武汉长江隧道工程施工技术

武汉长江隧道工程施工技术中国中铁隧道集团有限公司2007年12月•汇报的主要内容：•一、工程概述•二、工程特点、重难点•三、盾构施工技术•四、盾构施工成功经验•五、目前工程进展及盾构机性能评价一、工程概述1.1参建单位：•业主：武汉市城市建设投资开发集团有限公司•（武汉长江隧道工程建设有限公司）•监理单位：施工监理联合体•主办单位：上海市市政工程管理咨询有限公司•成员单位：中咨工程建设监理公司•湖北中南市政工程监理有限公司•总包单位（EPC）：中铁隧道集团联合体•主办单位：中铁隧道集团有限公司•成员单位：铁道部第四勘察设计院（设计单位）•武汉市市政建设集团有限公司•武汉市城市规划设计研究院•奥地利D2咨询有限公司•设计监理：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院1.2工程工期和总造价•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•武汉长江隧道为武汉市重点工程，是武汉市第一条重要的公路过江通道。工程位于武汉长江一、二桥之间，隧道江北起点位于汉口大智路与铭新街的交叉口，江南终点为武昌友谊大道南侧规划中的沙湖路，线路全长3630m，其中过江盾构隧道设计为两条隧道，左右线各长2538m。单条隧道设计为两车道，设计车速50km/h。汉口端设2条匝道，武昌端设4条匝道与路网相接。武汉长江隧道工程地理位置见图1。图1武汉长江隧道工程地理位置图武昌汉口•1.3.3盾构隧道平、纵、横断面设计概况•盾构隧道线路共设3组平曲线，平面最小转弯半径为800m。线路纵坡大致为U形，最大下坡为4.35%，最大上坡为4.4%。盾构隧道内净空φ10m，管片外径φ11m。隧道断面底部设逃生通道和电缆通道，中部为行车道，上部为专用排烟道。盾构隧道最小覆土厚6.3m，最大覆土厚40.5米。线间距为16-28m。盾构隧道结构横断面见图3。•1.3.2工程范围和任务划分•工程范围包括盾构始发井、到达井、盾构隧道、联络通道、明挖隧道、主线中山大道暗挖隧道、A、B、C、D、E、F六条匝道、管理中心大楼、通风井、路面工程及机电设备安装工程等。工程线路平面布置示意见图2。图2工程平面布置示意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工程地质及水文地质•1.3.4.1工程地质•隧址区长江段水下地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂，中粗砂组成，中部由第四系全新统中密～密实粉细砂组成，下部基岩为志留系泥质粉砂岩夹砂岩、页岩；江南及江北两岸地层除地表有呈松散状态的人工填土外，上部由第四系全新统冲积软～可塑粉质粘土，中部由第四系全新统中密～密实粉细砂组成，下部基岩为志留系泥质粉砂岩夹砂岩、页岩。工程地质纵断面见图４。•盾构隧道主要穿越粘土层、粉土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层、粉细砂、中粗砂，局部地段穿越泥质粉砂岩夹砂岩页岩，其中穿越粉细砂层和中粗砂层占74.74%，穿越粉土和粘土层占23.03%，穿越卵石层占1.01%，穿越岩石占1.22%。最大切岩深度为2.341m，未切入微风化岩层。图４工程地质纵断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道联络通道•1.3.4.２不良地质•①、隧道址场地20m深度内松散粉细砂（地层代号③1）和稍密粉细砂（地层代号⑤1）为可轻微液化土层；•②、分布于长江两岸近地表处的人工填土层均呈松散状态，隧道明挖及竖井基坑施工时，该土层不稳定，需进行支护；•③、分布于长江河床表层的粉细砂和中粗砂地层，呈松散状态。•④、场地内分布有淤泥质粉质粘土（地层代号④5）主要分布在隧道址江南（武昌）段，其分布不连续，厚度不大，该层在隧道施工时，可能会对坑壁稳定性有一定影响。