0前言
随着盾构施工技术的日趋成熟和成本降低，及其自身的优点，在我国各类地下工程，包括地铁、路桥以及水利工程等被广泛应用。盾构法施工的主要优点有：（1）施工效率高；（2）对环境适应性高[1]。当然盾构技术也有对施工精度要求高、盾构机必须单向前进等施工特点[2]，这使施工过程中存在质量、安全等风险，遇到特殊地质段更是盾构施工风险控制重要因素之一。因此周密、细致的施工方案以及风险预案措施显得尤为重要[4]。
盾构施工掘进阶段，主要作业内容包括：土压力控制、盾构掘进参数优化、渣土管理、管片拼装、同步注浆、二次补注浆、开仓换刀[2]。技术措施的重点也在于此。
珠江三角洲水资源配置工程大金山输水隧洞段遇到特殊地质段盾构施工掘进阶段技术措施，是结合各种盾构施工控制措施[5-6]和具体的地质状况，考虑质量安、全制、进度等因素制定的，达到预期效果。
1工程概况
本文隧洞工程属于珠江三角洲水资源配置工程土建A2标段，隧洞穿越大金山特殊地质段。
1.1 A2标段工程概况
珠江三角洲水资源配置工程A2标包含一条总长6.452km输水隧洞，两座直径35.9m圆形工作井。输水线路为双线隧洞共分两段，一段长3365m，采用两台海瑞克泥水平衡盾构机；一段长2926m，采用两台土压平衡盾构机。新建一条交通隧洞，总长2.47km，包括进口明挖216m；盾构2.134km，出口明挖118m。如图1
图1 A2标段概况
1.2穿越大金山概况
LG3+417-LG2+157穿越大金山，穿越长度1260m，最大坡度0.1%，最小转弯半径494m，双线隧洞间距为6m，隧洞埋深为47-120m，地下水头高达5.5Bar，设计揭示地层主要为弱风化砂砾岩、花岗岩（610-900环，430-460环），花岗岩单轴抗压强度110-162Mpa，砾岩单轴抗压强度53-130Mpa，该段分布14处区域性断裂的次生断层。
穿越大金山主要特征：埋深大、水头高、岩层硬、多上软下硬多断裂带、地质复杂多变，导致盾构掘进参数控制难、换刀频繁，换刀困难。
图2 大金山地质概况
2 穿越大金山特殊地质段情况
在认真分析合同及图纸地质段描述后，在补勘和物探的基础上施工队伍制定了相应的掘进计划。掘进施工过程进一步做了地质确认。
2.1钻孔补勘及物探
在施工前进行钻孔补勘及物探，在施工中起到辅助作用，一定程度上减小了施工风险，但受地层岩性复杂多变、埋深大等影响，勘探范围（洞身3m内）有限的影响，前期勘探及地质补勘难以探明实际地质条件，施工难度相当大，施工中采取了较多行业少有的保证安全、进度、质量的施工措施。
图3 物探地质剖面图
2.2掘进参数情况
掘进过程每环均有参数记录，遇到断层破碎带时掘进参数表现为推力、刀盘力矩、掘进速度波动大，仓压高，泥浆易被稀释或外泄，携渣能力下降，易堵管。
图3 掘进参数表
2.3盾构出渣情况
盾构出渣情况是施工过程重要的技术参考指标之一。本工程盾构出渣情况见图4
图4 盾构出渣
2.4盾构开仓情况
对盾构开仓情况的把握，是施工控制的关键环节。下面主要介绍本隧洞工程在技术措施保证下9个主要的开仓状况。
（1） 右线136环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行常压开仓检查发现掌子面2/3均为破碎状泥夹石，掌子面暴露30min后出现坍塌情况，现场立即关仓转为带压换刀。见图5
（2） 左线134环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行超前加固后常压开仓检查，掌子面上部1/3为泥夹石，下部为弱风化泥质粉砂岩。见图6
（3） 右线188环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行超前加固后常压开仓检查，掌子面上部1m为土层，地下水较大，下部为弱风化砂岩。见图7
（4） 左线209环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行常压开仓检查，掌子面上部出现空洞，下部为弱风化砂砾岩。见图8
（5） 左线在386环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行超前加固后常压开仓检查，掌子面上部1/3为土层，下部为弱风化砂砾岩。见图9
（6） 右线439环（地质描述为弱风化花岗岩）进行超前加固后常压开仓检查，掌子面上部1/3为泥夹石，下部为弱风化花岗岩。见图10
（7） 右线478环（地质描述为弱风化砂砾岩）进行超前加固后常压开仓检查，掌子面上部1/3为土层，下部为弱风化砂砾岩。见图11
（8） 右线635环（地质描述为弱风化花岗岩）注浆止水后常压开仓观察期间掌子面发生坍塌，现场及时关仓，继续掘进至640环，掌子面为全断面岩层进行常压开仓换刀。见图12
（9） 左线580环，常压开仓后，观察发现岩层裂隙发育，掌子面来水过大，隧洞排水能力有限，关仓后继续掘进至588环进行注浆止水常压开仓。见图13
2.5地质确认
