南京大直徑隧道工程綜合施工技術研究

中鐵十四局集團有限公司南京長江隧道工程指揮部【南京】大直徑隧道工程綜合施工技術研究NanjingYangtzeRiverTunnelProjectofChinaRailwayShisijuGroup尊敬的各位領導、各位專家：我叫王華偉，現(xiàn)擔任中鐵十四局南京長江隧道工程指揮部總工程師職務，我匯報的題目是《南京長江隧道工程綜合施工技術研究》，包括以下三項主要內容：一、工程總體情況介紹1、南京長江隧道工程項目概況2、南京長江隧道工程特點、難點及風險點3、設備情況簡介二、南京長江隧道工程施工情況綜述三、開展的技術攻關和施工綜合技術研究1、研究背景和意義2、南京長江隧道創(chuàng)新之處3、開展的主要研究項目和階段成果不當之處敬請批評指正！一、工程總體情況介紹

1、項目概況

南京長江隧道工程盾構隧道設計為雙向、雙洞6車道，其中左線盾構隧道長3022m，右線盾構隧道長3015m。隧道采用兩臺直徑Φ14.93m泥水盾構，由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進施工。盾構隧道水文地質情況盾構隧道工程區(qū)段屬長江河床及高河漫灘，地形開闊平坦。地表主要為農田、水塘、苗圃等。盾構穿越江面寬度約2600m，高水位多年平均值8.37m，最大水深約28.8m。隧道通過地段主要地層分布為粉細砂、礫砂、圓礫和強風化砂質泥巖。盾構隧道管片盾構隧道管片內徑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型兩種管片模式。管片設計強度C60，防水等級S12。一、工程總體情況介紹2、南京長江隧道工程特點、難點及風險點南京長江隧道是一項世界矚目的宏偉工程，南京長江隧道工程面臨一些世界級的技術難點和挑戰(zhàn)。本工程特點、難點及風險點主要包括以下六個方面：⑴盾構直徑超大荷蘭的綠心隧道盾構機直徑14.87m，是目前世界上已建成的直徑最大的盾構工程。南京長江隧道盾構機直徑14.93m，是目前世界上直徑最大的盾構機之一，直徑超過世界上已建成的最大盾構隧道。雖然盾構機尺寸的增大僅是數(shù)字的增大，但是由于盾構機尺寸的增大帶來的則是施工難度和風險的幾何增長，盾構機直徑的超大帶來的一系列問題是施工面臨的挑戰(zhàn)之一。

⑵水壓力高南京長江隧道盾構機工作壓力高，最大達到6.5㎏/㎝2（即相當于65m水頭壓力），在超大直徑盾構水下隧道項目中是世界最大的。⑶地層透水性特強長江南京水域的江中主要為粉細砂地層，以及部分礫砂、卵石層，砂層透水系數(shù)是粘土層的千倍以上，在如此高透水性地層條件下，而最大水壓力達到6.5㎏/㎝2，所有的水頭壓力均直接作用在隧道上，江底隧道掘進風險是巨大的，如何安全、順利完成施工是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

⑷水下一次掘進距離長，刀具保護要求極高南京長江隧道長度超過3km，而且地層條件復雜，以砂層為主：①如果在同等地質條件下，由于盾構直徑超大，南京長江隧道3km的掘進相當于直徑6.3m的地鐵盾構掘進17km。②同樣的盾構機刀具，在石英含量高的砂層中盾構機刀具的磨損是軟土地層中的10倍以上，也就是說：南京長江隧道盾構機掘進完成3公里長的江底隧道，相當于同樣直徑的盾構機在軟土地層中掘進30公里。因此刀具的保護是施工中必須克服的難題。⑸盾盾構構始始發(fā)發(fā)和和接接收收超超淺淺埋埋按照照一一般般作作法法，，盾盾構構機機始始發(fā)發(fā)和和接接收收覆覆土土厚厚度度一一般般不不宜宜小小于于1倍盾盾構構機機直直徑徑，，而而本本工工程程權權衡衡深深基基坑坑和和盾盾構構出出洞洞雙雙重重困困難難，，選選擇擇盾盾構構機機始始發(fā)發(fā)埋埋深深僅僅為為0.37倍盾盾構構直直徑徑（（5.5m），，在在國國內內是是埋埋深深最最淺淺的的；；除除了了荷荷蘭蘭綠綠心心隧隧道道以以外外，，世世界界上上還還沒沒有有更更淺淺埋埋深深盾盾構構始始發(fā)發(fā)范范例例。。另一一方方面面來來說說，，盾盾構構超超淺淺埋埋始始發(fā)發(fā)和和接接收收的的順順利利實實現(xiàn)現(xiàn)，，對對我我們們以以后后進進行行類類似似工工程程建建設設提提供供了了重重要要參參考考和和依依據(jù)據(jù)，，并并且且盾盾構構隧隧道道埋埋深深的的減減少少將將會會帶帶來來巨巨大大的的經經濟濟效效益益，，推推動動盾盾構構施施工工技技術術進進步步。。