狮子洋隧道盾构施工技术

狮子洋隧道盾构施工技术

1工程相关简介

1.1 工程概况

狮子洋隧道广深港铁路客运专线的控制性工程，工程位于珠江入海口、虎门大桥上游，处于线路东涌站～虎门站之间，下穿珠江主航道——狮子洋水道，隧道工程全长10.8km，设计时速350公里，是我国首座水下铁路隧道，同时也是目前国内水深最深、长度最长、标准最高的水下盾构隧道，被誉为“中国铁路的世纪隧道”。

狮子洋隧道分为进口（SDⅡ标）、出口（SDⅢ标）两个标段，盾构隧道投入四台直径Φ11.18m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。我中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口标段（SDⅢ标）的施工任务，合同总价11.88亿元。

SDⅢ标段工程包括引道敞开段180m，明挖暗埋段长597m，工作井长23m，明挖工程总长800m；盾构段左线长4450m，右线长4750m；另外，还包含敞开段雨棚、设备用房、11处联络通道和泵房等附属工程。左线正线长度 5.25km，右线正线长度5.55km。

盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。管片内径9.8m、外径10.8m、管片厚度500mm、管片环宽2.0m，楔形量为24mm。盾构隧道以管片自防水为主，接缝采用两道弹性密封止水条防水。

隧道最大纵坡20‰，最小纵坡3‰。盾构隧道最大覆土52.3m，最小覆土7.8m；狮子洋水道最大水深26.4m，水深最大处的隧道覆土26.0m。隧道轨面最低点标高为-60.988m，与百年一遇高潮位的高差约64.2m。

盾构隧道大部分处于微风化泥质粉砂岩、砂岩和砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均底层，并通过多处断裂带和风化深槽；穿越基岩的最大单轴抗压强度为82.8MPa，渗透系数达6.4×10-4m/s，石英含量最高达55.2%，岩石地层的黏粉粒（≤75μm）含量达55.3%。地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，且具承压性，本标段隧道最大水压为0.67MPa。

本标段工程有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点。同时，本工程存在明挖基坑地层软弱、长距离盾构掘进及刀具管理、高水压带压作业以及江底地中盾构对接与拆解等重难点。

1.2 盾构设备

本工程盾构设备是用于狮子洋隧道的专用复合式泥水盾构，盾构刀盘开挖最大直径11.18m ，盾构主机加后配套全长71m ，盾构主机长12.43m ，总重约1300t ；刀盘直径为11.182米，刀盘开口率31%，重约（含刀具）170t 。刀具配置：45把单刃正滚刀＋5把单刃边滚刀＋10把中心刀（49、50号刀具在一个轨迹上），共60个刃，正滚刀轨迹间距为100mm ，边滚刀轨迹间距从95mm ～

38mm 逐渐减小；另外，还装配了278把切刀、16把刮刀及40把边缘保护刀。

1.3 泥水处理厂

泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，并通过泥水循环来携带碴土，达到出碴掘进的目的。现场建造了配套的泥水处理厂，占地面积约10000m 2，泥浆处理能力为3000m 3/h ，为每台盾构机配备一套1500m 3/h 的泥水处理设备，整个泥水处理厂由泥浆制备系统和泥水分离系统两部分组成。

泥水处理主要分为三步进行分离。分离出的碴土可直接外运，过滤、沉淀后的泥浆经调整后可供盾构机循环使用。

1.4 管片厂

广深港客运专线SD Ⅲ标工程施工共需管片4600环，钢筋混凝土总立方量约为15万m 3。现场自建了日最高生产能力为12环管片的管片厂，共投入6套管片模具，厂房由2跨组成，长100m ，每跨宽24m ，分为钢筋加工和管片成型两个车间。

在管片车间北侧建有120m 3全自动混凝土拌合站一座，为管片生产提供高性能的图1 工程位置图

自拌混凝土。

为加快管片生产进度和保证管片养护质量，管片脱模前采用蒸汽养护，提高脱模强度，并在管片车间东侧建造四个800m2的水养池，满足管片水养14天的要求。

在厂房南侧有管片堆场约25000m2，堆场内地面全部硬化，管片在堆场内采用立放两层的堆放方式，外围增加堆场采用水平堆放方式。

整个管片生产区域规划有完备的运输道路，并配备了相应用途和能力的桥吊、门吊和叉车等，覆盖整个管片厂区，便于管片的生产、养护、堆放、转载和装卸等环节，各种配套设施满足日均生产9环管片的生产能力。

