超大直径跨江交通隧道盾构施工关键技术综述

超大直径跨江交交交通隧道道盾构构施工关关键技技术综述述王华伟（中铁十四局集集集团有限限公司司）一、工程概况1.1地理位置置置南京长江隧道南京长江隧道工工工程位于于南京京长江大大桥与与三桥之之间，连连接河西西新城城区-梅子洲-浦口区，是是是南京市市跨江江发展战战略的的重要标标志性性工程，它它的的建成将将彻底底改变目目前南南京市长长江单单一的桥桥梁过过江交通通方式式，对于于缓解解跨江交交通压压力，促促进沿沿江经济济发展展，造福福百姓姓，具有有十分分重要的的意义义。南京长江隧道1.2水文和地地地质条件件盾构隧道穿越的的的江面宽宽度约约26000m，最大水水深深约28.88m，最大水水压压力为6.5kkgg/cmm2，江中最最小小覆土厚厚度为为10.4499m（0.7D）。隧道道所所穿越的的主要要地层包包括：：填土和和淤泥泥质粉质质粘土土、粉土土、粉粉砂、粉粉细砂砂、砾砂砂、圆圆砾以及及少量量强风化化粉砂砂质泥岩岩。其其中盾构构穿越越强透水水地层层（渗透透系数数达10-2-100-3cm//s）26722m，占盾构构段段总长度度的88.44%，对刀具具磨磨损严重重、造造成掘进进困难难的砾砂砂、圆圆砾复合合地层层地段长13255m，占整个个隧隧道长度度的43.8％。1.3设计情况况况南京长江隧道工工工程全长58533m，按双向6车道快速速通通道规模模建设设，设计计车速速80公里/小时。其其中中左线盾盾构施施工段长30222m，右线盾盾构构施工段段长30155m。隧道施施工工采用两两台直直径14.9933m的泥水平平衡衡盾构机机，由由江北工工作井井始发向向江心心洲接收收井同同向掘进进。盾构隧道管片内内内径13.3300m，外径14.5500m，厚度60cm。每环衬衬砌砌由10块管片组组成成，环宽2m。管片拼拼装装设计为7块标准块块、2块相邻块块和1块封顶块块，分分Z型Y型两种管管片片模式。管管片片设计强强度C60，防水等等级S12。二、国内外超大大大直径盾盾构隧隧道建设设情况况介绍盾构法隧道施工工工技术问问世至至今已有有近200年，作为为隧隧道建造造的一一种先进进技术术——盾构法已已广广泛用于于地铁铁、铁路路、公公路、市市政、水水电隧道道等工工程领域域，但但超大直直径盾盾构隧道道工程程实例并并不多多见，国国内外外典型的的工程程项目主主要有有：1、国外超大型型型水下盾构构工工程典型型项目目（1）日本东京京湾湾横断公路路路隧道：1997年建成，跨跨跨海双向4车道公路路隧隧道，盾盾构机机直径Φ14.1144m，隧道总总长长度9.1公里，被被人人工岛分分为4.6公里和4.5公里长的的两两段，每每段由由两台盾盾构机机对向各各掘进进约2.5公里；主主要要地质为为软弱弱的冲积积、洪洪积黏性性土层层以及洪洪积砂砂层，最最大水水压6kg//ccm2，属于当当时时最大直直径盾盾构隧道道。（2）德国汉堡堡易易北河第四四四公路隧隧道：：2000年1月底贯通通，双双向4车道公路路隧隧道，盾盾构机机直径Φ14.22m，隧道长长度度为2561米，穿越越的的地层主主要为为黏土、松松散散至细密密的砂砂、砾石石和冰冰山泥灰灰岩，最最高水压压约为为4.5kkgg/cmm2，打破东东京京湾横断断公路路隧道直直径记记录，成成为世世界当时时最大大直径盾盾构隧隧道。（3）荷兰格林林哈哈特隧道（绿绿心隧道）：：2004年年底贯通通，双线铁路路隧道，盾构构机直径Φ14.877m，隧道全长7155m，分为4个区间（最最长2200米）。