H 地 下 空 间 与 工 程 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!第 卷 质条件较复杂 大直径过江盾构隧道始发是整个 工程的关键 G(??>工程地质 因此 国内外对过江盾构隧道始 发技术进行了有针对性的研究 *) \*(( 本工程盾构隧道位于长江河床底部及长江淤 针对不同条 积漫滩地带 江北盾

!第 卷!第 期 ()* 年 月!!地 下 空 间 与 工 程 学 报!!,- / 2 3 / 7/8 3/8 :; /8 =/ / / 超大直径盾构隧道始发关键技术!! 2 3/ ()*!! 张伯阳! 中交隧道工程局有限公司北京!*)))GG 摘!要!南京市纬三路过江通道工程 c*h T泥水平衡式盾构已成功始发 南京纬三 路过江通道工程位于南京长江大桥和已建成通车的南京长江隧道之间! 是长江上第四条过江 公路隧道!其直径大!承受水压高!所处位置地质情况复杂!隧道部分段要穿越上软下硬的复合 地层!施工风险大过江段采用 I型交叉过江方案! 隧道内部为单管双层结构形式 过江段隧 道采用泥水气压平衡盾构机进行施工!一次性掘进距离长 盾构机始发作为盾构隧道施工的 关键技术!包含了许多周到细致的工作 针对盾构机始发前各种工作的准备!总结出南京纬三 路过江通道工程盾构机始发关键技术!为今后类似工程提供参考 关键词! 超大直径盾构隧道始发关键技术 中图分类号!P7EHC!!!文献标识码!D 文章编号!*E F)G()*) F) F)E A: ; A (B ; /*,- D 32 *2 B )A,(( B L- /] O / -) 2C ) ) *,! V (!W) *)))GG :! P-c*H T 3 O - 8 / - // f /M / _ 8-3 3 O S / / P- ; Q 8 A V / f /K / _ ] 8 /8 f /K / 3// V- - - A / ; / 8 P- - 3 - / 3// 3/8 K / _ Y 8 T 3/8 - - V ; 3 8 -; V - T; J /8 / T / - 3// - 3 8 ; - 3 - T; A /8-8 A V /8 - / 3 / W A P- / / - W / I T /8 / 8-3// / 3AV - 8 3A O 3 3 P- / / - S V / 3 8 V - T38 ; 3 A / 8-8 T - / V- - 3 8 8 /8 / / T P- - 8 / / -W O -/ O - 8 3// / 3 /Y / / - 3-3 /8 T 3 3 V W P- 3 / W /8 ; ; / V WA - - 8 / / /8 3TT -W O -S / O - 8 / / / 3// M / _ 8 / f / P- / ; 8 / - T ; Q / 3 3 : ; )! 3; 8 T - 8 3// / / W O -/ O 东路越江隧道大连路双线越江隧道 复兴东路越 =>引>言 江隧道上海翔殷路隧道上吴路越江隧道上中路 随着经济社会发展的需要国内外出现了很多 越江隧道 ( 上海长江隧道 H( 南京长江隧道 C( 大型的跨海越江盾构隧道工程国外的如英法英吉 武汉长江隧道 ( 杭州钱江隧道及正在建设的南 利海峡隧道 *( 德国汉堡的第四条易北河隧道 大 京纬三路过江隧道 E( 南京地铁十号线过江隧道 贝尔特隧道及东京湾隧道 (( 国内的如上海延安 等 这些隧道的共同特点是直径大 穿越江河 地! **S ( 修改稿 收稿日期!()*(S 男陕西宝鸡人本科高工主要从事隧道与地下工程方面的工作 作者简介!张伯阳!*S =S T ) AO **)Z* T

