超大直径盾构施工技术全面分析

超大直径盾构施工关键技术综述

王华伟

（中铁十四局集团有限企业）

一、工程概况

1.1地理位置

南京长江隧道工程位于南京长江大桥与三桥之间，连接河西

新城区-梅子洲-浦口区，是南京市跨江发展战略的重要标志性工

程，它日勺建成将彻底变化目前南京市长江单一日勺桥梁过江交通方

式，对于缓和跨江交通压力，增进沿江经济发展，造福百姓，具

图例堤外高漫湾堤内高漫淞堤内低漫海洲3X3

有十分重要的意义。

1.2水文和地质条件

盾构隧道穿越日勺江面宽度约2600m,最大水深约28.8m,最

2

大水压力为6.5kg/cm,江中最小覆土厚度为10.49m(0.7D)O

隧道所穿越的重要地层包括：填土和淤泥质粉质粘土、粉土、粉

砂、粉细砂、砾砂、圆砾以及少许强风化粉砂质泥岩。其中盾构

穿越强透水地层(渗透系数达102-10-Ws)2672m,占盾构段

总长度日勺88.4%,对刀具磨损严重、导致掘进困难的砾砂、圆砾

复合地层地段长1325m,占整个隧道长度的43.8%。

1.3设计状况

南京长江隧道工程全长5853m,按双向6车道迅速通道规模

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，由江北工作井始发向江心洲接受井同向掘进。

盾构隧道管片内径13.30m,外径14.50m,厚度60cm。每环

衬砌由10块管片阂成，环宽2m。管片拼装设计为7块原则块、

2块相邻块和1块封顶块，分Z型Y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状况简介

盾构法隧道施工技术问世至今已经有近223年，作为隧道建

造日勺一种先进技术一一盾构法已广泛用于地铁、铁路、公路、市

政、水电隧道等工程领域，但超大直径盾构隧道工程实例并入多

见，国内外经典的工程项目重要有:

1、国外超大型水下盾构工程经典项目

(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，盾构机直径中14.14m,隧道总长度9.1公里，被人

