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[摘 要]通过结合国内水下盾构法隧道工程的应用实例，总结其工程风险和难点，初步探究泥水平衡盾构和土压平衡盾构在水下隧道施工的适用条件和应用技术，为各类水下隧道施工的盾构选型和应用提供参考。
[关键词]盾构法；水下隧道；选型；应用
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0246-01
1盾构法在水下隧道施工中的风险和难点
盾构在江、河、湖、海底部土层中施工掘进，与一般盾构隧道施工面临的风险和遇到的问题有所不同。
（1）通常，水下隧道往往要面临浅覆土段的施工风险。浅覆土区域既有高水头压力的风险，同时还要承受掘进过程中开挖面压力的影响，若压力控制不当将导致覆土塌陷。
（2）河底段地层的含水量较高、渗透系数大，地下水对施工影响大。若出现覆土层被顶裂、产生透水裂缝，涌入大量河水后，给盾构设备和成形隧道的安全带来极大的危险。
（3）对盾构设备的可靠性和安全性要求很高。在河底施工不便于对关键部件进行维修和更换，若出现严重的设备故障，将直接影响工程的成败。
2盾构法在水下隧道工程中的应用技术
2.1 工程案例和分析
2.1.1泥水平衡盾构的选用
对于水下隧道的盾构法施工，当地层的渗透性较高时，泥水平衡盾构的安全性和可靠性要好于土压平衡盾构机。泥水式盾构机适用的地层范围很大，从软弱砂质土层到砂砾层。泥水盾构采用管道输送泥浆和排渣，工作面全密封，形成封闭的回路，对付高水压和高渗透性地质比较有利。而土压盾构螺旋输送机的水封性较差，难以适应高水压、高渗透性的地质。
当遇到长距离、大断面的过河越江隧道，多数选择泥水盾构。根据日本《隧道标准规范（盾构篇）及解释》中有关盾构刀盘装配扭矩的计算。扭矩T=aD3（D为盾构外径， a为扭矩系数，对泥水盾构a =9～15；土压盾构a =8～23）。显然，在大断面隧道中，泥水盾构的刀盘切削阻力较小，这不仅可以减小对开挖面的扰动，而且可以减轻主轴承的负荷，提高盾构使用寿命，适应长距离掘进的需要。
3.1.2土压盾构的选用
从案例中可以看出，对于渗透性低的地层，以及相对稳定的岩层，若开挖断面不是很大，经过浅覆土层隧道最小埋深的验算[4]，理论上不存在隧道上浮风险的条件下，土压平衡盾构机具有相对可靠的操作性和适用性。以下是常用最小隧道埋深的计算方法。由力的平衡条件可知，管片稳定的条件：
W+G>F浮 （1）
式中：G为单位长度管片自重；F浮为单位长度管片所受浮力，W为单位长度管片上部土体有效重量。
隧道最小埋深为
（2）
式中，R为管片外径；r为管片内径；γg为壁后注浆材料重度，当没有注浆时为水的重度；γc为管片重度；γs 为土体饱和重度；γw为水的重度。
当盾构在浅覆土层掘进时，极限最小与最大土压力之间变化范围较小，防止坍塌及隆起所需要的控制支护压力变幅较小，给开挖面支护压力的控制和管理带来很大困难。
水下隧道泥水盾构的施工技术要点
2.2.1开挖面泥水压力的控制
无论是在掘进阶段还是停止掘进阶段都应注意泥水压力的变化，泥水压力高于土层地下水土压力0.02 MPa左右，变化范围控制在±3%以内。
泥水环流系统的控制直接影响开挖面压力的稳定。根据密封土仓的液位上升与下降来判断开挖面压力的波动，并通过对泥水环流系统的进排浆泵和阀的控制，来保证压力的稳定。同时还要考虑与盾构掘进速度和刀盘转速的匹配，实现泥水环流系统的动态平衡，降低因开挖面失稳带来的施工风险。
2.2.2泥水盾构掘进时出碴量控制
实际出碴量 =（排浆流量×排浆比重-进浆流量×进浆比重）×泥水循环时间。具体数值由盾构机控制系统进行统计，工程师可根据碴土场出碴量进行复核。一般实际出碴量控制在理论出碴量的97%-100%。允许出现少量欠挖，不允许出现超挖。
2.2.3泥浆参数的选取和控制
在泥水盾构中，泥浆的作用是维持开挖面稳定和排土。既要作为一种传递力的介质，同时还要作为一种运输弃土的介质。因此，泥浆的比重和粘度等性能决定了稳定开挖面和携带渣土的能力。掘进中泥浆比重不应过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖面的稳定。例如一般在砂层中进泥比重的范围设在1.23～1.26g/cm3，出浆比重维持在1.30～1.40g/cm3。
2.2.4管片壁后注浆的控制