⑹江底底盾構覆覆土厚度度淺由于受客客觀條件件的制約約，線路路縱坡設設置雖然然達到最最大規(guī)范范坡度，，但是在在盾構到到達井一一側的江江底，有有一江中中沖槽段段，該沖沖槽段盾盾構最小小覆土厚厚度僅有有11m（僅有0.7倍盾構直直徑）。。而且該該段地層層為高透透水性、、松散的的粉細砂砂層，水水深卻高高達20多米，在在這樣高高水壓、、淺覆土土極端困困難的條條件下進進行隧道道施工安安全風險險極大，，這也是是南京長長江隧道道面臨的的難題和和挑戰(zhàn)。。鑒于南京京長江隧隧道面臨臨的上述述六大技技術難題題和挑戰(zhàn)戰(zhàn)，在沒沒有現(xiàn)成成經驗可可供借鑒鑒的情況況下，為為了安全全順利完完成這項項史無前前例的工工程施工工，我們們建立了了三級專專家體系系，堅持持依靠專專家團隊隊的智慧慧，為工工程施工工保駕護護航：1、以錢七虎院士為首的專家委員會2、以梁文灝院士為首的現(xiàn)場專家組3、由具有豐富施工經驗的國內外相關專家組成的工地專家組自2006年以來,我們先后后聘請國國內外盾盾構設備備、盾構構隧道施施工相關關的業(yè)內內知名專專家共計計25位（包括括錢七虎虎院士、、梁文灝灝院士、、日本專專家秋源源、法國國布依格格專家龍龍尚等）），分別針對對施一系系列技術術難題進進行了專專題論證證，截至至目前已已經在現(xiàn)現(xiàn)場召開開了35次專家評審審會，有有力的推推動了隧隧道建設設的安全全順利進進展。3、設備情情況簡介介根據(jù)南京京長江隧隧道穿越越地段水水文和地地質特點點，我們們量身定定做了兩兩臺德國國海瑞克克公司生生產的直直徑為14.93m的泥水平平衡盾構構機進行行南京長長江隧道道施工。。根據(jù)南京京長江隧隧道工程程的要求求，盾構構機設計計具有如如下先進進性：1、刀盤刀刀具設計計有71把能夠在在常壓下下進行更更換的刀刀具，且且安裝了了磨損監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)。2、主驅動動：帶有有特殊壓壓力裝置置的密封封系統(tǒng)符符合高工工作壓力力，在盾盾構機軸軸心部分分中部達達到7.5bar的要求。。3、主軸承承設計壽壽命達：：17,600小時。4、先進的的PLC系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)了故障障自動報報警，確確保盾構構機處于于良好工工作狀態(tài)態(tài)。5、盾體⑴設計計有大型型碎石機機，可以以破碎直直徑達到到1.2m的石塊。。⑵先進進的沖洗洗沖刷系系統(tǒng)減少少了開挖挖艙內碴碴土粘結結或大量量碴土沉沉積的情情況。⑶盾體體設計有有錐度（（由三個個直徑組組成），，即使使在施工工過程中中遇到長長時間停停機的情情況，恢恢復推進進時仍能能確保盾盾構機輕輕松前進進。6、盾構機機的操作作采用氣氣泡調節(jié)節(jié)技術，，能夠保保證支撐撐壓力的的精確率率為+/-0.05bar。在不穩(wěn)穩(wěn)定的、、混合地地層中能能夠安全全地進行行隧道開開挖操作作，外界界壓力的的變化不不會對開開挖面的的穩(wěn)定造造成影響響，沉降降控制在在+20mm～-40mm之間。7、盾尾專專門設計計了用于于高工作作壓力的的的密封封系統(tǒng)，，包括3道鋼絲刷刷、1道鋼板束束和1個應急密密封。8、盾構機機的主要要部件都都設計用用于長距距離隧道道掘進工工程（超超過15公里）。。二、南京京長江隧隧道工程程施工情情況綜述述南京長江江隧道工工程自2005年3月29日開工以以來，經經過四年年來的努努力，相相繼完成成了以下下工作：：1、克服了了國際融融資和國國際招標標程序復復雜、不不可控因因素多的的困難，，按期完完成盾構構機及配配套設備備的選型型和采購購工作；；2、用5個月的時時間完成成了按正正常工期期需要一一年才能能完成的的江北工工作井全全部土建建任務；；3、僅用58天時間就就完成了了正常需需要近五五個月時時間的盾盾構機組組裝，第第一臺盾盾構機于于08年1月15日試掘進進，2月27日正式掘掘進，目目前已掘掘進2300米；第二二臺盾構構機于08年5月16日破門進進洞，2009年5月20日，左線線隧道實實現(xiàn)貫通通；4、3043環(huán)管片生生產已經經于08年11月13日全部完完成，其其工藝控控制水平平和質量量達到世世界先進進水平，，箱涵已已于08年7月30日提前兩兩個月完完成了3082塊的全部部生產任任務；5、梅子洲洲接收井井自07年9月份開始始分段開開挖，08年6月25日提前5天完成全全部土建建施工，，保證了了盾構機機的到達達接收。。