1.5 施工中的关键技术概要

狮子洋隧道的建设充满了曲折和艰辛，但有各级领导、专家的关心和支持，并通过项目上全体人员的攻关和努力，我们克服了许多的技术和管理困难，解决了一个又一个难题。业主又多次调整增加施工任务，左线掘进完成2600环（5200米），右线掘进完成2585环（5170米），每条线都比进口标段多掘进1公里，后面还同步开展了隧底填充、联络通道、嵌缝、二次衬砌和沟槽施工，基本做到了同步进行。目前已成功完成左右线隧道对接拆机工作。

在狮子洋盾构掘进的施工中，大多数管理、技术和施工人员都是第一次接触泥水盾构，而且是大直径泥水盾构掘进复合地层，大直径的泥水盾构与之前的小直径的、或土压平衡盾构在施工理念上有着本质的区别，施工中遇到了很多技术难题，主要包括：大直径泥水盾构始发与负环拼装、软弱地层盾构掘进与管片上浮、软硬不均高粘地层盾构掘进与带压进仓、富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆、岩层破碎带盾构掘进及“地中对接”技术研究等。

2大直径泥水盾构始发与负环拼装

盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志。

大直径泥水盾构施工在洞口始发阶段掘进出问题的概率很高。根据狮子洋隧道两台盾构的始发施工经验，盾构始发的关键技术总结如下：

2.1 本盾构始发的主要特点

①盾构隧道为大直径、高水压、特长水下隧道，盾构开挖直径大于10m；

②始发段地层软弱、地下水位高、水量大、渗透性强，洞顶覆土浅、不足一倍洞径；

③本次盾构组装采用250t履带吊抬吊方式进行盾构机的下井组装，组装方式新颖、快速。

④采用大直径的气压调节式泥水平衡工作面的复合式盾构施工，始发时，对洞门密封、反力架及始发台等相关设施的要求，特别是对洞门密封的防止突水冒浆和保持压力要求高。

2.2 始发盾构姿态设计与控制

始发姿态的设计是非常关键的工作，应进行认真的模拟、设计和专家论证来最终确定。具体始发设计见“图2 盾构始发纵剖面图”。

本次始发的始发段线路，平面处于半径为7000米的圆曲线和缓和曲线上，竖向处于坡度为20‰的下坡段，为了实现盾构整机始发，采用割线始发，即将洞门内12米曲线的弦线向盾构井内延长，以此割线做为始发的平面中线，始发坡度调整为10‰，并将始发洞门（预埋钢环）抬高50mm，即将盾构始发纵向轴线在10‰下坡的基础上整体抬高50mm。具体始发设计见“图2 盾构始发纵剖面图”。

根据狮子洋隧道始发姿态的设计与控制经验，需注意以下几点关键问题：

①严格通过计算、实验，保证始发台强度刚度设计满足盾构始发要求；

②始发台定位准确、稳固；

③曲线—割线始发姿态的设计；

④组装期检查复测始发台定位；

⑤做好盾构防旋转和防偏移措施；

⑥做好空推时始发控制；

⑦始发导轨的安装设计充分考虑刀盘及盾壳通过要求。

2.3 负环管片拼装

由于隧道管片最大块重量达13吨，故操作困难，安全风险高：①盾尾长度长，第

难度大；③设备刚调试好，无拼装经

验；④管片容易推偏，损坏尾刷等；

不能及时固定，是管片成环椭变。

狮子洋隧道负环拼装采取的措

施：

①第一环负环在拼装盾尾内下半

圆垫钢板支撑，上半圆管片、特别是

两块临接块时，要在盾尾盾壳上或反

图3 拼装完成负环管片照片

力架上焊接“L”型挂钩和吊耳，用“L”

型挂钩吊住管片，并用道链对管片进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶

块纵向推插到位后，拆去道链，割除“L”型挂钩和吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。

②第一环负环管片拼装成圆后，管片在后移过程中，要保证每组千斤顶同步推进。

其行程差小于50mm。第一环不要完全推出盾壳内的管片拼装垫台区域，只要保证第二

环负环管片能安装即可。提前计算出此时第一环负环管片端面距反力架的长度，在每

两块管片纵向接缝处、对应反力架位置，在反力架上焊接一根H200的“H”型钢（共

8根），长度与此长度一致，把第一环负环管片后推至此“H”型钢上。

③负环管片应采用错缝拼装。在第一环负环管片与“H”型钢挤紧后，从第二环负

环开始就可基本按正常管片拼装方式进行，在第二环负环管片拼装完成后，即可割除

第一环负环与反力架之间的“H”型钢，然后两环一起后移，并将第一环负环管片与反

力架之间进行固定。

2.4 始发泥水循环与压力设定

始发泥水压力设定主要考虑：①端头加固的质量和长度；②止水箱的密封性能；

③保证泥水循环；④反力架所能承受的反力；⑤端头的埋深和荷载。

压力设定的原则：①在保证泥水循环最低压力和端头稳定的情况下，应尽量建立低压；②在盾尾进入止水箱后，应及时进行洞门注浆封闭，然后建立到正常压力。

始发阶段泥水循环采用泥水模式，泥水盾构掘进的机理决定了，盾构机刚一开始掘进就要建压，这样才能保证泥水循环和出碴，本工程洞门密封采用双道折叶式翻板+双道帘布橡胶板，两道密封组成一个箱体，在盾构机推进后可以在中间注入油脂，增强密封效果。由于止水箱的密封效果并不能保太高的压力，会造成一定的漏浆。始发

