(南京)长江隧道超大直径盾构掘进施工技术

1南京长江隧道超大直径盾构掘进施工技术题目2工程概况汇报内容1盾构掘进施工23盾构始发汇报内容盾构接收4施工体会53一、工程概况工程概况1、工程简述2、工程难点及特点41.工程简述南京长江隧道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，是南京市规划的五桥一隧重要过江隧道工程。南京长江隧道南京长江大桥南京长江三桥工程概况左汊左汊隧道长3022m右汊右汊桥梁本工程采用“左汊隧道+右汊桥梁”方案，左汊隧道分左右两线，左线盾构隧道全长3022.025m，右线盾构隧道全长3014.76m。隧道按双向6车道快速通道规模建设，设计车速80公里/小时。51.工程简述工程概况本隧道的结构形式为双管单层，采用两台德国海瑞克公司生产的超大直径泥水混合式盾构掘进机施工，盾构开挖直径14.96m，管片环外径14.5m，内径13.3m，壁厚0.6m，环宽2m，混凝土设计强度等级C60，抗渗等级S12。6◆南京长江隧道在当前同类型盾构隧道中属于世界上第二大超大直径盾构隧道，同时又是世界上地质条件最为复杂的超大直径泥水盾构隧道，具体有以下四个工程特点:2.工程难点及特点★超浅覆土始发与到达：由于受线路控制影响，本工程盾构始发段属于超浅埋，最浅覆土厚度为5.5m，仅为0.37D，主要穿越地层为流塑状的④层淤泥质粉质粘土和⑥层淤泥质粉质粘土夹粉土，在国内盾构超浅覆土始发施工中尚属首例，施工技术难度非常大。工程概况K4+000K3+600K3+730K6+030K6+200K6+620K6+500130m270m2030m170m120m300m始发浅覆土段到达浅覆土段穿越大堤段粉细砂砾砂及卵石混合层段江中冲槽浅埋段穿越大堤段7二、盾构始发盾构始发1、洞前加固及洞门破除2、盾构机超浅覆土始发81.洞前加固及洞门破除盾构始发内衬洞门密封圈37m18m冷冻管高压旋喷桩加固区地下连续墙全断面加固顶棚加固1.6m高压旋喷桩加固冷冻法加固洞门破除后的冷冻面1）洞前加固9南京长江隧道指挥部1.洞前加固及洞门破除盾构始发2）洞门破除◆洞门圈内1.0m厚连续墙，分三次进行破除。第一次破除在冻结前进行，主要破除地下连续墙10cm厚的外层钢筋；第二次破除在冻结墙完全胶结后进行，破除厚度60cm，从上到下分块破除；第三次破除在负8环管片拼装完成后进行，同时应结合负环管片的安装进度进行。施工中为了确保洞门破除及盾构始发万无一失，提前采取井点降水方法降低地下水位，以便减小洞前土体的侧向压力。102.盾构机超浅覆土始发盾构始发-6-6-5-5-9-9-8-8-7-7钢管撑冷冻管反力架11三、盾构掘进施工1、盾构掘进参数控制2、盾构掘进姿态控制3、泥水管理4、同步注浆施工5、管片拼装6、中箱涵施工121.盾构掘进参数控制盾构掘进施工◆由于南京长江隧道水域长度长达2500m，占盾构段总长度的82％以上，且地质条件复杂多变，当盾构机进入江中后，无法采用现有手段对江底掘进断面进行实时精确监测，因此，不同地质地段掘进施工参数的设定、控制与修正，是掘进施工中的关键控制技术。131.盾构掘进参数控制——泥水压力设定及控制盾构掘进施工HhP1=KγsathP3=20P2=Kγ(H-h)1）淤泥质粘土地段（K3+600～+850）（采用水土合算方式）●泥水压力上限值:P上=P1＋P2＋P3=K0[γ×(Hh)＋γsat×h]＋20●泥水压力下限值:P下=P1＋P2＋P3=Ka[γ×(Hh)＋γsat×h]＋20江边浅覆土段◆由于本隧道以粉细砂、砾砂地层为主，地层渗透系数大，透水性强，根据国际上泥水盾构的施工经验，切口水压的上、下限值设定值通常采用的静止土压力和主动土压力进行控制，除始发段不透水的淤泥质黏土地层采用水土合算外，其余地段均采取水土分算的方法进行计算，同时结合本工程地质特点及刀盘对掌子面的支撑作用，关键要根据地表监测数据，对理论计算的泥水压力及时进行修正。141.