H 地 下 空 间 与 工 程 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!第 卷 质条件较复杂 大直径过江盾构隧道始发是整个 工程的关键 G(??>工程地质 因此 国内外对过江盾构隧道始 发技术进行了有针对性的研究 *) \*(( 本工程盾构隧道位于长江河床底部及长江淤 针对不同条 积漫滩地带 江北盾构机始发段主要穿越地层为 件下的始发技术取得了一定经验 本文以在建的 8( 淤泥质粉质粘土层 江北始发段地质柱状图 见图 *地层主要物理参数见表 * 南京纬三路过江通道工程为例 对洞门破除技术 加固体加固技术 *( 始发洞门密封技术 同步注浆 技术 *H( 等进行研究 总结了该超大直径盾构工程 始发经验为同类型工程提供一定的借鉴作用?>工程概况及工程地质? =>工程概况 南京市纬三路过江通道工程位于南京长江大 桥和纬七路过江隧道之间 距离南京长江大桥约 C WT连接南京主城区与浦口规划新市区中心 盾 构隧道分为 :f两线 北线! f线 穿越长江主航 道潜洲及夹江水道后与扬子江大道相接 南线! : 线 与扬子江大道交叉并下穿后 止于江东路和定 淮门大街连接 盾构隧道采用双管双层结构形式 : 线盾构隧道全长 H *H) Tf线全长 C) T 盾 构隧道采用,) 钢筋混凝土管片衬砌 管片环外 径 *H C T内径 * T壁厚 ) T 环宽 ( T 混 凝土强度等级,) 抗渗等级 `*( 盾构隧道采用 T超大直径泥水加气盾构机施工 自江北 c*h 工作井始发向江南掘进 盾构机在江南工作井接 图 *!始发段地质纵断面示意图 收吊出 ^ *!: - T 8 T ; / / / 表 *!地层主要物理参数表 AB *!7; 2 B() (2 B- - 2 / 2 B 侧 剪切试验 天然 岩土 岩土 分层 名称 密度 含 孔 水 隙 粘 率 比 聚 力 [! d T! h 8* 8( * 粉质粘土 夹粉砂 淤泥质粉质 粘土 粉细砂层 直接快剪 )! W` 内摩 擦角 - 固结快剪 粘 聚 力 内摩 压缩系数 压缩 模量 擦角 压 力 系 抗压 强度 数 - )* \)( F* C* F(!o! W`!o!X`! X` * GH ( ( * )CH (G C ) (H *C H ) H C ) G * ( ( C * )C * ) * C ) *C ** ) H* * (H * )) ** ) ( ( ) * * G ) H) S! W` C G!! 8( 层///淤泥质粉质粘土! bhj ) 灰色 流 有分布层顶埋深 ) )) \*( G) T!( H) T 层顶 塑稍有光泽干强度中等韧性中等夹薄层粉砂 标高 F*(GE \CG T! G T 层 厚 *H) \ 单层厚度 * \( TT局部呈千层饼状 长江两岸均 () ) T!*H H( T 该层具高压缩性 低强度 力

()* 年第 期!!!!!!!!!!!张伯阳等)超大直径盾构隧道始发关键技术 C 门密封安装及泥水设备联机调试盾构机组装完成 学性质差 >盾构机始发施工关键技术 =>盾构机始发工作准备 后进行联机空载调试 同步进行洞门密封安装 反 力架钢支撑焊接 泥浆制备等工作 盾构机空载调 试完成后进行负载调试 拼装负环管片 洞门分层 在始发井主体结构基本施工完毕即可进行盾 构机安装基座与钢负环反力架施工同时按照设计 要求进行始发段地层加固措施盾构机运至开始井 破除盾构机向前推进刀盘接触土体开始盾构机 试掘进施工等 盾构机始发施工主要流程如图 ( 所示 下组装在组装过程中进行盾构机分系统调试 洞 图 (!