时的掘进速度一般都比较慢，因此，泥水循环的流量不必要过大。

在盾尾全部进入止水箱（两

道帘布橡胶板）后，应及时进行

同步注浆，并在同步注浆的基础上利用洞门钢环上预留的注浆

孔，通过预留注浆孔压注快凝化

学浆液，彻底阻止洞门止水箱的

漏浆问题，以便盾构掘进时更好

地保持泥水压力。 3 软弱地层掘进与管片上浮

泥水盾构软弱地层掘进关键为控制地表沉降、坍塌及盾构姿态和管片上浮控制。

3.1 地表沉降、坍塌控制

3.1.1 切口泥水压力控

制

工作面任何一点的泥

水压力总是大于地下水压

力，从而形成了一个向外的

水力梯度，这是保持工作面

稳定的基本条件。在软弱地

层中掘进，泥水压力设定和

保持稳定是软弱地层施工

的关键：

①压力应通过计算确定；②大于地下水位压力；③低于水土合重压力；④经验值图4 止水箱照片

图5 泥水盾构工作原理图

在1.1～1.3倍地下水位压力。

掘进过程中严格控制切口泥水压力波动，波动不宜超出-0.4 bar～+0.1 bar，以保证开挖面稳定；密切关注空压机供气系统，确保空压机供气的连续，压力波动不宜大于0.5bar；气垫仓内泥水液位不宜出现较大波动，液位波动控制在15%内；必要时采取人工调整参数，以减小切口泥水压力波动。

3.1.2 主要施工参数控制

主要依据理论计算值和盾构施工现场情况，结合停机期间开挖面稳定、液位平稳无波动时切口环泥水压力数据，进行反算优化施工参数。主要控制出碴量、出碴成份、进出浆流量差、比重差、注浆量、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩变化等，加强地表监测，确保盾构顺利安全通过浅埋段。

3.1.3 保证盾尾或管片接缝的不泄漏

目前看来，在软弱地层中掘进最大的风险莫过于盾尾和管片接缝泄漏，因为其危害性和处理难度非常大。主要通过以下几个方面控制：

（1）保证盾尾刷的密封效果

①加强盾尾油脂的注入管理；

②盾构姿态调整幅度不宜过大，以免挤压损伤盾尾；

③管片选型保证盾尾间隙不超标；

④管片安装尽量减少同时收油缸根数，以避免泥仓反力致使盾构机后退，损伤盾尾刷。

（2）管片接缝不泄漏

①加强止水条粘贴效果控制；

②保证管片拼装质量，管片破损要在脱出盾尾前认真修补等强。

3.2 盾构姿态控制

根据本工程施工经验，富水软弱地层浅埋段盾构姿态的控制是个难点，也是重点。

左线盾构在1环～70环始发掘进出现盾构机“磕头”现象。掘进时采取加大底部油缸的推力“上抬刀盘，下拉盾尾”的措施，但每环掘进中刀盘上抬值总大于盾尾下拉值，同时停机或安装管片时刀盘的下沉值又小于盾尾上翘值，随着掘进出现盾构机整体慢慢上移的趋势。

根据左线盾构在1环～70环始发掘进盾构姿态变化，在左线70环～220环和右线1环～220环掘进姿态高程以-35mm左右控制，水平仍以0mm左右控制。主要方法是

调整千斤顶各区域油压，控制行程来控制姿态；还有采取刀盘正反转调整盾构机的旋转；其次相适应的降低盾构掘进速度和刀盘转速以减小对地层的扰动；再次提高管片安装效率及管片安装完再次顶紧底部油缸以防刀盘较大下沉；采取人工测量每环管片姿态和盾构姿态；以达到对富水软弱地层浅埋大直径盾构掘进姿态的控制。

3.3

管片上浮与错台

狮子洋隧道第一台盾构在前期的施工中，由于没有及时认识到管片在软弱富水地层中的上浮问题，并且没有立即找到有效遏制管片上浮的方法，从而造成管片环与环之间规律性的上、下错台。

