武汉长江隧道盾构过江施工技术措施

收稿日期: 2007 08 20 作者简介: 侯建军, 男, 1980 年生, 助工, 2003 年毕业于中南大学土木工程专业, 现从事地下工程施工。
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土工基础
20 08
长江水 位( m)
21 序号
1 2 3
切口标 高( m )
- 20
图 1 地层位移等值线图
水压力 ( bar) 4. 1
表 1 水土压力计算
表 4 抗水分散背衬注 浆材料配合比
水泥( kg/ m3 )
粉煤灰( kg/ m 3)
砂( kg/ m3 )
硅灰( k g/ m3)
羟乙基纤维素( kg/ m3 )
水( kg/ m3)
91
365
1369
9. 12
1. 14
320
理论上, 注浆压力( 压入口处) 要大于该处静水 压力与土压力之和。但应考虑水底部分与覆土压力 相比水压力更大, 由水压力主导施工。应控制注浆 压力, 同时避免注浆压力波动过大, 引起江底冒浆, 防止管片位移变形。为防止管片整体上浮与变形, 并防止衬砌承受不均匀偏压, 使环形间隙能较均匀 地充填, 同步注浆同时对盾尾预置的 6 个注浆孔进 行压注。当发现隧道上浮量较大, 且波及范围较远 时应立即采取对已建隧道进行补压浆措施, 以割断 泥水继续流失路径。补压浆要求均匀, 压浆后浆液 成环状。一般补压浆可采用双液浆与聚胺脂相结合 的注浆方法, 注浆范围 5~ 10 环。同时加强隧道纵 向变形的监测, 并根据监测的结果进行针对性的注 浆纠正。如调整注浆部位及注浆量, 配制快凝及提 高早期强度的浆液。
步注浆又是保证管片及时稳定的关键工序。
( 3) 固结率: > 95% , 即固结收缩率< 5% ; ( 4) 稠度: 8
3. 1 同步注浆
~ 12 cm; ( 5) 浆液稳定性: 静置不沉淀、不离析或在
高压富水的地层要求浆液保水性好, 不离析, 具 胶凝时间内静置沉淀离析少, 倾析率( 静置沉淀后上
因此, 以控制地表沉降为目的, 泥水压力采用静 止土压力( 水土分算) 作为控制上限是合适的。一般 根据地层性质, 对砂土、粉土、粉质粘土等渗透系数 较大的地层, 采用水土分算, 土压力计算时采用有效 重度及有效抗剪强度指标, 如三轴排水剪、三轴固结 不排水剪( 测孔隙水压力) 、直剪快剪等强度指标。
提高粘度、控制滤失
> 40
5~ 20
> 25
< 25
根据试验采用上述泥浆流动性指标来衡量泥浆 的粘度是适当的。但现场施工时为了简化测定, 在 粘度不太大的范围内( 20~ 60 s) , 通常采用与屈服 相关的漏斗粘度值。根据经验为保证地层稳定所必 须的泥浆粘度见表 3。
3 预防管片上浮措施
隧道管片上浮受到工程地质、水文地质、背衬注 浆质量( 注浆压力与注浆量) 、管片选型与安装质量、 盾构姿态控制等方面的影响。由于武汉长江隧道选 址地层软硬不均、沿纵向地质条件变化复杂, 造成了
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5 施工管理
武汉长江隧道过江段施工风险之大为 国内之 最, 技术是盾构顺利过江的基础, 要及时对开挖面的 稳定、泥浆与添加材料的泄漏或喷涌、隧道上浮问题 和管片变形及软硬不均地层盾构姿态控制等技术问 题进行分析, 为确保安全施工提供技术保障。对难 度大、风险高的复杂项目, 项目系统管理极其重要, 系统的全面项目管理是技术得以实施的保障。针对 该项目施工应重点加强如下工作:
塑性粘度 P V ( cp)
屈服值 YP( Pa)
滤失量 A Pl ( ml )
砂质地层 ( K = 10- 4- 10- 5 m/ s)
漏失泥浆泥饼变差 控制滤失量和粘度
20~ 30
5~ 15
Leabharlann Baidu
10~ 20
< 25
高 渗透 性地 层: 冲积 层、 漏失泥浆泥饼变差
砂砾层( K > 10- 3 m/ s)
0. 36
竖向土压 力( bar)
0. 92
由于 P 1 与 P3 之间的差值很小, 如果泥水压力 指标要求增加塑性粘度、屈服值、滤失量等要求。针
