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。
南京长江隧道 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
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(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
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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、采用泥水平衡盾构建造的隧道见下表。 掘进距离 建设时间 隧道名称 总长 每段掘进长度 盾构机 数量 软弱的冲积、洪积黏性土层以及最大水压 地质情况 直径 1989—日本东京湾公路隧道 9.1km 2.5km ?14.14m 3
8台 6.0kg/cm2
1997 1997—2003 2000—2004 2004—2009 2005-2010 洪积砂层 黏土、松散至细?14.2m 2台 4.5kg/cm2 密的砂、砾石、和冰山泥灰岩 德国汉堡易北河第四隧道 2.56km 2.56km 荷兰绿心隧道 7.2km 2.2km ?14.87m 4台 5.0kg/cm2 软粘土、泥煤层和细砂 上海沪崇苏隧道 7.47km 7.47km 淤泥质粘土、淤?15.43m 2台 5.5kg/cm2 泥质粉质粘土、粘土、砂质粉土 粉土、粉细砂、?14.93m 2台 6.5kg/cm2 砾砂、卵石和强风化岩层 南京长江隧道 3.02km 3.02km 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,
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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
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