地质质主要为软粘粘土、泥煤层层和细沙，最最高水压5kg/ccm2，又创造了了一个新记录录。2、国内超大型型型水下盾构构工工程典型型项目目国内超大型水下下下盾构工工程典典型项目目主要要有：上上海沪沪崇苏过过江隧隧道和南南京长长江隧道道。武武汉长江江隧道道、狮子子洋隧隧道、穿穿黄河河隧道三三条盾盾构隧道道虽然然各有特特点，但但盾构直直径较较小，均均在9.0m～11.3377m之间。上海沪崇苏长江江江隧道是是一条条高速公公路与与地铁合合建的的隧道，其其盾盾构直径径为15.444米，总长长度度为7470米，于2008年8月28日贯通。盾盾盾构段穿穿越的的主要地地层为为淤泥质质粘土土、淤泥泥质粉粉质粘土土、粘粘土、砂砂质粉粉土等，最最高高水压5.5kkgg/cmm2。国际上上直直径超过14m、采用泥泥水水平衡盾盾构建建造的隧隧道见见下表。建设时间隧道名称掘进距离盾构机最大水压地质情况总长每段掘进长度直径数量1989—199997日本东京湾公路路路隧道9.1km2.5kmØ14.14mmm8台6.0kg/cccm2软弱的冲积、洪洪洪积黏性性土层层以及洪洪积砂砂层1997—200003德国汉堡易北河河河第四隧隧道2.56km2.56kmØ14.2m2台4.5kg/cccm2黏土、松散至细细细密的砂砂、砾砾石、和和冰山山泥灰岩岩2000—200004荷兰绿心隧道7.2km2.2kmØ14.87mmm4台5.0kg/cccm2软粘土、泥煤层层层和细砂砂2004—200009上海沪崇苏隧道道道7.47km7.47kmØ15.43mmm2台5.5kg/cccm2淤泥质粘土、淤淤淤泥质粉粉质粘粘土、粘粘土、砂砂质粉土土2005-200010南京长江隧道3.02km3.02kmØ14.93mmm2台6.5kg/cccm2粉土、粉细砂、砾砾砂、卵石和和强风化岩层层三、南京长江隧隧隧道的工工程特特点、难难点及及风险点点通过与上述几个个个隧道相相比，南南京长江江隧道道几乎涵涵盖了了其它所所有典典型盾构构隧工工程的难难点和和风险点点，南南京长江江隧道道工程是是中国国长江流流域上上工程技技术难难度最高高、挑挑战性最最多的的地下工工程，作作为世界界级的的越江工工程，南南京长江江隧道道面临的的是高高风险、高高挑挑战性的的世界界级难题,其特点主主要要体现在在六个个方面：“大”、“高”、“强”、“薄”、“长”、“险”。“大”：即盾构构直径径超大。盾盾盾构机直直径14.9933m，是世界界上上直径最最大的的盾构之之一。“高”：水土压压力高高达6.5kkg/ccm22，目前在在同同类盾构构隧道道中，国国内首首屈、世世界之之最。“强”：隧道穿穿越的的地层主主要为渗渗透系系数很高高的强强透水层层，占占隧道总总长的的70%以上。“薄”：江底约约1550m长的冲槽槽段段覆土厚厚度不不足1倍洞径,最小埋深深仅10.4499m；始发段段埋埋深仅5.5mm(不足0.4DD)。“长”：在砂卵卵石层层中连续续掘进3000多米一次次越越江，相相当于于在粉粘粘土地地层中掘掘进30公里、相相当当于地铁铁盾构构连续掘掘进17公里。“险”：隧道穿穿越粉粉土、粉粉细砂、砾砾砂砂、卵石石和强强风化岩岩层，地地质条件件异常常复杂，同同时时地层中中存在在大量大大块卵卵石、钢钢材、铁铁器等异异物，这这些异物物对刀刀盘刀具具和盾盾体都造造成了了很大伤伤害。高高水压、强强透透水、长长距离离、复杂杂地质质条件下下的掘掘进难度度巨大大，风险险巨大大。