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