钱七虎 盾构隧道开舱及维护技术

钱七虎

(1.解放军理工大学国防工程学院,江苏 南京210007;

2.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏 南京210007)

摘  要：盾构在复杂多变地质条件下掘进时，经常会出现刀盘刀具异常磨损、碎石机损坏、刀盘结泥饼等故障现象，此时需要及时进舱检查，并对故障现象进行处理，盾构开舱及维护技术已经成为确保越江隧道及城市地铁隧道等工程顺利施工的关键技术之一。但由于在高水压、高渗透性及复杂地质条件下进行盾构开舱作业具有高难度性和高风险性，处理不当往往会引起开挖面坍塌、地下水击穿等不良后果，更有甚者会造成人员伤亡或者整个隧道报废。盾构开舱及维护技术发展尚不成熟，本文从开舱检查、开舱维护方案制定及维护结果等方面，对南水北调中线穿黄隧道及南京长江纬七路隧道施工过程中所分别使用的常压开舱及带压开舱维护技术进行了详细分析论述，并对两种开舱维护技术的优缺点及使用条件进行了分析对比，以期为类似工程施工提供参考。

关键词：盾构；隧道施工；常压开舱；带压开舱；维护

1  引言

越江隧道一般都具有掘进距离长、地下水压大的特点，而且由于其穿越地层的地质条件及水文条件比较复杂，围岩条件变化多端。在这样复杂的施工环境条件下盾构经常会出现一些故障，像刀盘刀具异常磨损、碎石机故障等，这时需要对盾构进行开舱检查、更换部件、严重时要进行较大范围的维修，如南京长江纬七路隧道[1]、南京长江纬三路隧道[2]、西气东输穿越长江三江口隧道[3]、南水北调中线穿黄隧道[4]、广州狮子洋海底隧道[5]等工程施工过程中均进行了盾构开舱。同时，由于城市地下地质条件各异且复杂多变，国内在建的各种地下隧道工程也需要进行频繁的开舱检修作业，如成都地铁1号线[6]、广州市珠江新城盾构隧道、广州市轨道交通三号线盾构隧道[7]等工程施工过程中，都由于各种不同的原因出现了盾构掘进异常现象，而不得不停机进行开舱检查或检修设备。盾构隧道开舱及维护技术已逐步成为越江隧道施工的关键技术之一，且受到了越来越广泛的重视。由于盾构隧道开舱具有极大的工程风险，且该技术尚处于初期发展阶段，我们有必要对以往的盾构隧道开舱案例进行总结分析。

2  国内外研究现状分析

2.1  国内现状

目前，国内土压、泥水平衡盾构施工过程中，进行刀盘刀具检查维修的方法主要分为三种：（1）从地面向下开挖竖井到刀盘前方，从而实现对盾构刀具的检查和维修；（2）对前方土体进行加固后，在常压情况下进舱检查；（3）带压进舱对刀具进行检查和维修。国内各类典型工程盾构开舱维护作业情况，统计分析如下表1所示。

表1  国内典型盾构开舱作业情况对比

Table1  Comparison of chamber-entering operations in China

注：注浆封堵是指为了保证带压进舱时刀盘前方周围地层和土舱的气密性要求，利用盾构中体、前体上四周的润滑孔对盾构主机周围进行注浆封堵，同时，利用盾构上的加泥系统对开挖面进行注浆封堵。

2.2  国外现状

在国外，带压换刀技术已被广泛应用于土压、泥水平衡盾构施工过程中，且多采用气压换刀。同时，国外还出台了一系列盾构带压进舱作业标准，如澳大利亚国家标准、英国隧道工程协会标准，通过这些标准表明，国外目前最高能在0.6MPa的空气压力下进行开舱作业。国外各类典型工程盾构开舱维护作业情况如下表2所示。

表2  国外典型盾构开舱作业情况对比

Table2  Comparison of chamber-entering operations overseas

3  南水北调中线穿黄隧道盾构开舱实例分析

3.1  工程概况

穿黄隧道总长4250m，主要由3450m河隧道段与800m邙山斜洞构成，采用双洞布置，隧道间距28m，采用两台泥水平衡盾构自北向南推进。隧道的最大埋深35m，最小埋深23m，最高水压0.45MPa。穿黄隧道为圆形断面，内径7.0m、外径8.7m。外层为管片结构，内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，内外层由弹性防、排水垫层相隔。隧道穿越地层主要为冲积砂层、粉质壤土和砂砾石层、钙质结核层等。砂砾石含量普遍较高，一般为30-50%，钙质结核粒径2-8cm，最大可达15cm。河床枯水期水位一般在100-102m，河床底高98-100m。