工岛分为4.6公里和4.5公里长日勺两段，每段由两台盾构机对向

各掘进约2.5公里；重要地质为软弱日勺冲积、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道。

(2)德国汉堡易北河第四公路隧道：2023年1月底贯穿，双

向4车道公路隧道，盾构机直径中14.2m,隧道长度为2561米，

穿越的地层重要为黏土、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)：2023年年终贯穿，双

线铁路隧道，盾构机直径中14.87m,隧道全长7155nb分为4个

区间(最长2200米)。地质重要为软粘土、泥煤层和细沙，最高

水压5kg/cm2,又发明了一种新记录。

2、国内超大型水下盾构工程经典项目

国内超大型水下盾构工程经典项目重要有：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〜

H.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2023年8月28日

贯穿。盾构段穿越日勺重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/cn1国际上直径超过14m、

采用泥水平衡盾构建造日勺隧道见下表。

建设掘进距离盾构机

隧道名称最大水压地质状况

时间每段掘数

总长直径

进长度量

1989软弱的冲积、洪

日本东京湾公

9.1km2.5km014.14m8台6.Okg/cnr积黏性土层以及

路隧道

1997洪积砂层

1997黏土、松散至细

德国汉堡易北

2.56km2.56km014.2m2台4.5kg/cm2密日勺砂、砾石、

河第四隧道

2023和冰山泥灰岩

2023

软粘土、泥煤层

荷兰绿心隧道7.2km2.2km014.87m4台5.Okg/cm2

和细砂

2023

2023淤泥质粘土、淤

上海沪崇苏隧

一2027.47km7.47km015.43m2台5.5kg/cmJ泥质粉质粘土、

道

3粘土、砂质粉土

粉土、粉细砂、

2023-

南京长江隧道3.02km3.02km014.93m2台6.5kg/ci/砾砂、卵石和强

2023

风化岩层

三、南京长江隧道的工程特点、难点及风险点

通过与上述几种隧道相比，南京长江隧道几乎涵盖了其他所

有经典盾构隧工程日勺难点和风险点，南京长江隧道工程是中国长

江流域上工程技术难度最高、挑战性最多日勺地下工程，作为世界

级日勺越江工程，南京长江隧道面临的是高风险、高挑战性日勺世界

级难题，其特点重要体目前六个方面：“大”、"高”、“强”、“薄”、

“长”、“险二

“大”：即盾构直径超大。盾构机直径14.93m,是世界上直

径最大日勺盾构之一。

“高”：水土压力高达6.5kg/cm2,目前在同类盾构隧道中,

国内首屈、世界之最。

“强”：隧道穿越日勺地层重要为渗透系数很高的强透水层，

占隧道总长日勺70%以上。

“薄”：江底约150nl长的冲槽段覆土厚度局限性1倍洞径,

最小埋深仅10.49m；始发段埋深仅5.5m（局限性0.4D）。

“长”：在砂卵石层中持续掘进3000多米一次越江，相称于

在粉粘土地层中掘进30公里、相称于地铁盾构持续掘进17公

里。

“险”：隧道穿越粉土、粉细砂、砾砂、卵石和强风化岩层,

地质条件异常复杂，同步地层中存在大量大块卵石、钢材、铁器

等异物，这些异物对刀盘刀具和盾体都导致了很大伤害。高水压、

强透水、长距离、复杂地质条件下的掘进难度巨大，风险巨大。

四、关键施工技术综述

作为泥水平衡盾构施工，从管片制作、到盾构掘进、同步注

浆、管片拼装、泥水管理、同步施工、物流组织、维保等作为常

规工序，关键是做好规程制定，明确负责人和作业范围，在此不

再一一赘述。下面我就南京长江隧道的始发、接受、江中冲槽段

浅覆土施工、长距离穿越复合地层施工、高压进仓修复刀盘刀具

等关键施工技术研究成果向大家汇报如下，请各位专家批评指

正。

4.1盾构始发

盾构始发是掘进施工时开始，也是盾构机整个系统工作的开

始，同步也是设备检测、调试的时刻，更是极易出现问题的环节。

我们对始发的定义：自钢负环管片（-9环）安装起，至盾

构机刀盘离开全断面加固区（此时推进至+5环行程约1800mm）

止，整个始发过程盾构机整机前移约24m,分为洞前加固、盾构

机负载调试、洞门破除、压力建仓、碰壁开挖、密封环封闭（二

次密封）、始发掘进等几种过程。

南京长江隧道始发存在较大风险，重要体目前如下几种方

面：

1、地下水位高，地表下50cm即是地下水，水头压力高达

2.3bar。

2、地层透水性极强，持续墙凿除后在地下水日勺作用下，稳

定性差日勺粉细砂层极易发生坍塌等风险。

3、覆土薄，始发埋深仅5.5m,局限性0.4D,极易击穿冒顶,

压力建仓困难。

4、盾构机直径大，洞门破除后掌子面难以稳定。

5、盾构机直径大，重量达4000吨，盾构机姿态难以控制。

针对上述风险，我们最终采用了高压旋喷全断面加固+冷冻+

降水的三保险方案，保证了始发日勺万无一失。

始发现场照片

4.2长距离穿越复合地层施工

复合地层是指粉细砂、砾砂、圆砾构成的混合地段，该地层

的特点是地层不均匀，透水性强，石英含量高，对刀具和刀盘的

磨损大；泥浆漏失量大，压力保持困难，掌子面稳定性差。南京

长江隧道所穿越的复合地层地段长1325m,占整个隧道长度日勺

43.8%。为此我们在施工中采用了一系列技术措施，从各个环节

做好控制，保证了施工顺利进行。

1、实行常压刀具更换

南京长江隧道盾构机配置刀具总数量为225把，刀具由先行

刀、刮刀、铲刀和仿形刀四种构成，其中常压可更换刮刀71把。

部分刀具照片（圆圈中为可更换刀具）

刀具更换作业示意图

常压刀具更换实行日勺意义:

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

道则是世界上初次进行常压刀具更换。常压换刀日勺成功实行，防

止了高压换刀作业的巨大风险，标志着超长隧道日勺掘进成为也

许。

2、改善刀具

盾构机原装刀具为厂家随机配置日勺，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，虽然实现了常压刀具更换，其风险也是很大日勺，且

