超大直径盾构

超大直径盾构施工关键技术综述

王华伟

（中铁十四局集团有限公司）

一、工程概况

1.1地理位置

南京长江隧道工程位于南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区-梅子洲-浦口区，是南京市跨江发展战略的重要标志性工程，它的建成将彻底改变目前南京市长江单一的桥梁过江交通方式，对于缓解跨江交通压力，促进沿江经济发展，造福百姓，具有十分重要的意义。

1.2水文和地质条件

盾构隧道穿越的江面宽度约2600m，最大水深约28.8m，最大水压力为6.5kg/cm2，江中最小覆土厚度为10.49m （0.7D）。隧道所穿越的主要地层包括：填土和淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂、粉细砂、砾砂、圆砾以及少量强风化粉砂质泥岩。其中盾构穿越强透水地层（渗透系数达10-2-10-3cm/s）2672m，占盾构段总长度的88.4%，对刀具磨损严重、造成掘进困难的砾砂、圆砾复合地层地段长1325m，占整个隧道长度的43.8％。

1.3设计情况

南京长江隧道工程全长5853m，按双向6车道快速通道规模建设，设计车速80公里/小时。其中左线盾构施工段长3022m，右线盾构施工段长3015m。隧道施工采用两台直径14.93m的泥水平衡盾构机，由江北工作井始发向江心洲接收井同向掘进。

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。

二、国内外超大直径盾构隧道建设情况介绍

盾构法隧道施工技术问世至今已有近200年，作为隧道建造的一种先进技术——盾构法已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程领域，但超大直径盾构隧道工程实例并不多见，国内外典型的工程项目主要有：

1、国外超大型水下盾构工程典型项目

（1）日本东京湾横断公路隧道：1997年建成，跨海双向4车道公路隧道，盾构机直径Φ14.14m，隧道总长度9.1公里，被人工岛分为4.6公里和4.5公里长的两段，每段由两台盾构机对向各掘进约2.5公里；主要地质为软弱的冲积、洪积黏性土层以及洪积砂层，最大水压6kg/cm2，属于当时最大直径盾构隧道。

（2）德国汉堡易北河第四公路隧道：2000年1月底贯通，双向4车道公路隧道，盾构机直径Φ14.2m，隧道长度为2561米，穿越的地层主要为黏土、松散至细密的砂、砾石和冰山泥灰岩，最高水压约为4.5kg/cm2，打破东京湾横断公路隧道直径记录，成为世界当时最大直径盾构隧道。

（3）荷兰格林哈特隧道（绿心隧道）：2004年年底贯通，双线铁路隧道，盾构机直径Φ14.87m，隧道全长7155m，分为4个区间（最长2200米）。地质主要为软粘土、泥煤层和细沙，最高水压5kg/cm2，又创造了一个新记录。

2、国内超大型水下盾构工程典型项目

国内超大型水下盾构工程典型项目主要有：上海沪崇苏过江

隧道和南京长江隧道。武汉长江隧道、狮子洋隧道、穿黄河隧道三条盾构隧道虽然各有特点，但盾构直径较小，均在9.0m～11.37m之间。

上海沪崇苏长江隧道是一条高速公路与地铁合建的隧道，其盾构直径为15.44米，总长度为7470米，于2008年8月28日贯通。盾构段穿越的主要地层为淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂质粉土等，最高水压5.5kg/cm2。国际上直径超过14m、

三、南京长江隧道的工程特点、难点及风险点

通过与上述几个隧道相比，南京长江隧道几乎涵盖了其它所有典型盾构隧工程的难点和风险点，南京长江隧道工程是中国长江流域上工程技术难度最高、挑战性最多的地下工程，作为世界级的越江工程，南京长江隧道面临的是高风险、高挑战性的世界级难题,其特点主要体现在六个方面：“大”、“高”、“强”、“薄”、“长”、“险”。

“大”：即盾构直径超大。盾构机直径14.93m，是世界上直径最大的盾构之一。

“高”：水土压力高达6.5 kg/cm2，目前在同类盾构隧道中，国内首屈、世界之最。

“强”：隧道穿越的地层主要为渗透系数很高的强透水层，占隧道总长的70%以上。

“薄”：江底约150m长的冲槽段覆土厚度不足1倍洞径,最小埋深仅10.49m；始发段埋深仅5.5m(不足0.4D)。

“长”：在砂卵石层中连续掘进3000多米一次越江，相当于在粉粘土地层中掘进30公里、相当于地铁盾构连续掘进17 公里。

“险”：隧道穿越粉土、粉细砂、砾砂、卵石和强风化岩层，地质条件异常复杂，同时地层中存在大量大块卵石、钢材、铁器等异物，这些异物对刀盘刀具和盾体都造成了很大伤害。高水压、强透水、长距离、复杂地质条件下的掘进难度巨大，风险巨大。

四、关键施工技术综述

作为泥水平衡盾构施工，从管片制作、到盾构掘进、同步注浆、管片拼装、泥水管理、同步施工、物流组织、维保等作为常规工序，关键是做好规程制定，明确责任人和作业范围，在此不再一一赘述。下面我就南京长江隧道的始发、接收、江中冲槽段浅覆土施工、长距离穿越复合地层施工、高压进仓修复刀盘刀具等关键施工技术研究成果向大家汇报如下，请各位专家批评指正。

4.1 盾构始发

盾构始发是掘进施工的开始，也是盾构机整个系统工作的开始，同时也是设备检测、调试的时刻，更是极易出现问题的环节。

我们对始发的定义：自钢负环管片（-9环）安装起，至盾构机刀盘离开全断面加固区（此时推进至+5环行程约

1800mm）止，整个始发过程盾构机整机前移约24m，分为洞前加固、盾构机负载调试、洞门破除、压力建仓、碰壁开挖、密封环封闭（二次密封）、始发掘进等几个过程。

南京长江隧道始发存在较大风险，主要体现在以下几个方面：

1、地下水位高，地表下50㎝即是地下水，水头压力高达

2.3 bar。

2、地层透水性极强，连续墙凿除后在地下水的作用下，稳定性差的粉细砂层极易发生坍塌等风险。

3、覆土薄，始发埋深仅5.5m，不足0.4D，极易击穿冒顶，压力建仓困难。

4、盾构机直径大，洞门破除后掌子面难以稳定。

5、盾构机直径大，重量达4000吨，盾构机姿态难以控制。