水下隧道工程盾构施工技术及工程特点

水下隧道工程程盾构施工技技术及工程特特点汇报的主要内内容：一、工程概述述二、工程特点点、重难点三、盾构施工工技术四、盾构施工工成功经验五、目前工程程进展及盾构构机性能评价价一、工程概述1.1参建单位：业主主：：武汉市城市市建设投资开开发集团有限限公司（武汉长江隧隧道工程建设设有限公司））监理单位：施施工监理联合合体主办单位：上上海市市政工工程管理咨询询有限公司成员单位：中中咨工程建设设监理公司湖北中南市政政工程监理有有限公司总包单位（EPC）：中铁隧道道集团联合体体主办单位：中中铁隧道集团团有限公司成员单位：铁铁道部第四勘勘察设计院（（设计单位））武汉市市政建建设集团有限限公司武汉市城市规规划设计研究究院奥地利D2咨询有限公司司设计监理：长长江水利委员员会长江勘测测规划设计研研究院1.2工程工期和总总造价工期：45个月开工日期：2004年11月28日完工日期：2008年8月26日工程投资概算算总额约20.5亿元1.3工程概况1.3.1工程位置武汉长江隧道道为武汉市重重点工程，是是武汉市第一一条重要的公公路过江通道道。工程位于于武汉长江一一、二桥之间间，隧道江北北起点位于汉汉口大智路与与铭新街的交交叉口，江南南终点为武昌昌友谊大道南南侧规划中的的沙湖路，线线路全长3630m，其中过江盾盾构隧道设计计为两条隧道道，左右线各各长2538m。单条隧道设设计为两车道道，设计车速速50km/h。汉口端设2条匝道，武昌昌端设4条匝道与路网网相接。武汉汉长江隧道工工程地理位置置见图1。图1武汉长江隧道工程地理位置图武昌汉口1.3.3盾构隧隧道平平、纵纵、横横断面面设计计概况况盾构隧隧道线线路共共设3组平曲曲线，，平面面最小小转弯弯半径径为800m。线路路纵坡坡大致致为U形，最最大下下坡为为4.35%，最大大上坡坡为4.4%。盾构构隧道道内净净空φ10m，管片片外径径φ11m。隧道道断面面底部部设逃逃生通通道和和电缆缆通道道，中中部为为行车车道，，上部部为专专用排排烟道道。盾盾构隧隧道最最小覆覆土厚厚6.3m，最大大覆土土厚40.5米。线线间距距为16-28m。盾构构隧道道结构构横断断面见见图3。1.3.2工程范范围和和任务务划分分工程范范围包包括盾盾构始始发井井、到到达井井、盾盾构隧隧道、、联络络通道道、明明挖隧隧道、、主线线中山山大道道暗挖挖隧道道、A、B、C、D、E、F六条匝匝道、、管理理中心心大楼楼、通通风井井、路路面工工程及及机电电设备备安装装工程程等。。工程程线路路平面面布置置示意意见图图2。图2工程平平面布布置示示意图图江南通风井江北通风井盾构始发井盾构到达井江南横通道江北横通道长江武昌区江岸区图3盾构隧道横断面图1.3.4工程地地质及及水文文地质质1.3.4.1工程地地质隧址区区长江江段水水下地地层上上部由由第四四系全全新统统新近近沉积积松散散粉细细砂，，中粗粗砂组组成，，中部部由第第四系系全新新统中中密～～密实实粉细细砂组组成，，下部部基岩岩为志志留系系泥质质粉砂砂岩夹夹砂岩岩、页页岩；；江南南及江江北两两岸地地层除除地表表有呈呈松散散状态态的人人工填填土外外，上上部由由第四四系全全新统统冲积积软～～可塑塑粉质质粘土土，中中部由由第四四系全全新统统中密密～密密实粉粉细砂砂组成成，下下部基基岩为为志留留系泥泥质粉粉砂岩岩夹砂砂岩、、页岩岩。工工程地地质纵纵断面面见图图４。。盾构隧隧道主主要穿穿越粘粘土层层、粉粉土层层、粉粉质粘粘土层层、淤淤泥质质粉质质粘土土层、、粉细细砂、、中粗粗砂，，局部部地段段穿越越泥质质粉砂砂岩夹夹砂岩岩页岩岩，其其中穿穿越粉粉细砂砂层和和中粗粗砂层层占74.74%，穿越越粉土土和粘粘土层层占23.03%，穿越越卵石石层占占1.01%，穿越越岩石石占1.22%。