南京长江隧道工程关键技术研究09.6.25

• ⑷ 水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高
• 南京长江隧道长度超过3km，而且地层条件复杂，以砂层为主： • ① 如果在同等地质条件下，由于盾构直径超大，南京长江隧道3km的掘进相 当于直径6.3m的地铁盾构掘进17km。
• ② 同样的盾构机刀具，在石英含量高的砂层中盾构机刀具的磨损是软土地层 中的10倍以上，也就是说：南京长江隧道盾构机掘进完成3公里长的江底隧道， 相当于同样直径的盾构机在软土地层中掘进30公里。因此刀具的保护是施工 中必须克服的难题。
内表面测定
一、工程总体情况介绍 2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点
南京长江隧道是一项世界瞩目的宏伟工程，南京长江隧道工程面临一些世 界级的技术难点和挑战。本工程特点、难点及风险点主要包括以下六个方面： ⑴ 盾构直径超大 荷兰的绿心隧道盾构机直径14.87m，是 目前世界上已建成的直径最大的盾构工程。 南京长江隧道盾构机直径14.93m，是目前世 界上直径最大的盾构机之一，直径超过世界 上已建成的最大盾构隧道。虽然盾构机尺寸 的增大仅是数字的增大，但是由于盾构机尺 寸的增大带来的则是施工难度和风险的几何 增长，盾构机直径的超大带来的一系列问题 是施工面临的挑战之一。
3、开展的主要研究项目和阶段成果
• 南京长江隧道工程综合施工技术研究涉及两方面内容： • 一是机械设备方面。南京长江隧道采用直径14.93m泥水平 衡盾构进行施工作业，对于这种超大型机械设备的引进、 消化、吸收、改进，设备的运输、起吊、组装、调试测试， 以及设备的接收和施工中的保养维护等等，给我们提出了 一系列的研究课题。
3、仅用58天时间就完成了正常需要近五个 月时间的盾构机组装，第一台盾构机于08年 1月15日试掘进，2月27日正式掘进，目前已 掘进2300米；第二台盾构机于08年5月16日 破门进洞，2009年5月20日，左线隧道实现 贯通；
4、3043环管片生产已经于08年11月 13日全部完成，其工艺控制水平和质量 达到世界先进水平，箱涵已于08年7月 30日提前两个月完成了3082块的全部生 产任务； 5、梅子洲接收井自07年9月份开始 分段开挖，08年6月25日提前5天完成全 部土建施工，保证了盾构机的到达接收。
• 自2006年以来,我们先后聘请国内外盾构设备、盾构隧道施 工相关的业内知名专家共计25位（包括钱七虎院士、梁文 灏院士、日本专家秋源、法国布依格专家龙尚等），分别 针对施一系列技术难题进行了专题论证，截至目前已经在 现场召开了35次专家评审会，有力的推动了隧道建设的安 全顺利进展。
3、设备情况简介
3、开展的主要研究项目和阶段成果
三、开展的技术攻关和施工综合技术研究
1、研究背景和意义
2、南京长江隧道创新之处 3、开展的主要研究项目和阶段成果
三、技术攻关、关键技术研究的开展情况 1、研究背景和意义
• 目前国际上修建的大型跨江、跨海隧道还很少，国 内则更是刚刚起步，在这方面还没有经验,传统的设 计与施工方法难以满足超长度、大深度、大断面的 隧道及地下工程的要求。面对我国将建的一批越江 跨海等特长隧道工程，一方面我们要紧跟国际研究 的前沿，另一方面则要依托南京长江隧道工程，开 展超大直径泥水盾构核心技术研究。
• 6、盾构机的操作采用气泡调节技术，能够保证支撑压力的 精确率为+/- 0.05bar。在不稳定的、混合地层中能够安全 地进行隧道开挖操作，外界压力的变化不会对开挖面的稳定 造成影响，沉降控制在+20mm～-40mm之间。 • 7、盾尾专门设计了用于高工作压力的的密封系统，包括3道 钢丝刷、1道钢板束和1个应急密封。 • 8、盾构机的主要部件都设计用于长距离隧道掘进工程（超 过15公里）。
2、南京长江隧道创新之处
• 创新点： • ⑴ 发展超大直径盾构施工核心技术； • ⑵ 总结出复杂地层条件下盾构刀具切削机理和刀盘优化 设计原理，掌握合理的最小覆土厚度及相应的安全掘进模 式和掘进参数的关键核心技术，建立泥水劈裂理论，整理 出劈裂发生以及泥水喷发的判别标准； • ⑶ 发展跨江跨海盾构风险的评估和防范理论，建立风险 分析与评估的核心技术体系。