三、開展展的技術術攻關和和施工綜綜合技術術研究1、研究背背景和意意義2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果三、技術術攻關、、關鍵技技術研究究的開展展情況1、研究背背景和意意義目前國際際上修建建的大型型跨江、、跨海隧隧道還很很少，國國內則更更是剛剛剛起步，，在這方方面還沒沒有經驗驗,傳統(tǒng)的設設計與施施工方法法難以滿滿足超長長度、大大深度、、大斷面面的隧道道及地下下工程的的要求。。面對我我國將建建的一批批越江跨跨海等特特長隧道道工程，，一方面面我們要要緊跟國國際研究究的前沿沿，另一一方面則則要依托托南京長長江隧道道工程，，開展超超大直徑徑泥水盾盾構核心心技術研研究。2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處以南京長長江越江江隧道工工程為依依托，對對超大直徑徑盾構隧隧道的襯襯砌結構構型式及及力學行行為、超超淺覆土土始發(fā)和和接收施施工技術術、施工工風險分分析與應應對措施施以及高高水壓、、長距離離、淺覆覆土條件件下河床床處理及及掘進施施工技術術等建造關關鍵技術術進行深深入研究究，解決決復雜地地質條件件下超大大直徑盾盾構隧道道建造技技術難題題，形成成具有自自主知識識產權的的、整體體上達到到國際先先進水平平、部分分技術達達到國際際領先的的越江隧隧道核心心技術體體系。2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處創(chuàng)新點：：⑴發(fā)展展超大直直徑盾構構施工核核心技術術；⑵總結結出復雜雜地層條條件下盾盾構刀具具切削機機理和刀刀盤優(yōu)化化設計原原理，掌掌握合理理的最小小覆土厚厚度及相相應的安安全掘進進模式和和掘進參參數(shù)的關關鍵核心心技術，，建立泥泥水劈裂裂理論，，整理出出劈裂發(fā)發(fā)生以及及泥水噴噴發(fā)的判判別標準準；⑶發(fā)展展跨江跨跨海盾構構風險的的評估和和防范理理論，建建立風險險分析與與評估的的核心技技術體系系。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果南京長江江隧道工工程綜合合施工技技術研究究涉及兩兩方面內內容：一是機械械設備方方面。南南京長江江隧道采采用直徑徑14.93m泥水平衡衡盾構進進行施工工作業(yè)，，對于這這種超大大型機械械設備的的引進、、消化、、吸收、、改進，，設備的的運輸、、起吊、、組裝、、調試測測試，以以及設備備的接收收和施工工中的保保養(yǎng)維護護等等，，給我們們提出了了一系列列的研究究課題。。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果二是土建建方面。。土建方方面是課課題研究究的關鍵鍵和重點點，土建建方面的的課題又又分以下下幾個方方面進行行專題研研究：㈠推進進專題。。推進專題題研究包包括：盾盾構始發(fā)發(fā)和接收收、泥水水、掘進進參數(shù)、、同步注注漿等。。㈡小覆覆土、長長距離專專題小覆土、、長距離離專題研研究包括括：江中中沖槽段段掘進參參數(shù)的研研究、長長距離掘掘進刀具具的保護護等。這這是南京京長江隧隧道科研研工作的的核心內內容。㈢和盾盾構隧道道配套的的其他工工程專題題。和盾構隧隧道配套套的其他他工程專專題研究究包括：：基坑、、管片、、同步施施工等。。㈣信息息化施工工專題。。信息化施施工專題題研究包包括：三三維仿真真、遠程程監(jiān)控和和信息快快速反饋饋系統(tǒng)。。㈤安全全風險專專題。安全風險險專題研研究包括括：風險險分析和和應對措措施、安安全穿越越長江大大堤施工工等。南京長江江隧道工工程的科科研課題題將主要要圍繞以以上兩個個方面，，依托南南京長江江隧道，，整合利利用國內內相關科科研單位位和高校校研究機機構，分分門別類類展開各各個專題題研究。。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果針對兩個個方面、、六個專專題我們們開展了了一系列列課題研研究，下下面我針針對四個個主要課課題情況況向大家家介紹如如下：超大斷面面盾構隧隧道襯砌砌結構選選型及力力學特征征研究超大直徑徑盾構高高水壓長長距離淺淺覆土條條件下掘掘進施工工技術研研究超大直徑徑盾構隧隧道施工工三維數(shù)數(shù)值可視視化仿真真模擬技技術研究究超大直徑徑盾構、、超淺覆覆土始發(fā)發(fā)施工技技術研究究3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果3.1超大斷面面盾構隧隧道襯砌砌結構選選型及力力學特征征研究南京長江江隧道穿穿越軟硬硬程度差差異極大大的混合