3.3.1 管片上浮及错台产生的条件

（1）产生上浮的条件

就盾构施工而言，管片或盾构机要产生上浮必需具备以下三个条件：

a.周围要有产生浮力的液体或流塑体；

b.外界产生的浮力要大于管片及盾构机的自重；

c.上部要有浮动的空间或可压缩空间。

（2）产生错台的条件

管片在拼装并拖出盾尾后产生错台，也必需具备以下两个条件：

a.管片环与环之间存在剪切力（错动力）；

图6 管片规律性错台照片

b.管片环与环之间的约束力不能克服管片之间的错动力。

（3）管片上浮和错台之间存在着必然联系。

因为在掘进过程中，盾构机作用在管片上的力主要是纵向力，基本上没有上下的剪切力，因此，管片错台与上浮之间存在着必然的联系。

图7 管片受力及规律性错台示意图

3.3.2 预防及控制富水软弱地层浅埋圆形盾构隧道上浮及错台的研究

狮子洋隧道在软弱富水地层中的上浮问题通过对施工各阶段情况分析，管片上浮、错台的原因以及两者之间的相互关系存在着必然联系，采取了以下措施，成功的解决了上浮、错台问题。

①发现问题阶段

根据以往的施工经验，都认为在软弱地层中始发，盾构机易出现叩头、管片易发生下辍等现象，一般都将盾构机始发姿态适当调高。本次始发时也将盾构机垂直姿态调高了30mm，另外，采用双道帘布橡胶板止水箱及加注油脂的方式作为洞门密封。

始发后确实发现盾构机有一定的“栽头”现象，随着盾构机的泥水压力逐步建立，盾构机“栽头”趋势更大，特别是在停机或装管片过程中，盾构机前方刀盘向下沉，盾尾向上翘。于是，在掘进时就尽可能加大底部油缸的推力，把刀盘姿态向上调，把盾尾向下压，每掘进一环都能刀盘抬起来一定数值，并且把盾尾也压下去一些。

但是，逐渐发现在掘进时，把刀盘抬升量总是大于盾尾的下压量，而且，在停机或装管片时，刀盘的下沉量又小于盾尾的上升量，如果把盾构机姿态和线路坡度调整到基本一致时，盾构机将出现整体“上漂”现象。

另外，通过对管片的姿态监测，发现管片也存在较大的“上浮”，从管片在盾尾内拼装完成到最后稳定最大的上浮量达150mm，一般都在100mm左右。

②摸索调整阶段

当发现这些问题后，首先从两方面来采取措施，一方面，先把盾构机姿态降低，给盾尾上翘和管片上浮预留一个预定值，从而先要保证隧道线形，并使盾构机处于一种“栽头”模式掘进（即盾构机掘进坡度大于线路纵坡），保证盾构机不再“上漂”；另一方面，从注浆材料上下功夫，在满足施工的情况下，把同步注浆水泥砂浆的稠度值调低、比重调高、凝结时间调短，并进一步加大充填量，从而加强同步注浆对管片的早期约束力。通过采取以上两方面的措施后，管片的上浮量有一定的减小。

此方法解决了管片拼装和上浮的问题，同时却又带来一个新的问题。管片在盾尾内拼装的质量都很好，错台也很小，一般都在5mm以内，但在拖出盾尾后都出现了规律性的上下方向的错台，错台一般都在20mm左右，大的错台有30mm。

③分析稳定阶段

通过初步分析，认为定位销在目前的状况下，根本不能约束管片相互之间的错动力，在某一时刻两环管片之间产生的某种错动力总大于定位销的抗剪力，从而导致定位销被剪断失效，而且两环管片接触面的磨擦力也不能约束这种错动力，从面导致错台的产生。

这种错动力就是外围泥水或流塑状地层对管片产生的浮力，相连几环的浮力大于环间的抗剪力与摩擦力之和，这是产生错台的原因。另外，由于盾构机掘进姿态与隧道线形存在一定的坡度差，而且油缸行程差也表现为坡度差，这就造成管片拼装趋势与隧道坡度不一致，而为保持隧道线形，每环管片之间必须通过错台来调整两者之间的坡度差异，从而也就在每环管片之间出现了规律性的错台。具体管片错台形成规律参见“图3 管片受力及规律性错台示意图”。

通过对环与环之间缝隙的测量发现，缝宽都要比理论的值大0.5mm左右，考虑到环与环之间是不是没有压紧，影响的要素主要有三个方面：一是盾构机的推力不够大（当时推力一般都在3000t左右）；二是止水条硬度过高或止水条填充量过大（这两项指标都是经过设计计算和反复试验的）；三是传力垫压缩量没达到设计要求。

