自1994年世界上第1个直径>14m的超大直径盾构于日本东京湾海底隧道工程建成至今，大直径盾构施工已在国内外得到了全面发展 ^{[1,2,3,4,5,6,7]}。

　　 但是，超大直径泥水盾构在穿越复杂地层时，仍然面临巨大的施工风险，给施工进度带来巨大挑战。在以往施工案例中，超大直径泥水盾构所经历的风险研究主要表现如下:魏林春，姚浩等通过超大直径泥水平衡盾构始发施工风险监控技术研究，最大程度降低盾构始发施工过程中的风险 ^[8,9]。崔玖江进行了盾构施工风险与规避对策研究 ^[10]。蔡业华，陈自海等通过将模糊理论应用到层次分析法中，形成了模糊层次分析法，用以进行地铁盾构隧道工程坍塌风险分析 ^[11,12]。陈相宇等进行了粉细砂地层大直径盾构下穿大堤风险控制研究，同时提出了大直径泥水盾构斜下穿大堤时泥水压力、顶推参数设置和饱和粉细砂地层中掘进速度控制的相关措施 ^[13]。虽然针对超大直径泥水盾构施工风险的研究已有很多，但都是针对某一方面的研究，并未形成系统的控制理论体系，且对大直径泥水盾构穿越海底隧道的施工风险也研究很少。

　　 本文以汕头苏埃通道超大直径泥水盾构越海隧道工程为例，针对工程特点和施工难点，总结了超大直径泥水盾构在施工中存在的主要风险，具体表现在装备选型风险、始发风险、开挖面失稳风险等。基于以上风险，通过开展岩机作用机理试验、始发相关参数模拟与分析试验、开挖面稳定性数值试验，提出大直径泥水盾构施工中存在主要风险的解决办法，对提高施工现场的掘进效率和减少施工事故有很大帮助，对推动我国超大直径泥水盾构技术的发展具有重要的参考价值和指导意义。

　　 苏埃通道工程按一级公路技术标准设计，兼具城市道路功能，双向6车道，设计行车速度为60km/h。路线全长6 680m，隧道长5 300m，北岸明挖隧道长1 540m，南岸明挖隧道长712.5m。明挖隧道采用地下连续墙和工法桩围护结构，基坑最大深度32.49m，海域段3 047.5m采用盾构法施工。苏埃通道工程隧道布置如图1所示。

　　 盾构隧道区间覆土厚度为9.7(0.65D)～17.2m，最小覆土位于南岸始发端头。隧道最低点位于主航道下方，覆土厚度为13.7m，至海面埋深21.3m，盾构段隧道中部最大水土压力为0.4MPa。盾构段设计为2条单洞隧道，隧道内径为13.3m，外径为14.5m，内设安全通道、应急通道、电缆管廊、管沟及烟道(见图2)。

　　 苏埃通道处于8度地震区，地层以海积、海陆交互相沉积和冲积类型为主，主要穿越淤泥、淤泥质土、粉质黏土、黏土、粉细砂、中粗砂、砾石以及花岗岩层，砂层为孔隙承压水层。

　　 海中主航道下方隧道盾构段存在3段基岩凸起，长度约182m，侵入隧道最大高度约6m，平均抗压强度为127.4MPa，最大抗压强度约2.10MPa，切入隧道断面的基岩质量指标RQD均在80%左右。基岩凸起段隧道断面上部为淤泥质土、粉质黏土、中粗砂，(2)₁淤泥标贯击数为1.16，承载力50kPa;(2)₂淤泥质土标贯击数为4.42，承载力60kPa。该段覆土厚约13m，主航道水深约8m，水面至洞顶约21m。勘察资料显示，南岸海域段在花岗岩(6)₁全风化层、(6)₂强风化层共10个钻孔存在球状风化体，直径为0.5～5.6m，一般为1～3m，岩芯一般成柱状、长柱状，中风化，强度达90MPa。

　　 盾构始发指盾构机在始发井内，盾构主机在反力架支撑反力作用下克服摩阻力向前推进贯入土体，拖动后配套沿设计路线向前掘进，直至盾构完全穿越端头土体进入隧道，反力架与负环管片达到拆除标准为止。苏埃通道盾构始发模拟如图3所示，盾构由反力架提供支撑力，盾构主机在始发基座钢轨约束下以一定姿态向土体掘进，随掘进的进行逐步建起泥水压力并实施同步注浆。最终，直接依靠管片的支撑提供推进反力，负环管片得以拆除，按正常参数掘进。

