超大直径跨江交通隧道盾构施工关键技术综述

　超大直径 跨江交通 隧道 盾构施工 关键 技术综述王华伟 (中铁十四局集团有限公司) 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,它的 建成将彻底改变目前南京市长江单一的 桥梁过江交通方式,对于缓解跨江交通压力,促进沿江经济发展,造福百姓,具有十分重要的 意义.

　1.2 水文和地质条件 盾构隧道穿越的 江面宽度 约2600米,最大水深约28.8米,南京长江隧道

　最大水压力为 6.5 千克/厘米2 ,江中最小覆土厚度 为 10.49 米(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.其中盾构穿越强透水地层(渗透系数达 10-2 -10 -3厘米/s)2672 米,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 1325 米,占整个隧道长度 的 43.8％. 1.3 设计情况 南京长江隧道工程全长5853米,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 3022 米,右线盾构施工段长 3015 米.隧道施工采用两台直径 14.93 米的 泥水平衡盾构机,由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 13.30 米,外径 14.50 米,厚度 60 厘米.每环衬砌由 10 块管片组成,环宽 2 米.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 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 建设情况介绍

　盾构法隧道施工技术问世至今已有近 200 年,作为隧道建造的 一种先进技术——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不多见,国内外典型的 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Φ14.14 米,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 6 千克/厘米2 ,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:2000 年 1 月底贯通,双向 4车道公路隧道,盾构机直径Φ14.2 米,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4.5千克/厘米2 ,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):2004年年底贯通,双线铁路隧道,盾构机直径Φ14.87米,隧道全长7155米,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 5 千克/厘米2 ,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 9.0 米～11.37 米之间. 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 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 5.5 千克/厘米2 .国际上直径超过14 米、采用泥水平衡盾构建造的 隧道见下表. 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—1997 日本东京湾公路隧道 9.1 千米 2.5 千米 Ø14.14米 8 台 6.0 千克/厘米2

　软弱的 冲积、洪积黏性土层以及洪积砂层

　1997—2003 德国汉堡易北河第四隧道 2.56 千米 2.56 千米 Ø14.2米 2 台 4.5 千克/厘米2

　黏土、松散至细密的 砂、砾石、和冰山泥灰岩 2000—2004 荷兰绿心隧道 7.2 千米 2.2 千米 Ø14.87米 4 台 5.0 千克/厘米2

　软粘土、泥煤层和细砂 2004—2009 上海沪崇苏隧道 7.47 千米 7.47 千米 Ø15.43米 2 台 5.5 千克/厘米2

　淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂质粉土 2005-2010 南京长江隧道 3.02 千米 3.02 千米 Ø14.93米 2 台 6.5 千克/厘米2

　粉土、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:“大”、“高”、“强”、“薄”、“长”、“险”. “大”:即盾构直径超大.盾构机直径 14.93 米,是世界上直径最大的 盾构之一. “高”:水土压力高达 6.5 千克/厘米2 ,目前在同类盾构隧道中,国内首屈、世界之最. “强”:隧道穿越的 地层主要为渗透系数很高的 强透水层,占隧道总长的 70%以上. “薄”:江底约 150 米长的 冲槽段覆土厚度 不足 1 倍洞径,最小埋深仅 10.49 米;始发段埋深仅 5.5 米(不足 0.4D). “长”:在砂卵石层中连续掘进 3000 多米一次越江,相当于在粉粘土地层中掘进 30 公里、相当于地铁盾构连续掘进 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,同时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造成了 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,明确责任人和作业范围,在此不再一一赘述.下面我就南京长江隧道的 始发、接收、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的 开始,也是盾构机整个系统工作的 开始,同时也是设备检测、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 1800 米米)止,整个始发过程盾构机整机前移约 24 米,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)、始发掘进等几个过程. 南京长江隧道始发存在较大风险,主要体现在以下几个方面: 1、地下水位高,地表下 50 ㎝即是地下水,水头压力高达 2.3 bar. 2、地层透水性极强,连续墙凿除后在地下水的 作用下,稳定

　性差的 粉细砂层极易发生坍塌等风险. 3、覆土薄,始发埋深仅 5.5 米,不足 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 ,确保了 始发的 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、圆砾组成的 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 1325 米,占整个隧道长度 的 43.8％.为此我们在施工中采取了 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、实施常压刀具更换 南京长江隧道盾构机配备刀具总数量为 225 把,刀具由先行刀、刮刀、铲刀和仿形刀四种组成,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 50 米左右就必须更换,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,按期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 分析以及进一步的 试验、改进与工程应用,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进前的 50 米提高到改进后的 900 米,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,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:

