超大直径盾构

1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2600m，最大水深约28.8m，最大水压力为6.5kg/cm2，江中最小覆土厚度为10.49m（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10-2-10-3cm/s）2672m，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1325m，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5853m，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收井同向掘进。盾构隧道管片内径13.30m，外径14.50m，厚度60cm。每环衬砌由10块管片组成，环宽2m。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2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Φ14.14m，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：2000年1月底贯通，双向4车道公路隧道，盾构机直径Φ14.2m，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4.5kg/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）：2004年年底贯通，双线铁路隧道，盾构机直径Φ14.87m，隧道全长7155m，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5kg/cm2，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9.0m～11.37m之间。3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5.5kg/cm2。国际上直径超过14m、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9.1km2.5kmØ14.14m8台6.0kg/cm2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2.56km2.56kmØ14.2m2台4.5kg/cm2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7.2km2.2kmØ14.87m4台5.0kg/cm2软粘土、泥煤层和细砂2004—2009上海沪崇苏隧道7.47km7.47kmØ15.43m2台5.5kg/cm2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3.02km3.02kmØ14.93m2台6.5kg/cm2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14.93m，是世界上直4径最大的盾构之一。“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150m长的冲槽段覆土厚度不足1倍洞径,最小埋深仅10.49m；始发段埋深仅5.5m(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5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2.3bar。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5.5m，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。6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1325m，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。7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50m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8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50m提高到改进后的900m，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。9⑷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4.3kg/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6.0kg/cm2，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101、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21.5m），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