3.2  盾构参数配置及针对性设计

3.2.1  刀盘刀具配置

盾构刀盘刀具基本配置参数如下表3所示：

表3  盾构刀盘刀具配置参数

Table3  Configuration and parameters of shield cutter-head and cutting tools

3.2.2  针对性设计

（1）刀具：为更好适应砾石地质状况，设计了大尺寸耐用刮刀，同时配备先行刀具以降低对刮刀的直接磨损；

（2）冲刷系统：为降低粘性地质条件下刀盘出现阻塞现象的风险，刀盘中心配置了冲刷系统；

（3）磨损检测装置：为便于及时发现刀具的磨损状态，特装配了磨损检测装置；

（4）格栅：根据泥水管路可以接受的碴土尺寸，来设计格栅的尺寸，以阻止大块渣土进入泥浆管路；

（5）盾尾：设计了专用于高工作压力的密封系统，包括4排钢丝刷和1道应急密封；

（6）泥水循环系统：为降低在刀盘中间区域、开挖舱和吸浆管附近出现堵塞和物料堆积的风险，特对泥水循环系统进行了优化设计。

3.3  开舱检查及结果分析

盾构于2007年7月8日顺利始发，截止2008年9月2日推进849环1360m。9月2日，驱动扭矩增大至6.5MNm，掘进速度降到3mm/min（如下图1），盾构无法正常掘进。同时从排出泥浆中发现滚刀刀圈、铲刀耐磨块、螺栓等部件，经过分析，决定停机进舱检查。

图1  停机前盾构推进速度和刀盘扭矩的变化关系

Fig.1  Relation between advance rate and cutter-head torque before stoppage

3.3.1  带压进舱检查

（1）将优质泥浆泵入开挖面，形成优质泥膜，保证开挖面稳定性；

（2）检查设备运行状态，并进行人闸舱、气垫舱、工作舱保压试验，确保各舱的气密性良好、无泄流现象；

（3）利用气压置换泥浆，降低泥浆液位，气压保持在0.3MPa；

（4）3名工作人员依次进入人闸舱、气垫舱、工作舱，最长可带压工作时间2.5小时。

从2008年9月18日至2009年9月25日，共进舱检查17次。检查结果为：16把边缘铲刀损坏严重；24把先行刀全部损坏；部分滚刀刀圈及转轴损坏、楔形块掉落、刀箱损坏；66把刮刀未受严重损坏，仅部分刀具耐磨块掉落；刀盘正面未遭破坏，部分刀具外缘钢结构损坏；卵砾石冲击引起刀刃硬质合金崩裂现象非常严重。

3.3.2  检查结果分析

（1）通过对排放渣土的检查分析、带压进舱检查刀盘刀具，发现有滚刀刀圈、铲刀耐磨块、螺栓的部件随泥浆排出，铲刀、滚刀、刮刀、先行刀及刀盘边缘均受到损坏。初步判断，滚刀、边缘铲刀已有部分损坏，刀盘刀具磨损非常严重，原因是刀盘刀具设计与地层不匹配。

（2）刀盘刀具外边缘非正常磨损（崩裂）加剧，刀盘刀具切削能力显著下降，外边缘基本无切削能力。通过对停机位置地质进行补充勘察发现，盾构所处壤土层含有很多钙质结核和卵石，即钙质结核和卵石造成了刀盘刀具的非正常磨损。

（3）刀盘上安装了3把正面标准刮刀，携带磨损检测预警装置，检测装置利用埋在刀体内部的导线，通过监测导线磨损时的电流变化，在常压下即可确定刀具的磨损高度。由于刮刀的布置均在刀盘面板正面半径外缘偏内，在正面刮刀没有大量磨损的情况下，不能检测出刮刀外侧的磨损，因此检测装置未能起到预警作用；

（4）由于海瑞克承诺盾构刀具的设计是完全满足长距离掘进要求，而无需短距离内更换刀具，这在一定程度上给工程单位造成了误导，在掘进过程中没有及时对刀具磨损情况进行检查，最终导致刀盘刀具的严重磨损。

