超大直径盾构施工技术综述

1、超大直径盾构施工技术综述超大直径盾构施工技术综述 E88Z 饕诺 Eoo3W I I L 二 _s 妻s螂座杭弊 一辱 苦蕾制辛挪毗矗smr 1置sznws直华e倏Iffis皿徽蜓 sms理 w 凶口理素星凶董 nN施III矍IlffilbwrBm着sssd思着H 1as.(0.7D )。隧道所穿越的主要地层包括:填土和淤泥质粉质粘土. 粉土、粉砂,粉细砂,砾砂,圆砾以及少量强风化粉砂质泥岩。其中眉构穿越强透水地层(渗透系数达10-2-10-3cm/s) 2672m，占盾构段总长度的88.4%，对刀具磨损严重、造成掘 进困难的砾砂,圆砾复合地层地段长1325m，占整个隧道长度 的 43.8%.

2、1.3设计情况南京长江隧道工程全长5853m ,按双向6车道快速通道规 模建设，设计车速80公里/小时。其中左线盾构施工段长 3022m，右线盾构施工段长3015m.隧道施工采用两台直径 14.93m的泥水平衡盾构机油江北工作井始发向江心洲接收井 同向掘进。盾构隧道管片内径13.30m，外径14.50m，厚度60cm. 每环衬砌由10块管片组成，环宽2皿.管片拼装设计为7块标 准块、2块相邻块和1块封顶块，分Z型丫型两种管片模式. 管片设计强度C60，防水等级S12.二、国内外超大直径盾构隧道建设情况介绍内外典型的工程项目主要有：1,国外超大型水下盾构工程典型项目 (1)日本东京湾横断公路隧道

3、：内外典型的工程项目主要有：1,国外超大型水下盾构工程典型项目 (1)日本东京湾横断公路隧道：1997年建成，跨海双向4 车道公路隧道，盾构机直径14.1如，隧道总长度9.1公里， 被人工岛分为4.6公里和4.5公里长的两段,每段由两台盾构机 对向各掘进约2.5公里；主要地质为软弱的冲积.洪积黏性土层以及洪积砂层，最大水压6kg/cm2，属于当时最大直径盾构隧（2 ）德国汉堡易北河第四公路隧道：2000年1月底贯通, 双向4车道公路隧道，盾构机gS4.2m，隧道长度为2561 米，穿越的地层主要为黏土,松散至细密的砂,砾石和冰山泥灰 岩，最高水压约为4.5kg/cm2，打破东京湾横断公路隧道直

4、径 记录，成为世界当时最大直径盾构隧道。（3）荷兰格林哈特隧道（绿心隧道）：2004年年底贯通，双 线铁路隧道，盾构机直径命14.87皿,隧道全长7155m ,分为4 个区间（最长2200米）。地质主要为软粘土、泥煤层和细沙， 最高水压5kg/cm2，又创造了一个新记录。2国内超大型水下盾构工程典型项目国内超大型水下盾构工程典型项目主要有：上海沪崇苏过江 隧道和南京长江隧道。武汉长江隧道,狮子洋隧道、穿黄河隧道 三条盾构隧道虽然各有特点，但盾构直径较小，均在9.0m 11.37m 之间。上海沪崇苏长江隧道是一条高速公路与地铁合建的隧道，其 盾构直径为15.44米，总长度为7470米，于2008

5、年8月28 日贯通。盾构段穿越的主要地层为淤泥质粘土.淤泥质粉质粘土、 粘土、砂质粉土等最高水压5.5kg/cm2。国际上直径超过14m. 采用泥水平衡盾构建造的隧道见下表。建设时间隧道名称建设时间隧道名称掘进距离总长每段掘进长度1989日本东京湾公9.1km2.5km盾构机最大水压地质情况直径数.014.148台6.0kg/cm软弱的冲税洪1997路隧道m2碱性土层以及洪积砂层19972003德国汉堡易北2.56k m2.56k m014.2m2台4.5kg/cm2黏土、松散至细密的砂,砾石, 和冰山泥灰岩河第四隧道20002004荷兰绿心隧道7.2km2.2km014.87 m4台5.0k

6、g/cm2软粘土、泥煤层和细砂200420 09上海沪崇苏隧道7.47k m7.47k m015.43 m2台5.5kg/cm2淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂质粉土2005-201 0南京长江隧道3.02k m3.02k m014.93 m2台6.5kg/cm2粉、粉细砂, 砾砂,卵石和强 风化岩层三、南京长江隧道的工程特点、难点及风险点通过与上述几个隧道相比，南京长江隧道几乎涵盖了其它所有典型盾构隧工程的难点和风险点，南京长江隧道工程是中国长江流域上工程技术难度最高,挑战性最多的地下工程，作为世界级的越江工程，南京长江隧道面临的是高风险,高挑战性的世界级难题,其特点主要体现在六个方面：

