超大直徑盾構施工技術綜述

1、超大直徑盾構施工關鍵技術綜述王華偉（中鐵十四局集團有限公司）一、工程概況1.1地理位置南京長江隧道南京長江隧道工程位于南京長江大橋與三橋之間，連接河西新城區(qū)-梅子洲-浦口區(qū)，是南京市跨江發(fā)展戰(zhàn)略的重要標志性工程，它的建成將徹底改變目前南京市長江單一的橋梁過江交通方式，對于緩解跨江交通壓力，促進沿江經(jīng)濟發(fā)展，造福百姓，具有十分重要的意義。 1.2水文和地質(zhì)條件盾構隧道穿越的江面寬度約2600m，最大水深約28.8m，最大水壓力為6.5kg/cm2，江中最小覆土厚度為10.49m（0.7D）。隧道所穿越的主要地層包括：填土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉細砂、礫砂、圓礫以及少量強風化粉砂質(zhì)泥巖。其

2、中盾構穿越強透水地層（滲透系數(shù)達10-2-10-3cm/s）2672m，占盾構段總長度的88.4%，對刀具磨損嚴重、造成掘進困難的礫砂、圓礫復合地層地段長1325m，占整個隧道長度的43.8。1.3設計情況南京長江隧道工程全長5853m，按雙向6車道快速通道規(guī)模建設，設計車速80公里/小時。其中左線盾構施工段長3022m，右線盾構施工段長3015m。隧道施工采用兩臺直徑14.93m的泥水平衡盾構機，由江北工作井始發(fā)向江心洲接收井同向掘進。盾構隧道管片內(nèi)徑13.30m，外徑14.50m，厚度60cm。每環(huán)襯砌由10塊管片組成，環(huán)寬2m。管片拼裝設計為7塊標準塊、2塊相鄰塊和1塊封頂塊，分Z型Y型

3、兩種管片模式。管片設計強度C60，防水等級S12。二、國內(nèi)外超大直徑盾構隧道建設情況介紹盾構法隧道施工技術問世至今已有近200年，作為隧道建造的一種先進技術盾構法已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道等工程領域，但超大直徑盾構隧道工程實例并不多見，國內(nèi)外典型的工程項目主要有：1、國外超大型水下盾構工程典型項目（1）日本東京灣橫斷公路隧道：1997年建成，跨海雙向4車道公路隧道，盾構機直徑14.14m，隧道總長度9.1公里，被人工島分為4.6公里和4.5公里長的兩段，每段由兩臺盾構機對向各掘進約2.5公里；主要地質(zhì)為軟弱的沖積、洪積黏性土層以及洪積砂層，最大水壓6kg/cm2，屬于當時最大直

4、徑盾構隧道。（2）德國漢堡易北河第四公路隧道：2000年1月底貫通，雙向4車道公路隧道，盾構機直徑14.2m，隧道長度為2561米，穿越的地層主要為黏土、松散至細密的砂、礫石和冰山泥灰?guī)r，最高水壓約為4.5kg/cm2，打破東京灣橫斷公路隧道直徑記錄，成為世界當時最大直徑盾構隧道。（3）荷蘭格林哈特隧道（綠心隧道）：2004年年底貫通，雙線鐵路隧道，盾構機直徑14.87m，隧道全長7155m，分為4個區(qū)間（最長2200米）。地質(zhì)主要為軟粘土、泥煤層和細沙，最高水壓5kg/cm2，又創(chuàng)造了一個新記錄。2、國內(nèi)超大型水下盾構工程典型項目國內(nèi)超大型水下盾構工程典型項目主要有：上海滬崇蘇過江隧道和南京

5、長江隧道。武漢長江隧道、獅子洋隧道、穿黃河隧道三條盾構隧道雖然各有特點，但盾構直徑較小，均在9.0m11.37m之間。上海滬崇蘇長江隧道是一條高速公路與地鐵合建的隧道，其盾構直徑為15.44米，總長度為7470米，于2008年8月28日貫通。盾構段穿越的主要地層為淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、砂質(zhì)粉土等，最高水壓5.5kg/cm2。國際上直徑超過14m、采用泥水平衡盾構建造的隧道見下表。建設時間隧道名稱掘進距離盾構機最大水壓地質(zhì)情況總長每段掘進長度直徑數(shù)量19891997日本東京灣公路隧道9.1km2.5kmØ14.14m8臺6.0kg/cm2軟弱的沖積、洪積黏性土層以及洪積砂層

