武汉长江隧道工程盾构施工

,武汉长江隧道工程盾构施工技术,一、工程概况二、工程重难点分析三、泥水盾构选型和性能四、施工关键技术五、浅覆土地面冒浆应对措施六、科技创新,一、工程概况,1、工程位置武汉长江隧道为武汉市重点工程，是武汉市重要的过江交通通道，位于武汉长江一、二桥之间。起点为汉口大智路与铭新街的交叉口，终点为武昌友谊大道南侧规划中的沙湖路，线路平面见下图。2.工程规模工程范围包括盾构始发井、到达井、盾构隧道、联络通道、明挖暗埋隧道、A、B、C、D、E、F六条匝道、管理中心大楼、通风井、路面工程及机电设备安装工程等。主线隧道建筑总长3630m，其中盾构隧道左右线各长2538.6m，过江段长1310m。,武汉长江隧道总平面图,3.盾构隧道线路平、纵、横断面设计概况盾构段隧道线间距为16m28m，隧道线路平面最小曲线半径为800m。线路纵坡大致为U形，线路最大下坡坡度为4.35%，最大上坡坡度为4.4%。隧道覆土厚度在6.8-43m之间。盾构隧道为双洞分离式隧道，衬砌外径11000mm，内径10000mm，采用通用（楔形量为55mm）钢筋混凝土管片。隧道断面底部设逃生通道和电缆通道，中部为行车道，上部为专用排烟道。为改善隧道的防灾条件，在两条盾构隧道间设置2条联络通道。,4.隧道穿越地层岩性分布本盾构隧道先后穿越淤泥质粘土、粉细砂、中粗砂、卵石、上软下硬复合地层等，具有地层多变、高承压水等特点。,盾构隧道工程地质纵断面图,武汉长江隧道工程是个高风险、高难度、规模大、技术复杂的涉及多领域的系统工程,技术特点和难点主要体现在长约2.5km，外径为11m的两条圆隧道的设计、施工和施工组织等方面，可以用多变、长、大、深、难几个字来概况：1、地质条件复杂多变。盾构隧道穿越的地层,进出洞段以粉质粘土、粘土、淤泥质粘土为主，江边及江中段以粉细砂及中粗砂为主，江中段局部穿过上软下硬的复合地层，地质条件复杂且多变，且隧道穿越的地层透水性强，最大水压达0.6Mpa。对盾构机性能（适应性、可靠性、耐久性）要求高。,二、工程重难点分析,2、高水压。在最大水压0.6Mpa下盾构推进的施工安全和工程防水是重点。关键是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作、耐久性和管片的拼装防水质量。3、长距离掘进。盾构长距离掘进中密和密实粉细砂（石英含量高），并在江中段掘进上软下硬地层，切削中等风化基岩，对刀具特别是边刀的磨损很大。盾构正面刀盘刀具耐久性和可靠性是一次过江成败的关键。4、周边环境复杂，保护难度大。进出洞段埋深浅，且下穿众多重要的建筑物，如电教楼、长江防洪大堤、武大铁路、鲁兹故居等5、施工难度大。施工中存在以下技术难题：高承压水砂层联络通道施工风险大；特殊地段（浅覆土、上软下硬复合地层、小半径曲线段）盾构掘进质量控制难度大；大体积、深手孔管片预制裂纹防治难度大。,二、盾构选型、性能,1、盾构的选型（1）盾构机的分类根据开挖面平衡根据地层和地下水情况，所采用的稳定开挖面的方法进行分类，盾构法分为敞开式盾构（自然平或机械支护）、气压盾构（压缩空气支护）、泥水盾构（泥水支护）、土压平衡盾构（碴土支护）和复合式盾构。,2、盾构选型,（）盾构选型的内容A盾构机基本类型的选择：土压盾构、泥水盾构、复合盾构B盾构刀盘与刀具的选择：幅条式刀盘、面板式刀盘；滚刀、切刀、先行刀、超挖刀。c主要功能的配置：土压盾构：加泥装置、泡沫注入装置；泥水盾构：冲洗装置、气垫平衡装置；复合盾构：功能部件更换、多模式平衡功能,（2）盾构机选型及定购的依据土质条件、岩性；开挖面稳定；隧道埋深、地下水位；设计隧道的断面；环境条件、沿线场地；衬砌类型；工期；造价；辅助工法；设计路线、线形、坡度；选型的原则：掘得进、稳得住、出得来、成形快、环保好,地质影响因素：土砂层、岩层，特别应考虑特殊地质条件，一般来说对于土层或淤泥质地层，选择土压平衡盾构；而砂层或卵石地层选择泥水；岩石地层选择土压盾构；对于复合地层需要综合分析。