合地層，，隧道頂頂部與長長江最高高水位差差約60m，隧道施施工全過過程以及及運營階階段必將將承受較較大的外外部荷載載(高水壓、、土壓以以及其他他各種形形式的可可預見和和不可預預見的荷荷載)，同時由由于水文文及地質質原因，，作用在在盾構隧隧道襯砌砌結構上上的水土土壓變化化也較大大；除施施工條件件困難外外，隧道道主體結結構體系系復雜、、未知因因素眾多多，在國國內尚無無同類水水下隧道道的結構構設計、、施工先先例，為為了確保保隧道在在施工期期間的安安全性，，在環(huán)境境保護、、建成后后的可靠靠性等諸諸多方面面取得成成效，并并獲得良良好的技技術經濟濟效益和和巨大的的綜合社社會效益益，開展展其超大大斷面襯襯砌結構構選型及及力學特特征試驗驗研究，，獲取寶寶貴的第第一手原原始資料料，具有有十分重重要的現(xiàn)現(xiàn)實意義義。管片結結構力力學行行為研研究已已經列列入國國家“863”計劃研研究、、示范范項目目?；谏仙鲜稣J認識，，我們們在進進行管管片高高性能能混凝凝土配配比和和施工工工藝藝研究究的同同時，，和項項目公公司、、鐵四四院、、西南南交通通大學學一起起，利利用用半年年的時時間，，在現(xiàn)現(xiàn)場進進行管片襯襯砌結結構體體原型型加載載試驗驗，研研究管管片環(huán)環(huán)結構構在通通縫與與錯縫縫拼裝裝方式式下、、以及及在各各種拼拼裝組組合方方式下下的力力學行行為特特征，，以此此檢測測結構構內力力與變變形，，以及及評估估配筋筋設計計，尋尋求相相對最最優(yōu)的的拼裝裝方式式，最最后通通過破破壞試試驗觀觀察通通縫與與錯縫縫拼裝裝方式式下的的破壞壞特征征。試驗內內容（1）組合合管片片環(huán)加加載試試驗（（模擬擬錯縫縫拼裝裝方式式）；；（2）組合合管片片環(huán)破破壞試試驗；；（3）單環(huán)環(huán)管片片環(huán)加加載試試驗（（模擬擬通縫縫拼裝裝方式式）；；（4）單環(huán)環(huán)管片片環(huán)破破壞試試驗。。試驗裝裝置及及加載載試驗裝裝置采采用“多功能能盾構構隧道道結構構體原原型加加載系系統(tǒng)”裝置，，環(huán)箍箍梁用用于對對管片片環(huán)施施加環(huán)環(huán)箍力力而產產生軸軸力，，以此此模擬擬水壓壓，而而對拉拉梁用用于對對管片片結構構施加加徑向向壓力力而產產生彎彎矩，，在不不同位位置對對結構構進行行加載載，最最后在在相對對最優(yōu)優(yōu)的拼拼裝方方式下下以5000kN軸力和和約3100kN的彎矩矩對結結構加加載破破壞。。每個千千斤頂頂和鋼鋼鉸線線提供供1500kN的集中中力，，環(huán)箍箍上每每環(huán)需需4條環(huán)箍箍鋼鉸鉸線，，提供供最大大的軸軸力為為6000kN；在對對拉梁梁上最最大能能提供供6000kN的對拉拉力，，在進進行組組合管管片環(huán)環(huán)試驗驗時，，最大大能提提供3000kN/環(huán)的對對拉力力，最最大能能產生生約6000kN?m/環(huán)的彎彎矩。。在彈彈性階階段內內試驗驗，只只需2組千斤斤頂對對拉即即可，，提供供3000kN的對拉拉力，，最大大能產產生約約3000kN?m/環(huán)的彎彎矩。。組合管管片環(huán)環(huán)（錯錯縫））加載載示意意圖單環(huán)管管片環(huán)環(huán)（通通縫））加載載示意意圖管片試驗共共需要要3環(huán)管片片，1環(huán)用于于單環(huán)環(huán)管片片環(huán)加加載及及破壞壞試驗驗，2環(huán)用于于組合合管片片環(huán)加加載及及破壞壞試驗驗，其其中有有1環(huán)管片片需平平分成成半幅幅寬環(huán)環(huán)，對對稱放放地在在1整環(huán)管管片兩兩側。。測試項項目量量測項項目主主要有有管片片內力力、管管片變變形、、鋼筋筋受力力、接接縫張張開、、接縫縫壓應應力、、螺栓栓應力力以及及混凝凝土裂裂縫的的產生生和發(fā)發(fā)展等等。測縫計計、混混凝土土應變變計、、鋼筋筋計埋設好好監(jiān)測測元件件的鋼鋼筋籠籠澆筑完完成、、養(yǎng)護護的試試驗用用管片片管片切切割及及切割割后的的管片片試驗支座下半環(huán)拼裝拼裝完完成的的試驗驗管片片穿鋼絞絞線架對對拉拉梁梁組合管管片環(huán)環(huán)加載載試驗驗單環(huán)管管片加加載試試驗管片裂裂縫接縫張張開管片加加載破破壞螺栓抗抗拔試試驗管管片破破壞通過上上述在在現(xiàn)場場進行行的管片襯襯砌結結構體體原型型加載載試驗驗，我我們驗驗證了了管片片結構構及設設計的的合理理性，，同時時試驗驗結果果對我我們優(yōu)優(yōu)化管管片施施工工工藝，，管片片選型型、拼拼裝順順序、、螺栓栓緊固固等方方案的的優(yōu)化化和改改進提提供了了重要要依據(jù)據(jù)，具具有重重要的的現(xiàn)實實指導導意義義。