6、19972003德國漢堡易北河第四隧道2.56km2.56kmØ14.2m2臺4.5kg/cm2黏土、松散至細密的砂、礫石、和冰山泥灰?guī)r20002004荷蘭綠心隧道7.2km2.2kmØ14.87m4臺5.0kg/cm2軟粘土、泥煤層和細砂20042009上海滬崇蘇隧道7.47km7.47kmØ15.43m2臺5.5kg/cm2淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、砂質(zhì)粉土2005-2010南京長江隧道3.02km3.02kmØ14.93m2臺6.5kg/cm2粉土、粉細砂、礫砂、卵石和強風化巖層三、南京長江隧道的工程特點、難點及風險點通過與上述幾個隧道相比

7、，南京長江隧道幾乎涵蓋了其它所有典型盾構隧工程的難點和風險點，南京長江隧道工程是中國長江流域上工程技術難度最高、挑戰(zhàn)性最多的地下工程，作為世界級的越江工程，南京長江隧道面臨的是高風險、高挑戰(zhàn)性的世界級難題,其特點主要體現(xiàn)在六個方面：“大”、“高”、“強”、“薄”、“長”、“險”?！按蟆保杭炊軜嬛睆匠?。盾構機直徑14.93m，是世界上直徑最大的盾構之一。“高”：水土壓力高達6.5 kg/cm2，目前在同類盾構隧道中，國內(nèi)首屈、世界之最?！皬姟保核淼来┰降牡貙又饕獮闈B透系數(shù)很高的強透水層，占隧道總長的70%以上?！氨　保航准s150m長的沖槽段覆土厚度不足1倍洞徑,最小埋深僅10.49m；始發(fā)段

8、埋深僅5.5m(不足0.4D)?！伴L”：在砂卵石層中連續(xù)掘進3000多米一次越江，相當于在粉粘土地層中掘進30公里、相當于地鐵盾構連續(xù)掘進17 公里?！半U”：隧道穿越粉土、粉細砂、礫砂、卵石和強風化巖層，地質(zhì)條件異常復雜，同時地層中存在大量大塊卵石、鋼材、鐵器等異物，這些異物對刀盤刀具和盾體都造成了很大傷害。高水壓、強透水、長距離、復雜地質(zhì)條件下的掘進難度巨大，風險巨大。四、關鍵施工技術綜述作為泥水平衡盾構施工，從管片制作、到盾構掘進、同步注漿、管片拼裝、泥水管理、同步施工、物流組織、維保等作為常規(guī)工序，關鍵是做好規(guī)程制定，明確責任人和作業(yè)范圍，在此不再一一贅述。下面我就南京長江隧道的始發(fā)、接

9、收、江中沖槽段淺覆土施工、長距離穿越復合地層施工、高壓進倉修復刀盤刀具等關鍵施工技術研究成果向大家匯報如下，請各位專家批評指正。4.1 盾構始發(fā)盾構始發(fā)是掘進施工的開始，也是盾構機整個系統(tǒng)工作的開始，同時也是設備檢測、調(diào)試的時刻，更是極易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)。我們對始發(fā)的定義：自鋼負環(huán)管片（-9環(huán)）安裝起，至盾構機刀盤離開全斷面加固區(qū)（此時推進至+5環(huán)行程約1800mm）止，整個始發(fā)過程盾構機整機前移約24m，分為洞前加固、盾構機負載調(diào)試、洞門破除、壓力建倉、碰壁開挖、密封環(huán)封閉（二次密封）、始發(fā)掘進等幾個過程。南京長江隧道始發(fā)存在較大風險，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、地下水位高，地表下50即是地下

