穿越长江盾构隧道施工关键技术研究.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤0引言近年来袁随着我国公路尧城市快速路尧地铁尧高速铁路等交通基础设施和石油尧天然气尧输变电等能源基础设施的快速发展袁穿越海洋尧黄河尧长江尧湖泊等复杂水域的地下结构管道工程迎来了高速度发展阶段袁 攻克了诸多水下复杂地层长距离盾构掘进难题遥 如设计时速 350 km 的广深港狮子洋高铁隧道1连续穿越软弱地层尧土岩复合地层尧基岩及其破碎带袁水压 0.67 MPa袁攻克了野高水压尧强渗透尧岩石强度高冶地层带压水下换刀难题遥武汉三阳路越江城市公路尧地铁合建隧道2袁采用 15.76 m 超大直径盾构施工袁常压更换刮刀袁解决了地层硬度穿越长江盾构隧道施工关键技术研究李迎春(无锡地铁建设有限责任公司袁江苏无锡214000)摘要某穿越长江盾构隧道工程袁具有野长尧大尧高尧差冶特点袁即独头掘进线路长渊10.226 km冤袁盾构隧道埋深大渊51.5 m冤袁承压水头压力高渊0.73 MPa冤袁地层差渊石英含量 40%60%的粉土尧粉砂冤遥 在长江南北两岸分布厂房尧长江大堤尧地下管线等建筑物遥 穿越长江采用了国内首个 7.95 m 小直径常压刀盘泥水平衡盾构机施工袁实现了常压更换刀具遥 盾构机主轴承设计寿命 15 000 h 以上袁主驱动密封耐 10 bar 高压袁安装 5 道盾尾刷袁其中 2道盾尾刷可换遥 采取盾构机自动化监测沼气和集中抽排沼气工艺袁科学的泥浆制造系统袁陀螺定向投点测量方法袁针对性盾构掘进参数袁盾构水中接收袁留置盾尾接收等系列方法袁顺利完成长江穿越遥关键词盾构曰穿越长江曰小直径常压刀盘曰攻破曰难题中图分类号 U455.43文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0069-04Research on Key Technologies of Shield Tunneling across Yangtze RiverLI Yingchun渊Wuxi Metro Construction Co.,Ltd,Wuxi Jiangsu 214000 China冤Abstract院Engineering Yangtze River shield crossing section is characterized by long,large,high and poor,that is,the single heading line is 10.226km long,the buried depth of the shield tunnel is 51.5m,the waterpressure of the confined head is 0.73Mpa,and the silt and silty sand stratum with 40-60%quartz content.Buildings such as workshops,the Yangtze River levee,and underground pipelines are distributed on both sidesof the Yangtze River.The first 7.95m small-diameter atmospheric cutter head slurry balance shield machinewas used for tunneling across the Yangtze River,realizing the replacement of cutters at atmospheric pressure.The design life of the main bearing of the shield machine is 15000h,and the main drive seal is