南京长江隧道盾构施工技术难点分析_pdf

南京长江隧道盾构施工技术难点分析
Abstract Stratu m of the tunnel p r oject of Nanjing Yangtse R iver is very comp lex .The dia meter of boring machine is very big .The p ressure of earth and water in the tunnel is up t o 0.75M Pa .The tunnel is excavated by a boring machine which contr ols and adjusts p ressure by slurry 2bubble 2cushi on .The length of tunnel excavated in only one directi on by boring ma 2chine is 2.9k m.This article intr oduces many engineering difficulties in the constructi on and the selecti on of p r oper boring machines t o excavate the tunnel .
Key words shield;tunnel of Nanjing Yangtse R iver;engineering technique
1　工程概况
南京长江隧道设计为双管盾构隧道,隧道江北为起点,进口里程为K3+390m,梅子洲隧道出口里程为K6+900,隧道总长度3510m,其中盾构段自K3+600～K6+532.756,长度为2932.756m 。

盾构机选用2台直径约14.9m 的泥水加压式盾构机同向掘进。

隧道左线有1个半径为2500m 的平面曲线,是本工程半径最小的平面曲线;右线有2个半径分别为3700m 和4900m 的平面曲线。

盾构工作井处线间距最小,中心距为23.33m ,一般地段左右线线间距为35m 。

隧道覆土厚度最大30m ,最小6.0m (始发段)。

江中段按最小覆土厚度不小于1倍盾构直径控制(局部地段不足1倍洞径,江中最小覆土厚度
10.2m )。

线路最大纵坡4.5%,最小坡度0.49%,
最大坡长1130m ,最小坡长290m;隧道段共设3个竖曲线,最小竖曲线半径R =7000m 。

隧道衬砌采用外径14.5m 、宽2m 、厚60c m 的C60钢筋混凝土预制管片,抗渗等级为S12。

路面
板采用预制、现浇相结合的方式施工。

2　隧道穿越的地层岩性分布
盾构隧道的地层岩性状况是盾构机选型的重要依据,南京长江隧道穿越的主要地层岩性有:①q c =1.48MPa,f s =18.1kPa,主要矿物成分为石英、长
石、云母,局部夹淤泥质粉质黏土层的细砂层:②高压缩性,低强度,渗透性一般,易坍塌,Ⅰ类围岩,可挖性为Ⅰ级的淤泥质粉质黏土夹粉土层;③灰色,饱和,稍密～中密,颗粒级配差,压缩性中等偏低,低强度,渗透性好,液化土,Ⅰ类围岩,可挖性Ⅰ级的层粉
细砂。

④主要矿物成分为石英、长石等,偶见白色小螺壳,砾石呈亚圆状～棱角状,压缩性能较好,承载力高,渗透性好,自稳性差,富含地下水,Ⅰ类围岩,可挖性Ⅰ级,为层砾砂。

⑤主要矿物成分为石英、长石,含云母,偶夹2～20mm的次圆形石英质砾石,低压缩性,强度高,渗透性好,,自稳性差,富含地下水,Ⅰ类围岩,可挖性Ⅰ级,为层粉细砂。

3　盾构施工技术难点分析
南京长江隧道工程具有地质条件复杂,盾构穿越长江风险大,盾构直径超大,0.75MPa水土压力高,国内同类工况施工经验缺乏和工期紧迫等特点。

(1)盾构直径超大
盾构直径约为14.9m,是目前世界上直径最大的盾构机之一,直径超过世界上已建成的最大的盾构隧道,是一项具有挑战性的难题。

由于盾构直径大,因此隧道掌子面存在围岩分布不均匀现象,对盾构机的姿态控制难度极大。

(2)江中段浅埋层厚度不足1倍盾构直径
隧道江底部分段覆土厚度仅为10m左右,不足盾构隧道断面的一倍,且该处地层地质条件较差,透水性很强,在盾构掘进过程中,地层隆陷风险大。