7、“大”、“高”, “强”薄长.“险”。“大：即盾构直径超大。盾构机直径14.93m，是世界上I SI wtumBll波 ftse以峰舍wn粗 SHlssHu.ssss.sKI.IKXmffiss AsK叔蕾雎娜WW%目*11,si is ,懿OKl .K房蓄Is-m一如sr以胃米临OOOE kw。6畏)ES.告( E6W0I 以着mIB回疆I胃3UPFK置葺卓EOSI SH ZEH&I s sf。羊一垩骐尊辟匕蛔，孝朝橱三南伽, 颦联,副皿羽噂皿囹痫曹瞧，倒岫丁册 瞿瞅I牌勃I脚戛13d OOOfr初里1 曜旃枷 丫 观侬I曲嘉戢曜CM，3阜帅欧戛。融圉钮四1 地昌辜早 mr aro sf w

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9、w si ,-Hi部分刀具照片（圆圈中为可更换刀具）刀具更换作业示意常压刀具更换实施的意义：虽然常压可更换刀具的设计不是第一次采用，但南京长江隧 道则是世界上首次进行常压刀具更换。常压换刀的成功实施，避 免了高压换刀作业的巨大风险，标志着超长隧道的掘进成为可 能。2、改进刀具盾构机原装刀具为厂家随机配置的，在石英含量高的复合地 层中施工，刀具寿命仅50m左右就必须更换，而水下带压换刀 是极其困难的，即使实现了常压刀具更换，其风险也是很大的, 且费用极其昂贵，完成南京长江隧道的建设也是不可能的。 基于上述原因，必须对刀具进行改进，研制出适应复合地层的新 型刀具。通过在施工过程对刀具磨损的撕以及进

10、一步的试验. 瞄与工程应用，EG深了我们对复合地层刀具切削机理、刀 具选型、刀具设计的理解与认识，研制出的新型刀具换刀距离由 改进前的50 m提高到改进后的900 m，比原进口刀具提高了 15倍，为长江隧道的顺利建成发挥了重要作用，工程效益显著， 对以后类似工程提供了一个很好的借鉴案例，意义深远重大。适 应于复合地层的新型刀具已经申报发明专利。3、推进参数控制降低推进速度，减小刀盘转速，减小锥入度。4、泥浆严格泥水指标控制，摸索出了适合不同砂卵石复合地层的配 比，泥浆对刀具保护,砂卵石地层中泥浆的携碴能力.泥膜对掌 子面的稳定和保护等均获得良好效臬5、同步注浆根据施工速度调整浆液凝结时间，严格

11、控制浆液配比，确保 其和易性和流动性。同步注浆采用注浆量和注浆压力的双控制， 保证浆液充填率。6、盾尾保护盾尾是保障施工的生命线，盾尾保护是一项重要工作，保证 盾尾刷处于良好的工作状态就必须做好以下工作：保证盾尾油脂注入量和注脂压力。保证同步注浆质量，注入速度和掘进速度相匹配。严格控制泥水压力，防止泥水压力传递至盾尾后击穿盾尾 刷而造成岫4.m蓄HKKFd昌测成,田41曜 iadlldlTs号青 aolmllff 善，,剖m兵 sldssssIHatt:(一 SM isss ,幽 拼 6okgkm2 m泌 0串SF事H 昌测salmk HPSS$mlasslH ID,m肇s费寺,WMn*alE

12、G9H甫画.府画 0NM ss asiHiasm llkAS食府画3HisassR 帛皆3 雷s普岸的afss映蓄6唐智那m6.0bar鬟国， 馨冈(nael/耍T3着岑隋)拼毒普尊 l曾s蓍。4.4n丑蓄毒 a6zis:IX，rl.一|_ INIth中冲糟宾冏代女 001、江中冲檀浅覆土 酬况说明中冲糟宾冏代女 00隧道靠近梅子洲一侧 有一段长约150米的江中 冲槽段，覆土厚度均不足1 倍洞鱼最小埋深仅10.49 米。主要风险由于江中冲槽段覆土薄，水位高（水深21.5皿），同时前方 以大坡度覆土厚度增加，地形起伏极大，该段施工具有如下风险：压力过大会造成泥水击穿覆土，与江水连通。 压力不够会