3、開展展的主主要研研究項項目和和階段段成果果3.2超大直直徑盾盾構高高水壓壓、長長距離離、淺淺覆土土條件件下掘掘進施施工技技術研研究研究的的背景景南南京京長江江隧道道盾構構施工工中存存在的的重大大風險險點及及難點點（（1）江中中水壓壓高南南京長長江隧隧道盾盾構機機工作壓壓力約約6.5bar,在同等等直徑徑及更更大直直徑泥泥水盾盾構項項目中中是世世界最最大的的。東京灣灣海底底隧道道最大大水壓壓為6bar,荷蘭綠綠心隧隧道最最大水水壓為為5.5bar；長江江上的的另外外兩條條盾構構隧道道——上海滬滬崇蘇蘇和武武漢過過江隧隧道，，最大大水壓壓為5～5.5bar。（2）江中中段覆覆土厚厚度小小、水水壓大大，地地層突突變江中段段最小小覆土土厚度度小于于1倍盾構構直徑徑，尤尤其是是江南南沖槽槽段覆覆土厚厚度僅僅有11m（0.7D），其其前方方以大大坡度度覆土土厚度度增加加，地地形起起伏極極大，，而且且地層層為粉粉細砂砂以及及礫砂砂、卵卵石層層，切切削面面穩(wěn)定定和泥泥水壓壓力很很難控控制，，稍有有不慎慎，就就有可可能發(fā)發(fā)生泥泥水劈劈裂、、江水水倒灌灌事故故。（3）一次次掘進進距離離長，，高水水壓下下?lián)Q刀刀困難難15m級的超超大直直徑盾盾構一一次掘掘進距距離長長近3公里。。盾構構穿越越的地地層基基本為為砂層層，在在石英英含量量高的的砂層層中盾盾構機機刀具具磨損損是軟軟土地地層中中刀具具磨損損的10倍以上上，刀刀具磨磨損嚴嚴重。。一旦旦刀具具過于于磨損損，難難以掘掘進，，被迫迫停機機，將將給施施工帶帶來極極大的的困難難。不不僅工工期、、工程程質量量難以以保證證，在在高水水壓的的江底底，將將有塌塌方危危險。。高水壓壓、小小覆土土盾構構掘進進問題題，主主要是是泥水水劈裂裂地層層、冒冒漿問問題。。國內內外這這方面面研究究成果果很少少，沒沒有施施工經經驗可可供借借鑒。。大直徑徑高水水壓盾盾構開開挖面面穩(wěn)定定問題題，一一直是是困擾擾著國國際盾盾構界界的難難題，，特別別在高高水壓壓下、、透水水性大大、穩(wěn)穩(wěn)定性性差的的地層層中掘掘進，，還沒沒有很很好的的方法法。刀具磨磨損問問題研研究的的資料料就更更少，，近年年在地地鐵盾盾構施施工中中，北北京、、廣州州、成成都、、沈陽陽等地地相繼繼出現(xiàn)現(xiàn)刀具具磨損損等問問題，，還沒沒有好好的評評價標標準和和措施施，特特別是是在高高水壓壓下?lián)Q換刀，，這方方面研研究還還沒有有展開開。國內內外外研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀及及研研究究基基礎礎鑒于于上上述述情情況況，，結結合合南南京京長長江江隧隧道道的的實實際際條條件件，，我我們們以以南南京京長長江江隧隧道道工工程程為為依依托托，，研研究究水水底底盾盾構構隧隧道道“高水水壓壓小小覆覆土土施施工工、、長長距距離離掘掘進進”兩個個子子課課題題的的相相關關理理論論和和針針對對性性技技術術措措施施，，課課題題研研究究擬擬采采用用現(xiàn)現(xiàn)場場試試驗驗與與監(jiān)監(jiān)測測、、室室內內模模型型實實驗驗、、理理論論分分析析等等技技術術手手段段，，現(xiàn)現(xiàn)場場實實驗驗與與監(jiān)監(jiān)測測為為主主體體，，室室內內實實驗驗及及理理論論分分析析為為補補充充，，相相互互配配合合，，以以趨趨完完善善，，達達到到“研究究成成果果服服務務于于工工程程，，減減小小工工程程施施工工風風險險、、節(jié)節(jié)省省工工程程投投資資、、確確保保工工程程安安全全、、提提高高工工程程經經濟濟性性”的總總體體目目的的。。研究究目目標標子課課題題1：南南京京長長江江隧隧道道高高水水壓壓、、小小覆覆土土盾盾構構施施工工技技術術研研究究（1）構構建建泥泥水水劈劈裂裂壓壓力力（（包包括括啟啟裂裂壓壓力力，，伸伸展展壓壓力力））、、劈劈裂裂發(fā)發(fā)生生位位置置、、劈劈裂裂發(fā)發(fā)生生和和伸伸展展方方向向及及伸伸展展速速度度的的力力學學模模型型；；（2）提提出出盾盾構構掘掘進進過過程程中中地地層層劈劈裂裂發(fā)發(fā)生生與與掘掘進進參參數(shù)數(shù)的的關關系系，，整整理理出出劈劈裂裂發(fā)發(fā)生生以以及及泥泥水水噴噴發(fā)發(fā)的的判判別別標標準準，，提提出出規(guī)規(guī)避避泥泥水水噴噴發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象象發(fā)發(fā)生生的的措措施施；；（3）提提出出覆覆土土厚厚度度、、水水壓壓等等與與盾盾構構機機參參數(shù)數(shù)及及掘掘進進參參數(shù)數(shù)的的關關系系；；（4）提提出出合合理理的的最最小小覆覆土土厚厚度度及及相相應應的的安安全全掘掘進進模模式式和和掘掘進進參參數(shù)數(shù)。。