主要因素有：地层的渗透系数、岩土层的颗粒分布与组份、岩石的强度、岩石的RQD指标、地质构造。,环境因素：建构筑物、场地环境、工程投资作为控制地层变形能力评判，泥水盾构优于土压盾构；但是由于泥水处理系统的需要，工作场地要求大。从工程投资角度考虑，一般泥水盾构施工的成本高于土压盾构的1520%；且泥水系统会造成噪音污染。,3、武汉长江隧道盾构性能介绍根据武汉长江隧道盾构所穿越的地层分析，即有强度高的粉砂岩，也有粉细砂和粉质粘土等，以及高水压、周边环境条件复杂的特点，因此采用复合式泥水平衡盾构施工。具有高效的开挖系统、泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、控制及故障显示功能、方向控制及导向系统、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离系统等基本功能,盾构由法国NFM公司设计，除核心设备采用进口件，部分结构在国内制造。（1）盾构机类型：膨润土-气垫式泥水平衡盾构；（2）开挖直径11.38米；（3）重量：主机与后配套的重量1100t（主机900t，后配套200t），其中刀盘组件重160t；（4）长度：整机56米，主机壳体长度11.71米；（5）最小转弯半径400m；（6）推力：最大推力121220kN；（18组共36根油缸）（7）扭矩：最大扭矩13650kNm0.85转/分；最大转速时的扭矩5050kNm2.3转/分；脱困扭矩17750kNm；（8）速度：最大掘进速度40mm/min,（1）刀盘和刀具设计支撑方式：中心支撑（八个辐条）刀盘型式：复合刀盘（39把17“单刃滚刀，224把切刀）开挖直径11380mm，开口率30%（中心部位50%）滚刀安装在从半径2.0m至周缘处，间距108mm；周边的保护刀32把；仿形刀1把；切刀磨损检测装置4把；刀盘分块数量3块；刀盘和刀具做了耐磨工艺处理，满足长距离掘进要求,三层刀具复合设计:（应付软土地层与硬岩地层的交替推进功能）刮刀设计有两排碳化镶嵌物，形成两层截割层。在掘进第一段沙和粘土中，第一排碳化物开挖土壤，此排碳化物保护盘刀不磨损。在下部是岩石的隧道段，岩石磨掉了刮刀上部的40mm，直至盘刀可以正常作业，此时刮刀只是刮削岩石。当盾构到达第二段软土时，盘刀会很快磨损，第二排刮刀可以正常开挖沙和粘土，直至掘进结束。,20mm,11mm,第二层滚刀部分,第一层切刀,第二层切刀,第二层普通材质在滚刀作用时很快磨损,（2）刀盘驱动系统型式变频电机驱动，驱动功率2008即1600kW；双向转速02.3转/分(连续可调)；最大扭矩13650kNm0.85转/分；脱困扭矩17750kNm主轴承类型3排滚柱2排轴向-1排径向轴承主轴承寿命10000小时；密封25道密封，开挖室的最大工作压力6.0bar,（3）可靠的密封系统：主轴承密封,主轴承由唇式密封来保护，配备了2排、每排5道唇式密封。如果外部压力为6bar，HBW油脂压力应为6.5bar，满足江底掘进高水压耐水压力。,盾尾密封（防止泥浆、地下水等进入盾构体内）,采用四道盾尾密封，即三排钢丝刷+一排钢板束。以抵抗高水压力及可能的流砂泄露盾尾密封性能主要靠充满整个油脂桥腔的油脂建立压力密封，油脂压力的设定值根据如下原则设置:若底部注浆管最大压力设定值为N,三道盾尾油脂腔的压力由盾尾向刀盘方向依次为N+2、N+1、N。当地层压力过高时，盾尾油脂腔的压力应综合考虑盾尾刷结构承受能力进行合理调整。,（4）采用先进的气垫泥水压力维持技术使开挖面前部砂土中形成一层膨润土保护膜，通过使用位于主开挖室后的一个单独的气垫室来精确地控制开挖室以及盾构机前部膨润土保护膜的压力。