盾构机始发掘进施工流程图 ^ (!, / 3 / V - / J / - 8 T - /?>始发基座安装 盾构始发基座安装精度是盾构始发轴线准确 性的重要控制方式 南京纬三路过江通道工程盾 构始发坡度为 FHCh 由于使用的超大直径盾构 盾体是前重后轻的结构主要重量集中在刀盘和盾 体上因此基座安装施工时将基座前部中心抬高 T后部降低 ( T 盾构始发的坡度由 FHCh (Ch 基座导轨采用在混凝土基座中预 变为 FH 埋方钢的形式在盾构拼装前在导轨上涂抹黄油 以减少推进时的摩擦力 基座距离洞门 ( T 基座和洞门距离太长 盾构始发到前方土体的过程中容易发生磕头现象 图!始发基座安装示意图 ^!: /A / / 对盾构始发的姿态调整非常不利 因此将盾构基 大直径盾构机是集机 电 液等为一体的大型机械 座加长 * T同时将基座轨道延长到基座前端 化施工设备主要包括刀盘盾体* 号台车( 号台 >超大直径盾构机及配套系统组装调试 车 号台车等台车车架上分别安装相应设备 盾 南京纬三路过江通道工程盾构隧道采用两台 T 超大直径盾构机进行推进施工 该超 c*h 构机总长度约 *H T 该超大直径盾构机组装顺 序为盾体* 号台车( 号台车 号台车同时组装

地 下 空 间 与 工 程 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!第 卷 盾构机刀盘在盾体组装完毕后开始安装各个子系 层为淤泥质粉质黏土洞门前方 ) \*G T区间采用 统分别调试最后进行整机的联动调试 agc)z)) 三轴搅拌桩及 a* ()) Z)) 三重管高 泥水处理系统是泥水平衡盾构机的重要配套 压旋喷桩加固深度 (G T宽度 H* T 为更好的增 设备本工程 : 线采用 * 套 LIS )))]泥水处理系 强土体强度及洞门密封性在旋喷加固土体和端头 统该系统由制浆系统 调剂系统 预筛分系统 一 连续墙之间设计一道冻土壁通过冷冻工艺形成冻 级处理系统二级处理系统等功能块组成 分别实 土壁将高压旋喷加固土体和地下连续墙胶结使旋 现泥水制备渣土处理功能 最大泥水处理能力可 喷土体与冻结壁共同抵抗水土压力确保洞门破除 达到 )) T d - 泥水处理系统作为泥水平衡盾 和盾构机始发安全 构机重要的配套设备必须要在盾构始发前完成所 H *!旋喷加固 有的设备安装和联动调试工作为始发后及时向挖 始发工作井端头高压旋喷桩加固深度为设计 掘舱供应泥水提供保障同时泥水管路的安装也必 地面标高至以下 (G T 采用 a* ()) Z)) 三重管 须提前完成 高压旋喷桩加固 工作井端头加固方法如下)工作 此外盾构机施工的配套设施还包括冷却水循 井端头紧挨地连墙的位置采用单排 a* ()) Z)) 环系统同步注浆砂浆搅拌站管片运输车辆砂浆 三重管高压旋喷桩进行加固 之后在 ) \(E T 运输车辆等这些配套系统和设备必须在始发前完 的范围内采用 agc) Z)) 的三轴搅 拌 桩 进 行 加 成并经过调试运转正常初步验收合格为盾构始 固工作井端头 ( E \*G T采用 a* ())Z)) 三重 发提供切实保障 管高压旋喷桩现状地面 ( GE T范围内为弱加固 E>洞门始发段土体加固 区其水泥用量不小 Ch强度不得低于原状土体 南京纬三路过江通道工程盾构机始发段的土 高压旋喷三轴搅拌搭接方式如下图 H 所示 图 H!加固搭接方式示意图 ^ H!: / - / / ;; /T 88 T H (!冷冻加固!