3.4  常压开舱维护

3.4.1  常压开舱维护方案制定

保障开挖面稳定的办法大致可分为两类：常压下预先加固围岩、气压支护带压进舱。由于刀盘修复及改造需动火作业，而目前在高压下动火作业非常危险且不易操作，因此带压进舱作业具有较大的风险性。另一方面，盾构停机位置地表为黄河滩地，较为开阔，其上方覆土深度约为29m，在加固允许的范围内，且没有地表水，具备预先加固的条件；地面施工不会对周围的生活、生产造成影响。综合考虑以上情况，决定采用常压预先加固围岩的方法来保障开挖面的稳定（表4）。

表4  围岩加固方案对比

Table4  Comparison of rock reinforcement plans

经比较分析，决定采用三轴搅拌桩工法进行围岩加固，同时采用井点降水法来降低换刀区域的地下水位，以确保开挖面的稳定，具体为：①深层搅拌桩作防渗墙，加固围岩，以形成稳定的加固区和止水帷幕；②防渗墙内井点降水处理，以使得加固区水位降到开挖面以下；③经过土方开挖、喷射混凝土、锚杆施工、挂钢筋网、喷射混凝土等工序，形成持久稳定的开挖空间。开舱维修方案流程如下图2所示。

 图2  开舱维修方案流程示意图

Fig.2  Flow chart of chamber-entering maintenance

3.4.2  维护结果分析

刀盘刀具维护工作主要为：①刀盘焊接修复：先用钢板填补损坏部分，再焊刀座、耐磨条等，最后打磨；②刀盘刀具改造及更换：对先行刀、滚刀、铲刀、刮刀、中心刀进行改造，增加其耐磨强度，同时加强刀盘外缘保护。刀盘修复、改造及刀具更换情况如下表5-7所示。

表5  刀盘修复焊接情况

Table5  Welding repair of cutter-head

表6  刀盘改造情况

Table6  Cutter-head modification

表7  刀具更换情况

Table7  Cutting tool replacement

为了使修复后的刀盘刀具能更好地适应穿黄工程地质条件，特别是高含量的钙质结核层和砂、砾石层的掘进需求，以防止刀具受到严重磨损和冲击，决定对盾构刀具进行改造。主要是将先行刀改为贝壳刀和改进型先行刀，以增强刀体的耐磨性和抗冲击能力。修复前后盾构掘进参数对比如下图3所示。

图3  修复前后盾构扭矩及掘进速度对比曲线

Fig.3  Comparison curve of torque and advance rate before and after repairs

3.5  常压开舱维护技术总结

（1）开挖面的稳定是常压开舱成功的关键，而搅拌桩止水帷幕的渗透性、盾构上方围岩的加固强度、加固区的降水、刀盘前方土体开挖后的支护效果又决定着开挖面的稳定；

（2）止水帷幕渗透性太强、不能有效地止水，或加固区降水速率太小、不及时，都可能导致开挖面涌水和开挖面坍塌；

（3）在设计搅拌桩方案时，一定要考虑搅拌桩的位置、深度与盾构及成型隧道之间的关系；施工时，要控制好搅拌桩的垂直度，防止搅拌桩钻头对盾构和成型隧道的破坏；

（4）刀盘前方土体支护时，锚杆强度不足、打入深度不够、喷射混凝土养护时间太短，都会直接影响常压开舱作业时开挖面的稳定。

4  南京长江纬七路隧道盾构开舱实例分析

4.1  工程概况

南京长江纬七路隧道总长3905m，其中盾构段3105.06m，盾构开挖直径14.96m。盾构穿越主要地层为淤泥质粉质粘土、粉细砂、砾砂和圆砾、卵石混合层段。地质难点为：

（1）地层上软下硬、地质条件恶劣。砾砂和圆砾、卵石地层石英含量高达70%以上，同时含有大粒径石块，易导致刀具磨损严重或压力舱阻塞等事故，施工风险高。

（2）工作水压高。相对于荷兰格林哈特隧道的水压0.55MPa、长江上海和武汉隧道的水压0.5MPa～0.55MPa，该隧道穿越地层的水压最高达到了0.65MPa。

（3）地层透水性强。上海地层渗透系数为10-7cm/s，南京砾砂地层渗透系数高达10-2cm/s。强透水地层，地下水与地表江水是连通的，这对开挖面上形成泥膜非常不利。

4.2  盾构基本参数及特点

4.2.1  基本配置参数

盾构刀盘采用中心支撑辐条面板式，共有6个辐条，辐条内可更换部分刀具。刀具配置情况为：118把刮刀，其中：71把可常压更换刮刀，12把边缘铲刀，16把先行刀，2把仿形刀（行程0mm~40mm），并对其中的6把刮刀和2把铲刀进行磨损检测。