四、关键施工技技技术综述述作为泥水平衡盾盾盾构施工工，从从管片制制作、到到盾构掘掘进、同同步注浆浆、管管片拼装装、泥泥水管理理、同同步施工工、物物流组织织、维维保等作作为常常规工序序，关关键是做做好规规程制定定，明明确责任任人和和作业范范围，在在此不再再一一一赘述。下下面面我就南南京长长江隧道道的始始发、接接收、江江中冲槽槽段浅浅覆土施施工、长长距离穿穿越复复合地层层施工工、高压压进仓仓修复刀刀盘刀刀具等关关键施施工技术术研究究成果向向大家家汇报如如下，请请各位专专家批批评指正正。4.1盾构始始始发盾构始发是掘进进进施工的的开始始，也是是盾构构机整个个系统统工作的的开始始，同时时也是是设备检检测、调调试的时时刻，更更是极易易出现现问题的的环节节。我们对始发的定定定义：自自钢负负环管片片（-9环）安装装起起，至盾盾构机机刀盘离离开全全断面加加固区区（此时时推进进至+5环行程约18000mmm）止，整整个个始发过过程盾盾构机整整机前前移约24m，分为洞洞前前加固、盾盾构构机负载载调试试、洞门门破除除、压力力建仓仓、碰壁壁开挖挖、密封封环封封闭（二二次密密封）、始始发发掘进等等几个个过程。南京长江隧道始始始发存在在较大大风险，主主要要体现在在以下下几个方方面：：1、地下水位高高高，地表下下50㎝即是地地下下水，水水头压压力高达2.3bbar。2、地层透水性性性极强，连连续续墙凿除除后在在地下水水的作作用下，稳稳定定性差的的粉细细砂层极极易发发生坍塌塌等风风险。3、覆土薄，始始始发埋深仅仅5.5m，不足0.4D，极易击击穿穿冒顶，压压力力建仓困困难。4、盾构机直径径径大，洞门门破破除后掌掌子面面难以稳稳定。5、盾构机直径径径大，重量量达达4000吨，盾构构机机姿态难难以控控制。针对上述风险，我我们最终采用用了高压旋喷喷全断面加固固+冷冻+降水的三保保险方案，确确保了始发的的万无一失。始发现场照片4.2长距离穿穿穿越复合合地层层施工复合地层是指粉粉粉细砂、砾砾砂砂、圆砾砾组成成的混合合地段段，该地地层的的特点是是地层层不均匀匀，透透水性强强，石石英含量量高，对对刀具和和刀盘盘的磨损损大；；泥浆漏漏失量量大，压压力保保持困难难，掌掌子面稳稳定性性差。南南京长长江隧道道所穿穿越的复复合地地层地段段长13255m，占整个个隧隧道长度度的43.8％。为此此我我们在施施工中中采取了了一系系列技术术措施施，从各各个环环节做好好控制制，保证证了施施工顺利利进行行。1、实施常压刀刀刀具更换南京长江隧道盾盾盾构机配配备刀刀具总数数量为为225把，刀具具由由先行刀刀、刮刮刀、铲铲刀和和仿形刀刀四种种组成，其其中中常压可可更换换刮刀71把。部分刀具照片（圆圆圈中为可更更换刀具）刀具更换作业示示示意图常压刀具更换实实实施的意意义：：虽然常压可更换换换刀具的的设计计不是第第一次次采用，但但南南京长江江隧道道则是世世界上上首次进进行常常压刀具具更换换。常压压换刀刀的成功功实施施，避免免了高高压换刀刀作业业的巨大大风险险，标志志着超超长隧道道的掘掘进成为为可能能。2、改进刀具盾构机原装刀具具具为厂家家随机机配置的的，在在石英含含量高高的复合合地层层中施工工，刀刀具寿命命仅50m左右就必必须须更换，而而水水下带压压换刀刀是极其其困难难的，即即使实实现了常常压刀刀具更换换，其其风险也也是很很大的，且且费费用极其其昂贵贵，按期期完成成南京长长江隧隧道的建建设也也是不可可能的的。基于于上述述原因，必必须须对刀具具进行行改进，研研制制出适应应复合合地层的的新型型刀具。