子課課題題2：大大型型泥泥水水盾盾構構長長距距離離掘掘進進研研究究（1）總總結結分分析析刀刀具具磨磨損損數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，針針對對南南京京長長江江隧隧道道具具體體工工程程，，建建立立磨磨損損對對盾盾構構掘掘進進性性能能影影響響評評價價體體系系，，提提出出合合理理掘掘進進參參數(shù)數(shù)和和施施工工措措施施，，增增大大掘掘進進距距離離；；（2）綜綜合合各各研研究究手手段段，，提提出出盾盾構構刀刀具具切切削削機機理理和和刀刀盤盤優(yōu)優(yōu)化化設設計計原原理理、、針針對對不不同同地地層層進進行行刀刀盤盤、、刀刀具具優(yōu)優(yōu)化化設設計計分分析析。。研究究成成果果匯匯報報右線線初初始始掘掘進進段段現(xiàn)現(xiàn)場場原原位位試試驗驗選取取右右線線初初始始掘掘進進長長度度135m左右右進進行行現(xiàn)現(xiàn)場場原原位位試試驗驗右線線初初始始掘掘進進段段現(xiàn)現(xiàn)場場原原位位試試驗驗選取取右右線線初初始始掘掘進進長長度度135m左右右進進行行現(xiàn)現(xiàn)場場原原位位試試驗驗，，是是基基于于以以下下考考慮慮：：⑴該該段段盾盾構構施施工工埋埋深深淺淺，，覆覆土土厚厚度度5.5m～11.65m。⑵距距離離始始發(fā)發(fā)井井75m左右右有有一一水水塘塘。。與與江江中中淺淺覆覆土土段段工工況況有有相相似似之之處處。。⑶該段段施施工工便便于于進進行行各各種種檢檢測測原原件件的的埋埋設設和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)測測量量。。⑷可以以進進行行理理論論分分析析和和現(xiàn)現(xiàn)場場的的實實際際對對比比。。右線線初初始始掘掘進進段段地地層層自自上上而而下下分分別別為為:②-3粘土土④淤淤泥泥質質粉粉質質粘粘土土⑥淤淤泥泥質質粉粉質質粘粘土土夾夾粉粉土土⑦-2粉土土⑧粉粉細細砂砂⑨粉粉細細砂砂其中中盾盾構構穿穿越越地地層層主主要要為為④④淤淤泥泥質質粉粉質質粘粘土土地地層層。。該該土土層層含含水水量量大大，，孔孔隙隙比比大大，，滲滲透透系系數(shù)數(shù)小小，，強強度度指指標標小小，，屬屬于于典典型型的的軟軟弱弱粘粘土土。。試驗驗目目的的1)泥水水盾盾構構掘掘進進對對周周圍圍地地層層的的影影響響；；2)小覆覆土土泥泥水水盾盾構構掘掘進進合合理理的的施施工工參參數(shù)數(shù)；；3）與與壓壓力力相相關關的的包包括括泥泥水水壓壓力力和和注注漿漿壓壓力力的的控控制制指指標標；；監(jiān)測測內內容容1)地表表變變形形監(jiān)監(jiān)測測：：監(jiān)監(jiān)測測隧隧道道橫橫向向和和縱縱向向地地表表沉沉降降，，繪繪制制橫橫向向沉沉降降槽槽和和縱縱向向沉沉降降曲曲線線，，研研究究地地表表沉沉降降隨隨盾盾構構推推進進的的變變化化規(guī)規(guī)律律；；2)地層層分分層層沉沉降降和和水水平平位位移移監(jiān)監(jiān)測測：：利利用用測測斜斜儀儀監(jiān)監(jiān)測測不不同同深深度度處處地地層層水水平平位位移移，，利利用用分分層層沉沉降降儀儀監(jiān)監(jiān)測測不不同同深深度度處處地地層層豎豎向向位位移移，，根根據(jù)據(jù)水水平平和和豎豎向向位位移移，，判判斷斷盾盾構構施施工工對對土土體體的的擠擠壓壓情情況況。。