费用极其昂贵，按期完毕南京长江隧道的建设也是不也许日勺c基

于上述原因，必须对刀具进行改善，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分析以及深入的试验、改善

与工程应用，大大加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善

前日勺50m提高到改善后日勺900m,比原进口刀具提高了15倍，

为长江隧道日勺顺利建成发挥了重要作用，工程效益明显，对后来

类似工程提供了一种很好的借鉴案例，意义深远重大。适应二复

合地层日勺新型刀具已经申报发明专利。

3、推进参数控制

减少推进速度，减小刀盘转速，减小锥入度。

4、泥浆

严格泥水指标控制，探索出了适合不一样砂卵石复合地层日勺

配比，泥浆对刀具保护、砂卵石地层中泥浆的携喳能力、泥膜对

掌子面日勺稳定和保护等均获得良好效果。

5、同步注浆

根据施工速度调整浆液凝结时间，严格控制浆液配比，保证

其和易性和流动性。同步注浆采用注浆量和注浆压力日勺双控制，

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

盾尾刷处在良好的工作状态就必须做好如下工作：

⑴保证盾尾油脂注入量和注脂压力。

⑵保证同步注浆质量，注入速度和掘进速度相匹配。

⑶严格控制泥水压力，防止泥水压力传递至盾尾后击穿盾尾

刷而导致泄漏。

⑷严格控制盾构姿态，杜绝较大纠偏。

4.3高水压高气压条件下刀盘刀具修复

施工过程中，由于盾构机原配刀具与地层不响应且监测报警

系统失效，在江中压力最大地段出现刀盘刀具磨损过大，而在此

地段进行刀盘刀具日勺修复将面临两大困难：

(1)国内仅有在4.3kg/cm2压力下进舱检查的案例，到目前

国内还没有高压焊接作业的先例，而南京长江隧道的作业压力为

6.Okg/cm2,在这样高的压力下进行刀盘刀具的焊接作业，怎样

保证工程及人员的安全是摆在我们面前的第一大难题。

(2)盾构机所处位置为透水性极强、稳定性很差时砾砂地

层，在这种地质条件下，采用什么样日勺压力条件和泥浆指标才能

使掌子面长时间处在稳定状态，是摆在我们面前日勺第二大难题。

修复原理是在掌子面上开挖出一种工作空间，空间外层是一

层泥膜，隔断外侧江水同步防止气体泄漏，作业人员在此空间内

进行刀盘刀具修复。因此调配出高质量的泥浆、设定合理的压力

参数是保证修复作业安全顺利进行的关键。

最终通过两个月的多次进仓作业，成功完毕6.Obar高水压、

高气压条件下刀盘刀具修复这一世界级难题，这标志着我们在高

水压复杂地质条件下，对泥水压力参数设定、泥浆指标制定和控

制、盾构机姿态保持、盾尾密封安全保护和同步注浆等一系列技

术原则日勺制定和实行积累了成熟经验，并且我们还在高压下刀盘

刀具焊接、动火方面获得重大突破，打破不能在高压空气下动火

的禁区(国内仅容许在高压水下动火焊接作业)，为修改和完善

规范，也为我们后来在更高压力下进行刀盘刀具修复实行提供了

可靠的根据。高压进仓泥浆配比也已经进行发明专利日勺申报。

4.4江中冲槽浅覆土段施工

1、江中冲槽浅覆土段状

况阐明it中冲槽实IS水位&00I

隧道靠近梅子洲一侧

有一段长约150米日勺江中冲

槽段，覆土厚度均局限性1

倍洞径，最小埋深仅10.49

米。

2、重要风险

由于江中冲槽段覆土薄，水位高（水深2L5m）,同步前方

以大坡度覆土厚度增长，地形起伏极大，该段施工具有如下风险:

⑴压力过大会导致泥水击穿覆土，与江水连通。

⑵压力不够会导致塌方冒顶。

⑶最大风险时刻如图所示，盾尾处在最小覆土位置（10.49

米），刀盘位置覆土则到达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，同步又要保证盾尾不出现劈裂事故。