10、水，水頭壓力高達2.3 bar。2、地層透水性極強，連續(xù)墻鑿除后在地下水的作用下，穩(wěn)定性差的粉細砂層極易發(fā)生坍塌等風險。3、覆土薄，始發(fā)埋深僅5.5m，不足0.4D，極易擊穿冒頂，壓力建倉困難。4、盾構機直徑大，洞門破除后掌子面難以穩(wěn)定。5、盾構機直徑大，重量達4000噸，盾構機姿態(tài)難以控制。針對上述風險，我們最終采用了高壓旋噴全斷面加固+冷凍+降水的三保險方案，確保了始發(fā)的萬無一失。始發(fā)現(xiàn)場照片4.2長距離穿越復合地層施工復合地層是指粉細砂、礫砂、圓礫組成的混合地段，該地層的特點是地層不均勻，透水性強，石英含量高，對刀具和刀盤的磨損大；泥漿漏失量大，壓力保持困難，掌子面穩(wěn)定性差。南京長江隧道

11、所穿越的復合地層地段長1325m，占整個隧道長度的43.8。為此我們在施工中采取了一系列技術措施，從各個環(huán)節(jié)做好控制，保證了施工順利進行。1、實施常壓刀具更換南京長江隧道盾構機配備刀具總數(shù)量為225把，刀具由先行刀、刮刀、鏟刀和仿形刀四種組成，其中常壓可更換刮刀71把。部分刀具照片（圓圈中為可更換刀具）刀具更換作業(yè)示意圖常壓刀具更換實施的意義：雖然常壓可更換刀具的設計不是第一次采用，但南京長江隧道則是世界上首次進行常壓刀具更換。常壓換刀的成功實施，避免了高壓換刀作業(yè)的巨大風險，標志著超長隧道的掘進成為可能。2、改進刀具盾構機原裝刀具為廠家隨機配置的，在石英含量高的復合地層中施工，刀具壽命僅50

12、m左右就必須更換，而水下帶壓換刀是極其困難的，即使實現(xiàn)了常壓刀具更換，其風險也是很大的，且費用極其昂貴，按期完成南京長江隧道的建設也是不可能的?；谏鲜鲈?，必須對刀具進行改進，研制出適應復合地層的新型刀具。通過在施工過程對刀具磨損的分析以及進一步的試驗、改進與工程應用，大大加深了我們對復合地層刀具切削機理、刀具選型、刀具設計的理解與認識，研制出的新型刀具換刀距離由改進前的50 m提高到改進后的900 m，比原進口刀具提高了15倍，為長江隧道的順利建成發(fā)揮了重要作用，工程效益顯著，對以后類似工程提供了一個很好的借鑒案例，意義深遠重大。適應于復合地層的新型刀具已經(jīng)申報發(fā)明專利。3、推進參數(shù)控制降

13、低推進速度，減小刀盤轉(zhuǎn)速，減小錐入度。4、泥漿嚴格泥水指標控制，摸索出了適合不同砂卵石復合地層的配比，泥漿對刀具保護、砂卵石地層中泥漿的攜碴能力、泥膜對掌子面的穩(wěn)定和保護等均獲得良好效果。5、同步注漿根據(jù)施工速度調(diào)整漿液凝結(jié)時間，嚴格控制漿液配比，確保其和易性和流動性。同步注漿采用注漿量和注漿壓力的雙控制，保證漿液充填率。6、盾尾保護盾尾是保障施工的生命線，盾尾保護是一項重要工作，保證盾尾刷處于良好的工作狀態(tài)就必須做好以下工作：保證盾尾油脂注入量和注脂壓力。保證同步注漿質(zhì)量，注入速度和掘進速度相匹配。嚴格控制泥水壓力，防止泥水壓力傳遞至盾尾后擊穿盾尾刷而造成泄漏。嚴格控制盾構姿態(tài)，杜絕較大糾偏

14、。4.3高水壓高氣壓條件下刀盤刀具修復施工過程中，由于盾構機原配刀具與地層不響應且監(jiān)測報警系統(tǒng)失效，在江中壓力最大地段出現(xiàn)刀盤刀具磨損過大，而在此地段進行刀盤刀具的修復將面臨兩大困難：（1）國內(nèi)僅有在4.3kg/cm2壓力下進艙檢查的案例，到目前國內(nèi)還沒有高壓焊接作業(yè)的先例，而南京長江隧道的作業(yè)壓力為6.0kg/cm2，在這么高的壓力下進行刀盤刀具的焊接作業(yè)，如何保證工程及人員的安全是擺在我們面前的第一大難題。（2）盾構機所處位置為透水性極強、穩(wěn)定性很差的礫砂地層，在這種地質(zhì)條件下，采用什么樣的壓力條件和泥漿指標才能使掌子面長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)，是擺在我們面前的第二大難題。修復原理是在掌子面上開