3)原位位水水土土壓壓力力及及孔孔隙隙水水壓壓力力監(jiān)監(jiān)測測：：以以雙雙膜膜土土壓壓力力盒盒監(jiān)監(jiān)測測土土體體原原位位壓壓力力；；利利用用孔孔隙隙水水壓壓力力計計記記錄錄地地層層孔孔隙隙水水壓壓的的變變化化，，為為泥泥水水盾盾構構掘掘進進尤尤其其是是小小覆覆土土工工況況下下掘掘進進時時泥泥水水壓壓力力和和注注漿漿壓壓力力的的設設定定提提供供依依據(jù)據(jù)；；4)選取取第第二二監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面，，在在臨臨近近該該斷斷面面前前盾盾構構以以較較大大泥泥水水壓壓力力掘掘進進，，取取得得監(jiān)監(jiān)測測數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，與與正正常常泥泥水水壓壓力力掘掘進進時時所所取取得得的的各各項項數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)進進行行對對比比分分析析，，為為江江中中小小覆覆土土段段地地層層處處理理方方案案及及施施工工參參數(shù)數(shù)提提供供理理論論依依據(jù)據(jù)；；5)優(yōu)化化盾盾構構施施工工參參數(shù)數(shù)：：包包括括泥泥水水艙艙壓壓力力、、推推力力、、推推進進速速度度、、出出土土量量、、壁壁后后壓壓力力和和注注漿漿量量、、盾盾構構姿姿態(tài)態(tài)等等。。第一一個個斷斷面面為為常常規(guī)規(guī)掘掘進進監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面。。第二二個個斷斷面面為為改改變變泥泥水水特特性性、、泥泥水水壓壓力力、、推推力力、、壁壁后后注注漿漿壓壓力力以以及及掘掘進進速速度度的的監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面。。監(jiān)測測斷斷面面布布置置試驗驗分分兩兩個個區(qū)區(qū)段段，，分分別別為為在在距距始始發(fā)發(fā)井井70m處（（覆覆土土厚厚度度8m）和和120m處（（覆覆土土厚厚度度11m）。。1）地地表表沉沉降降點點布布置置2)地層層分分層層沉沉降降和和水水平平位位移移監(jiān)監(jiān)測測點點布布置置第一一監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面分分層層沉沉降降和和測測斜斜儀儀布布點點（距距始始發(fā)發(fā)井井70m，埋埋深深約約8m）第二二監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面分分層層沉沉降降和和測測斜斜儀儀布布點點（距距始始發(fā)發(fā)井井120m，埋埋深深約約11m）3)土壓壓力力和和孔孔隙隙水水壓壓力力監(jiān)監(jiān)測測點點布布置置第一一監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面土土壓壓力力計計和和孔孔隙隙水水壓壓計計布布點點（距距始始發(fā)發(fā)井井75m，埋埋深深約約8m）第二二監(jiān)監(jiān)測測斷斷面面土土壓壓力力計計和和孔孔隙隙水水壓壓計計布布點點圖圖（距距始始發(fā)發(fā)井井125m，埋埋深深約約11m）地層分層沉降降和水平位移移監(jiān)測點土壓力和孔隙隙水壓力監(jiān)測測點監(jiān)測實施第一監(jiān)測斷面面：按正常設設定掘進盾構切口到達達離測點前30m時開始監(jiān)測地地表變形、測測斜、分層沉沉降、土壓力力及水壓力值值。其中地表表變形、測斜斜及分層沉降降每環(huán)測1次，測量時間間安排在推進進結束后進行行。土壓力及水壓壓力值采集頻頻率為每環(huán)測測3次。第二監(jiān)測斷面面：加大泥水水壓力、改變變泥水特性、、以更大推進進速度掘進（（根據(jù)第一斷斷面試驗結果果）監(jiān)測頻率基本本與第一斷面面相同，加大大泥水壓力、、改變泥水濃濃度、壁后注注漿壓力較大大、掘進速度度快條件下進進行監(jiān)測。分分層沉降、土土壓力及孔隙隙水壓力是監(jiān)監(jiān)測重點。125m斷面地表沉降降發(fā)展過程120m斷面3#孔縱向水平位位移3#孔土壓計土壓壓變化2#孔孔隙水壓變變化趨勢1、通過右線初初始掘進段現(xiàn)現(xiàn)場原位試驗驗取得的監(jiān)測測數(shù)據(jù)，我們們通過進行對對比分析，對對監(jiān)測方案進進行了優(yōu)化調調整（觀測點點加密、泥水水采用分步加加壓、掘進速速度調整、加加壓產生劈裂裂等），繼續(xù)續(xù)在左線進行行試驗監(jiān)測。。2、通過進行左左右線原位試試驗，將成果果應用到室內內盾構掘進泥泥水劈裂試驗驗裝置上，通通過理論分析析、原位試驗驗、室內模型型試驗等一系系列手段，完完善江中淺覆覆土段的施工工方案，確保保該段施工安安全順利進行行。