允差值 ±0.5 mm 单 ±1.0 mm 块 ±1.0 mm 检 验 （-0、+2）mm ±1.0 mm 整装 ≤1.0mm 环检 (-0,+2.0)mm 拼验 对应面环间螺孔不同轴度 <1.0 mm
项 目 管片宽度 管片弧长、弦长 管片内半径 管片外半径 螺栓孔直径与孔位 环面间隙 纵缝间隙
备注
• 4、先进的PLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良 好工作状态。 • 5、盾体 • ⑴ 设计有大型碎石机，可以破碎直径达到 1.2m的石块。 • ⑵ 先进的冲洗冲刷系统减少了开挖舱内碴土粘结或大量碴土 沉积的情况。 • ⑶ 盾体设计有锥度（由三个直径组成） ，即使在施工过程 中遇到长时间停机的情况，恢复推进时仍能确保盾构机轻松 前进。
• ⑹ 江底盾构覆土厚度浅 • 由于受客观条件的制约，线路纵坡设置虽然达到最大规范坡度，但是在盾构 到达井一侧的江底，有一江中冲槽段，该冲槽段盾构最小覆土厚度仅有 11m （仅有0.7倍盾构直径）。而且该段地层为高透水性、松散的粉细砂层，水深 却高达20多米，在这样高水压、浅覆土极端困难的条件下进行隧道施工安全 风险极大，这也是南京长江隧道面临的难题和挑战。
不当之处敬请批评指正！
一、工程总体情况介绍 1、项目概况
• 南京长江隧道工程盾构隧道设计为双向、双洞6车道，其 中左线盾构隧道长3022m，右线盾构隧道长3015m。隧道 采用两台直径Φ14.93m泥水盾构，由江北始发井出发， 同向掘进施工。
盾构隧道水文地质情况 盾构隧道工程区段属长江河床及高河漫滩，地形开阔平坦。地表主要为农田、水 塘、苗圃等。盾构穿越江面宽度约2600m，高水位多年平均值8.37m，最大水深约 28.8m。隧道通过地段主要地层分布为粉细砂、砾砂、圆砾和强风化砂质泥岩。
10.000
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水面
8.37m 历年最高潮水位多年平均
长江 -10.000
① 粉细砂 ① 粉细砂 ①粉细砂 ⑦-1 粉细砂 ⑦-1 粉细砂 ⑧ 粉细砂 ⑿ 粉细砂 ⑩砾砂 ⒀圆砾 强风化粉砂质泥岩 ⒂-1
-30.000 盾构隧道 -50.000
⑿粉细砂
⑦-1粉细砂
⑧ 粉细砂 ⑩ 砾砂 ⒀ 圆砾 ⒂-1 ⑿ 粉细砂 ⒂-1
2、南京长江隧道创新之处
• 以南京长江越江隧道工程为依托，对超大直径盾构隧道的 衬砌结构型式及力学行为、超浅覆土始发和接收施工技术、 施工风险分析与应对措施以及高水压、长距离、浅覆土条 件下河床处理及掘进施工技术等建造关键技术进行深入研 究，解决复杂地质条件下超大直径盾构隧道建造技术难题， 形成具有自主知识产权的、整体上达到国际先进水平、部 分技术达到国际领先的越江隧道核心技术体系。
西环洲公路（梅子州防洪大堤） K6+345.820 长江江北防洪大堤 K3+760.000
段
盾构起点 K3+599.763
梅
盾构终点 K6+590.000
② -3 ④ ④-2 ⑦-2 ⑦-1 ② -3 ②-2 ④-2 ⑦-1 ②-2 ④-2 ⑦-1 ⑧ ⑨ ⒂-1
8.37m
①-1 ④ ④ ⑥ ⑥ ⑥ ⑦-2 ⑧ ⑨-1 ⑨ ⑩ ⑿ ⑿ ⒀ ⑿ ⒀ ⑨-1 ⑨-1 ⑨ ⑨-1 ⑩ ⑨ ⑨ ⑨ ⑩ ⑿ ⒀ ⒀ ⒂-1 ⑿ ⑨-1 ⑨-1 ⑩ ⑩ ⑿ ⒀ ⒂-1 ⒃-1 ⒃-1 ⑩ ⑿ ⒀ ⑿ ⑩ ⑿ ⒂-1 ⑩ ⒀ ⒀ ⒀ ⑿ ⒂-1 ⒂-1 ⒃-1 ⑩ ⑿ ⒀ ⑩ ⑩ ⑿-1 ⑿ ⒀ ⒂-1 ⑩ ⑨ ⑦-2 ⑧ ⑦-1 ⑦-2 ⑧ ⑦-1 ⑧ ⑧ ⑧ ⑧-1 ⑧ ⑧-1 ⑧-1 ⑦-1 ⑦-1 ②-3 ②-3 ④ ② -3 ② -2 ④ ④-2 ⑦-1 ①-1 ④ ①-1 ④-2 ④ ⑦-1 ① ① ① ① ⑦-1
二、南京长江隧道工程施工情况综述