* 冻结孔布置) 采用垂直局部冻结方案 设 计采 用 二 排 冻 结 孔 插 花 布 孔 第 一 排 孔 离 槽 壁 ) H T孔间距均为 )G T 第二排与第一排孔排 G T 孔间距均为 )G T 第一排 * 个冻结 距 ) 孔第二排 ( 个冻结孔 共计 ) 个孔 冻结孔布 置宽度为 (( T 由于是超大直径盾构 为确保 始发安全根据地质情况以及地铁施工中类似盾构 始发垂直冷结施工经验确定冻结孔深度为过隧道 底板往下 H C T深为 (( GC) T 采用垂直局部冻 结隧道顶板向上冻结 T 即地面向下 CH T 不冻单孔冻结长度为 (( GC) T 垂直冻结孔平面 布置如附图 C 所示 图 C!冻结孔布置示意图 ^ C!^ /- / T /8 T!( 冷冻加固主要技术参数) 7 冻结孔共 ) 个测温孔 个8冻结管) c*(e gh C TT低碳无 缝钢管 冻土平均温度 F*) q : 盐水温度) F (G \F) q蒸发温度) F \FC q; 冷量损

()* 年第 期!!!!!!!!!!!张伯阳等)超大直径盾构隧道始发关键技术 E 失系数)* (`总需冷量)`i*! ( g)g( gmg! P* j* P( i*h g*) H W d - f 主要设备) 根据需 a>^)) 冷冻机组 单台 冷量计算 选用 ( 台 K:S EC g*)h W d - 机组设计工况制冷量为 G! 冻结效果) 根据冻结方案设计要求 群孔 冻结内部冻土平均发展速度均为 HC TTd 8 外部! 向外 冻土平均发展速度为 ) TTd 8 冻土墙交 圈时间 * 8 冻土墙与连续墙完全胶结时间为 (C 8 测温结果显示冻结 E 8 盐水温度降至 F() q以下 积 极 冻 结 期 盐 水 温 度 为 F(G q \ F) q达到设计要求满足洞门加固要求 F>洞门破除 南京纬三路过江通道工程始发洞门围护结构 设计采用玻璃纤维筋! >^_` 作为受力筋 理论上 可以由盾构机刀具切割玻璃纤维筋! >^_` 并由 图!破除后始发洞门 ^!P-A W / / / 3// ; 排泥管排出 作为超大直径盾构隧道来讲盾构隧 道开挖面积达 *EE T( 由盾构机刀具直径切割如 此大面积内的玻璃纤维筋将会对刀具造成一定程 度的磨损同时切割下来的玻璃纤维筋! >^_` 也 会对排浆管道中的泥浆泵造成堵塞甚至破坏因此 该洞门必须在盾构机始发前破除 为保证洞门破除的安全采用人工破除洞门围 护结构的玻璃纤维筋! >^_` 混凝土 洞门破除 分两次进行第一次破除安排在盾构机联机调试后 期此时积极冻结已经完成 经探测冻结温度满足 要求破除外层 ) T 厚玻璃纤维筋! >^_` 混凝 T厚的玻璃纤维筋! >^_` 和混 土保留里层 ) 凝土保护层 第二次破除在盾构机联动调试完毕 图 E!始发洞门密封示意图 ^ E!: - T 8 T / / 3// ; c>负环管片拼装与加固 已经具备始发条件 破除连续墙剩余 ) T玻璃纤 本工程负环管片共 *) 环 其中负 环为钢管 维筋! >^_` 混 凝 土 层 破 除 完 毕 盾 构 机 向 前 推 片其余为钢筋混凝土管片 钢负环的定位对后续 进刀盘顶住土体准备向前掘进施工! 见图 管片拼装起着基准面的作用故应严格控制负环管 M>洞门密封 片拼装的整圆度 坡度 环面平整度 钢负环块与 为保证泥水盾构机始发过程中能顺利建立泥 块之间以及与钢筋混凝土负环之间通过螺栓连接 水压力和盾尾注浆压力始发洞门密封装置由预埋 钢负环拼装完成后在钢负环与后靠之间加焊钢管 钢环一道帘布橡胶两道密封钢丝刷组成预埋钢 支撑 负环管片设置为闭口环且采用错缝拼装 环呈圆形宽度 * T 钢环内径 *C C T 钢环外周 负 G 环 \) 环在盾尾内拼装完成 当一环管片拼 焊接钢筋和主体机构连成一体洞门钢环外周布置 装完成后拧紧纵向和环向螺栓后将其推出盾尾并 处注浆管 在预埋钢环上焊接密封钢丝刷 安装 且用钢板将负环管片焊接连成整体! 