值大于 P3, 则可能引起泥浆泄漏或喷涌; 泥水压力 对长江江底段 地质条件提出各项性能 指标的参考
值小于 P1, 则可能引起开挖面坍塌。因此施工过程 值, 见表 2。满足上述条件的泥水不仅能使开挖面
盾构姿态控制与管片拼装是相互影响, 相互制 约的两个过程。盾构姿态控制与管片拼装应以隧道 设计轴线控制为目标, 同时两者相互协调, 保证管片 拼装质量, 避免管片产生破损, 管片拼装质量对盾构 姿态控制起着重要的作用。本工程采用通用楔形管 片作为隧道衬砌。不同的旋转位置, 将产生不同的 上、下、左、右超前量, 通过不同位置管片的拼装, 实 现对隧道轴线的拟合, 因此拼装前管片的选型至关 重要。选择正确的管片旋转角度, 能保证拼装工作 的顺利进行提高拼装质量, 保证构筑隧道符合设计 轴线。
武汉长江隧道盾构过江施工技术措施
侯建军1 , 赵运臣2
( 1. 中铁隧道股份有限公司, 河南新乡 453000; 2. 中铁隧道集团科研所, 河南洛阳 471009)
摘 要: 武汉长江隧道工程盾构长距离穿越砂层, 盾构承受水压高, 地质 条件和地下 水状况非 常复杂, 江底段隧 道 最小 覆土厚度小于隧道直径, 而且水底 部分 与覆土 压力 相比水 压力 更大, 特别 是武 昌深 槽段水 压力 主导的 施工。 为了 确保盾构过江安全, 对水土压力设定与控制、泥浆特性、隧道上 浮问题和管片变形及软 硬不均地 层盾构姿态 控 制等问题进行初步的研究分析。
地层内摩擦 角 (∀)
密度 ( g/ cm 3)
静止侧压力 系数
主动土压 力( bar)
26
1. 92
0. 4
0. 25
切口泥水压力计算值
P 1= 4. 35 bar 土压力采用主动土压力 P 2= 4. 46 bar 土压力采用静止土压力 P 3= 5. 02 bar 土压力采用竖向土压力
静止侧土压 力( bar)
( 1) 技术管理: 加强技术管理工作的系统性, 针 对作业项目制定作业技术指导书, 如管片安装作业 指导书、同步注浆等; 针对工程难点制定单项施工方 案, 如端头加固方案、盾构始发方案、过长江大堤方 案等; 针对具体施工方法等进行技术交底, 对关键技 术认真研究分析, 制定具体的解决办法, 同时加强技 术交底, 和人员培训工作, 保证技术方案能不折不扣
4 软硬不均地层盾构姿态控制
盾构的姿态控制是盾构施工中的一个 重要环 节。盾构姿态控制的基本原则: 以隧道设计轴线为 基准, 偏差控制在设计范围内; 在掘进过程中进行盾 构姿态调整确保不破坏管片。根据盾构在软硬不均 地层中的施工经验, 施工过程中加强对盾构机掘进
参数的控制, 严格按照设计线路进行掘进, 减少盾构 机的纠偏量、超挖量, 防止盾构机蛇行前进; 对于围 岩软硬不同的部位应控制盾构机各组油缸推力, 采 用硬岩区油缸推力大于软岩区油缸推力进行试推, 同时测量相应的偏转量, 以调整推进油缸的油压差, 直到效果最佳。实施信息化施工, 对掘进参数进行 动态管理: 通过进行地表变形及隧道变形监测, 掌握 变形情况并及时向施工现场进行信息反馈, 以便现 场进行施工参数优化; 加强人工测量, 检核 SLS- T 激光自动导向系统, 盾构机姿态控制及隧道线型控 制, 使盾构机轴线、管片成型轴线偏差控制在隧道设 计轴线允许偏差范围内。
的执行。 ( 2) 机械设备管理: 盾构过江前, 对盾构机进行
系统评估, 发现问题及时进行整改, 保证盾构机各系 统性能良好, 施工过程中应加强设备的养、用、管、修 工作。
( 3) 安全管理: 施工前对盾构过江施工进行风险 识别、评估, 制定风险预案。同时加强设备安全及各 种作业安全管理。
( 4) 质量管理: 成立 QC 质量管理小组, 发现质 量问题, 及时分析原因, 采取措施, 不断提高工程质 量。
37~ 54 s
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泥浆配合比 膨 润 土 浓 度 7% ~ 9% ; 掺 加 CM C 膨润土浓度 8% ~ 10% ; 掺 加稍 多的 CMC
隧道上浮的因素多样化。隧道管片上浮控制是确保 剂加入后, 初凝时间可缩短至 45 min; ( 2) 固结体强