4.2.2  特点分析

（1）常压换刀装置。针对南京长江隧道地层具有上软下硬、软硬不均，对刀具磨损严重的特点，该机具备独创性的常压更换刀具的设计。左线盾构不开舱顺利通过复合地层，而没有对刀盘造成损伤。南京长江隧道施工中总计常压换刀数量超过700把，提高了工程进度，这是世界上首例泥水盾构成功实现常压下更换刀具的实例。

（2）功能强大的碎石机。隧道穿越的地层中，钙质泥岩可能会大块剥落或有较大石块存在，南京长江隧道的两台盾构配备了足够强大的碎石机。它将大块的泥岩和石块破碎成了泥水管路所能允许的大小，消除了开挖舱底部堆积、泥水管路频繁堵塞的可能。

（3）冲刷系统。盾构具有中心冲刷功能，能以10bar压力由刀盘中心沿主辅臂之间的空隙用泥水进行冲刷，可以防止刀盘在钙质泥岩和淤泥质粉质粘土中结饼。

（4）参数自动记录系统。盾构配备的参数自动记录系统为分析盾构故障和地质情况提供了完善的数据支持。

（5）刮刀和铲刀的磨损预警系统。在南京长江隧道使用的盾构中，有6把刮刀、2把铲刀安装了刀具磨损监测预警装置，来监测刮刀和铲刀的磨损情况。这些刀具里预埋了线圈，线圈的开闭表明了刀具的磨损情况。信号通过传感器传递到刀具支座上。一个双线圈的系统从刀座连接到刀盘后部，一个诊断器给这个系统提供电源并测量感应线圈的电流，然后通过一个显示装置直接看到监测结果。

（6）刀盘表面磨损预警系统。在刀盘上有一层焊接保护板，一根液压管藏于其中。从舱板后面监测液压管的压力即可知道刀盘磨损情况。

4.3  开舱检查结果分析

盾构停机前盾构掘进参数出现了一些异常变化，具体如下表8所示。

表8  掘进参数异常变化情况

Table8  Anomalies of excavation parameter

本盾构刀盘为中心支撑辐条面板式刀盘，6个辐条，共配置118把刮刀，其中71把可常压更换刮刀。经检查，各辐条最外侧刀具均磨损极其严重，刀刃和刀体磨损过半，同时还存在严重的崩齿现象。最为严重的38#刀，刀体仅剩下10cm高的楔形体。具体分析如下：

（1）对排放渣土检查分析，发现渣土中存在异物（巨粒土和较大块的古木以及20cm以上的卵石），说明刀盘扭矩增大可能与该异物有关。通过对刀具磨损进行理论计算和实际分析得出，最大磨损应该为26#刀，而非周边刀、异物刚度非常大，异物为金属的可能性较大。

（2）首先常压检查了6辐条的38#，32#，20#，及26#刮刀，而后依次检查5辐条、4辐条和1辐条，发现刀具磨损状况非常严重。几乎所有刀具均有刀刃崩裂现象，且以完全崩落为主，结合已有刀具设计经验，当前刀具合金截面尺寸偏小，导致刀刃异常薄弱，容易崩裂。刀刃完全崩落（留下刀槽）现象非常严重，表明刀刃的钎焊工艺可能存在问题，或刀槽设计深度过浅。

（3）目前刀刃选材很可能不适应上软下硬的粉细砂与砾砂的复合地层：中间刀具磨损也非常严重，与经验磨损系数相比几乎均在4倍以上，结合左线刀具磨损正常情况可判断，目前刀刃选材很可能不适合砾砂地层。

（4）先行刀数量过少，硬质合金布置不合理，导致先行刀磨损过快，不能对刮刀起有效保护作用。

（5）固定刮刀前角28°过大，直接影响切削效果，加剧磨损，由于固定刀为主要切削刀，所以其前角设计不当直接加剧了整盘刀具的磨损。

（6）由于过于信赖刀盘刀具磨损预警系统，知道盾构无法掘进而停机检修时都没有收到预警信息，没有及时进行检查、发现问题，这也是导致刀具磨损的一个重要原因。

4.4  带压开舱维护及结果分析

2008年9月和10月两次专家会论证了方案，决定采用“先以优质泥浆支护开挖面，使其在开挖面上形成优质的泥膜，然后以气压置换泥浆压力，带压开舱”的带压开舱方案，派遣专业水平的潜水员进行盾构的开舱修复作业。该工法中工作人员必须在承受一定压力的情况下在规定的时间内进开挖舱（工作舱）检查刀具刀盘、更换刀具，检查水平传感器，检查开挖前方是否有巨石或其他异物，并破除或清除它们。