实际地质描述及主要差异：断层位置及断层特性与设计描述基本一致，设计描述断层宽0.5m~10m不等，实际盾构掘进过程中断层破碎带影响范围28.5-178.5m（断层影响带主要为半岩半土状），双线累计影响范围1270.5m。
实际地质与资料描述主要差异见图14-16
图14 左线地质对比表
图15 右线地质对比表
图16 地质对比图
3主要施工措施
本工程在盾构穿越大金山复杂地质段盾构掘进阶段施工过程的主要技术措施，目前处于国内领先水平。
3.1超高压5Bar带压换刀
（1）工况
工况A：粤海3号在136环提前遇到f115断层，无法常压换刀，被动采取带压换刀。
工况B：掌子面约2/3为破碎的泥夹石，易坍塌，水压高、常规加固困难。
（2）施工措施
超过3.6Bar带压换刀目前没有相关规范标准，泥膜施作标准需根据实际情况反复试验确定。采用超前加固及衡盾泥5Bar气压（超规范）辅助换刀，共进行两次衡盾泥泥膜施作（5级建泥膜共反复施做93次），经历57仓换刀作业，历时54天。据了解本次换刀为当时广东省最高气压换刀。具体数据见图17
图17 衡盾泥泥膜施作统计表
3.2断裂带超前预注浆加固常压开仓换刀
（1）工况
受地表环境影响，遇掌子面顶部1-2米为破碎带的情况采用洞内超前加固常压开仓换刀。
（2）施工措施
针对超前加固易裹刀盘、加固效果难保证，项目从四个方面进行了改进，效果良好（见图18）。本工程一共进行7次超前加固，注浆总量达2000方，聚氨酯使用875桶，钻孔总长度达1007m。加固地质最复杂一次，反复施做3次加固才成功，耗时22天。
图18超前注浆加固技术对比图
（3）施工实例
右线在348环换刀后掘进到382环时已掘进34环，考虑到离前方f113断层有60环，离花岗岩突起地层还有40环，洞内施作止水环准备提前在有地质探孔位置进行常压换刀，后续在420环再次换刀后可一次性穿越断层及花岗岩突起地层。在382环降压不成功，决定再往前掘进根据条件再行开仓。地质资料描述断层f113位于440环，经设计确认提前90m进入断层f113影响范围，断层影响范围长度可能达到200m，隧洞洞身为弱风化花岗岩、砂砾岩、断层泥夹石。见图19
图19断层示意图
次日右线从382环掘进到386环，参数波动较大，推力在1900-3000t之间，速度在3-25mm\min，刀盘力矩在250-800KN，无法继续掘进决定在386环停机开仓，停机位置覆土厚度为108m，水压约为5bar，隧洞洞身下部为弱风化砂砾岩，上部为断层泥夹石，本次开仓由382环主动常压换刀变为在386环被动换刀。根据出渣情况判断，软弱层所占比列约为30%，经研究讨论采取超前加固常压开仓换刀。本次超前注浆加固反复施作3次共历时22天，换刀1天，共停机23天。
3.3长距离断裂带掘进环流控制
（1）工况
掘进穿越断裂带时，掌子面前面裂隙较大或者存在空洞，仓内保不住压力或爆仓堵管，地面分离系统泥浆池液位下降，最多一次损失泥浆约400方。
（2）重点措施
①采用剪切泵，外加泥浆冲刷泵对膨润土、CMC、纯碱等进行高速剪切及冲刷，配制优质泥浆;粘度26S、比重1.1以上；
②提高保压系统压力；
③加强洗仓，首先对气垫仓洗仓，环流正常后对泥水仓洗仓；
④现场配置优质泥浆共用膨润土2201t，石灰粉221t，纤维素12t。
3.4 二次补浆及止水环施工
为保证成型隧洞安全质量的同时，同时确保开仓换刀安全、尽可能减少盾构后方来水，穿越大金山段在断裂带位置进行多次二次补浆，大金山段同步注浆量达12671m³，补浆方量达3750m³，充填系数高达2.6。
3.5 高频次刀具更换施工
（1）工况说明
大金山段计划换刀26次，为减少被动换刀，遵循勤开仓、勤检查、勤换刀的原则，实际换刀61次，超过计划35次；平均约40m换刀一次，共换刀758把滚刀，报废率高达35%；根据统计大金山段换刀时间占比达到38.6%；
（2）刀具优化措施
上软下硬等复杂地质刀具损耗大(前期10-20环换一次刀），通过试刀（邀请10家刀具厂商进行试刀，选择性价比高的厂商），对刀具磨损形式进行分析，对刀具设计优化（30-40环换一次刀）。另外通过调整边缘6把滚刀U型楔块厚度，优化刀具安装结构，提高了刀具利用率，也减少换刀次
图20 道具参数调整对比表
结论
大金山段位于西江“泥湾门”区域断层影响范围，地层裂隙发育，同时该段地面山体被植被覆盖，环境复杂，依据已有的设计详勘、施工补勘及超前勘探资料难以完全提前判定断裂带位置及影响宽度。综合施工现场实际出渣、开仓检查、掘进参数等情况，此洞段部分地质条件与招标文件存在重大变化。施工采取了多项非常规措施，包括超高压（5Bar）带压换刀、断裂带超前长距离预注浆加固、长距离断层掘进泥浆环流控制、高频次刀具更换施工。事实证明上述非常规措施是合理的，有效保证了本工程盾构施工安全、质量、进度，产生了良好的经济效果和社会信誉，为特殊地质段盾构施工技术措施的创新提供了新思路和工程案例。
参考文献
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