(3)盾构工作压力高
盾构机最大工作压力高达0.75MPa,比国内同类工程(如武汉、崇明长江隧道)都要高,因此在南京长江越江隧道对盾构机抵抗水土压力的要求高。

(4)地层透水性特强
长江南京河段的江中地层主要为松散、稍密～中密的粉细砂地层,以及部分砾砂、卵石层。

透水系数高达10-3c m/s,是黏土地层的数千倍。

在如此高透水地层条件下,且水压达0.75MPa,江底施工风险巨大。

(5)工程地质及水文条件风险不可预测
就目前地质勘探探测的情况,南京长江越江隧道所在的地层地质条件,具有500m左右的卵石层,但对历史地质资料的推断和分析,在江底不排除存在沉船、炸弹、大孤石等地下障碍物的可能;江中地段数百米长度为粉细砂、砾砂和卵石混合地层,掌子面岩性明显差异,上下软硬不均,易塌方冒顶;同时,卵石地层还容易造成开挖舱阻塞、损坏刀具等危及工程安全的风险。

(6)江底盾构一次掘进距离长
盾构隧道从江北工作井到梅子洲竖井之间,隧道长度2900多m、江面宽度达2600m,最大水压达0.75MPa,因中间无法设置检修井而必须一次性完成整个隧道的掘进,地层条件差、水压高,设备检修和换刀风险大。

(7)盾构进出洞超浅埋
按照一般惯例,盾构机进出洞覆土厚度不小于0.6～0.7倍盾构直径,而南京长江隧道工程,在软弱地层、高地下水水位存在承压水、靠近长江大堤等困难条件下,选择盾构机始发埋深约0.4倍盾构直径(6.0m)。

3.8　施工工序繁多,工期紧迫,施工管理难度大
施工工序中包括盾构始发井施工(S WM工法桩、地下连续墙、抗拔桩等施工)、管片生产、盾构掘进、路面同步施工等,每分项工程施工任务环环相扣,而盾构掘进工期仅为13个月。

在盾构掘进施工过程中,路面施工同步进行,应协调盾构掘进施工与路面施工的关系。

4　盾构机适应性分析
为了适应南京长江隧道地质条件的复杂性,盾构机应配有用于破碎卵石、砾石,处理古树木的撕裂刀(撕裂刀的直径和数目根据卵石、砾石的含量确定)。

为处理孤石,在泥浆输出管和隔栅前装备碎石器,碎石器应能把砾石和卵石破碎成0.1m以内的石块,要求进入管道的碎石的尺寸利于管道内渣料的流动和管壁的防磨。

对于直径在0.5m以上的孤石,应有相应的特殊处理措施。

4.1　开挖系统
由于南京长江隧道盾构机一次掘进长度较长,穿越地层中含有约500m的卵石层,同时由于江底隧道最小埋深处不足一倍盾构直径(仅约为10m),因此开挖系统应满足以下要求。

(1)当盾构机在卵石层中掘进时,不可避免的要发生刀具被撞击松动、断裂,为方便更换刀具和适应不均匀、特殊地质条件下掘进的需要,刀具设计除撕裂刀、刮刀层次组合外,还应具备在常压下更换刀具的装置,同时具备刀具磨损的检测装置;
(2)刀盘应采用带有抗磨涂层的高强耐磨刀盘,保证在全程掘进过程中不更换刀盘;切削刀具也应具有较高的耐磨性,刀具间轨迹具有一定重叠,减小刀具磨损,尽可能做到不更换刀具;
(3)开挖舱采用气垫补偿方式可靠、灵敏地控制切口压力,有效保证开挖面的稳定,盾构机的切口
压力控制精度不低于±5kPa;
(4)
盾构机的开挖速度不小于40mm /m in 。

