武汉长江隧道工程盾构施工

武汉长江隧道工程盾构施工技术一、工程概况二、工程重难点分析三、泥水盾构选型和性能四、施工关键技术五、浅覆土地面冒浆应对措施六、科技创新一、工程概况1、工程位置武汉长江隧道为武汉市重点工程，是武汉市重要的过江交通通道，位于武汉长江一、二桥之间。起点为汉口大智路与铭新街的交叉口，终点为武昌友谊大道南侧规划中的沙湖路，线路平面见下图。2.工程规模工程范围包括盾构始发井、到达井、盾构隧道、联络通道、明挖暗埋隧道、A、B、C、D、E、F六条匝道、管理中心大楼、通风井、路面工程及机电设备安装工程等。主线隧道建筑总长3630m，其中盾构隧道左右线各长2538.6m，过江段长1310m。武汉长江隧道总平面图中山大道胜利街鄱阳街竖井鲁兹故居洞庭街沿江大道汉口江堤长江武昌江堤大道临江和平大道竖井友谊大道武大铁路电教楼3.盾构隧道线路平、纵、横断面设计概况盾构段隧道线间距为16m～28m，隧道线路平面最小曲线半径为800m。线路纵坡大致为U形，线路最大下坡坡度为4.35%，最大上坡坡度为4.4%。隧道覆土厚度在6.8-43m之间。盾构隧道为双洞分离式隧道，衬砌外径11000mm，内径10000mm，采用通用（楔形量为55mm）钢筋混凝土管片。隧道断面底部设逃生通道和电缆通道，中部为行车道，上部为专用排烟道。为改善隧道的防灾条件，在两条盾构隧道间设置2条联络通道。4.隧道穿越地层岩性分布本盾构隧道先后穿越淤泥质粘土、粉细砂、中粗砂、卵石、上软下硬复合地层等，具有地层多变、高承压水等特点。盾构隧道工程地质纵断面图武汉长江隧道工程是个高风险、高难度、规模大、技术复杂的涉及多领域的系统工程,技术特点和难点主要体现在长约2.5km，外径为11m的两条圆隧道的设计、施工和施工组织等方面，可以用多变、长、大、深、难几个字来概况：1、地质条件复杂多变。盾构隧道穿越的地层,进出洞段以粉质粘土、粘土、淤泥质粘土为主，江边及江中段以粉细砂及中粗砂为主，江中段局部穿过上软下硬的复合地层，地质条件复杂且多变，且隧道穿越的地层透水性强，最大水压达0.6Mpa。对盾构机性能（适应性、可靠性、耐久性）要求高。二、工程重难点分析2、高水压。在最大水压0.6Mpa下盾构推进的施工安全和工程防水是重点。关键是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作、耐久性和管片的拼装防水质量。3、长距离掘进。盾构长距离掘进中密和密实粉细砂（石英含量高），并在江中段掘进上软下硬地层，切削中等风化基岩，对刀具特别是边刀的磨损很大。盾构正面刀盘刀具耐久性和可靠性是一次过江成败的关键。4、周边环境复杂，保护难度大。进出洞段埋深浅，且下穿众多重要的建筑物，如电教楼、长江防洪大堤、武大铁路、鲁兹故居等5、施工难度大。施工中存在以下技术难题：①高承压水砂层联络通道施工风险大；②特殊地段（浅覆土、上软下硬复合地层、小半径曲线段）盾构掘进质量控制难度大；③大体积、深手孔管片预制裂纹防治难度大。二、盾构选型、性能1、盾构的选型（1）盾构机的分类根据开挖面平衡根据地层和地下水情况，所采用的稳定开挖面的方法进行分类，盾构法分为敞开式盾构（自然平或机械支护）、气压盾构（压缩空气支护）、泥水盾构（泥水支护）、土压平衡盾构（碴土支护）和复合式盾构。盾构类型基本原理支护方式/开挖面压力调节方式1敞开式自稳获机械支撑2气压盾构3泥水盾构盾构类型基本原理支护方式/开挖面压力调节方式4气垫式泥水盾构5土压平衡盾构2、盾构选型（１）盾构选型的内容A盾构机基本类型的选择：土压盾构、泥水盾构、复合盾构B盾构刀盘与刀具的选择：幅条式刀盘、面板式刀盘；滚刀、切刀、先行刀、超挖刀。c主要功能的配置：土压盾构：加泥装置、泡沫注入装置；泥水盾构：冲洗装置、气垫平衡装置；复合盾构：功能部件更换、多模式平衡功能（2）盾构机选型及定购的依据土质条件、岩性；开挖面稳定；隧道埋深、地下水位；设计隧道的断面；环境条件、沿线场地；衬砌类型；工期；造价；辅助工法；设计路线、线形、坡度；选型的原则：掘得进、稳得住、出得来、成形快、环保好地质影响因素：土砂层、岩层，特别应考虑特殊地质条件，一般来说对于土层或淤泥质地层，选择土压平衡盾构；而砂层或卵石地层选择泥水；岩石地层选择土压盾构；对于复合地层需要综合分析。