中空刀盘辐臂和常压可更换刀具设计才是该技术的关键。     

液氮冻结二次加固在富水软弱地层小盾构接收中的应用与实测

为研究富水软弱地层盾构工程单独使用水泥土加固难以解决涌水涌砂的问题,以秦淮-滨南220 kV线路盾构隧道“K4”井盾构接收工程为背景,对已有化学加固的盾构端头采用液氮垂直局部冻结进行二次加固封水,提出盾构接收时冻结实测应满足的条件,进行冻结实测及温度发展规律分析。实测表明： 1）水化热影响下,冻结壁平均发展速度为81.9 mm/d,为正常液氮冻结速度的55%~68%,为常规盐水冻结速度的3.2倍; 2）液氮冻结的冻结壁平均温度为常规盐水冻结的3倍; 3）液氮冻结工期为常规盐水冻结的1/3~1/2; 4）维护冻结期间液氮消耗量为积极冻结期间的1/3便可维持冻结壁温度。利用液氮快速冻结进行二次加固封堵涌水能有效保证工期,避免事故的发生。     

盾构隧道小距离下穿既有建筑的土体加固技术

隧道穿越既有结构物的工程是隧道工程的一个关键环节。基于某盾构隧道工程小距离下穿既有建筑土体加固施工为工程实例,详细阐述了隧道小距离下穿居民楼土体加固方案设计与施工。施工实践表明,本文结合地层特点与施工工况针对性选用二重管无收缩双液注浆工法以扩散式倾斜钻杆回抽注浆法对隧道土体进行注浆加固处理达到了很好的加固效果,满足了盾构隧道施工要求与建筑沉降控制要求,值得为同类工程借鉴。     

盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

为解决盾构穿越孤石群地层的难题,对花岗岩风化孤石的形成机制及盾构穿越孤石群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行研究,并分析传统孤石处理方法在孤石群地层中运用的局限性。主要结论如下:1)盾构穿越孤石群施工应系统考虑孤石预处理、掘进和开舱换刀方案;2)采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破破碎后能降低盾构掘进风险,并且盾构通过期间须严格控制掘进参数;3)采用压密注浆改良刀盘周边地层,盾尾止水和舱内制作泥膜措施辅助带压进舱,能提高开舱成功率,解决刀具更换的问题。     

砂卵石地层盾构隧道刀具更换方案研究

砂卵石地层盾构隧道更换刀具技术始终是困扰工程的一大难题。通过对砂卵石地层盾构更换刀具时地层坍塌机理的研究,提出了采用AB液填充注浆的方式。工程实例表明,采用AB液新型注浆技术方案比较适合在该地层的换刀加固。     

复杂地层跨海隧道孤石及基岩凸起段处置措施

以厦门轨道交通2号线一期工程海沧大道站-东渡路站盾构区间为依托工程,探寻复杂地层跨海隧道中孤石及基岩凸起的处置措施。由于该区间水文地质条件特殊,地勘准确性受限,施工中突发孤石及基岩凸起情况繁多,对地质补勘、海底摸探、浓浆制作泥膜、海上注浆加固及衡盾泥填仓保压等多种处置措施进行研究。研究结果表明,以上处置措施的综合实施可以妥善解决复杂地层跨海隧道的孤石问题,对类似工程具有指导意义。     

联络通道坍塌后地层加固方案探讨

广州地铁某盾构区间联络通道在开挖过程中发生塌方,为尽快把塌方后回填的松散地层及开挖轮廓线外一定范围内的地层进行加固止水,先后选择了地面深孔袖阀管注浆、地面三重管高压旋喷桩、洞内WSS工法注浆3种地层加固方案,并采取了左线盾构隧道两端封堵及向隧道内灌水的措施,最终使加固后的地层强度和渗透系数达到了设计要求,为联络通道开挖提供了条件。     

盾构隧道端头杯型冻结壁加固温度场数值分析

当采用杯型水平冻结工法作为盾构隧道端头地层加固方式时,确定冻结加固所需范围及加固工艺、掌握冻结帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。结合南京地铁2号线逸仙桥站西端头盾构始发工程,对杯型冻结壁加固温度场发展与分布规律进行了研究。数值模拟结果表明:在设计冻结方案下,杯型冻结帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到晚依次为外圈管中圈管内圈管,形成闭合的杯型冻结帷幕的时间为15天。     

软流塑地层盾构穿越夹岗过街涵群桩处理关键技术

南京地铁三号线大明路站-明发广场站盾构区间穿越软流塑地层中的箱涵及其群桩基础,为确保盾构顺利穿越,文章介绍了4种群桩处理技术方案： 方案1（拔桩、钢筋混凝土框架结构箱涵恢复、盾构正常掘进方案）、方案2（拔桩、桩基托换、恢复盖梁箱涵、盾构正常掘进方案）、方案3（矿山法隧道托换、盾构过站方案）和方案4（钢筋混凝土框架结构箱涵托换、矿山法隧道内截除桩基、隧道回填后盾构掘进方案）,通过对方案进行对比分析,最终选择了方案4。然后介绍了软流塑地层矿山法隧道施工关键技术和盾构过矿山法隧道关键技术。通过对施工监测的数据进行分析,发现通过采取基底加固后箱涵托换、劈裂注浆加固地层后CRD工法施工矿山法隧道、矿山法隧道内桩基截除、盾构通过回填后的矿山法隧道等关键技术措施,确保了盾构顺利穿越过街涵群桩。     

砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析

隧道沿线溶洞的加固处理是岩溶地层中盾构隧道施工的关键。以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景,论述砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工面临的主要工程地质风险;由溶洞处理流程入手,从溶洞处理判断标准、注浆填充方案、注浆材料选择以及注浆加固效果检验等方面详细介绍盾构隧道施工中通过地面注浆加固进行溶洞处理。同时,对监测区间内溶洞注浆加固效果以及隧道掘进引起的地面、房屋沉降情况进行监测分析。研究结果表明： 溶洞注浆加固效果良好,隧道掘进造成的地面房屋沉降变化平稳,地面注浆加固处理在砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工中具备一定的工程适用性。