盾构掘进参数控制——泥水压力设定及控制盾构掘进施工2）其它透水层地段（K3+850～K6+620）（采用采用水土分算方式）●泥水压力上限值:P上=P1＋P2＋P3=γw(hw+h)＋K0γ′h＋20●泥水压力下限值:P下=P1＋P2＋P3=γw(hw+h)＋Kaγ′h＋20P3=20hwh（H）P1=γw(hw+h)P2=Kγ′h粉细砂层段粉细砂砾砂混合层段江中冲槽浅埋段◆根据以上两种计算方式，盾构机掘进时的切口泥水压力应介于理论计算值上下限之间，并应根据盾构机实际开挖干砂量的变化情况、地表建构筑物的沉降情况以及盾构机掘进当中掘进参数的异常情况进行适当调整。151.盾构掘进参数控制——泥水压力设定及控制盾构掘进施工3）施工监测与压力调整ABCDE7.3mK3+668K3+708横向监测断面I横向监测断面II0.8~1.5m−4%纵向测点池塘大堤右线盾构岸边非加固浅覆土区地层沉降监测孔布置立面图泥水压力P=P下－0.2bar通过横向检测断面I及监测点A、B以正常泥水压力通过监测点C泥水压力P=P上＋0.2bar通过横向检测断面II及监测点D、E16南京长江隧道指挥部1.盾构掘进参数控制——泥水压力设定及控制盾构掘进施工右线盾构岸边非加固浅覆土区地层沉降监测孔布置平面图大堤池塘ABCDE14m4m4m4m4m10mK3+668K3+708横向监测断面横向监测断面隧道轮廓线隧道中心线6×5m1-11-21-31-41-51-61-72-12-22-32-42-52-62-7现场监测地表沉降监测点位移监测点3）施工监测池塘监测断面目前刀盘所处位置池塘监测点土体位移及沉降监测位移监测点地表沉降监测点171.盾构掘进参数控制——泥水压力设定及控制盾构掘进施工3）施工监测与压力调整181.盾构掘进参数控制——泥水压力设定与控制盾构掘进施工4）泥水压力控制小结◆根据监测数据统计显示：采用理论计算压力设定泥水压力参数完全满足掌子面开挖稳定要求；当压力设定小于计算下限值0.2Bar以下，虽然在淤泥质黏土中能保持掌子面平衡，但对于其它透水地层由于地面沉降量超过90mm以上，极易造成地表塌陷和掌子面失稳的风险；当压力设定大于计算上限值0.2Bar以上时，对于该地层由于隆起量超过50mm以上，且在池塘处出现冒气泡现象，虽然没有出现冒浆击穿覆土，但对其它透水地层有极大的冒顶风险；因此对于地表沉降控制严格的地段选用上限值控制为好；对于浅覆土且地表沉降控制不严地段，为防止压力过高或波动引起地面冒浆，压力参数选为下限值控制为宜，同时要保证推进速度平稳，进出浆流量平衡，推进过程中压力波动严格控制在：－10～＋10kPa以内。191、盾构掘进参数控制——其它掘进参数控制盾构掘进施工1）推进速度与推力◆正常掘进条件下，掘进速度应设定为30～40mm/min；在盾构机通过砾砂、圆砾地层时，掘进速度应控制在25～30mm/min，一般情况下，推力随着泥水压力的大小和推进速度的快慢而增大，正常情况下根据本项目不同的地质情况，盾构掘进施工总推力最大不易大于额定总推力的70％进行控制。◆盾构掘进速度设定及控制时，应注意以下几点：①盾构启动时，盾构司机需检查千斤顶是否顶实，开始推进和结束推进之前速度不宜过快。每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大冲击扰动地层。②每环正常掘进过程中，掘进速度值应尽量保持衡定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。在调整掘进速度时，应逐步调整，避免速度突变对地层造成冲击扰动和造成切口水压摆动过大。③推进速度的快慢必须满足每环掘进注浆量的要求，保证同步注浆系统始终处于良好工作状态。④掘进速度选取时，必须注意与地质条件和地表建筑物条件匹配，避免速度选择不合适对盾构机刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧道周边土体扰动过大。201、盾构掘进参数控制——其它掘进参数控制盾构掘进施工2）刀盘转速与扭矩◆掘进施工中，刀盘转速选择要结合不同地层的软硬程度和盾构机设计的最大掘进扭矩综合考虑。