　　 根据苏埃通道工程现场提供的东线反力架图纸，将反力架分为上下面板，腹板支撑和中间区域腹板。由于螺栓连接经过计算校核为合格，在建模过程中忽略了螺栓连接，直接将相互连接的板耦合建立反力架三维模型如图4所示。

　　 在有限元网格离散过程中，由于反力架主要由厚度为40mm面板和30mm的腹板焊接而成，对几何实体抽取中面后离散成shell(板壳)单元。上下横梁与中间腹板连接部位呈锐边连接，进行网格划分时出现尖角锐边造成单元畸变，故对锐边连接处采用以直代曲。反力架后面板与22根钢支撑采用节点耦合的方法连接，整个模型网格全局尺寸控制在50mm，单元总数为454 670个，离散后模型如图5所示。

　　 根据盾构始发的实际工况，分为进洞前工况、临界工况和进洞后工况3种类型。其中进洞后工况是主机与始发基座脱离的状况，此时始发基座与盾体阻力消失，同时受土层阻力、管片阻力、尾刷切口压力、拖车阻力、仓内反力(土压力、泥水压力)、掘进阻力的作用。该工况是始发过程中最恶劣的情形，因此选取了该工况下基于理论方法的工况荷载计算和基于经验法的推力估算。

　　 盾构始发时液压推进系统需要克服总阻力如图6所示，总阻力的计算公式包括盾构壳体侧面与周边地层(包括始发基座)的摩擦阻力F₁、正面的阻力F₂(包括掘进力、土压力、泥水压力)、盾尾与管片间的摩阻力F₃、当盾构机切口环凸出于刀盘时，应考虑切口环的贯入阻力F₄、在曲线中掘进时，应考虑变向阻力F₅以及后配套牵引力F₆，具体公式如下:

　　 根据日本和德国盾构施工数据，业界给出了盾构装备载荷设计的经验估计公式:F=βD²，其中:β为经验系数，一般取值500～1 200kN/m²,D为直径。

　　 基于以上两种方法，通过理论方法计算的盾构始发最大推力近似为90 000kN，通过经验法估值计算得出的盾构始发最大推力为60 000kN。

　　 90 000kN工况下，通过有限元模拟分析计算，剔除钢管支撑与反力架面板的作用处点接触产生的集中应力，整个反力架最大应力为344MPa，超过材料的屈服极限，位于反力架正面面板加载区，结构强度不能够满足设计要求，如图7所示;反力架最大位移为0.013 7m，表现出很好的刚度水准。该工况下，结构整体刚度足够，局部强度不足。

　　 60 000kN工况下，通过有限元的模拟分析计算，整个反力架最大应力为234MPa(此处安全系数1.38)，除该处安全系数稍微低外，其他位置安全系数较高，如图8所示。反力架最大位移为0.009m，该工况下强度、刚度均符合要求。

　　 盾构始发过程中对反力架的承载要求，恶劣工况下为90 000kN(9 000t)，是基于始发地层不稳、土压力较大的前提下考虑的。在此工况下，反力架部分区域应力超过了材料的屈服强度，认为此工况下反力架的强度不足。实际始发过程中，端头土体进行加固并检测加固效果，确保端头地层稳定，荷载可以不考虑因土压力产生的正面阻力(仅考虑泥水压力产生的仓压阻力)，该工况载荷为60 000kN(6 000t)，整个结构的安全系数约为1.38，如果不考虑安全系数，反力架结构能够承受的最大载荷为82 000kN(8 200t)。因此，要求端头土体加固达到要求，稳定的端头土体能够减少始发时反力架的载荷进而让结构处于许用应力范围内。

　　 针对汕头苏埃通道工程盾构需在主航道下方通过上下差异性极大的软硬不均地层及3段基岩突起时所面临的掘进参数选取难题，利用滚刀岩机作用综合实验台开展软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验，在不同刀间距不同掘进参数下获取所需的总推力和扭矩数据，试验结果表明目前盾构采用的刀间距能够有效破岩，17in(1in=25.4mm)的盘形滚刀将存在超载的风险，检验了采用19in滚刀的合理性及提高滚刀轴承承载能力的必要性，为盾构装备设计及施工参数选取提供参考。