通过相关计算和分析认为主要是传力垫影响，设计采用2mm厚丁晴软木橡胶垫作为传力垫，理论被压缩为1mm，但实际都可能大于1mm，经分析论证，认为传力垫与管片接触面混凝土之间的摩擦系数比较小，大大减小了接触面摩擦力。并且传力垫为柔性体，易发生变形错动，从而导致错台。为验证推测，取消几环管片的传力垫观察

效果，结果显示，从取消传力垫的第二环管片开始，规律性的错台就消除了。

3.3.3 预防及控制富水软弱地层浅埋圆形盾构隧道上浮及错台建议

①保证隧道的抗浮要够，覆土埋深。

②保证管片隧道及时固结，加强注浆和改善浆液质量。

③保证环间的摩擦力，取消衬垫，验证止水条等的结构尺寸。

④遏制上浮，错台将自动消除。

⑤建议管片环间采用凸凹榫抗剪。

⑥在盾构机设计时考虑盾构机的头重尾轻问题。

4 软硬不

均

高黏地层盾构掘进与带压进仓

狮子洋隧道软硬不均地层主要位于土岩交界地段，实际距离长达500多米，本段洞身地层依次为：上部(3)5粗砾砂层、中部(5)2岩石强风化层、下部(5)3岩石弱风化层，为典型的上软下硬地层，且地层非常黏，对掘进极为不利,目前来看是本工程中施工最困难的地段。

在软硬不均地层中掘进过程中扭矩上升快、掘进速度低、刀盘开口及刀孔被糊死、刀具出现异常磨损，且顶部为砂层，地层渗透性非常大，地表坍塌漏气，为掘进施工带来很大的难度。

4.1 软硬不均高黏地层掘进措施

在软硬不均地层掘进为避免刀盘开口及刀孔被糊死、刀具异常磨损采取了以下措施：

①掘进过程中，加强泥水循环和冲刷，保证管路通畅，减少刀盘上的碴土粘结。 图8 照片软硬不均地层糊刀盘、堵仓照片

②向泥水中加入泡沫剂和工业洗衣粉，降低碴土的粘性。

③控制好泥浆质量，泥浆的比重控制在1.08以内，并保证一定的粘度，使浆液具有良好的携碴能力。

④加强出渣管理和清洗，进行碴量统计，掘进一定长度，强制停机循环清碴，保证仓内不积碴。

⑤在第一台盾构机施工的基础上，认真进行总结，对第二台盾构机进行一冲刷改造，掘进有了很大改观。

4.2 带压进仓技术

由于单纯通过掘进中采取的措施并不能完全解决糊刀及刀具异常磨损问题，后来通过经常带压进仓检查、清洗、换刀，来保持正常的掘进。但带压进仓毕竟是一种高危工作，狮子洋隧道累计进仓2000余人次，累计143天，压力高达2.8bar，频繁的带压进仓，使得现场管理人员在心理上都承受着巨大的压力。

5富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆

5.1 本工程富水硬岩地层特性

①地层石英含量高(55.2%)；

②黏粉粒含量大(55.3%)；

③岩石强度高(82.8MPa)；

④基岩渗透系数高(6.4×10-4m/s，地下水丰富，或存承压水。

5.2 盾构掘进中存在的问题及采取的措施

5.2.1 大直径泥水盾构施工富水硬岩地层存在的问题

①掘进速度提不高、换刀频繁、管路和排浆泵磨损严重，更换频繁且操作难度大；

②刀具磨损快，换刀频繁；

③刀盘外周和搅拌臂等磨损严

重，要经常进行补焊和加固；

④环流设计存在缺陷、能力不

足，出碴不畅，仓内积碴，加剧仓内

磨损；

⑤排浆泵和管路等磨损严重，更

换难度大。

图9 刀盘外圈梁磨损照片

5.2.2 采取的措施

①选用国内外知名厂家的刀具，进行试用对比，优中选优；加强刀具的研究和管理，减少异常磨损或损坏；现场加大刀具储备。

②刀盘外周和搅拌臂的磨损，发现问题及时进行补焊和加固；进行耐磨处理和针对性设计。

③增加接力泵站，加大环流能力；增加冲刷泵，改善仓内的冲刷死角；加强环流研究，从操作上加大仓内环流性能；选用耐磨、加厚的泵、管路和弯头等，并加大现场的储备。

5.3 富

水硬岩地层注浆

5.3.1 存在的问题

全部进入基岩段后还采用同样的注浆方式，逐渐发现脱出盾尾的管片又开始出现不同程度的上浮，并伴随着地层的转硬和开仓次数的增加，上浮量也进一步加大，而且一般在开仓前装的几环管片，管片在2:00和10:00（以钟表时针）以上位置易出现开裂，接缝出现漏水，螺栓孔漏水等现。

