南京长江隧道设计与施工

南京长江隧道设计与施工南京长江隧道设计与施工项目背景项目背景一一..项目背景项目背景南京长江隧道是南京市“井字加一环”快速路系统跨江成环的重要一环”快速路系统跨江成环的重要组成部分，是“全面达小康、建设新南京、实施跨江发展战略”的标志性基础设施，被江苏省2006年重志性基础设施，被江苏省2006年重点投资计划列为重点工程。本项目为中铁建投资的BOT项目。本项目为中铁建投资的BOT项目。建设期为4年、特许经营期30年。已于年月日建成通车已于2010年5月1日建成通车长江隧道的地理位置长江隧道的地理位置南京长江大桥南京长江二桥南京长江二桥南京长江四桥纬三路过江隧道南京长江三桥南京长江隧道京沪高速铁路大桥建设环境建设环境二、建设环境二、建设环境自然地理隧址为长江河床及高河漫滩地形V自然地理：隧址为长江河床及高河漫滩，地形开阔平坦。V工程地质上部地层主要为第四系全新统冲积V工程地质：上部地层主要为第四系全新统冲积层,深部为白垩系岩层，地层起伏不大。V水文地质：地表水为长江水系，地下水为孔隙V水文地质：地表水为长江水系，地下水为孔隙水及裂隙水，对混凝土、钢筋无腐蚀性。V地震基本烈度：VII度。地震基本烈度：V度V航运航道：长江南京水道为常年主航道，隧址处航宽480～1000m，水深约11m。V河床演变：最大冲刷深度约9m，深槽的摆幅为150～160m。V防洪等级：长江大堤为Ⅰ级堤防。三三设计概况设计概况三三..设计概况设计概况1、主要设计参数：道路全长：5.853km道路等级：城市快速路，双向6车道车道设置：3.5m×2＋3.75m，高4.5m设计车速：80km/h车辆荷载：城-A级抗震设计：100年一遇超越概率10%人防等级：6级防洪设计：按100年一遇水位设计结构安全等级：一级，重要性系数1.1设计年限：100年盾构隧道盾构隧道隧道建筑长度隧道建筑长度其中盾构段其中盾构段隧道建筑长度隧道建筑长度3790m3790m，其中盾构段，其中盾构段3020m3020m，，盾构隧道内径盾构隧道内径13.30m13.30m、外径、外径14.50m14.50m。。V2线路平面设计浦口区浦口区V2、线路平面设计梅子洲梅子洲浦口区浦口区梅子洲梅子洲南京市区南京市区南京市区南京市区V线路平面：两个平面曲线，半径分别为2500m和2750m。V线路平面：两个平面曲线，半径分别为2500m和2750m。V盾构段线间距：30m3、线路纵断面图设计3、线路纵断面图设计施工期隧道覆土按不小于1D控制，困难地段不小于07D运营阶段按最大冲刷包络线满足小于0.7D；运营阶段按最大冲刷包络线，满足抗浮要求控制。最大纵坡4%，困难地段不超过4.5%。最大纵坡4%，困难地段不超过4.5%。V4盾构隧道横断面设计V4盾构隧道横断面设计V4、盾构隧道横断面设计V4、盾构隧道横断面设计V横断面布置隧道横断面由车道板分为上下两层，上层为行车道层，下层为服务层。5管片设计V5、管片设计管片环宽2米、厚60cm；设计为双面楔形通用环(楔形量48)分块48mm)；分块为7+2+1；采用1/2错缝拼装用1/2错缝拼装，斜向插入的直螺栓连接；砼螺栓连接；砼强度C60、抗渗标号S12。米四、工程特点和难点四、工程特点和难点3020米5.5米60米10.8米南京长江隧道是世界瞩目的越江工程，是一个高风险、高挑战性的技术难题。其技术特点可以用六个字概括：高挑战性的技术难题其技术特点可用个字概括“大”“高”“强”“薄”“长”“杂”V“大”：即盾构直径超大。盾构机直径1493米是世界上直径最大的盾构之南南14.93米，是世界上直径最大的盾构之一。V“高”：最大水土压力高达6.5bar，目前在同类盾构隧道中水土压力最高南京南京同类盾构隧道中水土压力最高；V“强”：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87%京长江京长江的强透水层，占隧道总长的87%。