　　 利用滚刀岩机作用综合实验台开展试验。3把盘形滚刀及刀箱安装在移动架上，推进油缸驱动移动架在竖直方向移动，模拟盾构推进过程;岩样按照设计尺寸浇筑在岩箱里，岩箱可按照设定转速旋转，实现滚刀与岩样之间的相对运动，模拟盾构刀盘旋转破岩过程。试验前调整好3把滚刀的刀间距(试验计划的刀间距为90,100,120mm)，设定好岩箱转速和掘进速度，试验中记录总推力、总扭矩变化情况。利用汕头苏埃通道工程现场取回的花岗岩与水泥砂浆(体积比1∶1)搭配浇筑岩样来模拟软硬不均地层。

　　 1)对于苏埃通道工程软硬不均地层，当刀间距为90,100mm和120mm时，所选的掘进参数均能有效破岩，刀具轨迹线之间的硬岩能够完全贯通，无岩脊产生;从不同刀间距条件下获取的岩渣粒径分布情况来看，刀间距增大，将提高粒径在50mm以上大块岩渣的占比，有利于提高破岩效率，如图9所示。

　　 2)试验过程中在破碎硬岩时，总推力均值保持在600～700kN，单把滚刀(17in)平均受力均在200kN以上，峰值已超过其承载力，因此为提高刀具使用寿命，对于苏埃通道工程而言，建议选用更高承载能力的滚刀轴承或选择更大直径的滚刀。

　　 3)试验过程中总推力和扭矩呈现周期性大幅波动，且随着贯入度的增加而逐渐增大，为降低这种交变荷载对地层稳定性和刀盘刀具可靠性的不利影响，掘进过程中建议刀盘转速控制在1r/min以内，贯入度控制在5mm/r以内。

　　 根据资料调研和施工经验，大直径盾构在穿越软硬不均地层时存在较大风险。尤其是大直径盾构穿越海底施工时，如若对该种工况处理不当，有很大概率会发生机毁人亡的重大事故。基于汕头苏埃通道海底隧道工程要穿越3段长度约182m的基岩突起段，因此必须对该段上软下硬地层的开挖面稳定性给予足够的重视，有必要对基岩突起段开挖面的失稳风险进行数值模拟分析，以便盾构机能够顺利通过。

　　 为了对上软下硬地层开挖面失稳机理进行模拟及评估，建立的三维模型须包含3个基岩凸起侵入隧道结构工程段在内，故本次数值模拟建立了2个三维模型，其中模型A包含WK4+455—WK4+500,WK4+586,WK4+656基岩凸起段，模型B包含WK4+790,WK4+857基岩凸起段。而为了更准确地模拟盾构掘进过程中，前方复杂地层对开挖面稳定性的影响，本次模型的建立还考虑了不同地层的起伏因素。模型的建立采用有限元软件MidasGTS，生成单元、节点坐标信息，再导入FLAC3D软件中进行开挖掘进计算。模型尺寸按照实际工程参考值设定，三维模型如图10所示。

　　 模型尺寸的具体参数如表1所示，考虑到隧道模型的轴对称特性以及边界条件，这里只取左半隧道进行建模分析(模型速度场关于过隧道轴线的垂直面对称)。模型保证足够的尺寸以减小边界效应，网格划分4面体非均匀网格，模型的边界条件为底部为固定边界，4个侧向边界固定法向约束。

　　 模型A地层从上到下依次为:(2)₂淤泥质土、(3)₄中粗砂、(4)₄淤泥质土、(6)₃中风化花岗岩;模型B地层从上到下依次为:(2)₂淤泥质土、(3)₁粉质黏土、(4)₂粉质黏土、(6)₁全风化花岗岩、(6)₄微风化花岗岩。

　　 根据室内试验结果、原位剪切试验结果以及水文地质试验结果，各层土材料参数取值通过换算应用到FLAC3D后的材料参数如表2所示。

　　 采用FLAC3D中的结构壳(shell)单元来模拟钢筋混凝土管片，管片厚度为600mm，密度为2.45×10³kg/m³，为了重点分析开挖面的变形规律，在本次数值模拟中，假定管片无变形。

　　 流体模型参数设置为:流体密度ρ_w=1 000kg/m³，流体模量M_f=2 000MPa。

　　 本次数值模拟针对3个基岩凸起段，截取7个不同截面，分别模拟开挖面的失稳状态，从而得到不同截面失稳的临界支护压力比。其中，模型A取4个截面分别对应平面x=18,x=32,x=60,x=87(编辑疑问:单位是米吗?余同)处;模型B取3个截面分别对应平面x=27,x=33,x=39处，如图11所示。基于相同的分析方法，仅以模型A中选取的x=18截面进行数值模拟分析。