5.3.2 问题分析

在富水地层，或存在承压水，在前仓压力不平衡或出现漏浆的状况下，后部地下汇水很容易把浆液冲散，带至泥水仓或直接冲出，造成浆液流失；浆液容易受外围泥水的侵蚀，特别是在硬岩地层中，盾壳外围存在扩挖通道，浆液特性指标易发生改变，达不到设计要求。开仓过程中，由于仓内没有建压，地下水带动管片背后未凝结砂浆流向仓内，造成开仓前拼装的几环管片背后充填不密实。

5.3.3 富水硬岩地层注浆技术研究

①掘进过程中泥水压力的设定应与外界自然或承压水压一致，并应保持泥水压的尽量稳定，防止压力波动造成盾尾前后地下水的流动，冲散同步注浆浆液。

②开仓降压前对盾尾后面的1～2环管片采取整环二次注双液浆加强，等浆液有一定强度后再进行降压开仓作业。防止盾尾后面很多环的砂浆还没有强度或根本没有凝

图10 刀盘加焊照片

固，造成大量的浆液向仓内流失。

③采用抗水分散型的水泥砂浆。

④利用盾构机自有管路，实现同步注入复合浆液，使浆液在地层中快速凝固。

⑤超量注浆，利用多注入的较大稠度的水泥砂浆会沿盾壳向刀盘方向蔓延、而在盾壳外围形成一个阻隔环，从而在一定程度能起到阻断前仓泥水对同步注浆浆液侵蚀的作用，进一步保证同步注浆效果。

⑥在实际施工，尽管采用了多种措施，但经常还会因为各种不利因素的影响造成同步注浆的效果不，为盾构隧道留下质量隐患。为保证管片背后注浆的全面到位、不留死角，在盾构掘进后方，应通过打开管片二次注浆孔或雷达探测等手段对背后注浆情况进行检查，对有空隙和渗水的地段进行二次注浆，二次注浆是对同步注浆有利补充，也是保证隧道注浆质量的最后一环。

6岩层破碎带盾构掘进施工与坍塌处理

在全断面岩石地层中，存在较多的节理裂隙发育带，掘进异常困难，经常出现掉块堵仓和大块堵泵现象，需要人工清除。并容易造成坍塌和长时间停机，左线在虎门港区出现一次停机50多天，右线在江底出现一次，停机近20天。

6.1 左线过虎门港区破碎带

6.1.1 左线虎门港区地表坍塌

左线1354环开仓换刀后，由于仓内坍塌严重，恢复掘进后1355环掘进困难，至1356环掘进592mm，刀盘多次被卡，为保证刀盘启动，反复正反循环出碴，后经判断破碎机故障、使排浆口处堵塞，正循环无法出碴，暂时只好停机保压，之后地表发生了沉陷。

（1）地表坍塌原因分析

①设计交底地层情况模糊，不明确，掘进对地层认识不够。虽然有泥水压力的建立，但在刀盘转动过程中，硬岩破碎地层不是一个整体，碰到石块就会掉落。

②掘进过程中压力波动大，没有及时提高压力。

③泥浆环流旁通阀泄漏，造成仓内流量不够。

④仓内排浆口堵塞时采用反循环造成仓内压力不平衡，最终导致多出碴。

⑤仓内底部积碴，破碎机故障，无法正常掘进。

（2）塌陷区的处理和通过方式

①采用旋喷桩加压密注浆对坍塌区域地表进行加固，形成上盖，为下步掘进创造

条件。

②带压进气垫仓，检查仓内情况，初步维修破碎机。

③常压处理气垫仓内大块积碴。

④逐步气垫仓循环，启动破碎机、反复活动泥仓门，达到仓内循环，恢复掘进。

6.2 右线江底成型隧道塌陷

右线盾构在掘进2079环时，盾尾漏浆较大，一直不能有效封堵，第二天上午进行降压开仓，一并处理盾尾漏浆，在开仓检查刀具过程中，盾尾后12环成型管片隧道拱顶突然出现塌陷、开裂、错台和涌水。

（1）原因分析

由于盾尾长时间漏浆，造成管片背后同步注浆浆液严重流失，开仓过程中，仓内和盾尾都处于常压下，管片上部岩层较破碎松软、跨度大，又没有浆液和水压的支撑，暴露一定时间后不能自稳，突然坍塌，冲击荷载造成管片隧道出现塌陷和开裂。