地层类型岩性最高抗压强度Mpa石英含量泥质粉砂岩0.46砂岩4.13页岩0.49≤2%泥质粉砂岩6.67砂岩29.42泥质粉砂岩10.97砂岩48.83强风化地层中风化地层微风化地层0.4343%•１.3.4.3水文地质•①、地表水•该地区地表水系主要有长江水系、汉江水系、沙湖水系。长江水系为区内主要地表水系，也是对拟建长江隧道有直接影响的地表水系。长江水系主要接受上游及汉江补给，向下游排泄；汉江水系主要接受上游补给，向长江排泄。沙湖水系主要接受大气降水补给，与长江水力联系受人为因素控制。长江水对混凝土及混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。•②、地下水•地下水主要有上层滞水、孔隙水和基岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存于上部人工填土层中，孔隙水主要赋存于第四系松散层中，可分为孔隙潜水和孔隙承压水两种类型；基岩裂隙水主要赋存于下部基岩裂隙中。场地内地下水位埋深0.80～5.90m。相当于标高21.02～15.92m。长江河床段分布的地层主要为第四系全新统新近沉积粉细砂、全新统沉积粉细砂、中粗砂、砂卵石层以及志留系砂岩泥岩。与长江两岸比较，长江切穿了第四系全新统孔隙承压含水层顶板，江水和地下水具有密切的水力联系。洪水期盾构施工最大水压达到0.57MPa。二、工程特点、重难点2.1工程特点（1）工程规模宏大、意义重大武汉长江隧道是武汉市大型重点工程和重要的过江通道，被称为“万里长江第一隧”，工程宏伟，投资巨大，引起湖北省、武汉市政府及土木工程界的高度关注。（2）施工涉及领域多，综合性强本工程包括长江两岸明挖基坑、暗挖隧道、过江盾构隧道、道路施工、设备采购及安装等项目，涉及富水地层深基坑开挖、大断面泥水平衡盾构掘进、大跨隧道浅埋暗挖施工、联络通道冷冻法施工等工程技术，施工综合性强。（3）工程地质条件复杂、施工难度大本工程处于Ι类建筑场区，地层复杂，地下水位高。富水地层深基坑开挖、大断面泥水平衡盾构掘进、大跨隧道浅埋暗挖施工、软土地层联络通道施工等工程技术，设计和施工难度都很大。（4）盾构施工涉及难题多①、断面大、连续掘进距离长。②、盾构穿越地层复杂，地质条件变化大。③、隧道埋深变化大，水压高。④、进出洞段埋深浅，且下穿众多重要的建筑物，如长江防洪大堤、武大铁路、鲁兹故居等。⑤、2条盾构隧道净间距小，相互对周边环境影响大。⑥、盾构隧道上下坡度大，上下反坡差达8.7%。要求盾构有较强的爬坡能力和方向控制能力，同时对运输系统提出了更高的要求。（5）工程拆迁量大、施工任务重、工期紧2.2工程重难点（1）盾构选型和设计盾构机穿越的地层主要为富含地下水的砂性土，但在江中地段，开挖面上同时存在着土层、卵石层及砂岩、泥岩层的强、中风化的岩石地层，地下水特征在两岸表现为较高承压水头的承压水特征，在江中则表现为高水压的潜水特性。盾构机选用正确与否是工程成败的关键。（2）施工组织与技术管理本工程周边环境复杂，工程内容和工法较多，施工场地狭小，施工工期紧张。如何加强施工组织和技术管理，加强施工过程控制，做到协调有序是施工的重点。（3）地表建（构）筑物及地下管线众多，环境保护要求高本项目施工影响范围内重要建筑物包括鲁兹故居、长江防洪堤、武大铁路及隧道上方重要建构筑物等。特别是在盾构始发和到达段，覆土浅（0.7D）、软土地层下穿大量建筑物。管线种类主要有：给水、排水、电力、通信、煤气等。道路上的管线主要分布于机动车道两侧的非机动车道和人行道下，其密度较大；给水管线主要为铸铁管、混凝土管两种；排水主管以混凝土管道为主，有少量为箱涵式。电力管线多数为沟道式埋设，部分分支为直埋。通信管线多数以管块或群管集中方式埋设，部分为直埋方式。工程处于闹市区，对噪音、粉尘、污水排放控制、交通组织等管理要求高。（4）盾构穿越长江本工程盾构隧道要穿越1310米的长江，过江段盾构穿越地层主要为⑤2粉细砂层、⑤3粉细砂层，而且隧道与江水之间的地层均为松散的中粗砂到粉细砂地层，为透水层，地下水和江水有着密切的水力联系通道，水压最高达0.57MPa，施工过程控制不好，就可能产生“冒顶”、隧道涌水涌砂等事故。