resistant to10bar high pressure.Five shield tail brushes are installed,two of which can be replaced.The Yangtze Rivercrossing was successfully completed by adopting a series of methods,such as automatic monitoring of biogas byshield machine and centralized biogas extraction and drainage process,scientific slurry manufacturing system,gyro directional dropping point measurement method,targeted shield tunneling parameters,shield tunneling inwater,and retaining shield tail receiving.Key words院shield曰crossing the Yangtze river曰small diameter atmospheric cutter head曰break through曰difficultproblem收稿日期圆园22鄄10鄄27作者简介李迎春袁男渊1972-冤袁无锡地铁建设有限责任公司袁正高级工程师袁从事城市轨道交通行业工作遥69江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤堪比野钻石冶的难题袁从刀筒向前舱压注双氧水袁增加中心刀筒冲洗次数袁降低中心刀筒温度袁改善过热泥饼结硬的情况袁解决工程土质野软冶的难题遥文章阐述了超长距离穿越长江独头掘进袁攻克了盾构机主轴承质量及使用寿命保证袁刀盘刀具易磨损袁盾尾密封击穿及掘进中安全更换尾刷袁泥水供应量效能降低及排渣沉淀堵塞袁隧道施工通风足量供应袁隧道轴线测量精度袁超高水压掘进换刀袁富含沼气地层防爆炸及防中毒袁盾构在不同埋深尧地层条件下针对性掘进参数设定袁盾构在承压水地层水中接收等系列难题袁对类似工程具有实际参考价值遥1 工程简述1.1 线路及结构某工程长江盾构穿越段袁线路长 10.226 km袁隧道纵向 5 个曲线段袁 曲率半径均为 3 000 m袁 采用野V冶字坡袁最大坡度 3.678%袁3 个平面曲线段袁长江北岸在南通海门经济开发区设置盾构始发工作井袁南岸在常熟设置盾构接收工作井遥 北岸始发井隧道顶埋深 17.85 m袁南岸接收井隧道顶埋深 18.665 m袁隧道最低点顶部高程-60.2 m袁隧道顶埋深约 42.5 m袁水深约 19 m曰盾构隧道管片外径 7.6 m袁内径 6.8 m袁厚度 400 mm袁宽度 1 500 mm袁分为 6 块袁混凝土强度 C60袁抗渗等级 P12袁环缝接触面设凹凸榫袁通用楔形环袁错缝拼装袁弯螺栓连接遥 详见图 1 线路平面位置示意图遥1.2水文地质渊1冤盾构穿越场区主要地层为第四系冲耀海积地层袁从上至下为淤泥质土尧粉土尧淤泥质土尧黏土尧粉土尧粉质黏土尧粉砂尧中砂尧粗砂等地层袁区域存有含量较高的甲烷尧氮气和少量氧气尧二氧化碳等有害气体遥 详见图 2 盾构隧道穿越区地质剖面图遥渊2冤长江水域的地下水分孔隙潜水和承压水两种类型遥 主航道以北地段袁孔隙潜水含水层较厚袁以淤层淤泥质土及淤-1 粉砂层为主袁直接与长江水相连遥 主航道以南地段袁淤层淤泥质土孔隙潜水含水层袁厚度较小袁渗透性较差遥 承压水主要以虞层粉土及愚层粉质黏土为隔水层袁上层承压水含水层为虞-1 层粉砂袁顶部高程为-30 m耀-14 m袁对盾构穿越影响较大曰下层承压水层主要为舆层粉砂尧舆-4 层中砂及舆-5 层粗砂等袁 顶板高程为-52 m耀-34 m袁上层承压水与长江水直接联系袁上尧下层承压水均接受长江水补给遥1.3 