这种系统能确保开挖面稳定。,泥水压力设置泥水压力采用静止土压力（水土分算）作为控制上限，主动土压力作为控制下限。穿越密集建筑物时压力设定值靠近上限。一般根据地层性质，砂土、粉土、粉质粘土等渗透系数较大的地层，采用水土分算。地面荷载偏压的情况下，压力设定值宜取超载和无荷载的中间值。判断合理性的依据：A、压力设定要不断摸索，通过地表沉降及时修正。B、在渗透性大的地层，利用泥浆漏失量作为检验压力设定是否合理为依据是可行的。,（5）推进系统最大推力121220kN油缸数目36个、单个油缸推力3366kN；油缸行程：2600mm；油缸分组：为4组；最大推进速度40mm/min；,（6）泥水系统一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理（达到环保要求后排放），再将回收的泥浆调整利用。,泥水盾构的泥水系统由四大部分组成造浆分系统输送分系统处理分系统（振动筛和旋流器）振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛的作用始对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径泥水监控分系统,粘土地层泥浆采用小密度小流量，但由于泥水分离效果差，泥浆密度上升快，一般都在1.2左右；砂土地层泥浆采用大密度大流量，一般进浆控制在1.1左右。在砂层段粘度适当提高，利于工作面稳定和泥水输送。,(7)盾构导向系统,四、盾构施工关键技术,1、盾构始发技术,盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效果和洞圈止水密封的效果。（1）始发地基加固由于始发端处于渗透性很小的土层中，土体加固采用三轴搅拌桩和双重管高压旋喷相结合的方式。土体加固以搅拌桩为主，高压旋喷为辅，旋喷桩加固搅拌桩与连续墙间的部分。见下图所示。,（2）洞圈止水装置：设两道帘布橡胶止水带。,（3）辅助措施：增设降水井、降低地下水位，减小涌水风险。（4）始发效果左线由于加固长度超过盾构主机长度，在出加固区前对管片背后进行注浆，防止了盾构出加固体后掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流出，确保了泥水压力的建立，始发控制达到预期效果。但右线在出洞过程中，由于加固长度短，帘布橡胶自身防水效果不好，泥水压力无法正常建立，从而导致上部地层沉陷。,（5）体会地基加固的长度要综合考虑破除洞门后的土体稳定能力和洞门密封防水效果，加固长度最好大于盾构主机长度。对于土体加固采用的方法，从江南始发效果看，在粘土层中采用搅拌桩效果很好。建议洞门密封结构增加油脂腔,增强防水效果。,2、浅覆土段施工技术本工程盾构进出洞段和武昌深槽段施工覆土厚度均小于1D，施工中易出现以下问题：（1）地表冒浆；（2）地表沉降量大；（3）粘土粘附刀盘；（4）管片上浮。,采取以下措施：（1）合理设置压力，控制好切口水压，尽量保持切口水压的稳定。（2）推进速度和姿态由于盾构机的推进速度和姿态控制直接影响到土体沉降，要本着施工快速、高效的原则，优化工序衔接，快速通过。同时盾构机的姿态变化不宜过大或过频。（3）在粘土地层中掘进以低进尺、高转速推进。（4）密切关注出土量变化，以便及时采取措施控制超挖。（5）控制好泥浆循环，避免堵管引起压力突变。（6）利用中部及上部4个注浆管注浆，注浆采用一定稠度和早强的水泥砂浆，避免管片上浮。（7）江底砂层掘进时，调整好泥浆质量,将泥浆的粘度提高。,盾构浅覆土下穿建筑物,盾构始发浅覆土下穿建筑物,盾构下穿铁路示意图,武昌长江防洪大堤,长江防洪大堤,隧道穿越位置,武昌长江防洪大堤,3、大直径盾构小半径曲线掘进管片破损控制技术当盾构进入本隧道半径800m曲线段施工时，发生管片被盾壳挤坏、管片错台和前后管片螺栓孔无法对齐等问题。