V“薄”：江底冲槽段约150米覆土厚度不足1倍洞径最小埋深仅108米（072D)始发江隧江隧1倍洞径,最小埋深仅10.8米（0.72D)；始发段埋深仅5.5米(不足0.4倍D)。“长”地层对刀具的磨损系数高盾构道技道技V“长”：地层对刀具的磨损系数高，盾构在数十米深的水下穿越、检修困难，连续掘进长度3000多米技术特技术特掘进长度3000多米。V“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特点特点卵石和强风化岩层，地质条件异常复杂，且存在不明障碍物的风险。点点五、盾构施工五、盾构施工¾1.盾构机刀盘及刀具配置：¾盾构刀盘形式为辐条面板式开挖直径¾盾构刀盘形式为辐条面板式，开挖直径为14.93m，由6个辐条和6块三角形面板组成；开口宽度60cm开口率约30％组成；开口宽度60cm、开口率约30％。¾刀盘上安装了7把中心刮刀；辐条安装有16把先行刀182把刮刀（其中71把可16把先行刀、182把刮刀（其中71把可常压更换，其余为固定刮刀）、12把边缘铲刀和6把边缘小铲刀；仿形刀2把边缘铲刀和6把边缘小铲刀；仿形刀2把。¾主开挖刀采用220mm宽重型刮刀宽度，共38个开挖轨迹开挖轨迹间距20038个开挖轨迹，开挖轨迹间距200mm。¾先行刀突出刀盘面板的高度为250mm；其先行刀突出刀面板的高度为；其他刀具一律为200mm。中心刀7把边缘铲刀12把小铲刀6把固定刮刀111把可常压更换刮刀71把先行刀16把常压常压换刀换刀的功的功的功的功能和能和刀闸刀闸能和能和构造构造刀盘辐臂刀盘辐臂常压换刀常压换刀常压换刀常压换刀工作舱工作舱22、盾构机始发、盾构机始发37m18m冷冻加固内衬墙顶棚加固全内衬墙全断面面加固高压旋喷加固预埋密封钢圈1.6m地下连续墙33一般地段的盾构掘进一般地段的盾构掘进3.3.一般地段的盾构掘进一般地段的盾构掘进（（11）泥水压力：）泥水压力：（（11）泥水压力：）泥水压力：A.泥水压力取值的一般原则泥水压力取值的般原则¾切口水压的上、下限值设定值采用的静止土压力和主动土压力进行控制。¾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，采取水土分算的方法进行计算方法进行计算。¾始发段等其余不透水的淤泥质黏土地层采用水土合算。¾同时，结合本工程特点及盾构机的特性，要根据地表监测数据，对理论计算的泥水压力进行适当修正力进行适当修正。（1）泥水压力：B.利用始发段确定泥水压力值正常压力通过VAVBVCVDVEK3+668K3+708大堤0.8~1.5m池塘泥水压力上限通过7.3m泥水压力上限通过泥水压力下限通过−4%位移监测点地表沉降监测点VV现场监测现场监测（（11）泥水压力：）泥水压力：C.主要结论：V当压力设定小于计算下限值，能保持V当压力设定小于计算下限值，能保持掌子面平衡，但地面沉降量过大，塌陷风险大；当压力设定大于计算上限值时，风险大；当压力设定大于计算上限值时，表隆起明显，有击穿迹象。V因此，对于地表沉降控制严格的地段V因此，对于地表沉降控制严格的地段选用上；对于浅覆土且地表沉降控制不严地段，以下限值控制为宜。严地段，以下限值控制为宜。V推进过程中压力波动值控制在－20～＋20kPa以内。＋20kPa以内。（（22）刀盘转速与推进速度）刀盘转速与推进速度¾本工程使用的盾构机，设计刀盘最大转速为15rpm最大推进速度为45cm/min速为1.5rpm，最大推进速度为4.5cm/min。¾在粉粘土及粉细砂等均匀软弱地层中，刀盘转速取10rpm推进速度约刀盘转速取1.0rpm，推进速度约3~4cm/min，充分发挥设备能力，力较高的掘进速度。的掘进速度。¾粉细砂、砾砂、圆砾及风化岩混合地层中，刀盘转速控制在08转以内，根据开挖中，刀盘转速控制在0.8转以内，根据开挖面地质情况，从保护刀具的原则出发，采用较低的转速和推进速度。（（33）泥水管理）泥水管理盾构掘进施工中，主要的泥浆参数包括比重粘度含砂率析水量和PH值等括比重、粘度、含砂率、析水量和PH值等参数。