穿越区域建构筑物盾构隧道从北岸始发袁 依次正穿西沙南匡河尧侧穿西沙南匡河闸尧正穿海门市新通海沙建材有限公司尧正穿北岸长江大堤尧正穿江苏海新船务重工有限公司钢结构框架厂房尧 正穿海新重工舾装码头尧侧穿海新重工 1#泊位尧侧穿宝钢物流通用 1#和2#码头尧侧穿新通海沙新堤遥 在江中依次下穿常熟港海轮锚区尧长江一级主航道尧常熟港专用航道遥南岸段侧穿 2 处临时砂石料码头袁 正穿白茆河尧白茆塘航道袁侧穿常熟第二渔船厂浮码头袁正穿南岸长江大堤后进入南岸接收井袁详见图 3 北岸建筑物平面图遥2超长距离高水压独头掘进需要解决的问题渊1冤越江盾构隧道埋深大渊51.5 m冤尧水压力大渊0.73 MPa冤袁掘进距离长渊10.226 km冤,需解决盾构机主轴承耐压性尧密封性及使用寿命较高问题曰渊2冤砂土层袁刀盘刀具易磨损袁需解决刀盘刀具耐磨性高袁减少换刀次数袁恶劣环境换刀安全性问题曰渊3冤盾尾刷使用寿命 3 km袁长距离独头掘进袁需解决隧道内更换盾尾密封刷及盾尾密封性问题曰渊4冤长距离泥浆输送压力流量降低及泥浆携带图 1线路平面位置示意图图 2盾构隧道穿越区地质剖面图图 3北岸建筑物平面图70江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 4盾尾密封设计示意图的渣土沉积在管道及泥浆泵内难以启动问题曰渊5冤作业面所需最小新鲜风量及大功率用电问题曰渊6冤独头长距离掘进袁短边进洞袁需解决隧道轴线测量偏差问题曰渊7冤盾构在沼气地层中掘进袁需解决易燃易爆气体浓度高袁会引起隧道爆炸尧人员中毒及盾构机因气体释放压力平衡问题曰渊8冤长距离尧不同埋深尧地层复杂尧承压水头高袁下穿长江大堤尧地锚尧厂房等既有建渊构冤筑物盾构掘进参数确定问题曰渊9冤接收端承压水头高尧粉土粉砂地层复杂袁需解决高承压水盾构安全接收问题遥2.1 解决盾构机主轴承耐压性尧密封性及使用寿命问题渊1冤 选用德国罗特艾德生产的主轴承袁 直径4 220 mm袁设计寿命大于 15 000 h袁满足本项目渊按照 30 mm/min 推进速度计算袁约 6 000 h冤超长距离掘进要求遥 主驱动密封满足 10 bar 超高压需求袁设置 1 道指形内密封+1 道 VD 密封+1 道端面指形外密封+2 道指形密封+1 道 VD 密封袁具有冷却水系统和温度检测功能袁防止密封高温异常损坏袁盾构机总功率 3 325 kW袁 主轴承额定扭矩 8 284 kN 窑 m袁脱困扭矩 9 941 kN 窑 m袁满足超深掘进要求遥渊2冤控制盾构掘进泥浆指标尧泥水液位变化值尧补气量袁使开挖面泥膜及渣土改良效果好袁不结泥饼袁降低主轴承转动功率袁使主轴承温度平稳在合理区间范围遥2.2 解决刀盘刀具耐磨性及换刀安全性问题渊1冤盾构机配备常压刀盘袁换刀人员可在常压下进仓更换刀具遥 盾构机刀盘由 4 根中空主梁及 4根副梁组成袁 刀盘 渊直径伊长度冤 为 椎7 950 mm伊2 615 mm袁 承压能力 10 bar袁46 把可常压更换刀具袁 可实现高水压下常压换刀作业袁 刀盘开口率32%袁设置 4 条带状磨损检测袁电阻式磨损检测 30个袁柱状磨损检测 4 个袁刀盘背面检测带 2 处遥渊2冤刀盘采用耐磨复合钢板袁全环合金耐磨块设计袁适应长距离粉砂地层掘进刀盘抗磨要求遥 推力配置约为 7 916 t袁额定扭矩为 8 284 kN 窑 m袁刀盘转速 0 r/min3.1 r/min袁最大推进速度 60 mm/min遥刀盘中心配置中心冲刷 4 处袁主梁夹角处布置冲刷口袁刀盘主梁周边面板布置面板冲刷袁每个刀盘主梁侧面预留冲刷口袁预防细黏颗粒地层结泥饼遥2.3解决隧道内更换盾尾密封刷及盾尾密封性问题渊1冤盾尾密封采用 4 道密封+1 道加强型尾刷袁前部预留 1 道尾刷安装空间袁 盾尾密封设计满足10 bar 承压能力要求袁 前两道密封刷用螺栓固定袁洞内可实现两道尾刷的更换袁在尾盾壳体内部设计有冷冻管回路袁在发生紧急情况时袁通过冷冻法对尾盾周围地层冷冻袁在盾体内相对安全的情况下操作袁详见图 