最大大切岩岩深度度为2.341m，未切切入微微风化化岩层层。图４工工程地地质纵纵断面面图密实粉细砂中粗砂上软下硬地层松散粉细砂层泥质粉砂岩地层盾构到达井盾构始发井长江粘性土地层联络通通道联络通通道1.3.4.２不良良地质质①、隧隧道址址场地地20m深度内内松散散粉细细砂（（地层层代号号③1）和稍稍密粉粉细砂砂（地地层代代号⑤⑤1）为可可轻微微液化化土层层；②、分分布于于长江江两岸岸近地地表处处的人人工填填土层层均呈呈松散散状态态，隧隧道明明挖及及竖井井基坑坑施工工时，，该土土层不不稳定定，需需进行行支护护；③、分分布于于长江江河床床表层层的粉粉细砂砂和中中粗砂砂地层层，呈呈松散散状态态。④、场场地内内分布布有淤淤泥质质粉质质粘土土（地地层代代号④④5）主要要分布布在隧隧道址址江南南（武武昌））段，，其分分布不不连续续，厚厚度不不大，，该层层在隧隧道施施工时时，可可能会会对坑坑壁稳稳定性性有一一定影影响。。１.3.4.3水文地地质①、地地表水水该地区区地表表水系系主要要有长长江水水系、、汉江江水系系、沙沙湖水水系。。长江江水系系为区区内主主要地地表水水系，，也是是对拟拟建长长江隧隧道有有直接接影响响的地地表水水系。。长江江水系系主要要接受受上游游及汉汉江补补给，，向下下游排排泄；；汉江江水系系主要要接受受上游游补给给，向向长江江排泄泄。沙沙湖水水系主主要接接受大大气降降水补补给，，与长长江水水力联联系受受人为为因素素控制制。长长江水水对混混凝土土及混混凝土土结构构中的的钢筋筋无腐腐蚀性性，对对钢结结构有有弱腐腐蚀性性。②、地地下水水地下水水主要要有上上层滞滞水、、孔隙隙水和和基岩岩裂隙隙水三三种类类型。。上层层滞水水主要要赋存存于上上部人人工填填土层层中，，孔隙隙水主主要赋赋存于于第四四系松松散层层中，，可分分为孔孔隙潜潜水和和孔隙隙承压压水两两种类类型；；基岩岩裂隙隙水主主要赋赋存于于下部部基岩岩裂隙隙中。。场地地内地地下水水位埋埋深0.80～5.90m。相当当于标标高21.02～15.92m。长江江河床床段分分布的的地层层主要要为第第四系系全新新统新新近沉沉积粉粉细砂砂、全全新统统沉积积粉细细砂、、中粗粗砂、、砂卵卵石层层以及及志留留系砂砂岩泥泥岩。。与长长江两两岸比比较，，长江江切穿穿了第第四系系全新新统孔孔隙承承压含含水层层顶板板，江江水和和地下下水具具有密密切的的水力力联系系。洪洪水期期盾构构施工工最大大水压压达到到0.57MPa。二、工程特特点、、重难难点2.1工程特特点（1）工程规规模宏宏大、、意义义重大大武汉长长江隧隧道是是武汉汉市大大型重重点工工程和和重要要的过过江通通道，，被称称为“万里长江江第一隧隧”，工程宏宏伟，投投资巨大大，引起起湖北省省、武汉汉市政府府及土木木工程界界的高度度关注。。（2）施工涉涉及领域域多，综综合性强强本工程包包括长江江两岸明明挖基坑坑、暗挖挖隧道、、过江盾盾构隧道道、道路路施工、、设备采采购及安安装等项项目，涉涉及富水水地层深深基坑开开挖、大大断面泥泥水平衡衡盾构掘掘进、大大跨隧道道浅埋暗暗挖施工工、联络络通道冷冷冻法施施工等工工程技术术，施工工综合性性强。（3）工程地地质条件件复杂、、施工难难度大本工程处处于Ι类建筑场场区，地地层复杂杂，地下下水位高高。富水水地层深深基坑开开挖、大大断面泥泥水平衡衡盾构掘掘进、大大跨隧道道浅埋暗暗挖施工工、软土土地层联联络通道道施工等等工程技技术，设设计和施施工难度度都很大大。