通通过过在施工工过程程对刀具具磨损损的分析析以及及进一步步的试试验、改改进与与工程应应用，大大大加深深了我我们对复复合地地层刀具具切削削机理、刀刀具具选型、刀刀具具设计的的理解解与认识识，研研制出的的新型型刀具换换刀距距离由改改进前前的50m提高到改改进进后的900m，比原进进口口刀具提提高了了15倍，为长长江江隧道的的顺利利建成发发挥了了重要作作用，工工程效益益显著著，对以以后类类似工程程提供供了一个个很好好的借鉴鉴案例例，意义义深远远重大。适适应应于复合合地层层的新型型刀具具已经申申报发发明专利利。3、推进参数控控控制降低推进速度，减减小刀盘转速速，减小锥入入度。4、泥浆严格泥水指标控控控制，摸摸索出出了适合合不同同砂卵石石复合合地层的的配比比，泥浆浆对刀刀具保护护、砂砂卵石地地层中中泥浆的的携碴碴能力、泥泥膜膜对掌子子面的的稳定和和保护护等均获获得良良好效果果。5、同步注浆根据施工速度调调调整浆液液凝结结时间，严严格格控制浆浆液配配比，确确保其其和易性性和流流动性。同同步步注浆采采用注注浆量和和注浆浆压力的的双控控制，保保证浆浆液充填填率。6、盾尾保护盾尾是保障施工工工的生命命线，盾盾尾保护护是一一项重要要工作作，保证证盾尾尾刷处于于良好好的工作作状态态就必须须做好好以下工工作：：⑴保证盾尾油脂脂脂注入量和和注注脂压力力。⑵保证同步注浆浆浆质量，注注入入速度和和掘进进速度相相匹配配。⑶严格控制泥水水水压力，防防止止泥水压压力传传递至盾盾尾后后击穿盾盾尾刷刷而造成成泄漏漏。⑷严格控制盾构构构姿态，杜杜绝绝较大纠纠偏。4.3高水压高高高气压条条件下下刀盘刀刀具修修复施工过程中，由由由于盾构构机原原配刀具具与地地层不响响应且且监测报报警系系统失效效，在在江中压压力最最大地段段出现现刀盘刀刀具磨磨损过大大，而而在此地地段进进行刀盘盘刀具具的修复复将面面临两大大困难难：（1）国内仅有有在在4.3kkgg/cmm2压力下进进舱舱检查的的案例例，到目目前国国内还没没有高高压焊接接作业业的先例例，而而南京长长江隧隧道的作作业压压力为6.0kkgg/cmm2，在这么么高高的压力力下进进行刀盘盘刀具具的焊接接作业业，如何何保证证工程及及人员员的安全全是摆摆在我们们面前前的第一一大难难题。（2）盾构机所所处处位置为透透透水性极极强、稳稳定性很很差的的砾砂地地层，在在这种地地质条条件下，采采用用什么样样的压压力条件件和泥泥浆指标标才能能使掌子子面长长时间处处于稳稳定状态态，是是摆在我我们面面前的第第二大大难题。修复原理是在掌掌掌子面上上开挖挖出一个个工作作空间，空空间间外层是是一层层泥膜，隔隔断断外侧江江水同同时避免免气体体泄漏，作作业业人员在在此空空间内进进行刀刀盘刀具具修复复。因此此调配配出高质质量的的泥浆、设设定定合理的的压力力参数是是保证证修复作作业安安全顺利利进行行的关键键。最终经过两个月月月的多次次进仓仓作业，成成功功完成6.0bbaar高水压、高高高气压条条件下下刀盘刀刀具修修复这一一世界界级难题题，这这标志着着我们们在高水水压复复杂地质质条件件下，对对泥水水压力参参数设设定、泥泥浆指指标制定定和控控制、盾盾构机机姿态保保持、盾盾尾密封封安全全保护和和同步步注浆等等一系系列技术术标准准的制定定和实实施积累累了成成熟经验验，而而且我们们还在在高压下下刀盘盘刀具焊焊接、动动火方面面取得得重大突突破，打打破不能能在高高压空气气下动动火的禁禁区（国国内仅允允许在在高压水水下动动火焊接接作业业），为为修改改和完善善规范范，也为为我们们以后在在更高高压力下下进行行刀盘刀刀具修修复实施施提供供了可靠靠的依依据。