15、挖出一個工作空間，空間外層是一層泥膜，隔斷外側(cè)江水同時避免氣體泄漏，作業(yè)人員在此空間內(nèi)進行刀盤刀具修復。因此調(diào)配出高質(zhì)量的泥漿、設定合理的壓力參數(shù)是保證修復作業(yè)安全順利進行的關鍵。最終經(jīng)過兩個月的多次進倉作業(yè)，成功完成6.0bar高水壓、高氣壓條件下刀盤刀具修復這一世界級難題，這標志著我們在高水壓復雜地質(zhì)條件下，對泥水壓力參數(shù)設定、泥漿指標制定和控制、盾構機姿態(tài)保持、盾尾密封安全保護和同步注漿等一系列技術標準的制定和實施積累了成熟經(jīng)驗，而且我們還在高壓下刀盤刀具焊接、動火方面取得重大突破，打破不能在高壓空氣下動火的禁區(qū)（國內(nèi)僅允許在高壓水下動火焊接作業(yè)），為修改和完善規(guī)范，也為我們以后在更高壓

16、力下進行刀盤刀具修復實施提供了可靠的依據(jù)。高壓進倉泥漿配比也已經(jīng)進行發(fā)明專利的申報。4.4江中沖槽淺覆土段施工1、江中沖槽淺覆土段情況說明隧道靠近梅子洲一側(cè)有一段長約150米的江中沖槽段，覆土厚度均不足1倍洞徑,最小埋深僅10.49米。2、主要風險由于江中沖槽段覆土薄，水位高（水深21.5m），同時前方以大坡度覆土厚度增加，地形起伏極大，該段施工具有如下風險：壓力過大會造成泥水擊穿覆土，與江水連通。壓力不夠會造成塌方冒頂。最大風險時刻如圖所示，盾尾處于最小覆土位置（10.49米），刀盤位置覆土則達到22.47米，由于刀盤與盾尾泥水相通，盾尾泥水壓力與刀盤頂部一致，必須有足夠壓力保證開挖面穩(wěn)定，

17、同時又要保證盾尾不出現(xiàn)劈裂事故。3、方案比選拋填方案江中沖槽淺覆土段掘進施工可以采取在盾構掘進到達淺覆土段前進行江中拋袋回填施工，增加該段覆土的厚度。非拋填、不進行地層處理的方案不采用拋填方案，不進行地層處理，采用高質(zhì)量泥漿，優(yōu)化施工參數(shù)，迅速通過江中沖槽淺覆土地段。由于采用覆土拋填施工方案需要在拋填位置上、下游先拋筑兩條潛堤，在潛堤間再拋投粘土。潛堤結(jié)構采用袋裝砂拋填，潛堤之間采用粘土拋填，由于粘土的顆粒細，不宜采用水力沖灌方式，只能采用100150kg的人工袋裝砂粘土進行拋填。拋填方案可以在覆土厚度上達到掘進要求，但由于長江水流較快，實施拋填后很難在江底形成均勻的覆蓋層，且與原有河床下土體

18、無法成為一個穩(wěn)定整體，同時由于拋填筑壩會引起該范圍的局部沖刷，擾動原覆土層的穩(wěn)定，而且拋填成本高，實施難度大，實施效果差，根據(jù)數(shù)次專家會討論，結(jié)合科研成果，決定不采用拋填方案，采用現(xiàn)在實施的不進行地層處理的施工方案。4、科研情況選取與江中淺覆土段工況有相似之處的初始掘進長度135m左右進行原位試驗，并將泥水劈裂的試驗數(shù)據(jù)與理論計算、實際掘進參數(shù)進行綜合對比分析，摸索出合理的掘進參數(shù)，為江中沖槽超淺覆土段掘進參數(shù)設定提供了第一手資料。利用模型盾構機進行室內(nèi)模擬掘進試驗，進一步驗證推進參數(shù)。通過模型實驗、現(xiàn)場原位實驗和理論分析研究泥水劈裂機理，最終確定了江中沖槽段相應的施工方案和應急預案。5、技術