见图 G 密封钢圈和帘布橡胶整个密封装置包裹盾体前部 在将负环推出盾尾钢丝刷前 对盾尾钢丝刷 与开挖掌子面一起组成一个密封空间从而起到密 涂抹盾尾油脂并清除钢丝刷内的异物 涂抹时采 封泥水 及 保 压 的 作 用 始 发 洞 门 密 封 示 意 图 见 用特殊工具进行均匀涂抹使钢丝刷的间隙内充满 图 E 油脂 在负 G 环拼装之前检查钢负环管片的成环 质量情况 包括椭圆度 平面 高程 块与块的高差

G 地 下 空 间 与 工 程 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!第 卷 黏度 () 左右进排泥浆量的差值应与掘进速度 相匹配使泥水仓顶部压力控制在 )E \*) A 避免由于泥水仓压力失衡造成地表沉降或隆起 除了推进速度和泥水仓压力控制外始发时在 保证盾构正常推进的情况下还应控制好总推力和 刀盘扭矩 总推力应控制在盾构最大推力的 C)h 以下盾构在始发基座上滑行期间 尤应密切控制 各组推进油缸压力和行程 刀盘扭矩也控制在刀 盘最大扭矩的 C)h 以下 防止盾构在始发基座上 滑行期间扭矩过大造成盾构主机姿态倾斜 图 G!负环管片安装 ^ G!Y / / / ; ; G!同步注浆 由于盾构机刀盘开挖外径大于管片的外径随 等根据情况调整负 G 环管片的相应的拼装形式 着盾构的推进 在管片与土体之间将产生建筑空 负环脱出盾尾后设置负环支撑 防止负环管片扭 隙 为尽可能的减少盾构施工对地面的影响采用 转 管片底部与基座之间的空隙也填充混凝土增 较为有效的同步注浆法 即盾构一边向前推进 一 强整体受力管片拼装完成后 通过内外弧面的预 边对盾构推进产生的建筑空隙进行及时注浆填充 埋件将管片焊接成整体 本盾构隧道的同步注浆系统采用常用的砂浆 f>盾构始发 的注浆方式由地面拌浆系统拌制后 通过砼运输 G *!盾构机推进 车运送至三号车架利用车架上的设备泵送至一号 当盾构机刀盘全部进入洞门密封后刀盘上部 接触开挖掌子面 同时盾体和洞门密封紧密接触 形成一个密封空间此时开始向泥水仓加压并注入 制备好的膨润土浆液压力仅需满足泥浆充满泥水 仓 此时在两道密封钢丝刷之间利用预留注浆孔 车架上的砂浆箱 在盾构推进时 通过 处注出口 注入土体及时充填建筑空隙防止地面沉陷 为了确保同步注浆浆液能有效地注入土体必 须保证 处管路注出口的压力分别大于相应各位 置盾尾泥水压力 向钢丝刷空间内加注油脂使油脂充满两道钢丝刷 之间的空隙 当盾构机盾尾全部进入洞门后采用 二次密封板将洞门与管片预埋钢板焊接成整体并 及时通过同步注浆系统对洞门进行注浆 封堵洞 圈防止洞门密封处出现漏泥水和所注浆液外漏现 象发生 当开舱内注满膨润土浆液并经观察洞门密封 无漏浆现象发生此时即可启动挖掘模式开始盾构 E>结>语 以南京市纬三路过江通道工程为例对超大直 径泥水平衡盾构机始发关键技术进行总结 端头 冷冻加固是在旋喷加固基础上采取的强化措施对 确保盾构机顺利始发始发至关重要洞门密封采用 一道帘布橡胶和两道钢丝刷的形式较为合理洞门 钢丝刷加注油脂后形成良好的密封性能顺利建立 机掘进施工 泥水压力洞门凿除与冷冻加固和盾构机联机调试 G (!