◆根据海瑞克设计生产的盾构机性能参数和本项目地质水文特点，依据盾构试掘进的掘进经验指标，该盾构在不同地质的地段施工掘进参数控制如下表：地层段落里程段气垫仓泥水压力Bar推力KN推进速度mm/min转速r/min锥入度mm/r扭矩MN.m备注始发加固段K3+600~+6551.2~1.825000~3000010~300.8~1.010～37.52.0～5.0非加固浅覆土K3+655~+7301.8～2.430000～4500030～400.7～0.933.3～57.11.8～3.0长江大堤K3+730~+7802.4～3.040000～5000030～400.8～1.030～502.0～3.0粉细沙层K3+850~K4+6503.0～4.945000～9500030～400.9～1.127.3～44.53.0～6.0粉细沙、砾砂混合地层K4+650~K6+0304.0～5.860000～10000025～351.0～1.220.8～35.05.0～8.0按常年水位计算，需根据实测调整粉细沙、砾砂及卵石混合地层K5+100~~+9704.0～5.860000～10000015～250.7～0.917.0～307.0～10.0同上江中浅覆土地层K6+030~+2004.5～5.160000～9000030～350.8～1.030.0～44.23.0～6.0同上各地层盾构掘进参数控制表21南京长江隧道指挥部２、盾构姿态控制盾构掘进施工隧道轴线盾构轴线管片轴线◆根据盾构试掘进段施工参数的修正，最终确定正常掘进施工参数，同时为了使盾构机保持良好的掘进姿态，施工中需进行动态的现场掘进管理，具体如下：（1）根据地质条件、覆土厚度和现场的掘进姿态对部分设定掘进参数进一步优化组合。（2）推进姿态控制：推进过程中，严格控制好推进方向，将施工测量结果不断地与计算的三维坐标相校核，及时调整。为了控制掘进姿态，要求每环掘进过程中，盾构姿态要保持平稳，尤其是竖向方向高度：盾尾保持在+5~+20mm范围，盾构机前段保持在+10~+30mm，竖向抬头趋势尽量控制在+10~+30mm/m。严禁在每环掘进过程中出现“上穿下跳”现象。同时均衡盾构机掘进姿态与管片拼环姿态的一致性。（3）盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。（4）盾构掘进施工全过程须严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘察、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量不超过4mm/环，以减少对地层的扰动。（5）做好施工记录：盾构推力、掘进速度、刀盘转速、切口和气垫仓压力、泥浆流量、进出浆比重、注脂压力、注浆压力、盾构竖直及水平偏差及盾构机设备运行状态等。22南京长江隧道指挥部３、泥水管理盾构掘进施工泥水流程图制浆剂新浆池调浆池P1泵分离设备沉淀池P2泵泥浆指标测试ＹＮ泥水处理系统盾构机泥水环流系统渣土外运一级分离预筛分一级分离二级分离二级分离沉淀池调浆池泥水处理系统泥水管理控制系统比重粘度含砂量P1泵盾构操作页面泵P1泵γ射线密度仪P2泵233、泥水管理盾构掘进施工1）泥浆指标选定◆针对本工程复杂的地层特点，盾构掘进施工中，要想保持掌子面的稳定，就必须配制高质量的泥水，高质量的泥水是通过合理的泥浆指标来实现的。主要的泥浆参数包括比重、粘度、含砂率、析水量和PH值等参数，施工中必须进行严格控制。●比重:泥水比重是一个主要控制指标。掘进中进泥比重不易过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，降低掘进速度；过低则不利于开挖面的稳定。本工程粘土层比重选取1.15～1.2，粉细沙层比重选取1.2～1.23，砂砾层比重选取1.2～1.25。●粘度:泥水粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求及泥水处理系统的配套来讲，要求泥水的胶凝强度（静切力）适中；粘度过高，增加分离难度；粘度过低，泥膜形成困难，携碴能力