（2）处理方式

①立即关仓建压，防止事态发展。

②立即进行二次注浆（双液浆），逐步封堵盾尾并加压，加大注浆量，充填和加固管片背后地层，直到塌陷段全部加固密实。

③进行尾刷处理和更换，然后恢复正常掘进。

④在管片隧道拖出后配套后，进行钢筋混凝土二次衬砌，对本段进行加强处理。

6.3 硬岩破碎带掘进施工技术

①做好补充地质勘察，充分认识地质情况。

②泥水压力的设定应与外界自然或承压水压一致，并应保持泥水压的尽量稳定，虽然在建压的前提下不能保证掘进时刀盘转动地层掉块，出现小范围坍塌，但建压后由于泥水压力的支撑可防止大范围的坍塌发生。调整掘进参数，减少刀盘对地层的扰动，快速通过破碎带。

③保证破碎机的正常运转，以避免大石块堵塞排浆口。

④保证盾尾刷及管片接缝的密封性，防止浆液流失，

⑤选择合适的同步注浆浆液，调整好浆液凝结时间，并适当加大同步注浆量，尽早使管片获得稳定，减小上浮等位移量；管片拖出盾尾及时进行二次补强注浆。特别是在盾构开仓前。

⑥做好循环泥浆质量管理，选取合适的泥浆比重、粘度，减少对刀具的磨损，防

止结成泥饼。

⑦加强掘进姿态控制，避免盾构机“蛇行”。

7大直径泥水盾构复合地层进仓技

术

研究

在本工程掘进过程中，先后经历了全断面软弱地层、软硬不均地层、全断面岩层和岩石破碎带，在各种地层中都进行了进仓作业，各种进仓作业方式都得到了尝试和应用，目前已经获得了阶段性的成功。同时右线掘进期间成功地借鉴了先行的左线的施工经验，施工进度等各方面都有了很大提高。目前进仓的风险做到了总体可控。在此，通过对本工程高压富水复合地层进仓作业的探索和研究，总结出的方法有：带压进仓、敞开式开仓、地层加固开仓、低压限排进仓。具体选择那种方法应根据仓内作业目标和所处位置的地质水文等情况而定。

7.1 带压进仓（带压限排进仓）

狮子洋隧道带压进仓作业主要为上软下硬富水地层及岩石破碎带（断裂带、裂隙发育、渗透性强）的开仓作业。

带压进仓在一定压力范围内，应该说可以适应于各种地层，特别针对掌子面不能常压自稳及富水地层，在此种不良地层中采用带压进仓是最安全的作业方法，但带压进仓不宜动火，而且工效较低。

7.2 敞开式开仓（周边止水限排进仓）

狮子洋隧道硬岩富水地层主要采用周边止水限排进仓，周边止水措施主要通过盾尾后管片二次补强注浆封堵管片背后向仓内流水，必要时也可通过盾构机超前注浆孔对盾壳外部地层进行止水处理。

周边止水限排进仓主要针对掌子面能够自稳的原状地层或加固体，地层整体性较

图12 带压进仓施工照片

好，裂隙水不太发育的情况下，通过在隧道内对盾构机后部或盾壳外部地层进行止水处理后就能满足常压进仓。

7.3 地层加固开仓（地层加固止水限排进仓）

对于软弱地层开仓作业较少，狮子洋隧道在19＃联络通道加固区进行了一次地层加固止水限排进仓。

对于软弱富水地层中，需要大量仓内作业或割焊等操作，宜提前将穿越地层进行加固止水处理，待加固体有一定强度后，将盾构机推进至预先加固位置后，再敞开式进仓作业。此种方式可长时间停机工作，并且工作面多，但加固费用投入较大，并受地面环境、埋深和加固设备性能等条件的限制。

7.4 低压限排进仓

本工程在硬岩富水地层主要利用周边止水限排进仓，洞内抽水设备仍不能满足开仓需求时，则采用低压限排进仓。

低压限排进仓技术是建立在带压进仓和掌子面地层有一定自稳性基础上的，通过周边止水仍不能达到常压开仓（仓内水位可控或掌子面能够完全自稳）的目标，通过加低压阻止地下水和稳定地层的方法来进仓作业，这样可大大提高带压进仓的工作效率。

8狮子洋隧道对接及拆机施工技术研究

狮子洋隧道在国内首次采用“相向掘进、地中对接、洞内解体”土木对接方式，当两台盾构临近预定对接点之前、相距30环左右时，两台盾构都进行开仓，进行地质确认，在满足对接施工的条件下，选择一个地层更好的一台停止掘进，进行停机保压注浆作业，并可先进行后面其它同步施工工作。另一台盾构进行姿态调整掘进，直至与先停的一台盾构刀盘完全相接，然后，对第二台盾构进行注浆作业，最后开仓确认，完成对接工作。对接工作完成后，开始拆机工作，后配套拆运采用整体拆运、局部拆除或内移的方式拆运出洞，盾构主机及刀盘采用分块拆运，运输方式采用有轨运输及汽车运输相结合。拆机工作完成后，施做对接段衬砌。