主要是由于盾尾在焊接过程中失圆，造成盾尾间隙局部过小，加之大直径管片在拼装中不可避免的出现失圆（武汉长江隧道椭圆度为3左右）；因此盾构机在曲线上掘进时，管片外弧与盾尾内壁间的距离沿环向分布不均匀,造成一侧间距很小,而另一侧间距较大,产生“卡壳”，造成管片拉裂。,采取的控制措施：（1）对盾尾突出部分进行打磨（主要是45度角）；（2）盾构掘进过程中确保每米纠偏量；（3）合理选取管片的拼装点位；（4）管片拼装过程中将管片往所转弯方向的环面人为错台3mm；（5）严格三道复紧等制度，确保管片拼装成环质量；（6）制定详细的管片修补方案，管片发生破损后及时修补，确保防水效果。武汉长江隧道根据情况采用环氧树脂修补，效果不错。,4、地面沉降控制从实际监测情况看，在盾构性能正常掘进情况下，地表沉降可控制在20mm左右，保证周边环境安全。从地层沉降历程变化曲线的情况看，盾构机通过和盾构脱出后20m内这两个阶段是地表变形的主要阶段，占到总沉降量的80%左右。（1）均衡快速掘进通过确保盾构机及后配套设备正常运转，使盾构均衡匀速施工，快速通过，以减少盾构施工对其影响。（2）施工参数优化盾构穿越过程中严格控制切口水压，同时也必须严格控制与切口压力相关的施工参数，如推进速度、总推力、进排浆量等，尽量减少压力的波动。（3）关键还是要精细操作盾构机，控制泥水压力，调整好泥浆质量，使掌子面保持稳定，加强泥水循环系统控制和泥浆管理，适当减少出碴量。,（4）严格控制同步注浆量和浆液质量武汉长江隧道利用盾构推进中的切屑土研制开发出水下不分散砂浆同步注浆材料，其主要指标为：稠度1718cm、初凝时间5h。施工时根据使用情况和试验结果对浆液进行优化调整。同步注浆压力大于泥水压1-1.5bar。同步注浆量综合考虑不同地层和周边环境确定。粘土地层注浆填充率160180，砂土地层注浆填充率130150基本上是比较合适的。武汉长江隧道（5）严格控制纠偏量严格控制盾构推进轴线，避免过多、过量的盾构纠偏，以减少盾构推进对土层的扰动，控制地表变形。（6）信息化动态施工（7）畅通信息沟通渠道,5、管片裂纹控制技术管片裂纹防治技术是本隧道大体积、深手孔混凝土管片质量控制的关节环节。,（1）裂缝出现的位置和原因分析蒸养前产生的裂纹为塑性裂纹，主要产生在管片外弧面，是由于环境条件导致混凝土表面水分的迅速失去而产生收缩，从而导致裂缝的产生。蒸养脱模后在外弧面和侧面产生微裂纹，该裂纹主要是由于温差产生的应力造成的。蒸养后深大手孔裂纹：由于本工程管片手孔尺寸较大，国内大部分混凝土管片的手孔深度在l5cm左右，而本工程管片的手孔尺寸达到了23cm，由于钢模导热性能好，在钢模和混凝土的接触界面形成由混凝土侧指向钢模侧的温度梯度，混凝土表面产生拉应力，在手孔突变区形成应力集中。,蒸养前外弧面裂纹,蒸养后侧面裂纹,管片手孔裂纹,（2）裂纹的控制措施管片裂纹控制的关键在于配合比设计和蒸养制度，具体措施如下：优化混凝土配合比。选用低水化热水泥，严格控制水泥用量；严格控制水灰比；粗、细骨料的颗粒级配要与混凝土的配比相适应。制定蒸养作业标准流程。管片蒸养必须先试验，不可照搬照抄规范.静养和升温、恒温、降温时间必须根据现场情况进行测定后，制定切实可行的作业工艺标准。做到缓慢升温、高湿低温、缓慢停汽，均匀降温，保持湿度。推迟蒸汽养护加大静停时间或是减少升温速率以防止蒸养引起的破坏作用。确保蒸汽均匀分布，避免局部受热。混凝土及时进行收光，收光后迅速用塑料薄膜进行覆盖，预防外露面失水，是防止混凝土表面产生塑性裂纹的重要措施。重视厂房内的温度和湿度控制(尤其是北方冬季施工)，减小在管片在生产过程中混凝土和钢模及与大气环境产生的湿度差。在手孔部位及其周围模具上涂刷纤维水泥浆，增强管片混凝土表面抗拉强度。