19、措施按照“高粘優(yōu)漿、合理低壓、精細控制、平穩(wěn)推進、快速拼裝、禁止停機、一次通過”的原則，嚴格掘進過程管理控制，嚴控泥水壓力和注漿壓力，防止壓力大的波動，平穩(wěn)、快速通過江中沖槽淺覆土地段。為保證泥漿指標，每環(huán)加入高濃度優(yōu)質(zhì)新漿，對劣化的泥漿指標進行調(diào)節(jié)或部分置換，具體實施時根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，以保證形成致密泥膜封閉掌子面，給掌子面提供足夠的支撐壓力。南京長江隧道左右線隧道分別順利穿越江中沖槽段，成功克服了覆土薄、水壓大、透水強，極易發(fā)生擊穿冒頂、江底沉降、坍塌的巨大風險，破解了在強透水地層、不進行地層處理條件下穿越江中沖槽淺覆土段的施工技術難題，積累了寶貴經(jīng)驗，填補了國內(nèi)同類施工的空白。以

20、不進行地層處理的施工方案穿越江中沖槽淺覆土地段的施工技術的掌握，為水下盾構施工技術領域積累了寶貴的經(jīng)驗。4.5 盾構接收1、接收風險盾構接收是盾構施工階段面臨的最后一個風險環(huán)節(jié)，稍微的麻痹大意都會帶來災難性的后果，這在國內(nèi)外一些盾構工程中已經(jīng)多次發(fā)生，南京長江超大直徑盾構面臨的風險更大： 接收地點位于四面環(huán)水的梅子洲上，且地層以粉細砂為主。 大直徑的盾構進入接收井預埋鋼環(huán)時對測量的要求更高。由于長江南京段水面開闊，兩岸之間距離近3公里，水面光線折射對測量精度影響大，隧道貫通精度控制難度大。2、應對措施針對地層以粉細砂為主的實際情況，采用三軸攪拌樁對地層進行加固。采用接收井端頭凍結(jié)加固，啟動降水

21、并灌水接收，避免了洞門密封失效的風險、涌砂的風險，成功實現(xiàn)了盾構的安全接收，真正做到了萬無一失。通過接收方案的實施，兩臺盾構均實現(xiàn)安全接收，隧道貫通后，左右線水平、豎直4個貫通誤差數(shù)據(jù)中有3個在5mm以內(nèi)，最大也僅有27mm，比設計和規(guī)范規(guī)定的允許偏差精確的多。五、幾點體會通過南京長江隧道施工，有以下幾點體會：1、堅持“穩(wěn)字當頭，安全第一”，保證隧道施工安全和質(zhì)量在組織施工中，特別是深大基坑開挖、盾構機工地組裝、超淺埋始發(fā)、穿越長江大堤、江中超越、江中沖槽超淺覆土、高壓進倉、盾構機接收等重要風險環(huán)節(jié)，我們始終以“穩(wěn)字當頭、安全第一、萬無一失、確保成功”作為項目建設的指導方針，以 “如履薄冰，如

22、臨深淵”的心態(tài)和科學嚴謹?shù)木?，敏感而慎重的對待現(xiàn)場每個細微變化，做好施工方案和規(guī)避風險的預案，從而使得右線和左線都能成功始發(fā)并順利接收，隧道完成地段不滲不裂不漏無錯臺，德國、日本等行業(yè)專家都稱“質(zhì)量標準達到世界先進水平”。2、堅持科技先導，攻克技術難題南京長江隧道面臨著諸多的世界級技術難題和施工風險。面對施工風險和技術難題的挑戰(zhàn)，在沒有現(xiàn)成經(jīng)驗借鑒的情況下，我們依靠專家團隊的智慧，建立了三級專家體系，充分利用社會資源，在專家的指導和幫助下，聯(lián)合科研院所確立了六大科研課題、60余項專業(yè)技術課題，現(xiàn)場組織科技攻關，“超大直徑盾構法越江隧道建造關鍵技術研究”列入江蘇省2008年科技支撐計劃，獲科研經(jīng)費資助100萬元。我們在施工中用科研成果破解技術難題，化解風險，先后攻克盾構機長距離穿越砂卵石復合地層施工、高水壓高氣壓條件下刀盤刀具修復、江中沖槽淺覆土段施工、超大直徑泥水盾構超淺覆土始發(fā)和接收等諸多世界級技術難題