控制好同步注浆压力的大小和浆液的凝固时间，是防止盾尾漏浆的最有效措施。浆液凝固时间过短，造成浆液不能充分填充管片壁后空隙，大量堆积在注浆口附近，注浆口附近压力剧增，当压力高于盾尾刷和油脂的抗压能力时，就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成盾尾漏砂浆和漏水。
土压盾构过河越江段施工技术要求
2.3.1土仓压力与开挖面水土压力的平衡控制
由于盾构在水下穿越时，其上部覆土厚度与穿越前后有所变化，故需要重新计算设置土压力，实际操作要结合沉降监测数据来调整，对施工参数实施动态管理和控制[3]。尽最大限度的减小对土体的扰动和破坏。
2.3.2出土量与掘进进尺的平衡控制
穿越水下地层，原则上应按理论出土量出土，但可以适当欠挖，保证土体密实，以避免河水渗透入土体并进入盾构。
2.3.3土体改良的控制措施
由于土压盾构刀盘需求扭矩较大，刀盘对开挖面的扰动影响大，土体改良技术的应用尤为重要。目前多种添加剂交叉应用技术的成功实践也为土压盾构的广泛应用提供了保证。例如，粘性土体采取泡沫加分散剂，粗砂和砾石等高摩擦力土体采取泡沫加聚合物或膨润土。由于膨润土发酵控制技术难度大和占用场地大等原因，目前，已普遍使用有经济实用性的特殊聚合物。
沈阳地铁2号线泥水盾构使用介绍
沈阳地铁2号线五里河至奥体中心区间，线路长度为1371.45米，盾构穿越地层主要为砾砂和中粗砂，实际钻孔施工发现每根钻孔桩施工过程中大于80mm粒径的卵石较多，个别最大粒径达到340mm。该项目采用的泥水盾构在过河段施工发挥出应对河底高渗透性地层的优势，最终实现双线隧道的顺利贯通。
结语
（1）对于水下隧道的盾构法施工，在盾构选型时不仅要考虑地质条件、隧道结构等客观因素，还要明确各类型盾构应对水下施工风险的控制措施。
（2）泥水盾构不仅适用高水压高渗透性的水下隧道工程，同时也适用于长距离大断面的隧道工程。在施工应用技术方面，便于控制和管理，是水下隧道最可靠的选择。
（3）对于水域宽度较小，地层渗透性的过河越江隧道，土压盾构可以满足施工要求。但是土压盾构在水下段施工时，会过多依赖施工人员主动干预盾构压力平衡的控制和土体改良的效果，因此遇到高渗透性地层，对土压盾构的选择更要慎重考虑。
参考文献
[1]邢慧堂.南京长江隧道泥水盾构穿越江中超浅覆土段施工技术[J]，现代隧道技术，2010，47（2）：68-73.
[2]陈立，李双飞，梁晓亮.浅埋大直径盾构隧道穿越湘江施工技术[J]，2012年中铁隧道集团低碳环保、优质工程修建技术专题交流会論文集，2012，10：172-175.
[关键词]盾构法；水下隧道；选型；应用
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0246-01
1盾构法在水下隧道施工中的风险和难点
盾构在江、河、湖、海底部土层中施工掘进，与一般盾构隧道施工面临的风险和遇到的问题有所不同。
（1）通常，水下隧道往往要面临浅覆土段的施工风险。浅覆土区域既有高水头压力的风险，同时还要承受掘进过程中开挖面压力的影响，若压力控制不当将导致覆土塌陷。
（2）河底段地层的含水量较高、渗透系数大，地下水对施工影响大。若出现覆土层被顶裂、产生透水裂缝，涌入大量河水后，给盾构设备和成形隧道的安全带来极大的危险。
（3）对盾构设备的可靠性和安全性要求很高。在河底施工不便于对关键部件进行维修和更换，若出现严重的设备故障，将直接影响工程的成败。
2盾构法在水下隧道工程中的应用技术
2.1 工程案例和分析
2.1.1泥水平衡盾构的选用
对于水下隧道的盾构法施工，当地层的渗透性较高时，泥水平衡盾构的安全性和可靠性要好于土压平衡盾构机。泥水式盾构机适用的地层范围很大，从软弱砂质土层到砂砾层。泥水盾构采用管道输送泥浆和排渣，工作面全密封，形成封闭的回路，对付高水压和高渗透性地质比较有利。而土压盾构螺旋输送机的水封性较差，难以适应高水压、高渗透性的地质。
当遇到长距离、大断面的过河越江隧道，多数选择泥水盾构。根据日本《隧道标准规范（盾构篇）及解释》中有关盾构刀盘装配扭矩的计算。扭矩T=aD3（D为盾构外径， a为扭矩系数，对泥水盾构a =9～15；土压盾构a =8～23）。显然，在大断面隧道中，泥水盾构的刀盘切削阻力较小，这不仅可以减小对开挖面的扰动，而且可以减轻主轴承的负荷，提高盾构使用寿命，适应长距离掘进的需要。
3.1.2土压盾构的选用
从案例中可以看出，对于渗透性低的地层，以及相对稳定的岩层，若开挖断面不是很大，经过浅覆土层隧道最小埋深的验算[4]，理论上不存在隧道上浮风险的条件下，土压平衡盾构机具有相对可靠的操作性和适用性。以下是常用最小隧道埋深的计算方法。由力的平衡条件可知，管片稳定的条件：