盾构推进姿态控制及参数选择 相协调避免了凿除后开挖面长时间暴露的风险 盾构始发掘进姿态主要通过严格控制盾构机 的 ( 组推进油缸行程和管片拼装点位的选择进行 负环管片的拼装精度控制是保证盾构姿态的一个 关键 控制防止因油缸行程不一致以及管片拼装点位不 南京纬三路过江通道工程 : 线盾构机于 ()*( 当造成盾壳脱离轨道或始发方向偏离现象发生 年 G 月 * 日开始始发()*( 年 G 月 *) 日完成洞门 盾构在始发基座上滑行期间严禁对盾构进行纠偏 二次封堵一次始发成功开始 *)) 环试掘进并为 后续施工积累经验 通过对南京市纬三路过江通 作业 始发时泥水仓压力的控制主要是通过控制掘 道工程超大直径盾构隧道始发技术总结积累了超 进速度和进排泥浆量的大小来操作 推进速度一 大直径盾构机始发技术今后类似工程提供一定的 T / 进浆比重为 *)C 左右 般控制在 ) \() TTd 借鉴意义

年 第 期 张 伯 阳 等 超 大 直 径 盾 构 隧 道 始 发 关 键 技 术 参 考 文 献 2 (! 2!, / 唐 铮 铮 日 本 东 京 湾 横 断 道 路 的 隧 道 防 灾 系 统 中 国 交 通 信 息 产 业 2 2 ) ( (! ( 7 ( ( 2 (( ; ( ;!( 李 章 林 戴 仕 敏 黄 德 中 上 中 路 隧 道 工 程 盾 构 出 洞 施 工 技 术 上 海 建 设 科 技 - =! * ( (!!( (! ( ( (! (?2 - 余 暄 平 沈 永 东 凌 宇 峰 等 上 海 长 江 隧 道 工 程 盾 构 施 工 技 术 上 海 建 设 科 技 --!! =! (2 (! ( ( ( 7 2! (! (?2 - - 靳 世 鹤 南 京 长 江 隧 道 盾 构 机 选 型 分 析 建 筑 机 械 - -- B 3 ( 7(! ( ( (! ( : - -- 胡 斌 李 勇 军 武 汉 长 江 隧 道 盾 构 始 发 技 术 土 工 基 础 /! = 3! 2 ( (! ( 7 (!! ( / - 肖 明 清 南 京 纬 三 路 长 江 隧 道 总 体 设 计 的 关 键 技 术 研 究 现 代 隧 道 技 术 : A B 3! ( 72! : 2! 2 / 李 罡 黄 宏 伟 超 大 直 径 盾 构 水 中 进 洞 风 险 分 析 地 下 空 间 与 工 程 学 报 增 =! 8 7 ( (! (! 8(!!! 康 杰 / 大 直 径 泥 水 盾 构 出 洞 止 水 工 艺 研 究 地 下 空 间 与 工 程 学 报 - -! ( ( / (! 2 :!! - - 于 彭 涛 南 水 北 调 中 线 穿 黄 隧 洞 盾 构 始 发 技 术 南 水 北 调 与 水 利 科 技 / -! ( ((! (! ( ( 8 ( ( 8 7 (! (!(3 (!( (B( ( 7!( (B( (2 (? 2 / - 王 江 涛 陈 建 军 吴 庆 红 等 南 水 北 调 中 线 穿 黄 工 程 泥 水 盾 构 施 工 技 术 : 黄 河 水 利 出 版 社 ( 3!! > ( 2 (! ( ( 8 7!( ( ( 8(( 3 ( : 2 8 7 ( 7 张 公 社 超 大 直 径 泥 水 平 衡 式 盾 构 机 始 发 技 术 铁 道 建 筑 技 术 / - 2 ( (! (! 8 (! ( 2 / - 辛 振 省 王 金 安 马 海 涛 等 盾 构 始 发 端 预 加 固 合 理 范 围 研 究 地 下 空 间 与 工 程 学 报 - / : ( ( (! ( (((( ( 7(!! - / 宋 天 田 周 顺 华 徐 润 泽 盾 构 隧 道 盾 尾 同 步 注 浆 机 理 与 注 浆 参 数 的 确 定 地 下 空 间 与 工 程 学 报 / 2 (!!!!! : ( ( (!!( (!!! /