　　 模型A截面x=18，为第一处基岩凸起段中心偏左位置，基岩(6)₃中风化花岗岩侵入隧道结构高度2.17m，掌子面范围内基岩上方地层为(3)₄中粗砂厚6.67m,(4)₄淤泥质土厚6.15m，开挖面前方一定范围内，基岩的侵入高度逐渐升高。

　　 计算不同支护压力比下模型A开挖面在x=18处，开挖面最终位移量云图如图12所示。

　　 绘制开挖面最大变形值随支护压力变化如图13所示，可知当支护压力比为减小到约0.25时，开挖面最大位移量发生突变，此时开挖面最大位移量为0.88m，采用线性差值法得到，当支护压力比≥0.44时，开挖面最大位移量≤0.2m。

　　 选取开挖面分别位于非上软下硬且比较均匀的截面A-60、上软下硬地层且软硬交界面与水平面夹角分别为正、零、负的B-27,B-33,B-39共4个截面时，每个截面选择稳定、临界失稳，未失稳、刚发生失稳4种状态的支护压力比进行开挖面失稳形状分析，基于所选4个截面的分析方法相同，仅以截面A-60为例进行分析。

　　 由云图可知，隧道开挖面前方土体失稳形状类似于楔形体-烟囱状，由于隧道埋深较浅，且上覆地层较软弱，由于开挖面的失稳引起的土体位移也发展到地表，引起地表沉降。对于开挖面位于非上软下硬且地层较均匀的模型A截面x=60处时，在支护压力比较大，开挖面稳定时，开挖面位移在整个断面范围内的差值不大，且失稳土体滑动面底部切面倾角近乎为0;而当支护压力比减小到临界失稳状态时，开挖面位移在整个断面范围内的差值增大，发生失稳滑动的土体主要位于开挖面上部，且滑动面底部切线倾角增大到近30°。

　　 1)开挖面失稳形状均类似于楔形体-烟囱状，且均发展到地表。失稳土体滑动面切面倾角范围在-10°～45°。对于无硬岩侵入截面，开挖面失稳影响范围约为1D(D为隧道直径)，而对于有硬岩侵入的截面，开挖面失稳影响范围将随着硬岩侵入高度的增加而减小。

　　 2)随支护压力的减小，开挖面最大位移发生点也逐渐上移，且无论地层是否上软下硬，最终发生失稳滑动的土体主要位于开挖面上中部。

　　 3)在本工程条件下，有硬岩侵入截面的临界支护压力相对无硬岩侵入截面的临界支护压力小，说明开挖面硬岩的侵入对维持开挖面稳定是有利的。各截面控制开挖面最大位移量不超过0.2m时的支护压力比约为0.36～0.56，说明维持开挖面支护压力比≥0.56，控制支护压力≥261kPa，理论上可以控制开挖面最大位移不超过0.2m;各截面控制开挖面最大位移量不超过0.1m时的支护压力比范围约为0.54～0.64，说明维持开挖面支护压力比≥0.64时，控制支护压力≥300kPa，理论上可以控制开挖面最大位移不超过0.1m。

　　 4)软硬岩交界面倾角对开挖面失稳的形状有一定影响，滑动面底部切面倾角与软硬岩交界面倾角符号相同，进而影响开挖面失稳范围，即倾角为正影响范围<倾角为0<倾角为负。且倾角为负的临界支护压力比较大，即相对来说较不稳定。

　　 针对汕头苏埃通道超复杂的工程特点和施工难点，总结了超大直径泥水盾构在施工中存在的主要风险，具体表现在始发风险、软硬不均地层刀具配置风险、开挖面失稳风险等。基于以上存在的风险，通过开展始发相关参数模拟与分析试验、岩机作用机理实验、开挖面稳定性数值模拟试验等，提出大直径泥水盾构施工中存在主要风险的解决办法，对提高施工现场的掘进效率和减少施工事故有很大帮助，对推动我国超大直径泥水盾构技术的发展具有重要的参考价值和指导意义。但是，针对目前取得的结论和防控措施虽然能给施工带来很大的参考和指导，在下一步的课题研究中，将现场实际采集的数据和通过试验得出的数据进行对比，以便调整偏差，为以后类似的工程得出更加精准的预测提供参考。