南京长江隧道工程自2005 年3月29日开工以来，经过四 年来的努力，相继完成了以下 工作： 1、克服了国际融资和国际招 标程序复杂、不可控因素多的 困难，按期完成盾构机及配套 设备的选型和采购工作； 2、用5个月的时间完成了按正 常工期需要一年才能完成的江 北工作井全部土建任务；
历年最高潮水位多年平均
①-1 ④ ④-2 ① ① ⑦-1 ⑦-1 ⑦-1 ① ④ ⑥ ⑦-1 ⑧ ⑧ ⑿ ⑿-1 ⒂-1 ⑩ ⑿ ⑿ ⒂-1 ⒀ ⒂-1 ⒃-1 ⒃-1 ⑩ ⒀ ⒀ ⒂-1 ⑧-1 ⑧
8.37m
④
④
⑥
⑧
⑧
⑧
⑧
⑧-1
⑧ ⑩ ⒀
⑨
⑨-1 ⑨ ⑩ ⒀ ⒂-1
⑿
⑩
⒀ ⒂-1
⒀ -1
⑿
⑩
⒃-1
• ⑵ 水压力高 • 南京长江隧道盾构机工作压力高，最大达到6.5㎏/㎝2（即相当于65m水 头压力），在超大直径盾构水下隧道项目中是世界最大的。 • ⑶ 地层透水性特强 • 长江南京水域的江中主要为粉细砂地层，以及部分砾砂、卵石层，砂层 透水系数是粘土层的千倍以上，在如此高透水性地层条件下，而最大水 压力达到6.5㎏/㎝2，所有的水头压力均直接作用在隧道上，江底隧道掘 进风险是巨大的，如何安全、顺利完成施工是一个具有挑战性的课题。
⑧粉细砂 ⑩砾砂 ⒀圆砾 强风化粉砂质泥岩 ⒂-1 ⒃-1 中风化粉砂质泥岩
-70.000
砾砂、圆砾、强风化 粉砂质泥岩, 22.3% 淤泥质粉质粘土和淤 泥质粉质粘土夹粉土, 9.2% 粉土, 2.3%
粉细砂, 66.2%
盾构隧道管片
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。 管片设计强度C60，防水等级S12。
• ⑸ 盾构始发和接收超浅埋 • 按照一般作法，盾构机始发和接收覆土厚度一般不宜小于1倍盾构机 直径，而本工程权衡深基坑和盾构出洞双重困难，选择盾构机始发埋 深仅为0.37倍盾构直径（5.5m），在国内是埋深最浅的；除了荷兰绿 心隧道以外，世界上还没有更浅埋深盾构始发范例。
• 另一方面来说，盾构超浅埋始发和接收的顺利实现，对我们以后进行 类似工程建设提供了重要参考和依据，并且盾构隧道埋深的减少将会 带来巨大的经济效益，推动盾构施工技术进步。
尊敬的各位领导、各位专家：
我叫王华伟，现担任中铁十四局南京长江隧道工程指挥 部总工程师职务，我汇报的题目是《南京长江隧道工程综 合施工技术研究》，包括以下三项主要内容：
一、工程总体情况介绍 1、南京长江隧道工程项目概况 2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点 3、设备情况简介 二、南京长江隧道工程施工情况综述 三、开展的技术攻关和施工综合技术研究 1、研究背景和意义 2、南京长江隧道创新之处 3、开展的主要研究项目和阶段成果
梅子洲防洪大堤
② -1 ② -3 ① -1 淤泥 ② -1
④ 淤泥质粉质粘土
④
④
粉细砂 ① 淤泥质粉质粘土 ④
④ -2 粉土 ⑥ 淤泥质粉质粘土夹粉土
⑥
⑧
⑦ -1 粉细砂 粉细砂 ⑧粉细砂 ⑧ 粉细砂 ⑨ ⑨ -1 ⑨
⑩ 砾砂 ⑿ 粉细砂 ⒀ ⒀ 圆砾 ⒂ -1 强风化粉砂质泥岩 ⒃ -1 中风化粉砂质泥岩 ⑩ 砾砂 ⒀圆砾
⑩ ⒂ -1
⒃ -1
•
鉴于南京长江隧道面临的上述六大技术难题和挑战，在没有现成经验可供 借鉴的情况下，为了安全顺利完成这项史无前例的工程施工，我们建立了三 级专家体系，坚持依靠专家团队的智慧，为工程施工保驾护航：
• 1、以钱七虎院士为首的专家委员会
• 2、以梁文灏院士为 首的现场专家组
• 3、由具有丰富施工经 验的国内外相关专家 组成的工地专家组
• 根据南京长江隧道穿越地段水文和 地质特点，我们量身定做了两台德 国海瑞克公司生产的直径为14.93m 的泥水平衡盾构机进行南京长江隧 道施工。 • 根据南京长江隧道工程的要求，盾 构机设计具有如下先进性： • 1、刀盘刀具设计有71把能够在常压 下进行更换的刀具，且安装了磨损 监测系统。 • 2、主驱动：带有特殊压力装置的密 封系统符合高工作压力，在盾构机 轴心部分中部达到7.5bar的要求。 • 3、主轴承设计寿命达：17,600小时 。