13、造成塌方冒顶。最大风险时刻如图所示，盾尾处于最小覆土位置（10.49 米），刀盘位置覆土则达到22.47米，由于刀盘与盾尾泥水相通， 盾尾泥水压力与刀盘顶部一致，必须有足够压力保证开挖面稳 定，同时又要保证盾尾不出现劈裂事故。3、方案比选抛填方案江中冲槽浅覆土段掘进施工可以采取在盾构掘进到达浅覆 土段前进行江中抛袋回填施工，增加该段覆土的厚鼠）非抛填、不进行地层处理的方案不采用抛填方案，不进行地层处理，采用高质量泥浆，优化 虹参数，迅速通过江中冲槽浅覆土地段。由于采用覆土抛填施工方案需要在抛填位置上、下游先抛筑 两条潜堤，在潜堤间再抛投粘土。潜堤结构采用袋装砂抛填，潜 地之间采用粘土抛填，由于

14、粘土的颗粒细，不宜采用水力冲灌方桢胃置莓fcdKI烛i票豆招阳豆易食 sii S枢铝畏真扈.霸ss .星 费 na8offisMKiRS si g isKSS , Iwslss is .HI W哀 i s is ,1s ,ip 昌)蠹蠢.s 鬣 Tass圄蚩IHlIU战 N SKiKsiMSS 费最留$菁 siisfii nsns * iMfsssiws niww Es 羿 景霞寒 mRWTFK&fcilIPIm) 席WW 4 Kw , K si WSSSMMgn sss soffit IESmes玳蓍能肖Itl着胃i IlilRxg 。1 醍昼(. M商时Hi1_服了覆土薄.水压大.透水强，

15、极易发生击穿冒顶、江底沉降、 坍塌的巨大风险，破解了在强透水地层,不进行地层处理条件下 穿越江中冲槽浅覆土段的施工技术难题，积累了宝贵经验，填补 了国内同类施工的空白。以不进行地层处理的施工方案穿越江中 冲槽浅覆土地段的施工技术的掌握，为水下盾构施工技术领域积 累了宝贵的经验。4.5盾构接收1、接收风险盾构接收是盾构施工阶段面临的最后一个风险环节，稍微的 麻痹大意都会带来灾难性的后果，这在国内外一些盾构工程中已 经多次发生，南京长江超大直径盾构面临的风险更大：接收地点位于四面环水的梅子洲上，且地层以粉细砂为 主。大直径的盾构进入接收井预埋钢环时对测量的要求更 高。由于长江南京段水面开阔，两岸之

16、间距离近3公里，水面光 线折射对测精度影响大，隧道贯通精度控制难度大。应对措施针对地层以粉细砂为主的实际情况，采用三轴搅拌桩对地 层进行加固。采用接收井端头冻结加固，启动降水并灌水接收，避免了 洞门密封失效的风险,涌砂的风险，成功实现了盾构的安全接收， 真正做到了万无一失。通过接收方案的实施，两台盾构均实现安全接收，隧道贯通 后，左右线水平,竖直4个贯通误差数据中有3个在5mm以 内，最大也仅有27mm，比设计和规范规定的允许偏差精确的 多。五、几点体会通过南京长江隧道施工，有以下几点体会：1,坚持稳字当头，安全第一”,保证隧道施工安全和质量 在组织施工中，特别是深大基坑开挖.盾构机工地组装,

17、超 浅埋始发、穿越长江大堤江中超越.江中冲槽超浅覆土，高压 进仓、盾构机接收等重要风险环节，我们始终以“稳字当头,安 全第一,万无一失,确保成功作为项目建设的指导方针，以如 履薄冰，如临深渊的心态和科学严谨的精神，敏感而慎重的对 待现场每个细微变化，做好施工方案和规避风险的预案，从而使 得右线和左线都能成功始发并顺利接收，隧道完成地段不渗不裂 不漏无错台，德国,日本等行业专家都称“质量标准达到世界先 进水平二2坚持科技先导，攻克技术难题南京长江隧道面临着诸多的世界级技术难题和施工风险。面 对施工风险和技术难题的挑战，在没有现成经验借鉴的情况下， 我们依靠专家团队的智慧，建立了三级专家体系，充分利用社会 资源，在专家的指导和帮助下，联合科研院所确立了六大科研课 题,60余项专业技术课题，现场组织科技攻关/超大直径盾构 法越江隧道建造关键技术研究”列入江苏省2008年科技支撑计 划，获科研经费资助100万元。我们在施工中用科研成果破解 技术难题，化解风险，先后攻克盾构机长距离穿越砂卵石复合地 层施工、高水压高气压条件下刀盘刀具修复.江中冲槽浅覆土段 施工、超大直径泥水盾构超浅覆