W+G>F浮 （1）
式中：G为单位长度管片自重；F浮为单位长度管片所受浮力，W为单位长度管片上部土体有效重量。
隧道最小埋深为
（2）
式中，R为管片外径；r为管片内径；γg为壁后注浆材料重度，当没有注浆时为水的重度；γc为管片重度；γs 为土体饱和重度；γw为水的重度。
当盾构在浅覆土层掘进时，极限最小与最大土压力之间变化范围较小，防止坍塌及隆起所需要的控制支护压力变幅较小，给开挖面支护压力的控制和管理带来很大困难。
水下隧道泥水盾构的施工技术要点
2.2.1开挖面泥水压力的控制
无论是在掘进阶段还是停止掘进阶段都应注意泥水压力的变化，泥水压力高于土层地下水土压力0.02 MPa左右，变化范围控制在±3%以内。
泥水环流系统的控制直接影响开挖面压力的稳定。根据密封土仓的液位上升与下降来判断开挖面压力的波动，并通过对泥水环流系统的进排浆泵和阀的控制，来保证压力的稳定。同时还要考虑与盾构掘进速度和刀盘转速的匹配，实现泥水环流系统的动态平衡，降低因开挖面失稳带来的施工风险。
2.2.2泥水盾构掘进时出碴量控制
实际出碴量 =（排浆流量×排浆比重-进浆流量×进浆比重）×泥水循环时间。具体数值由盾构机控制系统进行统计，工程师可根据碴土场出碴量进行复核。一般实际出碴量控制在理论出碴量的97%-100%。允许出现少量欠挖，不允许出现超挖。
2.2.3泥浆参数的选取和控制
在泥水盾构中，泥浆的作用是维持开挖面稳定和排土。既要作为一种传递力的介质，同时还要作为一种运输弃土的介质。因此，泥浆的比重和粘度等性能决定了稳定开挖面和携带渣土的能力。掘进中泥浆比重不应过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖面的稳定。例如一般在砂层中进泥比重的范围设在1.23～1.26g/cm3，出浆比重维持在1.30～1.40g/cm3。
2.2.4管片壁后注浆的控制
控制好同步注浆压力的大小和浆液的凝固时间，是防止盾尾漏浆的最有效措施。浆液凝固时间过短，造成浆液不能充分填充管片壁后空隙，大量堆积在注浆口附近，注浆口附近压力剧增，当压力高于盾尾刷和油脂的抗压能力时，就会击穿盾尾刷和油脂衬背而造成盾尾漏砂浆和漏水。
土压盾构过河越江段施工技术要求
2.3.1土仓压力与开挖面水土压力的平衡控制
由于盾构在水下穿越时，其上部覆土厚度与穿越前后有所变化，故需要重新计算设置土压力，实际操作要结合沉降监测数据来调整，对施工参数实施动态管理和控制[3]。尽最大限度的减小对土体的扰动和破坏。
2.3.2出土量与掘进进尺的平衡控制
穿越水下地层，原则上应按理论出土量出土，但可以适当欠挖，保证土体密实，以避免河水渗透入土体并进入盾构。
2.3.3土体改良的控制措施
由于土压盾构刀盘需求扭矩较大，刀盘对开挖面的扰动影响大，土体改良技术的应用尤为重要。目前多种添加剂交叉应用技术的成功实践也为土压盾构的广泛应用提供了保证。例如，粘性土体采取泡沫加分散剂，粗砂和砾石等高摩擦力土体采取泡沫加聚合物或膨润土。由于膨润土发酵控制技术难度大和占用场地大等原因，目前，已普遍使用有经济实用性的特殊聚合物。
沈阳地铁2号线泥水盾构使用介绍
沈阳地铁2号线五里河至奥体中心区间，线路长度为1371.45米，盾构穿越地层主要为砾砂和中粗砂，实际钻孔施工发现每根钻孔桩施工过程中大于80mm粒径的卵石较多，个别最大粒径达到340mm。该项目采用的泥水盾构在过河段施工发挥出应对河底高渗透性地层的优势，最终实现双线隧道的顺利贯通。
结语
（1）对于水下隧道的盾构法施工，在盾构选型时不仅要考虑地质条件、隧道结构等客观因素，还要明确各类型盾构应对水下施工风险的控制措施。
（2）泥水盾构不仅适用高水压高渗透性的水下隧道工程，同时也适用于长距离大断面的隧道工程。在施工应用技术方面，便于控制和管理，是水下隧道最可靠的选择。
（3）对于水域宽度较小，地层渗透性的过河越江隧道，土压盾构可以满足施工要求。但是土压盾构在水下段施工时，会过多依赖施工人员主动干预盾构压力平衡的控制和土体改良的效果，因此遇到高渗透性地层，对土压盾构的选择更要慎重考虑。
参考文献
[1]邢慧堂.南京长江隧道泥水盾构穿越江中超浅覆土段施工技术[J]，现代隧道技术，2010，47（2）：68-73.
[2]陈立，李双飞，梁晓亮.浅埋大直径盾构隧道穿越湘江施工技术[J]，2012年中铁隧道集团低碳环保、优质工程修建技术专题交流会論文集，2012，10：172-175.