（4）盾构施工工涉及难难题多①、断面面大、连连续掘进进距离长长。②、盾构构穿越地地层复杂杂，地质质条件变变化大。。③、隧道道埋深变变化大，，水压高高。④、进出出洞段埋埋深浅，，且下穿穿众多重重要的建建筑物，，如长江江防洪大大堤、武武大铁路路、鲁兹兹故居等等。⑤、2条盾构隧隧道净间间距小，，相互对对周边环环境影响响大。⑥、盾构构隧道上上下坡度大大，上下下反坡差差达8.7%。要求盾盾构有较较强的爬爬坡能力力和方向向控制能能力，同同时对运运输系统统提出了了更高的的要求。。（5）工程拆迁迁量大、、施工任任务重、、工期紧紧2.2工程重难难点（1）盾构选选型和设设计盾构机穿穿越的地地层主要要为富含含地下水水的砂性性土，但但在江中中地段，，开挖面面上同时时存在着着土层、、卵石层层及砂岩岩、泥岩岩层的强强、中风风化的岩岩石地层层，地下下水特征征在两岸岸表现为为较高承承压水头头的承压压水特征征，在江江中则表表现为高高水压的的潜水特特性。盾盾构机选选用正确确与否是是工程成成败的关关键。（2）施工组组织与技技术管理理本工程周周边环境境复杂，，工程内内容和工工法较多多，施工工场地狭狭小，施施工工期期紧张。。如何加加强施工工组织和和技术管管理，加加强施工工过程控控制，做做到协调调有序是是施工的的重点。。（3）地表建建（构））筑物及及地下管管线众多多，环境境保护要要求高本项目施施工影响响范围内内重要建建筑物包包括鲁兹兹故居、、长江防防洪堤、、武大铁铁路及隧隧道上方方重要建建构筑物物等。特特别是在在盾构始始发和到到达段，，覆土浅浅（0.7D）、软土土地层下下穿大量量建筑物物。管线种类类主要有有：给水水、排水水、电力力、通信信、煤气气等。道道路上的的管线主主要分布布于机动动车道两两侧的非非机动车车道和人人行道下下，其密密度较大大；给水管线线主要为为铸铁管管、混凝凝土管两两种；排排水主管管以混凝凝土管道道为主，，有少量量为箱涵涵式。电电力管线线多数为为沟道式式埋设，，部分分分支为直直埋。通通信管线线多数以以管块或或群管集集中方式式埋设，，部分为为直埋方方式。工程处于于闹市区区，对噪噪音、粉粉尘、污污水排放放控制、、交通组组织等管管理要求求高。（4）盾构穿穿越长江江本工程盾盾构隧道道要穿越越1310米的长江江，过江江段盾构构穿越地地层主要要为⑤2粉细砂层层、⑤3粉细砂层层，而且且隧道与与江水之之间的地地层均为为松散的的中粗砂砂到粉细细砂地层层，为透透水层，，地下水水和江水水有着密密切的水水力联系系通道，，水压最最高达0.57MPa，施工过过程控制制不好，，就可能能产生“冒顶”、隧道涌涌水涌砂砂等事故故。隧道道在穿越越长江深深槽处，，河床深深度仅有有11米，隧道道上覆砂砂层为渗渗透性强强的中粗粗砂，施施工控制制难度大大。隧道下半半断面在在江底要要间断的的穿越约约300m左右的⑥⑥卵石层层、⑦1～⑦3强～微风风化泥质质砂岩夹夹砂岩、、页岩等等软硬不不均地层层，卵石石及基岩岩侵入隧隧道最大大厚3.8m，施工可可能出现现开挖面面坍塌、、刀盘或或刀具严严重磨损损使盾构构无法推推进而不不得不换换刀、盾盾构掘进进方向不不易控制制、可能能因堵管管造成泥泥水压力力急剧变变化而导导致超挖挖，从而而引发事事故。（5）盾构始始发和到到达隧道始发发和到达达段覆土土浅,隧道净间间距小(仅5.5米），地地面建筑筑物及管管线密集集，施工工难度大大。始发发和到达达段是事事故多发发地段。。