8.1 对接测量

水下隧道盾构对接测量方案计划在两台盾构机距离300环时，施工双方精测队分别利用设计院所交桩点，对洞外、洞内控制桩点进行复测。

进出口施工单位分别对己方及对方控制点独立进行测量，测量成果两家各自处理，

形成成果。然后两家进行成果对比，研究确定现场控制点采用结果，形成最终的测量成果和调整方案。测量成果和调整方案聘请测量专家进行评估，以保证尽量小的贯通误差。评估后，双方盾构机按照最终的测量成果调整姿态进行掘进。

8.2 对接段地层选择

对接位置的选择是盾构对接施工的关键，狮子洋隧道江中对接范围的地层处于弱风化砂岩中，根据地层情况，对于对接地层的选择可分为三种：①地层较破碎，不宜对接区域；②局部存在破碎地层，需对周边地层进行加固止水后进行对接区域；③地层完整性好，地下水较小，适宜对接区域。在其余地段选择对接时应提前探测前方地层情况，并开仓检测，根据不同地质情况选择不同的施工方案。根据地质资料首先选择合适的对接区域，最终对接区域的选择在两台盾构机相距30环时开仓检查，选择地层稳定、地下水小的位置作为对接区域。

8.3 对接前掘进

对接位置确定后，地层较好一方进行保压停机注浆作业，仓内压力设定为保证大于自然静水压力，保证仓内液位不上涨。另一方进行掘进施工，掘进一方在双方刀盘相距3米时，调整参数，降低刀盘转速和贯入度。相距30cm时，并逐渐降低贯入度进行掘进，尽量保证掌子面不掉大块，以免堵塞泥浆环流，直到与第一台盾构机接触，然后利用仓内压力，后退刀盘一定距离，连续循环出渣，尽量减少人工出渣量。开仓后将刀盘旋转至合理位置，仓内渣土需进行人工装编织袋，用电瓶车运至洞外。

8.4 对接地层加固止水

对接地层加固止水施工包括管片背后二次注浆封堵仓内盾尾后部来水施工及盾构机超前注浆对对接地层加固止水施工。

（1）管片背后二次注浆封堵仓内盾尾后部来水

最后100环的掘进中，相向施工两台盾构二次注浆需紧跟掘进施工，对接位置确定后，先停机盾构对盾尾后20环管片进行注双液浆处理。两台盾构机对接上后，后停机盾构也同样对盾尾后20环管片进行注双液浆处理。

（2）超前注浆地层加固

两台盾构利用超前注浆孔对对接区域地层进行加固。

（3）注浆加固标准及检查

注浆加固作业完成后，进行开仓检查，检查内容为：地层加固后稳定性及涌水量。先停机一台在对接前应先检查仓内涌水量，要求小于20m3/h，对接后检查总涌水量要

求小于30m3/h，并要掌子面稳定，则可进行下步施工。若先停盾构涌水量大于20m3/h、总涌水量大于30m3/h，则应根据地下水来源再次进行封堵。

8.5 管片加固措施

为防止对接拆机时因管片无油缸推压引起管片环向及纵向松动，造成管片环、纵缝漏水，盾构机到达对接位置后，需立即进行管片加固。管片加固方式为对到达段最后20环用［14槽钢将管片沿隧道纵向拉紧。在最后一环拼装管片向掘进方向一侧端面与盾壳之间焊接钢板。

8.6 拆机运输施工

后配套拆运采用整体拆运、局部拆除或内移的方式拆运出洞，盾构主机及刀盘采用分块拆运，运输方式采用有轨运输及汽车运输相结合。

9泥水盾构在狮子洋隧道的施工体会

9.1 施工中的优点

①泥水盾构在软岩中施工有以下优点：工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，保持工作面稳定，能够很好的控制出碴量，避免超挖；在软岩中，利用泥水循环出碴顺畅，工作效率高。

②泥水盾构在软硬不均高黏地层带压进仓施工中建泥膜非常有利，给带压进仓作业提供了有利条件。

③在硬岩地层掘进由于泥水充满刀盘仓，对于刀具降温，减少刀盘磨损起到了很大的作用，与土压盾构相比较可以降低刀具消耗。

④泥水盾构利用排浆管路对于洞内涌水排出非常有利，可使富水地层开仓排水及隧道内涌水及时排出洞外，大大方便了施工，在很大程度上规避了涌水带来的风险。

9.2 不足之处

①泥水盾构因泥水处理场地面积大，同时对弃浆排放场地要求也大，不适合在城市施工。

②在硬岩地层中掘进，管路、排浆泵磨损快，投入较高。