　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造成泄漏. 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的 修复将面临两大困难: (1)国内仅有在 4.3 千克/厘米2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 6.0 千克/厘米2 ,在这么高的 压力下进行刀盘刀具的 焊接作业,如何保证工程及人员的 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、稳定性很差的 砾砂地层,在这种地质条件下,采用什么样的 压力条件和泥浆指标才能使掌子面长时间处于稳定状态,是摆在我们面前的 第二大难题. 修复原理是在掌子面上开挖出一个工作空间,空间外层是一层泥膜,隔断外侧江水同时避免气体泄漏,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. 最终经过两个月的 多次进仓作业,成功完成 6.0bar 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标准的 制定和实施积累了 成熟经验,而且我们还在高压

　下刀盘刀具焊接、动火方面取得重大突破,打破不能在高压空气下动火的 禁区(国内仅允许在高压水下动火焊接作业),为修改和完善规范,也为我们以后在更高压力下进行刀盘刀具修复实施提供了 可靠的 依据.高压进仓泥浆配比也已经进行发明专利的 申报. 4.4 江中冲槽浅覆土段施工 1、江中冲槽浅覆土段情况说明 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倍洞径,最小埋深仅 10.49米. 2、主要风险 由于江中冲槽段覆土薄,水位高(水深 21.5 米),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: ⑴压力过大会造成泥水击穿覆土,与江水连通. ⑵压力不够会造成塌方冒顶. ⑶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 ⑴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.潜堤结构采用袋装砂抛填,潜堤之间采用粘土抛填,由于粘土的 颗粒细,不宜采用水力冲灌方式,只能采用 100～150 千克的 人工袋装砂粘土进行抛填. 抛填方案 可以在覆土厚度 上达到掘进要求,但由于长江水流较快,实施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个稳定整体,同时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,而且抛填成本高,实施难度 大,实施效果差,根据数次专家会讨论,结合科研成果,决定不采用抛填方案 ,采用现在实施的 不进行地层处理的 施工方案 . 4、科研情况 ⑴选取与江中浅覆土段工况有相似之处的 初始掘进长度 135 米左右进行原位试验,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,摸索出合理的 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利用模型盾构机进行室内模拟掘进试验,进一步验证推进参数. ⑶通过模型实验、现场原位实验和理论分析研究泥水劈裂机理,最终确定了 江中冲槽段相应的 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、快速拼装、禁止停机、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、快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,对劣化的 泥浆指标进行调节或部分置换,具体实施时根据现场实际情况进行调整,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: ⑴ 接收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,两岸之间距离近 3 公里,水面光线折射对测量精度 影响大,隧道贯通精度 控制难度 大. 2、应对措施 ⑴针对地层以粉细砂为主的 实际情况,采用三轴搅拌桩对地层进行加固.

　⑵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 5 米米以内,最大也仅有 27 米米,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、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”. 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土始发和接收等诸多世界级技术难题. 3、坚持培训,提高全员素质 南京长江隧道项目所用盾构机是目前世界上直径最大的 泥水平衡盾构机之一,在世界范围工程实例少,专业技术人员数量少,而且泥水盾构施工是一项复杂的 、需要多方参与协调的 系统工程,在设备定型的 前提下,人员素质直接决定了 项目的 成败.面对技术储备不够,外部借鉴事例缺乏,专业人才短缺的 严峻现实,为确保南京长江隧道施工的 顺利进行,进场伊始我们就确定了 以员工培训为重点的 工作目标,将员工的 业务学习和培训工作贯穿于整个施工全过程,通过自学、请专家授课、实地参观学习、盾构机车间组装和工地组装、试掘进等环节的 持续培训,通过施工磨练,目前我们拥有掌握大直径盾构施工核心技术(盾构机操作、拼装、电气、液压、机械、常压刀具更换、高压进仓等)的 人员有 200 名左右,这些人员及其通过施工磨练掌握的 核心技术是我们在大直径盾构施工领域最为宝贵的 资源和财富. 4、坚持管理创新,优化资源配置 超大直径泥水盾构施工是一项复杂的 系统工程,涉及土建、地质、电气、液压、机电等多个专业,需要多方参与,必须有一个强有力的 、高效的 管理团队,通过系统管理,坚持规范施工,在每个系统中建立工作标准、业务职责,明确责任人,使每道工序,每个责任人都明白该做什么,每项工作有谁来做,做到什么程度 ,才能保证施工顺利安全的 推进. 六、结束语

　南京长江隧道的 贯通,标志着南京长江隧道世界级技术难题的 全部破解,南京长江隧道工程的 建设因其难和险,决定了

　它特殊的 地位和意义. 坚持科学决策,坚持科技先导,始终保持清醒头脑,使南京长江隧道的 建设规避了 所有能够预测到的 施工技术风险.整合内外资源,充分利用社会资源,紧紧依靠专家团队的 力量,走“产、学、研”相结合的 自主创新之路,形成具有自主知识产权的 核心技术体系,则是今后攻克类似新、难工程的 必由之路.