严格施工过程监控.,6、带压进仓技术武汉长江隧道在左线泥浆门无法正常严密关闭的情况下，因需处理碎石机油管爆裂和油缸缸体焊缝击穿等故障，进行了带压潜水作业取出泥浆门滑槽和在2.6bar压力下带压焊接碎石机油管等带压工作，同时在过江前为进行刀具磨损检查，创造了国内4.5bar压力下带压作业的新记录。为确保带压作业工作的安全，主要应做好以下工作：（1）根据现场情况选择合适的带压方式如武汉长江隧道工程盾构始发掘进过程中，发现泥浆门不能正常工作，该段隧道覆土厚度只有7m左右，就采用了压气与潜水相结合的方法，完成了泥浆门的修复工作。即保证了开挖面稳定，又避免气体发生泄漏。（2）提前做好人员身体检查和培训，选择实力雄厚、经验丰富的合作单位。（3）制定详细的作业方案：设定确保开挖面稳定和防止涌水所必须的最小压气压力，以避免施工对周边环境及附近地区产生影响；,带压作业前，提前做好设备（加压设备、通讯设备、应急救护设备、应急电力设备等）的检查，确保完好。应急设备物资准备到位；带压作业时，要保证泥膜质量并不得破坏泥膜，同时控制好压力波动。（4）制定详细的应急预案并进行技术交底，如2.6bar压力下带压焊接碎石机油管作业，要做好防火、通风、压力设备泄露等安全防范工作。,带压潜水作业取出泥浆门滑槽,在2.6bar压力下带压焊接碎石机油管,过江前4.5bar压力下带压检查刀具,、盾构掘进认识和体会（1）重视和加强盾构设计联络、监造与工厂组装调试工作。确保盾构在工厂组装调试合格后再拆卸到工地组装，避免因质量缺陷在现场进行修改，现场受条件限制，修改难度大且质量无法保证，将为后期掘进带来隐患。（2）加强人员技术培训。针对目前现场技术资源缺乏，加强和提高操作员工的业务水平和应急应变能力是确保安全施工的关键环节。（3）加强系统管理、严肃施工纪律杜绝违章作业。泥水盾构施工要做到管理系统化，实施包括泥水压、出碴量、同步注浆和地层变形等施工管理数据在内的综合系统管理。武汉长江隧道坚持实施了方案专家审查、地质素描和反馈制度及管片拼装掘进通知单等制度，有效的提高了员工责任心和工作质量。（4）盾构掘进过程中做到三有序三平衡三平稳：施工组织管理有序、机械保养有序、信息管理有序；泥水压力平衡、注浆压力平衡、注浆量与进尺平衡；盾构掘进姿态平稳、管片拼装姿势平稳、推进速度平稳。,1、岸上浅覆土段地表冒浆处理措施（1）稍微降低泥水控制压力，在较小波动情况下快速通过；（2）地表覆盖（砼、粘土堆高）；（3）通过后地表钻孔注浆；（4）提高泥浆质量。,五、浅覆土地面冒浆应对措施,2、江中工作面失稳处理措施2007年9月1日13：45，右线盾构隧道在第434环掘进1930mm时（里程为RK4402.770，武昌深槽附近），由于P1.1泵突然跳停，关闭泥浆循环不及时，气仓液位迅速降低，导致气体从气仓底部的泥浆门位置进入泥水仓逃逸，造成土体松动而发生坍塌现象，坍塌的土体涌入土仓，增加了刀盘旋转的搅拌阻力，使刀盘不能旋转。,事故发生的位置埋深约16m，河床上部水深约22m，顶部理论设置压力为4.6Bar。隧道主要穿越中粗砂层，顶部为中粗砂、粉细砂地层。,由于工作面失稳塌方后与顶部江水联通，泥水压力平衡破坏，要恢复正常掘进状态必须重新建立稳定的切口水压和实现盾构脱困恢复掘进。（1）重新建立稳定的切口水压首先配备高性能泥浆，采用聚合物泥浆加入木屑、珍珠岩、谷壳等(堵漏)材料，聚合物泥浆由不同分子量的大、中分子材料和正电胶组成，主要是增强结构、提高粘度，改善流变性，利于携带和稳定开挖面的作用，加入的木屑、珍珠岩、谷壳等材料等不同颗粒级配的原植物纤维和惰性矿物质，能快速对土层的孔隙进行封堵。通过泥浆的注入和渗透，建立起稳定的切口压力。（2）盾构脱困在建立起切口压力后，将坍塌在泥水仓和气仓的碴土循环出仓外后，并持续泥水循环清洗，以正转、反转轮流反复轻微动作转动刀盘，当刀盘出现小幅度转动后，持续以脱困扭矩