（6）联络通通道的施施工位于盾构构段的2处联络通通道均处处于粉细细砂地层层中，且且地下水水位高，，在该种种地层中中进行联联络通道道施工，，施工难难度与风风险均较较大，而而且横通通道地表表建筑物物及管线线较多，，若产生生涌水涌涌砂而导导致过大大的地层层沉降，，很可能能造成地地表上方方建构筑筑物及地地下管线线的破损损。因此此，选用用合理的的施工方方案，确确保联络络通道安安全施工工，是本本工程的的重点。。三、盾构构施工技技术3.1盾构选型型武汉长江江隧道最最终采购购由法国国NFM公司设计计的盾构构机，除除核心设设备采用用进口件件，部分分结构在在国内制制造。盾盾构机的的结构及及其性能能简单介介绍如下下：（1）、盾构构机类型型：膨润润土-气垫式泥泥水平衡衡盾构；；（2）、开挖挖直径11.38米；（3）、重量量：主机机与后配配套的重重量1100t（主机900t，后配套套200t），其中中刀盘组组件重160t；（4）、长度度：整机机56米，主机机壳体长长度11.71米；（5）、最小小转弯半半径400m；（6）、推力力：最大大推力121220kN；（18组共36根油缸））（7）、扭矩矩：最大大扭矩13650kNm@0.85转/分；最大大转速时时的扭矩矩5050kNm@2.3转/分；脱困困扭矩17750kNm；（8）、速度：：最大掘进进速度40mm/min；图5：间接控制制型泥水平平衡盾构工工作原理图图地层切削刀盘进浆管排浆管膨润土溶液压缩空气连通管气锁室膨润土液区３.1.1盾构机刀盘盘（１）、支支撑方式：：中心支撑撑（八个辐辐条）（２）、刀刀盘型式：：复合刀盘盘（39把17“单刃滚刀，，224把切刀）（3）、开挖直直径11380mm，开口率30%（中心部位位50%）（4）、滚刀安装在从半半径2.0m至周缘处，，间距108mm；（5）、周边的的保护刀32把；仿形刀刀1把；切刀磨损检检测装置4把；（6）、刀盘分分块数量3块；３.1.2刀盘驱动系系统（１）、型式变频电电机驱动，，驱动功率率200Ⅹ8即1600kW；（2）、双向转转速0~2.3转/分(连续可调)；（3）、最大扭扭矩13650kNm@0.85转/分；脱困扭扭矩17750kNm（4）、主轴承承类型3排滚柱«2排轴向-1排径向»轴承（5）、主轴承承寿命10000小时；（6）、密封2×5道密封，开开挖室的最最大工作压压力6.0bar图6：刀盘布置置形式图7：刮刀和滚滚刀配置结结构图图8主轴承密封封3.1.3推进系统(1)、最大推力力121220kN（2）、油缸数数目36个、单个油油缸推力3366kN；（3）、油缸行行程：2600mm；（4）、油缸分分组：为4组；（5）、最大推推进速度40mm/min；LowergroupUppergroupLeftgroupRightgroup图9推进油缸分分区图3.1.4泥浆循环系统（1）、进浆泵（P1.1）流量900m3/h（掘进期间间）1144m3/h（旁通时））排渣流量（（P2.1、P2.2）1250m3/h（掘进期间间和旁通时时）（2）、进浆最最大密度1.1T/m3，排渣最大大密度1.30T/m3（3）碎石机型型式双独立立颚板式最最大粒径400mm（4）、泥浆管管延伸机构构延伸能力力6m；图10泥浆循环界界面图3.1.5泥水分离系系统和制浆浆（1）、3套500立方处理设设备并连；；（2）、处理以以筛分、一一级旋流、、二级旋流流；（3）、一级旋旋流以处理理74μm为主；（4）、二级旋旋流以处理理45μm为主；（5）、分离后后的泥浆经经沉淀后与与新浆混合合循环利用用；（6）、新浆以以聚合物和和膨润土为为原料制备备；3.1.6盾体和盾尾尾密封系统统（1）、前体直直径和长度度11360mm，2405mm（2）、中体直直径和长度