超大断面过江盾构隧道总体施工技术方案

复杂地质条件下超大断面过江盾构隧道总体施工技术方案

张焕城陈健

南京长江隧道工程指挥部

一、工程概况

1、项目简况

南京长江隧道工程是连接南京市浦口区与河西新城区的市内快速通道，是南京市“井字加一环”快速路系统跨江成环的重要组成部分，也是“南京市城市总体规划”确定的“五桥一隧”过江通道中的重要项目。该工程位于南京长江大桥和三桥之间，线路总长5.813km，道路等级为双向6车道城市快速路，车道宽为3.5m×2＋3.75m，设计时速80 km/h，总工期48个月，总投资约30个亿。

工程

组成主要包括680m江北接线道路、300m收费广场、3822m左汊盾构隧道（盾构掘进2992m）、401m梅子洲接线道路和610m右汊夹江独塔悬索桥（主桥67+70+248）。

南京长江隧道工程总平面图

2、右汊盾构隧道概况南京长江隧道

南京长江二桥

南京长江大桥

南京长江隧道南京长江三桥

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2500m，高水位多年平均值8.37m，最大水深约28.8m 。

隧道通过部位为白垩系及第四系地层，主要分布为第四系冲积、沉积粉细砂、砾砂、圆砾层和强风化砂岩。下穿地层除穿越一级长江防洪大堤外，地面建（构）筑物、管线较少，仅有少量2～3层民房和一条水厂管道。左汊盾构隧道全长3822m，其中盾构段长度为2992m，使用两台ф14.93m的泥水平衡式盾构机施工，满足车道净空限界的盾构隧道内径为13.30m，隧道管片外径14.50m。管片拼装设计为7块标准块、2块相邻块和1块封顶块，设计强度为C60，防水等级为S12。长江隧道纵断面及结构横断面图如下

二、长江盾构隧道的工程特点、难点及面临的风险和挑战

南京长江隧道工程是一项举世瞩目的宏伟工程，第一次在长江下修建江底隧道，且盾构直径之大、地质条件之差、水压之高世界罕见，这些世界级技术难点极具挑战性。因此无论是在隧道设计、盾构机选型，还是盾构施工和管理等方面都面临着严峻的考验。

其工程的特点与技术难点主要表现如下：

1.盾构直径超大

目前世界上已建成的盾构直径最大是荷兰的格林哈特隧道，盾构机直径14.87m。南京长江隧道盾构直径为14.93m，是目前世界上直径最大的盾构隧道之一。

2. 水压力高

目前世界上已实施或计划实施的超大直径盾构项目，水压在6kg/cm2以上的实例尚属空白。而南京长江隧道盾构设计最大水压近6.5kg/cm2，在同等或更大直径的盾构项目中，水压是最高的。

3.地层透水性强

隧道长距离穿越粉细砂层（穿越长度2542m，占隧道总长度的85％），以及部分

砾砂、卵石层，透水系数是粘土土质的千倍以上，透水性非常强而水压很高，施工风险巨大。

4. 施工地质风险大

江中1250m长度为粉细砂、砾砂（粒径3～20mm，局部夹2～8cm卵石）和卵石（粒径8～20cm，含卵石，级配不良）混合地层，掌子面岩性明显的差异，使盾构机在江底掘进风险很大。另外，历史上日本侵华和解放军跨江作战均可能留下沉船、炸弹等地下障碍物，经过目前最先进的探测手段表明：除能排除大型沉船外，并不能排除象炸弹等铁件的存在。

5.水下一次掘进距离长

盾构隧道从始发井与到达井之间，中间未设检修井，超大直径盾构机一次掘进长度近3公里，掘进过程中检修设备和更换刀具极端困难。

6.盾构进出洞超浅埋

盾构机进出洞覆土厚度按照国际惯例，一般情况下不能小于0.6～0.7倍盾构直径，而本工程权衡深基坑和盾构机出洞双重困难，选择盾构机始发埋深仅为0.4倍盾构直径（5.0m），浅埋深的盾构始发属世界第一。

7. 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，局部盾构覆土厚度仅有9.5m（小于0.7倍盾构直径）。该段地层为透水的松散～稍密粉细砂层，水深达20多米，盾构通过安全风险极大。

8.深基坑规模大、地质条件恶劣

盾构工作井及后续段隧道长121m、宽33～47m、深11.4～23.7m，距江北防洪堤137m，此处地层软弱、透水性强、地下水位高、存在承压水，在环境条件恶劣的状况下开挖深基坑，施工难度和风险较高

9. 长江大堤的不均匀沉降，对防洪构成威胁。

盾构机掘进穿越长江防洪大堤下的⑦-1粉细砂层，随着掘进施工对地层的扰动和地层的承压水作用，宜引起管涌或大堤不均匀沉降，形成地下水的通路，对防洪工作构成极大的威胁。

三、总体施工技术方案

本工程盾构隧道段为双洞六车道设计，线间距为23.33m～32.5m，左线长2992.34km，右线长2984.95km，总计5976.988m，结构外径14.5m，掘进开挖断面为14.93m，根据工期要求采用两台泥水平衡式盾构机先后同向由浦口向梅子洲方向掘

进施工。

1、盾构选型

不同类型的盾构适用的地质类型不同，盾构的选型必须做到针对不同的工程特点及地质水文特点进行针对性方案设计，才能使盾构更好的适应工程。根据南京长江隧道工程地质及水文情况及工程特点，可选择的盾构类型只有土压平衡和泥水平衡盾构。

土压平衡盾构和泥水盾构在稳定开挖面、地质条件、抵抗水压、控制地表沉降、碴土处理、施工场地、工程成本等方面都有较大差异，有其独特的适应性，对二种

盾构进行综合对比分析比较见下表

表1泥水平衡盾构和土压平衡盾构对比表

a 盾构类型与地层类别关系

不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡盾构最适应于细颗粒地层，切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。而泥水平衡盾构盾构最适应于较粗颗粒地层，在砂土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出，泥水压力作用于工作面。本工程段中含有大量的砂性地层，因此从地质条件方面分析采用泥水平衡盾构最佳。

b 盾构类型与水压、渗透性关系

地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。本工程在隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数为1.0×10-5m/s至1.0×10-4m/s范围变化，垂直渗透系数为1.0×10-6m/s至1.0×10-3m/s范围变化，地层的最大透水系数大于10-3m/s，在长江底下穿过，且水压高，超过土压平衡盾构允许的最大范围，所以采用泥水平衡盾构。盾