主要控制指标如下：●粘度:18～25s粘土及粉砂层中取20s以下●粘度:18～25s。粘土及粉砂层中取20s以下●比重：选取1.15～1.25g/cm3●含砂量:15～20％。●含砂量:1520％。●析水量:不大于5%●PH值PH值：9～10值值在砾砂、粉砂层中，以调浆为主；在粘土类地层中，主要采用弃浆加水方法进中，弃行调配，以保证泥水质量。（（44）壁后同步注浆）壁后同步注浆（（44）壁后同步注浆）壁后同步注浆V固结体强度：28天抗压强度不小于05MPaV固结体强度：28天抗压强度不小于0.5MPaV结石率：95%V塌落度：18～22cm或22～25cm（按地层选取）V塌落度：18～22cm或22～25cm（按地层选取）V倾析率：小于5%；V比重：大于195g/cm3V比重：大于1.95g/cmV控制压力:(水土压力+管道损失)×1.2V充盈系数:130～180%V充盈系数:130180%施中的盾构隧道施中的盾构隧道VV施工中的盾构隧道施工中的盾构隧道44特殊地段的盾构施工特殊地段的盾构施工44、特殊地段的盾构施工、特殊地段的盾构施工盾构机严重磨损修复及刀具改进通过江中冲槽超浅埋段江底塌方处理江底塌方处理（（11））盾构机严重磨损修复及刀具改进--（（））盾构机严重磨损修复及刀具改进-----a.刀具使用总体情况刀具使用总体情况第一阶段：第一阶段：土质软弱状态土质软弱状态第二阶段：第二阶段：严重受损无严重受损无第三阶段：第三阶段：土质软弱，状态土质软弱，状态良好。良好。含始发段在内，含始发段在内，月均进度约月均进度约200200米。米。严重受损，无严重受损，无法继续掘进。法继续掘进。进入砾砂层进入砾砂层300300米后，因刀米后，因刀第阶段：第阶段：刀具改进成功，高效推进阶段。刀具改进成功，高效推进阶段。通过试用段对刀具的多种改进通过试用段对刀具的多种改进方案进行试用比较，确定最终的方案进行试用比较，确定最终的刀具方案顺利完成剩余的隧道刀具方案顺利完成剩余的隧道月均进度约月均进度约米米具严重磨损无具严重磨损无法继续掘进。法继续掘进。刀具方案，顺利完成剩余的隧道刀具方案，顺利完成剩余的隧道掘进，月均进度掘进，月均进度280280米。米。bb刀盘刀具磨损情况刀盘刀具磨损情况bb、刀盘刀具磨损情况、刀盘刀具磨损情况先行的右线盾构机顺利通过了1000米的淤泥质粉土和粉细砂地层后进入粉细砂砾砂圆砾和土和粉细砂地层后，进入粉细砂、砾砂、圆砾和风化泥岩等地层的复合地层。2008年8月初，在砾砂层中掘进仅约300米后，刀盘扭矩波动异常，总体持续升高并达到正常水平的2倍以上，推进速度也急剧降低。经停机检查分析发现，刀具已发生严重磨损无法继续推进发生严重磨损、无法继续推进。V刀刃脱落的正面刀具的正面刀具V边缘铲刀及刀盘受损情况边缘铲刀及刀盘受损情况刀体严重磨损的刀体严重磨损的刀体严重磨损的刀体严重磨损的边缘区域刀具边缘区域刀具CC刀具严重磨损的主要原因刀具严重磨损的主要原因C.C.刀具严重磨损的主要原因：刀具严重磨损的主要原因：原装刀具不能较好适应卵砾地层，原装刀具不能较好适应卵砾地层，总体上磨损系数偏高、刀刃易受损，主要存在以下几方面不足：主要存在以下几方面不足：（1）硬质合金刃尺寸过小、结构形式不合理受卵石冲击易崩裂这是边缘刀具损理，受卵石冲击易崩裂，这是边缘刀具损坏的主要形式。（2）合金齿镶嵌工艺存在不足，刀刃整体脱落的现象比较普遍。（3）刀体上的耐磨保护不够，由于渣土流动对刀体造成的磨损，导致刀刃的牢固度动对刀体造成的磨损，导致刀刃的牢固度明显降低。dd刀具更换与刀盘修复刀具更换与刀盘修复d.d.刀具更换与刀盘修复刀具更换与刀盘修复08年8月初，右线盾构推进受阻后，至11月份，进行了刀具磨损情况的常压换刀检查和高压进舱检查，组织召开了多次专家会对刀具磨损原因和改进方案进行研专家会对刀具磨损原因和改进方案进行研讨。同时，与外方共同完成了盾构修复方案和相关准备工作案和相关准备工作。08年12月至2009年2月，经过长达两个多月的高压进舱作业