主要因素有：地层的渗透系数、岩土层的颗粒分布与组份、岩石的强度、岩石的RQD指标、地质构造。粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构渗透系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10-10-11本工程渗透系数环境因素：建构筑物、场地环境、工程投资作为控制地层变形能力评判，泥水盾构优于土压盾构；但是由于泥水处理系统的需要，工作场地要求大。从工程投资角度考虑，一般泥水盾构施工的成本高于土压盾构的15~20%；且泥水系统会造成噪音污染。3、武汉长江隧道盾构性能介绍根据武汉长江隧道盾构所穿越的地层分析，即有强度高的粉砂岩，也有粉细砂和粉质粘土等，以及高水压、周边环境条件复杂的特点，因此采用复合式泥水平衡盾构施工。具有高效的开挖系统、泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、控制及故障显示功能、方向控制及导向系统、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离系统等基本功能．盾构由法国NFM公司设计，除核心设备采用进口件，部分结构在国内制造。（1）盾构机类型：膨润土-气垫式泥水平衡盾构；（2）开挖直径11.38米；（3）重量：主机与后配套的重量1100t（主机900t，后配套200t），其中刀盘组件重160t；（4）长度：整机56米，主机壳体长度11.71米；（5）最小转弯半径400m；（6）推力：最大推力121220kN；（18组共36根油缸）（7）扭矩：最大扭矩13650kNm@0.85转/分；最大转速时的扭矩5050kNm@2.3转/分；脱困扭矩17750kNm；（8）速度：最大掘进速度40mm/min．（1）刀盘和刀具设计◆支撑方式：中心支撑（八个辐条）◆刀盘型式：复合刀盘（39把17“单刃滚刀，224把切刀）◆开挖直径11380mm，开口率30%（中心部位50%）◆滚刀安装在从半径2.0m至周缘处，间距108mm；◆周边的保护刀32把；仿形刀1把；切刀磨损检测装置4把；◆刀盘分块数量3块；◆刀盘和刀具做了耐磨工艺处理，满足长距离掘进要求．三层刀具复合设计:（应付软土地层与硬岩地层的交替推进功能）刮刀设计有两排碳化镶嵌物，形成两层截割层。在掘进第一段沙和粘土中，第一排碳化物开挖土壤，此排碳化物保护盘刀不磨损。在下部是岩石的隧道段，岩石磨掉了刮刀上部的40mm，直至盘刀可以正常作业，此时刮刀只是刮削岩石。当盾构到达第二段软土时，盘刀会很快磨损，第二排刮刀可以正常开挖沙和粘土，直至掘进结束。20mm11mm第二层滚刀部分第一层切刀第二层切刀第二层普通材质在滚刀作用时很快磨损（2）刀盘驱动系统①型式变频电机驱动，驱动功率200Ⅹ8即1600kW；②双向转速0~2.3转/分(连续可调)；③最大扭矩13650kNm@0.85转/分；脱困扭矩17750kNm④主轴承类型3排滚柱«2排轴向-1排径向»轴承⑤主轴承寿命10000小时；⑥密封2×5道密封，开挖室的最大工作压力6.0bar（3）可靠的密封系统：①主轴承密封主轴承由唇式密封来保护，配备了2排、每排5道唇式密封。如果外部压力为6bar，HBW油脂压力应为6.5bar，满足江底掘进高水压耐水压力。P1P2P3P4P5P6P0V1V2V3V4V5ABCDE②盾尾密封（防止泥浆、地下水等进入盾构体内）间隙40盾尾注浆管道管片盾尾油脂管道注浆管道保护条盾尾刷（3排钢丝刷＋1排钢板束）采用四道盾尾密封，即三排钢丝刷+一排钢板束。以抵抗高水压力及可能的流砂泄露．