4 盾尾密封设计示意图遥渊2冤合理使用盾尾刷遥优质盾尾油脂密封袁减小尾刷磨阻袁 油脂压力不小于刀盘仓同液位泥水压力袁且不小于同步注浆压力袁若发生盾尾渗漏浆现象袁则加大注脂量遥 控制盾构姿态袁盾尾间隙均匀袁减小局部挤压变形发生几率遥 盾构隧道贯通后袁盾尾密封未出现渗漏水袁实地查看安装的 5 道盾尾刷均能保持弹性袁未发现强烈挤压破损情况遥2.4 解决泥浆输送压力流量降低及渣土沉积问题渊1冤 长距离掘进泥水环流系统有一定冗余功率袁不因某台泵突然停机而导致整个循环系统停止运行袁渣土沉积遥 因此随隧道进尺加长及时增设泥浆泵袁补充泥浆流量和压力遥渊2冤制浆系统采用剪切泵和搅拌器联合快速制浆袁剪切泵使高分子聚合物迅速水合袁可减少聚合物用量 15%袁减少膨润土用量 30%袁提高凝胶强度遥系统配备 2 台 630 kW尧3 台 500 kW 进浆泵袁地面 1台袁隧道内 4 台曰配备 6 台 800 kW尧4 台 630 kW 排浆泵袁盾构设备上 1 台袁隧道内 9 台袁泥浆循环系统环流控制面板预留主进排泥浆泵电气接口 6 进 10排遥渊3冤盾构进浆管道选用 椎400 mm 的钢管袁壁厚14 mm袁排浆管道选用 椎350 mm的钢管袁壁厚 26 mm袁弯头均采用外包加厚钢板耐磨设计袁定期对排浆管扫描袁壁厚磨损部位及时更换处理遥渊4冤泥浆比重 1.05 g/cm31.25 g/cm3袁粉质黏土及黏土地层袁泥浆黏度 17 s20 s曰粉土地层袁泥浆黏度 20 s22 s曰粉细砂或细砂地层袁泥浆黏度 20 s25 s遥 析水量小于 5%袁pH 值呈碱性袁 为降低含砂量袁提高泥浆的黏度袁在析浆槽中添加纯碱遥71江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤2.5 解决作业面所需最小新鲜风量及大功率用电问题渊1冤 采用 2伊132 kW 风机和 椎2.0 m 风管机械压入式通风袁隧道内风量按照每人每分钟供应新鲜空气 4 m3计算袁隧道内最低风速不小于 1.0 m/s遥通风管道延伸至盾构机前端即人员操作区域遥渊2冤盾构机尧隧道进排浆泵站尧泥水分离系统尧通风照明尧龙门吊尧加工厂等设备设施用电功率高达 17 000 kW遥 在盾构始发场地安装 35 kV 变电站袁10 kV 环网柜袁800 kVA尧1 000 kVA 箱式变压器各一台遥2.6解决隧道轴线测量偏差难以控制问题渊1冤采用地面控制测量尧联系测量尧隧道内控制测量尧掘进施工测量尧贯通测量和竣工测量手段遥采取陀螺定向投点测量方法袁 轴线贯通误差 10 mm袁高程误差-5 mm遥渊2冤盾构始发井控制测量边长距离较小袁测量误差偏大袁为确保施工轴线偏差满足要求袁在盾构始发工作井尧接收工作井尧盾构始发后 300 m尧接收前 100 m 设置 4 个陀螺定向投点位置袁 每隔 2 km进行一次陀螺定向强制方位约束遥盾构导向系统全站仪移站距离袁直线段不大于 200 m袁曲线段不大于 100 m遥渊3冤投点孔采用循环钻机施工袁孔径 1.5 m袁孔内采用塑性混凝土填充遥 在桩内打设 椎300 mm 投点孔袁投点孔打透管片袁管片破除孔洞直径为300mm遥2.7 解决高浓度沼气爆炸尧中毒及泥水压力平衡问题渊1冤盾构机主要机电设备采用防爆设计袁配置沼气浓度自动监控系统袁实时监测沼气浓度遥 盾构在进入沼气段前袁检修设备袁避免在沼气段停机维修及进仓等作业遥渊2冤地面及盾构掘进抽排沼气遥 盾构始发井和接收井附近沼气地层袁地面钻井排放沼气遥 盾构开挖仓设置沼气抽排管路袁遇到沼气地层时或进仓作业前袁对开挖仓内抽排遥 盾尾安装一套沼气排放管路袁 适时开启排放设备快速将沼气排放至后方隧道袁用隧道通风稀释遥渊3冤控制泥水压力袁开挖面保持水土平衡遥沼气地层位于隧道上部时袁提前降低泥水压力曰沼气地层位于隧道中部时袁通过沼气抽排管路将刀盘仓沼气抽排袁通过通风稀释曰沼气地层位于隧道底部时袁快速平稳掘进遥2.8 