高高压进进仓泥浆浆配比比也已经经进行行发明专专利的的申报。4.4江中冲槽槽槽浅覆土土段施施工1、江中冲槽浅浅浅覆土段情情况况说明隧道靠近梅子洲洲洲一侧有有一段段长约150米的江中中冲冲槽段，覆覆土土厚度均均不足足1倍洞径,最小埋深深仅10.449米。2、主要风险由于江中冲槽段段段覆土薄薄，水水位高（水水深深21.55m），同时时前前方以大大坡度度覆土厚厚度增增加，地地形起起伏极大大，该该段施工工具有有如下风风险：：⑴压力过大会造造造成泥水击击穿穿覆土，与与江江水连通通。⑵压力不够会造造造成塌方冒冒顶顶。⑶最大风险时刻刻刻如图所示示，盾盾尾处于于最小小覆土位位置（10.449米），刀刀盘盘位置覆覆土则则达到22.447米，由于于刀刀盘与盾盾尾泥泥水相通通，盾盾尾泥水水压力力与刀盘盘顶部部一致，必必须须有足够够压力力保证开开挖面面稳定，同同时时又要保保证盾盾尾不出出现劈劈裂事故故。3、方案比选⑴抛填方案江中冲槽浅覆土土土段掘进进施工工可以采采取在在盾构掘掘进到到达浅覆覆土段段前进行行江中中抛袋回回填施施工，增增加该该段覆土土的厚厚度。⑵非抛填、不进进进行地层处处理理的方案案不采用抛填方案案案，不进进行地地层处理理，采采用高质质量泥泥浆，优优化施施工参数数，迅迅速通过过江中中冲槽浅浅覆土土地段。由于采用覆土抛抛抛填施工工方案案需要在在抛填填位置上上、下下游先抛抛筑两两条潜堤堤，在在潜堤间间再抛抛投粘土土。潜潜堤结构构采用用袋装砂砂抛填填，潜堤堤之间间采用粘粘土抛抛填，由由于粘粘土的颗颗粒细细，不宜宜采用用水力冲冲灌方方式，只只能采采用100～150kkg的人工袋袋装装砂粘土土进行行抛填。抛填方案可以在在在覆土厚厚度上上达到掘掘进要要求，但但由于于长江水水流较较快，实实施抛抛填后很很难在在江底形形成均均匀的覆覆盖层层，且与与原有有河床下下土体体无法成成为一一个稳定定整体体，同时时由于于抛填筑筑坝会会引起该该范围围的局部部冲刷刷，扰动动原覆覆土层的的稳定定，而且且抛填填成本高高，实实施难度度大，实实施效果果差，根根据数次次专家家会讨论论，结结合科研研成果果，决定定不采采用抛填填方案案，采用用现在在实施的的不进进行地层层处理理的施工工方案案。4、科研情况⑴选取与江中浅浅浅覆土段工工况况有相似似之处处的初始始掘进进长度135m左右进行行原原位试验验，并并将泥水水劈裂裂的试验验数据据与理论论计算算、实际际掘进进参数进进行综综合对比比分析析，摸索索出合合理的掘掘进参参数，为为江中中冲槽超超浅覆覆土段掘掘进参参数设定定提供供了第一一手资资料。⑵利用模型盾构构构机进行室室内内模拟掘掘进试试验，进进一步步验证推推进参参数。⑶通过模型实验验验、现场原原位位实验和和理论论分析研研究泥泥水劈裂裂机理理，最终终确定定了江中中冲槽槽段相应应的施施工方案案和应应急预案案。5、技术措施⑴按照“高粘优优浆、合合理低低压、精精细控控制、平平稳推推进、快快速拼拼装、禁禁止停停机、一一次通通过”的原则，严严严格掘进进过程程管理控控制，严严控泥水水压力力和注浆浆压力力，防止止压力力大的波波动，平平稳、快快速通通过江中中冲槽槽浅覆土土地段段。⑵为保证泥浆指指指标，每环环加加入高浓浓度优优质新浆浆，对对劣化的的泥浆浆指标进进行调调节或部部分置置换，具具体实实施时根根据现现场实际际情况况进行调调整，以以保证形形成致致密泥膜膜封闭闭掌子面面，给给掌子面面提供供足够的的支撑撑压力。