度11340mm，3900mm（3）、盾尾直直径和长度度11340mm，4475mm（4）、盾尾与与衬砌环间间的径向间间隙40mm（5）、盾尾密密封：3排钢丝刷+1排钢板束（6）、中体四四周预留有有超前钻探探孔18个图11泥水处理设设备图图12分离碴土照照片盾尾结构图13盾尾结构图图3.1.7气体保压系系统（samson）（1）、用于设设定气仓压压力；最大大设定压力力为6bar；（2）、用于保保持气仓压压力，减小小压力波动动；3.1.8人员仓（1）、配置双双人员仓；；其中主仓仓可容纳4人；（2）、材料仓仓也作为辅辅仓，可容容纳4人；（3）、额定工工作压力6bar；（4）、供人员员呼吸滤清清装置3.1.9注浆系统（1）、配置6台注浆泵；；（2）、内置注注浆管2*6根；3.1.10导向系统（1）、PPS导向系统3.2盾构始发3.2.1盾构始发流流程图14盾构始发流程图3.2.2端头土体加加固及效果果检查（1）、加固方方案：采用用三轴搅拌拌桩和双重重管高压旋旋喷相结合合的方式。。土体加固固以搅拌桩桩为主，高高压旋喷为为辅，旋喷喷桩加固搅搅拌桩与连连续墙间的的部分，其其余段均由由搅拌桩加加固。（2）、加固范范围：东线线隧道加固固长度为13.6m，西线隧道道加固长度度为8.3m。横断面加加固范围为为距盾构隧隧道外围3米范围内的的正方形区区域，该范范围为强加加固区。水水泥标号采采用32.5，掺量为18%(重量比)。（3）、加固效效果检查：：强度：：垂直钻孔孔检查均匀性：垂垂直钻孔检检查渗透性：洞洞门处水平平钻孔检查查图15端头加固平平面图图16端头加固断断面图图17端头加固洞洞门水平检检查孔水平探孔兼注浆孔3.2.3洞门凿除（1）、凿除方方案：首先先，将洞门门凿除至保保留地连墙墙外侧钢筋筋及保护层层；其次，，在盾构构组装调试试好可贯入入掌子面后后快速自下下而上凿除除剩余钢筋筋砼。图18洞门凿除后后照片洞门密封装装置由由两两道相同的的密封组成成，其中每每道密封由由帘布橡胶胶、扇形压压板、折叶叶板、垫片片和螺栓等等组成。两两道密封间间隔500mm。3.2.4洞门密封图19盾构始发照照片3.2.5盾构始发几几点认识（1）、大型盾盾构始发基基座强度和和刚度要满满足要求；；（2）、端头土土体加固应应满足洞门门凿除受力力要求；（3）、端头土土体加固长长度宜大于于盾构壳体体长度；（4）、洞门密密封结构增增加油脂腔腔使洞门密密封更有效效。3.3盾构掘进施施工技术3.3.1盾构在浅覆土粘粘性土地层层掘进（1）、易出现现的问题：：①、粘附刀刀盘②②、、地表冒浆浆③、地表沉沉降量大④④、管片片上浮（2）、采取措措施①、较低掘掘进速度、、较高转速速推进；②②、均匀快快速穿越；；③、压力选选择合适、、压力波动动小，减小小对地层扰扰动；④、利用中部部及上部4个注浆管注浆浆，注浆采用用一定稠度的的水泥砂浆，，避免上浮；；3.3.2盾构在砂性土地层层掘进（1）、易出现的的问题：①、地层不稳稳定易坍塌②②、地表沉降降量大（2）、采取措施施①、调整好泥泥浆质量,将泥浆的粘度度提高；②、压力选择择适当，一般般设定压力高高于计算水土土压力0.2bar，压力波动控控制在±0.2bar;③、控制出碴量量；每环记录录出碴量确定定是否有超挖挖现象；④④、重要地段段快速穿越，，如穿大堤。。3.3.3盾构在长江段砂性性土地层掘进（1）、易出现的的问题：①、地层不稳稳定易坍塌②②、易发生““冒顶”；（2）、采取措施施①、调整好泥泥浆质量,将泥浆的粘度度提高；②、、控制出碴量量；③、压力选择择适当，根据据泥水漏失量量和计算水土土压力综合考考