3、方案比选

⑴抛填方案

江中冲槽浅覆土段掘进施工可以采用在盾构掘进抵达浅覆

土段前进行江中抛袋回填施工，增长该段覆土的厚度。

⑵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

施工参数，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。潜堤构造采用袋装砂抛填，潜

堤之间采用粘土抛填，由于粘土日勺颗粒细，不适宜采用水力冲灌

方式，只能采用100〜150kg日勺人工袋装砂粘土进行抛填。

抛填方案可以在覆土厚度上到达掘进规定，但由于长江冰流

较快，实行抛填后很难在江底形成均匀的覆盖层，且与原有河床

下土体无法成为一种稳定整体，同步由于抛填筑坝会引起该范围

的局部冲刷，扰动原覆土层的稳定，并且抛填成本高，实行难度

大，实行效果差，根据多次专家会讨论，结合科研成果，决定不

采用抛填方案，采用目前实行的不进行地层处理日勺施工方案。

4、科研状况

⑴选用与江中浅覆土段工况有相似之处日勺初始掘进长度

135m左右进行原位试验，并将泥水劈裂的试验数据与理论计算、

实际掘进参数进行综合对比分析，探索出合理的掘进参数，为江

中冲槽超浅覆土段掘进参数设定提供了第一手资料。

⑵运用模型盾构机进行室内模拟掘进试验，深入验证推进参

数。

⑶通过模型试验、现场原位试验和理论分析研究泥水劈裂机

理，最终确定了江中冲槽段对应的施工方案和应急预案。

5、技术措施

⑴按照“高粘优浆、合理低压、精细控制、平稳推进、迅速

拼装、严禁停机、一次通过”的原则，严格掘进过程管理控制，

严控泥水压力和注浆压力，防止压力大的波动，平稳、迅速通过

江中冲槽浅覆土地段。

⑵为保证泥浆指标，每环加入高浓度优质新浆，对劣化日勺泥

浆指标进行调整或部分置换，详细实行时根据现场实际状况进行

调整，以保证形成致密泥膜封闭掌子面，给掌子面提供足够的支

撑压力。

南京长江隧道左右线隧道分别顺利穿越江中冲槽段，成功克

服了覆土薄、水压大、透水强，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日勺施工技术难题，积累了宝贵经验，弥补

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日勺掌握，为水下盾构施工技术领域积

累了宝贵的经验。

4.5盾构接受

1、接受风险

盾构接受是盾构施工阶段面临日勺最终一种风险环节，稍微日勺

麻痹大意都会带来劫难性的后果，这在国内外某些盾构工程中已

经多次发生，南京长江超大直径盾构面临的风险更大：

(1)接受地点位于四面环水的梅子洲上，且地层以粉细砂为

主。

⑵大直径的盾构进入接受井预埋轲环时对测量的规定更

高。由于长江南京段水面开阔，两岸之间距离近3公里，水面光

线折射对测量精度影响大，隧道贯穿精度控制难度大。

2、应对措施

⑴针对地层以粉细砂为主的实际状况，采用三轴搅拌桩对地

层进行加固。

⑵采用接受井端头冻结加固，启动降水并灌水接受，防止了

洞门密封失效日勺风险、涌砂的风险，成功实现了盾构的安全接受,

真正做到了万无一失。

通过接受方案日勺实行，两台盾构均实现安全接受，隧道贯穿

后，左右线水平、竖直4个贯穿误差数据中有3个在5mm以内，

最大也仅有27mm,比设计和规范规定时容许偏差精确日勺多。

五、几点体会

通过南京长江隧道施工，有如下几点体会：

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，尤其是深大基坑开挖、盾构机工地组装、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、盾构机接受等重要风险环节，我们一直以“稳字当头、安

全第一、万无一失、保证成功”作为项目建设的指导方针，以"如

履薄冰，如临深渊”的心态和科学严谨日勺精神，敏感而谨慎0•勺看

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受，隧道完毕地段不渗入裂

不漏无错台，德国、日本等行业专家都称“质量原则到达世界先

进水平”。

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日勺挑战，在没有现成经验借鉴的状况下，

我们依托专家团体日勺智慧，建立了三级专家体系，充足运用社会

资源，在专家的指导和协助下，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