隧道线型符合设计要求和隧道建筑限界的关键, 同 度: 一天不小 于 0. 3 MP a, 28 天不小于 2. 5 MP a;
避免泥水压力波动过大, 特别是堵管、停崩等引起的 稳定, 逸 泥量也最少。从相对密度、粘度两个方面
异常泥水压波动。
看, 携带渣土的流体输送也处于最佳状态。
2. 2 泥浆特性
随着对泥水盾构泥浆作用的研究, 泥浆的特性
表 2 泥浆的特 性要求
泥浆特性要求
地质条件
遭遇的困难
泥浆功能
表观粘度 AV ( cp)
第2期
地层条件 全部是 N 较高的 细砂~ 粗砂层 砂砾层
侯建军等: 武汉 长江隧道盾构过江施工技术措施
表 3 保持地层稳定所需要的泥浆漏斗粘度
泥浆性质
漏斗粘度的经验值 ( 500 cc/ 750 cc)
胶凝强度和脱水量都 不用过高, 粘度不要过低
29~ 33 s
膨润 土浓 度较高, 用 CMC 降低 脱水量
但在隧道小覆土条件下开挖时, 应考虑由于压 力波动, 更易发生开挖面泥浆突涌。而且水底部分 与覆土压力相比水压力更大, 应采用水压力主导施 工。现以武昌 深槽段 为例, 隧道最 小覆土 厚度 10 m, 盾构切口水土压力计算值如表 1 所示。应以保 持开挖面稳定为目的, 泥水压力采用上限值, 避免泥 浆泄漏或喷涌。由于长江水位受降雨影响较大, 应 时刻注意长江水位的变化, 及时调整泥水压力值。
有水下不分散、早期强度高、收缩率小等特点, 拟采 浮水体积与总体积之比) < 5% ; ( 6) 防稀释性: 在压
用的浆液配合比如表 4 所示。同步注浆浆液应满足 力地下水作用下, 浆液具有较好的防水稀释性能( 水
如下性能指标:
下不分散性能) , 浆液 PH 值< 9。
( 1) 胶凝时间: 初凝 3~ 5 h, 终凝 4~ 12 h, 促凝
关键词: 盾构隧道, 水土压力, 泥浆特性, 隧道上浮, 盾构姿态控制 中图分类号: T U 455 文献标识码: B 文章编号: 1004 3152( 2008) 02 0017 04
1 概述
武汉长江隧道工程全长 3600 m 。盾构 隧道长 2550 m, 采用直径 11. 38 m 泥水盾构施工。隧道 过江段长约 1310 m, 隧道线 形为直 线, 线间距 22 m, 隧道覆土厚度 10 m~ 38. 5 m。长江河床分布的 地层主要是第四系全新统新近沉积的粉细砂层、全 新统粉细砂、中粗砂、砂卵石层以及志留系砂岩与泥 岩互层。江底隧道以上地层透水性强, 渗透系数 k = 1. 9 10- 4 ~ 3. 1 10- 4 cm / s, 江水与地下水直接 连通, 长江水位 11. 7~ 27. 62 m。鉴于过江段盾构 承受的水压最高达 5. 7 Bar, 而武昌深槽隧道覆土只 有 10 m, 隧道下半断面在江底还要不同程度的穿越 450 m 左右的 卵石层、! 1 ~ ! 3 强~ 微风化泥质 砂岩夹砂岩、页岩等软硬不均地层, 卵石及基岩侵入 隧道最大厚度达 3. 8 m , 地质条件和地下水状况非 常复杂, 而且水底部分与覆土压力相比水压力更大, 特别是武昌深槽段。因此, 为了确保盾构过江安全, 必须根据地层中的水土压力设 定适当的开挖 面压 力, 特别是水压力主导 的施工, 必须对开挖面 的稳 定、泥浆、添加材料的泄漏或喷涌, 隧道上浮问题和 管片变形及软硬不均地层盾构姿态控制等问题进行 系统研究。
2 开挖面稳定技术措施
2. 1 泥水压力设定 目前的泥浆压力管理, 常采用主动土压力和静
止土压力, 或者松动土压力等方法。根据以往的工 程实例和本工程的隧道埋深情况, 采用静止土压力 作为上限值, 以主动土压力作为下限值。当要求控 制地表沉降时, 采用上限值, 根据数值模拟计算泥水 压力采用静止土压力( 水土分算) 。隧道中心泥水压 力 3. 65 bar, 泥水密度 1200 kg / m3 。压 力梯度 12 kPa/ m 。左线隧道掘进 50 m, 其地层位移如图 1 所 示。隧道周围地层表现为整体向上隆起, 最大隆起 值 20 m m; 隧道开挖面向隧道掘进方 向移动, 最大 位移 65 mm。