超大直径盾构

超大直径盾构施工关键技术综述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/cm ，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 -10 cm/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 -2-3 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/cm ，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/cm ，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/cm ，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。 2 2 2 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/cm 。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 掘进距离 隧道名称 总长 9.1km 每段掘 进长度 盾构机 直径 数 量 最大水压地质情况 2 1989 日本东京湾公 — 路隧道 1997 1997 德国汉堡易北 — 河第四隧道 2003 软弱的冲积、洪 2.5kmØ14.14m8 台6.0kg/cm积黏性土层以及 洪积砂层 2 2 黏土、松散至细 2.56km2.56kmØ14.2m2 台4.5kg/cm密的砂、砾石、 和冰山泥灰岩 2000 软粘土、泥煤层 —荷兰绿心隧道7.2km2.2kmØ14.87m4 台5.0kg/cm2 和细砂 2004 2004淤泥质粘土、淤 上海沪崇苏隧 —2007.47km7.47kmØ15.43m2 台5.5kg/cm2泥质粉质粘土、 道 9粘土、砂质粉土 粉土、粉细砂、 2005- 南京长江隧道3.02km3.02kmØ14.93m2 台6.5kg/cm2砾砂、卵石和强 2010 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 径最大的盾构之一。 “高” ：水土压力高达 6.5 kg/cm ，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 2 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