4.4.1  调整开舱泥浆

由于盾构已经进入透水性强，且水压力大的砾砂地层，采用的是密度、粘度都较大的聚合物泥浆，但是聚合物泥浆在长时间停机时不够稳定，泥浆容易出现老化等质量变差的现象，并会进一步影响到泥浆成膜的质量。因此，在开舱时采用稳定性好的膨润土泥浆。在开挖前分两步调整开舱泥浆：

（1）增加地层的粘聚力。在保证泥浆可以形成泥膜的前提下，先在压力舱中以密度比较小、粘度较低的纯膨润土泥浆，使其在开挖面地层中渗透一定距离，形成含有渗透带的泥膜；

（2）减少泥浆损失，提高有效泥浆压力。在压力舱泥浆已经形成渗透带的基础上，再提高泥浆的粘度和密度，再使其在开挖面上形成致密的泥皮型泥膜。

4.4.2  确保开挖面稳定

带压进舱作业的关键在于保持土舱内气压的稳定，如果泥膜气密性不好，发生漏气会导致气压突然变化，地下水渗入，同时带入大量的流沙，导致开挖面失稳坍塌，就会危及到舱内施工人员的生命安全。因此，在施工人员进舱工作前，为了确保带压进舱期间气压稳定，必须先检验压力舱的气密性。泥浆成膜试验和泥膜的气密性试验是关键，后者与施工单位关系极大。保障开挖面稳定的一般步骤：

（1）分析工程地质条件；

（2）根据工程地质条件进行开挖面稳定计算，得到泥浆压力与水压力、土压力等地层参数之间的关系；

（3）根据泥浆与地层参数之间的关系，计算出泥浆支护开挖面稳定的安全系数，从而得出泥浆压力与气压的设定值范围；

（4）进行泥浆调整及气压置换泥浆压力，支护开挖面稳定。

结合人员在压力舱的工作位置、泥浆参数及分布情况，可以计算出最小气压设定值为0.46MPa，小于进舱人员能够承受的最大压力0.57MPa，因此从理论上既保证了开挖面的稳定，也保障了进舱人员的安全。

4.4.3  开舱前的准备

（1）选择潜水人员。通过对比，最终选择了北海国际潜水有限公司的潜水员；

（2）准备潜水设备。由北海潜水公司提供；

（3）对进舱人员进行安全指导，并制定相关保障措施；

（4）准备开舱工具、设备等。

4.4.4  带压开舱维护

根据预期设定的刀盘修复、设计刀盘修复流程，对刀具进行更换和修复。开舱修复后的盾构掘进情况如下图4所示。

图4  开舱前后盾构推进速度与刀盘扭矩曲线对比

Fig.4  Comparison curve of advance rate and cutter-head torque before and after entering the chamber

5  结论

与带压进舱相比较，预先加固——常压开舱首先必须具备一定的施工条件，地表要有足够的空间用于施工操作。比如，过江隧道、海底隧道就不宜采用这种预先加固的方法，还有一些城市地铁隧道，由于地表有建筑物、道路等重要设施，也没有足够的空间进行预先加固。但是相对带压进舱而言，常压开舱的安全性好。避免了升压、降压过程中对施工人员的健康造成不良影响；同时，常压环境下焊接安全性好、施工方便、难度低、修复精度高。在盾构施工过程中，要在综合考虑各种相关因素的基础上，来选择开舱方法。

参考文献

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钱七虎院士简介：

1937年生，中国工程院院士，盾构及掘进技术国家重点实验室学术委员会主任，中国著名的防护工程专家、军事工程专家、教育家。在国内首次应用动力有限元法对防护门进行应力分析。在国内提出将运筹学应用于防护工程的破坏概率确定、抗力论证及方案比较，开创了我国国防与人防工程的软科学研究。建立了我国三自由度土中结构相互作用计算理论及防护结构概率设计理论。主持实施了世界最大药量的多层多列条形装药峒室大爆破工程——珠海炮台山大爆破。主持了“21世纪中国城市地下空间发展战略及对策”的国家咨询课题研究。国际岩石力学学会原副主席、国际城市地下空间联合研究中心亚洲区主任；中国岩石力学与工程学会理事长、中国土木工程学会常务理事、防护工程分会理事长。

节选自《盾构与掘进》第3卷 第2期

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