盾尾密封性能主要靠充满整个油脂桥腔的油脂建立压力密封，油脂压力的设定值根据如下原则设置:若底部注浆管最大压力设定值为N,三道盾尾油脂腔的压力由盾尾向刀盘方向依次为N+2、N+1、N。当地层压力过高时，盾尾油脂腔的压力应综合考虑盾尾刷结构承受能力进行合理调整。（4）采用先进的气垫——泥水压力维持技术使开挖面前部砂土中形成一层膨润土保护膜，通过使用位于主开挖室后的一个单独的气垫室来精确地控制开挖室以及盾构机前部膨润土保护膜的压力。这种系统能确保开挖面稳定。地层切削刀盘进浆管排浆管膨润土溶液压缩空气连通管气锁室膨润土液区泥水压力设置泥水压力采用静止土压力（水土分算）作为控制上限，主动土压力作为控制下限。穿越密集建筑物时压力设定值靠近上限。一般根据地层性质，砂土、粉土、粉质粘土等渗透系数较大的地层，采用水土分算。地面荷载偏压的情况下，压力设定值宜取超载和无荷载的中间值。判断合理性的依据：A、压力设定要不断摸索，通过地表沉降及时修正。B、在渗透性大的地层，利用泥浆漏失量作为检验压力设定是否合理为依据是可行的。（5）推进系统①最大推力121220kN②油缸数目36个、单个油缸推力3366kN；③油缸行程：2600mm；⑤油缸分组：为4组；⑥最大推进速度40mm/min；（6）泥水系统一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理（达到环保要求后排放），再将回收的泥浆调整利用。泥水盾构的泥水系统由四大部分组成⑴造浆分系统⑵输送分系统⑶处理分系统（振动筛和旋流器）振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛的作用始对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径⑷泥水监控分系统粘土地层泥浆采用小密度小流量，但由于泥水分离效果差，泥浆密度上升快，一般都在1.2左右；砂土地层泥浆采用大密度大流量，一般进浆控制在1.1左右。在砂层段粘度适当提高，利于工作面稳定和泥水输送。(7)盾构导向系统控制盒地面监控计算机调制解调器调制解调器打印机盾构主控室管片激光全站仪ELS靶激光定位仪工业计算机黄盒子显示屏盾构机推进油缸四、盾构施工关键技术1、盾构始发技术始发端头地层加固及效果检查盾构机主机组装、空载调试安装反力架及支撑竖井内安装珩架结构供后配套组装安装始发基座后配套组装部分洞门破除安装洞门密封装置安装负环管片至刀盘通过洞门密封凿除剩余洞门砼并将钢筋等杂物取出掌子面形成泥水压力完善洞门密封系统拼装负环管片开始盾构试掘进完善后配套拖车走行系统及运输轨线盾尾通过密封后开始同步注浆盾构正常的循环掘进图7-5-3盾构始发流程图始发端头地层加固及效果检查盾构机主机组装、空载调试安装反力架及支撑竖井内安装珩架结构供后配套组装安装始发基座后配套组装部分洞门破除安装洞门密封装置安装负环管片至刀盘通过洞门密封凿除剩余洞门砼并将钢筋等杂物取出掌子面形成泥水压力完善洞门密封系统拼装负环管片开始盾构试掘进完善后配套拖车走行系统及运输轨线盾尾通过密封后开始同步注浆盾构正常的循环掘进图7-5-3盾构始发流程图盾构始发流程图始推台架反力墙地基加固临时隔墙出洞口管片搬入临时管片盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效果和洞圈止水密封的效果。（1）始发地基加固由于始发端处于渗透性很小的土层中，土体加固采用三轴搅拌桩和双重管高压旋喷相结合的方式。土体加固以搅拌桩为主，高压旋喷为辅，旋喷桩加固搅拌桩与连续墙间的部分。见下图所示。（2）洞圈止水装置：设两道帘布橡胶止水带。油脂加注孔注浆管翻版翻版第一道帘布橡胶第二道帘布橡胶止水箱洞门钢环（3）辅助措施：增设降水井、降低地下水位，减小涌水风险。（4）始发效果左线由于加固长度超过盾构主机长度，在出加固区前对管片背后进行注浆，防止了盾构出加固体后掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流出，确保了泥