3、根據(jù)理論計計算分析、現(xiàn)現(xiàn)場原位試驗驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分分析、掘進泥泥水劈裂試驗驗裝置模擬，，形成了非拋拋填方式穿越越江中沖槽段段淺覆土的施施工方案并通通過專家評審審，我們嚴格格按照評審的的方案實施，，于2009年4月7日-4月12日安全順利穿穿越江中沖槽槽超淺覆土段段，比原計劃劃提前了7天時間，成功功克服了覆土土薄、水壓大大、透水強，，極容易發(fā)生生擊穿冒頂、、江底沉降、、坍塌的巨大大風險，破解解了在強透水水地質、不進進行河床處理理等條件下穿穿越江中沖槽槽淺覆土的施施工技術難題題，填補了國國內同類施工工的空白，積積累了寶貴經經驗。泥水盾構長距距離掘進研究究刀盤的基本結結構南京長江隧道道盾構刀盤形形式為輻條面面板式，直徑徑為14.93m,重量達400t，由6個主輻臂（1#-6#）和6個輔助輻臂（（1#-6#）組成，主輻輻臂上安裝先先行刀、刮刀刀和小鏟刀，，輔助輻臂上上安裝大鏟刀刀，刀盤的開開口率約為30％。1#主輻臂6#主輻臂5#主輻臂4#主輻臂3#主輻臂2#主輻臂2、刀具的基本本結構南京長江隧道道盾構機配備備刀具總數(shù)量量為225把（從開挖軌軌跡上說是309把），刀具由由先行刀、刮刮刀、鏟刀和和仿形刀四種種組成。先行刀16把，高出刀盤250mm刮刀189把（常壓可更換刀71把，固定刀118把），刮刀高出刀盤200mm。小鏟刀3對，安裝在1#－3#主輻臂上，鏟刀高出刀盤200mm。

大鏟刀6對（覆蓋31#～38#刮刀的開挖軌跡），安裝在1#－6#輔助輻臂上，鏟刀高出刀盤200mm。南京長江隧道道盾構在掘進進中，尤其是是在砂礫石地地層中掘進遇遇到的主要問問題是：⑴刀具磨損過過快。⑵刀具磨損過過度。38#刀磨損后38#刀磨損前38#左側考慮到刀具存存在的上述問問題，我們對對刀具形式、、加工工藝等等各方面進行行分析和研究究，并根據(jù)研研究結果對刀刀具進行了三三種改進方案案設計，以適適應礫砂層掘掘進。在現(xiàn)場場取742～792環(huán)（50環(huán)）作為改進進刀具應用試試驗段，不同同改進方案刀刀具分別安裝裝在同一軌跡跡，以檢驗各各自優(yōu)缺點。。通過50環(huán)試驗段統(tǒng)計計，對三種改改進方案進行行了對比分析析：方案I新改進刀具總總體性能比原原裝刀具有很很大提高，但但崩齒現(xiàn)象依依然嚴重，四四把刀中有3把出現(xiàn)崩齒現(xiàn)現(xiàn)象，由于合合金頭部倒角角較尖銳，導導致正常磨損損量也偏大（（7mm左右；方案II改進刀具主要要表現(xiàn)在兩排排合金之間刀刀體磨損較嚴嚴重，合金耐耐磨性能較好好，合金崩裂裂和整體脫落落趨勢嚴重，，36#刀（左）兩排排合金全部崩崩裂；方案III刀具表現(xiàn)最好好，所有刀具具均未出現(xiàn)任任何崩齒現(xiàn)象象，自然磨損損也很小，幾幾乎全在3mm以內。由于方案III性能表現(xiàn)總體體良好，故以以改進方案III刀具性能為計計算依據(jù)，理理論計算掘進進距離分別為為38#刀具400m，24#～37#刀具在700～1000m之間，其余在在1000m以上，考慮合合金崩裂或其其他原因對刀刀具壽命的不不預期影響，，安全系數(shù)取取2，38#刀具掘進距離離為200m，其余刀具掘掘進距離在300m以上。通過在施工過過程對刀具磨磨損的分析以以及進一步的的改進與工程程應用，大大大加深了我們們對礫砂地層層刀具切削機機理、刀具選選型、刀具設設計的理解與與認識，換刀刀距離由改進進前的50環(huán)（100m）普遍提高到到改進后的300環(huán)（600m）以上，工程程效益顯著，，對以后類似似工程提供了了一個很好的的借鑒案例，，意義深遠重重大。左線到達接收收井后，部分分刀具照片，，可以看出改改進后的刀具具全部表現(xiàn)為為正常磨損，，未見合金崩崩裂脫落。現(xiàn)場應用情況況：在現(xiàn)場實實際施工時，，方案III刀具更換距離離普遍在300環(huán)以上，幾乎乎未出現(xiàn)合金金崩裂脫落等等現(xiàn)象，與掘掘進距離估算算結果基本一一致。方案III改進刀具在后后續(xù)施工最長長掘進距離達達到了363環(huán)（27#刀具）。3、開展的主要要研究項目和和階段成果開展盾構隧道道施工三維數(shù)數(shù)值可視化仿仿真模擬技術術研究，通過過進行隧道始始發(fā)和接收、、穿越長江大大堤、最淺覆覆土層施工、、復合土層施施工、兩條隧隧道臨近超越越施工的三維維可視化仿真真模擬，達到到如下目的：：1）通過三維可可視化仿真，，分析隧道施施工中發(fā)生地