南京长江隧道左左左右线隧隧道分分别顺利利穿越越江中冲冲槽段段，成功功克服服了覆土土薄、水水压大、透透水水强，极极易发发生击穿穿冒顶顶、江底底沉降降、坍塌塌的巨巨大风险险，破破解了在在强透透水地层层、不不进行地地层处处理条件件下穿穿越江中中冲槽槽浅覆土土段的的施工技技术难难题，积积累了了宝贵经经验，填填补了国国内同同类施工工的空空白。以以不进进行地层层处理理的施工工方案案穿越江江中冲冲槽浅覆覆土地地段的施施工技技术的掌掌握，为为水下盾盾构施施工技术术领域域积累了了宝贵贵的经验验。4.5盾构接接接收1、接收风险盾构接收是盾构构构施工阶阶段面面临的最最后一一个风险险环节节，稍微微的麻麻痹大意意都会会带来灾灾难性性的后果果，这这在国内内外一一些盾构构工程程中已经经多次次发生，南南京京长江超超大直直径盾构构面临临的风险险更大大：⑴接收地点位位于于四面环水水水的梅子子洲上上，且地地层以以粉细砂砂为主主。⑵大直径的盾盾构构进入接收收收井预埋埋钢环环时对测测量的的要求更更高。由由于长江江南京京段水面面开阔阔，两岸岸之间间距离近3公里，水水面面光线折折射对对测量精精度影影响大，隧隧道道贯通精精度控控制难度度大。2、应对措施⑴针对地层以粉粉粉细砂为主主的的实际情情况，采采用三轴轴搅拌拌桩对地地层进进行加固固。⑵采用接收井端端端头冻结加加固固，启动动降水水并灌水水接收收，避免免了洞洞门密封封失效效的风险险、涌涌砂的风风险，成成功实现现了盾盾构的安安全接接收，真真正做做到了万万无一一失。通过接收方案的的的实施，两两台台盾构均均实现现安全接接收，隧隧道贯通通后，左左右线水水平、竖竖直4个贯通误误差差数据中中有3个在5mm以内，最最大大也仅有27mm，比设计计和和规范规规定的的允许偏偏差精精确的多多。五、几点体会通过南京长江隧隧隧道施工工，有有以下几几点体体会：1、坚持“稳字字字当头，安安全全第一”，保证隧隧道道施工安安全和和质量在组织施工中，特特别是深大基基坑开挖、盾盾构机工地组组装、超浅埋埋始发、穿越越长江大堤、江江中超越、江江中冲槽超浅浅覆土、高压压进仓、盾构构机接收等重重要风险环节节，我们始终终以“稳字当头、安安全第一、万万无一失、确确保成功”作为项目建建设的指导方方针，以“如履薄冰，如如临深渊”的心态和科科学严谨的精精神，敏感而而慎重的对待待现场每个细细微变化，做做好施工方案案和规避风险险的预案，从从而使得右线线和左线都能能成功始发并并顺利接收，隧隧道完成地段段不渗不裂不不漏无错台，德德国、日本等等行业专家都都称“质量标准达达到世界先进进水平”。2、坚持科技先先先导，攻克克技技术难题题南京长江隧道面面面临着诸诸多的的世界级级技术术难题和和施工工风险。面面对对施工风风险和和技术难难题的的挑战，在在没没有现成成经验验借鉴的的情况况下，我我们依依靠专家家团队队的智慧慧，建建立了三三级专专家体系系，充充分利用用社会会资源，在在专专家的指指导和和帮助下下，联联合科研研院所所确立了了六大大科研课课题、60余项专业业技技术课题题，现现场组织织科技技攻关，“超大直径径盾盾构法越越江隧隧道建造造关键键技术研研究”列入江苏苏省2008年科技支支撑撑计划，获获科科研经费费资助助100万元。我我们们在施工工中用用科研成成果破破解技术术难题题，化解解风险险，先后后攻克克盾构机机长距距离穿越越砂卵卵石复合合地层层施工、高高水水压高气气压条条件下刀刀盘刀刀具修复复、江江中冲槽槽浅覆覆土段施施工、超超大直径径泥水水盾构超超浅覆覆土始发发和接接收等诸诸多世世界级技技术难难题。3、