4.2　主轴承系统
(1)主轴承系统能在0.75MPa 的压力下安全
工作;
(2)选用可靠的主轴承系统,轴承支撑型式应为多点支撑;
(3)主轴承驱动系统寿命应保证在10000h 以上,保证在掘进过程中不更换主要部件;
(4)在长江江底更换主轴承及其密封的可能性几乎为0,因此主轴承密封应有足够的可靠性和耐久性,保证轴承的密封。

轴承密封应能满足在0.75MPa 水土压力下,能够至少完成掘进5k m 以上的耐久性要求。

4.3　泥水环流系统
(1)为防止泥浆在输送过程中发生沉淀,泥浆
输送速度应不小于2m /s,同时为防止泥浆输送速度太大磨损输送管道,输送速度不大于4m /s;
(2)泥浆输送系统应具备开挖模式、旁通模式、反循环模式、隔离模式、长时间停机模式、隔离闸门关闭模式等多种操作模式;
(3)泥浆输送泵扬程不大于50m;
(4)泥浆设备及分离系统应能适应南京长江隧道工程黏土、中细砂、砾石、卵石等多种地层的情况,满足工程对泥浆系统寿命的要求。

4.4　管片拼装机
南京长江隧道外直径14.5m ,管片环宽2.0m ,管片厚度0.6m ,单个管片体积和重量都较大,因此管片拼装机应满足以下要求:
(1)为了保证管片受力及止水的对接,管片衬砌拼装机的安装精度应达到毫米级;
(2)为快速、方便、精确地安装衬砌管片,管片拼装机的管片夹持装置应采用真空吸盘式,真空吸盘具有足够的安全系数;
(3)拼装机具备6个自由度,具备有线或无线遥控操作、各动作无级变速的拼装机;
(4)拼装机行程足以拆除一环管片以便更换前2道盾尾密封刷;
(5)拼装机应具有足够的回转扭矩,以使管片
块间接头止水带充分闭合。

4.5　盾尾密封系统
(1)盾尾密封系统能在0.75MPa 的压力下安
全工作;
(2)盾尾应配置紧急冲气止水装置,该装置可以反复多次使用;
(3)盾尾密封系统应不少于4道的盾尾密封,其中前两道密封在不采取土体改良的情况下可多次安全更换,盾尾密封的更换作业不应影响和损坏紧急止水装置。

4.6　壁后注浆系统
(1)同步注浆能力满足最大掘进速度要求,管片壁后间隙的填充系数不低于200%;
(2)管片壁后注浆采用盾尾同步注浆方式,同步注浆的浆液,注浆材料为水泥、砂、粉煤灰;
(3)壁后注浆压力满足最大静水压0.75MPa 的工作环境要求;
(4)配备水泥、水玻璃双液浆二次注浆系统。

4.7　超前注浆系统
在盾构机上安装超前地质钻机,在盾体周边及前方预留超前注浆孔,以便加固地层,防止地面下沉。

4.8　气压舱装置
(1)为了在特殊情况下更换刀具、处理特殊障碍物或应急工况特殊需要,盾构机应配备带压作业装置。

(2)盾构机厂商应提前对工程承包商进行气压舱作业培训。

4.9　地质预报系统
如有可能,在刀盘上装置地质探测系统,对工作面前方地层介质情况进行超前预报,特别是孤石等地下障碍物的地质预报系统,将探测结果在显示器上直观显示。

5　结语
南京长江隧道盾构独头掘进长度为2.9km ,隧洞地质条件复杂,施工标准要求高,穿越地层地质条件复杂,水土压力大,施工和运行受到长江冲淤变化的影响。

因此南京长江隧道盾构机的施工较一般交通隧道难度更大,施工的要求更高。

特别是对盾构机设备的性能提出了更高的要求。

在设计制造盾构机时,要认真研究盾构机掘进过程中的水文、地质条件和工程设计要求,使盾构机既能够满足工程的一般需要,又具有优越的技术经济性能。

参考文献
1　曾慎聪,郦伯贤,胡胜利.机械化盾构隧道掘进.杭州:浙
江大学出版社,2002。