隧道在穿越长江深槽处，河床深度仅有11米，隧道上覆砂层为渗透性强的中粗砂，施工控制难度大。隧道下半断面在江底要间断的穿越约300m左右的⑥卵石层、⑦1～⑦3强～微风化泥质砂岩夹砂岩、页岩等软硬不均地层，卵石及基岩侵入隧道最大厚3.8m，施工可能出现开挖面坍塌、刀盘或刀具严重磨损使盾构无法推进而不得不换刀、盾构掘进方向不易控制、可能因堵管造成泥水压力急剧变化而导致超挖，从而引发事故。（5）盾构始发和到达隧道始发和到达段覆土浅,隧道净间距小(仅5.5米），地面建筑物及管线密集，施工难度大。始发和到达段是事故多发地段。（6）联络通道的施工位于盾构段的2处联络通道均处于粉细砂地层中，且地下水位高，在该种地层中进行联络通道施工，施工难度与风险均较大，而且横通道地表建筑物及管线较多，若产生涌水涌砂而导致过大的地层沉降，很可能造成地表上方建构筑物及地下管线的破损。因此，选用合理的施工方案，确保联络通道安全施工，是本工程的重点。三、盾构施工技术3.1盾构选型武汉长江隧道最终采购由法国NFM公司设计的盾构机，除核心设备采用进口件，部分结构在国内制造。盾构机的结构及其性能简单介绍如下：（1）、盾构机类型：膨润土-气垫式泥水平衡盾构；（2）、开挖直径11.38米；（3）、重量：主机与后配套的重量1100t（主机900t，后配套200t），其中刀盘组件重160t；（4）、长度：整机56米，主机壳体长度11.71米；（5）、最小转弯半径400m；（6）、推力：最大推力121220kN；（18组共36根油缸）（7）、扭矩：最大扭矩13650kNm@0.85转/分；最大转速时的扭矩5050kNm@2.3转/分；脱困扭矩17750kNm；（8）、速度：最大掘进速度40mm/min；图5：间接控制型泥水平衡盾构工作原理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（１）、支撑方式：中心支撑（八个辐条）（２）、刀盘型式：复合刀盘（39把17“单刃滚刀，224把切刀）（3）、开挖直径11380mm，开口率30%（中心部位50%）（4）、滚刀安装在从半径2.0m至周缘处，间距108mm；（5）、周边的保护刀32把；仿形刀1把；切刀磨损检测装置4把；（6）、刀盘分块数量3块；３.1.2刀盘驱动系统（１）、型式变频电机驱动，驱动功率200Ⅹ8即1600kW；（2）、双向转速0~2.3转/分(连续可调)；（3）、最大扭矩13650kNm@0.85转/分；脱困扭矩17750kNm（4）、主轴承类型3排滚柱«2排轴向-1排径向»轴承（5）、主轴承寿命10000小时；（6）、密封2×5道密封，开挖室的最大工作压力6.0bar图6：刀盘布置形式图7：刮刀和滚刀配置结构图图8主轴承密封P1P2P3P4P5P6P0V1V2V3V4V5ABCDE3.1.3推进系统(1)、最大推力121220kN（2）、油缸数目36个、单个油缸推力3366kN；（3）、油缸行程：2600mm；（4）、油缸分组：为4组；（5）、最大推进速度40mm/min；LowergroupUppergroupLeftgroupRightgroup图9推进油缸分区图3.1.4泥浆循环系统（1）、进浆泵（P1.1）流量900m3/h（掘进期间）1144m3/h（旁通时）排渣流量（P2.1、P2.2）1250m3/h（掘进期间和旁通时）（2）、进浆最大密度1.1T/m3，排渣最大密度1.30T/m3（3）碎石机型式双独立颚板式最大粒径400mm（4）、泥浆管延伸机构延伸能力6m；图10泥浆循环界面图3.1.5泥水分离系统和制浆（1）、3套500立方处理设备并连；（2）、处理以筛分、一级旋流、二级旋流；（3）、一级旋流以处理74μm为主；（4）、二级旋流以处理45μm为主；（5）、分离后的泥浆经沉淀后与新浆混合循环利用；（6）、新浆以聚合物和膨润土为原料制备；3.1.6盾体和盾尾密封系统（1）、前体直径和长度11360mm，2405mm（2）、中体直径和长度11340mm