解决长距离尧埋深大尧地层差下穿长江大堤尧主航道等盾构掘进参数问题盾构隧道分为 7 个不同段落进行参数精准化控制袁根据地质尧承压水水头袁不同埋深袁计算掘进压力尧盾构掘进贯入度尧推力尧扭矩参数曰依据不同段落的运输长度袁 计算同步注浆浆液凝结时间尧班组组成尧运输编组遥下穿建筑物段管片增设注浆孔袁采用每环 16 孔的多孔注浆管片遥2.9 解决高承压水盾构安全接收问题渊1冤盾构接收端覆土深度 18.665 m袁穿越地层为粉质黏土尧粉砂袁潜水尧微承压水尧虞-1 层承压水对盾构接收影响较大遥 采取水泥土加固地层尧接收井灌砂灌水尧留置盾尾3的综合接收方法遥渊2冤南岸圆形接收井内径 15.6 m袁深 29.6 m袁围护结构采用深 59.6 m尧 厚 1.2 m 地下连续墙袁洞门范围双层玻璃纤维筋遥 加固体外侧 0.8 m 厚素混凝土墙袁 内部 椎20001300 mmMJS 高压旋喷桩加固遥 加固区长度 15.0 m袁宽度 13.6 m袁桩长 29.5 m袁加固范围盾构隧道顶尧底边缘外不小于 3 m遥 接收井布置 13 口应急降压井袁3 口观测井袁详见图 5 盾构接收加固平面图遥渊3冤采用 C30 钢筋混凝土制作盾构接收托架袁托架上铺装 M7.5 砂浆层袁坡度与接收段保持一致袁采用 Q235袁t=10 mm 厚钢板制作洞门钢环袁钢环内径 8 270 mm袁外径 8 970 mm袁纵向宽 1 500 mm袁实现延长洞门袁钢环与接收井钢筋焊接牢固袁并预留注浆管遥渊4冤 当盾构机盾尾留在钢环内 1 835 mm 时袁补充回填灌砂至盾构顶部 1 m 以上袁 用小圆环板将最后 1 环管片与盾壳之间焊接封堵袁通过钢环预留注浆管注浆堵水遥 检查洞内管片无渗水情况下袁开始逐层抽水排砂袁 每抽一层静止 30 min 观察洞门渗流情况袁抽砂结束后用大圆环钢板将盾构机外壳与洞门环焊接封堵袁最后割除盾尾袁盾构拆机遥图 5盾构接收加固平面图渊下转第 109 页冤72江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤3结语某工程长江盾构穿越段取得了成功袁创下了我国乃至世界小直径常压刀盘盾构隧道技术先河袁今后较长时间内袁 盾构隧道仍将处于高速建设发展期袁面临的建设条件将越来越复杂袁技术难度和挑战也越来越大袁需要在设计尧施工尧装备尧材料尧管理等方面不断完善和创新袁实现自主设计制造盾构主轴承尧减速机关键核心部件和自主设计软件袁促进我国盾构隧道向高质量尧高智能尧高安全性尧低能耗方向发展遥参考文献1 谭顺辉.隧道掘进机多功能化及智能化的发展与推广J.隧道建设(中英文)袁2020袁40(09):1243-1250.2代洪波袁季玉国.我国大直径盾构隧道数据统计及综合技术现状与展望J.隧道建设(中英文)袁2022袁42(05):757-783.3李迎春袁顾龙强.富水砂层盾构隧道一种留置盾尾的接收工艺J.中国市政工程袁2021渊06冤院115-119+133.4结语文章以南京市三山街地铁车站深基坑工程为研究对象袁利用 ABAQUS 3D 有限元软件进行基坑开挖全过程数值模拟袁 并与现场实测数据进行对比袁分析基坑开挖引起的围护结构尧周围地表沉降和支撑轴力情况遥 具体结论如下院渊1冤数值计算表明袁围护结构最大侧移量约为55 mm袁 位于墙顶下方 0.70.8H 渊H 为基坑深度冤处袁数值计算结果与现场监测数据吻合较好袁该侧移量接近规范中的支护结构侧移报警值袁是该基坑支护方案的主要控制因素遥渊2冤地表沉降最大值约为 20 mm袁位于基坑连续墙外 0.5H 处袁与实测位置相同袁而实测最大沉降约为 35 mm袁明显大于数值计算结果袁可能与建模时未考虑周边道路车辆荷载及基坑南侧高层建筑物重力荷载等因素有关遥渊3冤伺服钢支撑轴力计算值小于实测值袁考虑是伺服钢支撑施工比较保守袁预加轴力较大遥 钢支撑轴力计算及实测值均显著小于容许轴力遥支撑材料强度略有富余袁在该基坑支护中不起控制因素遥该研究表明袁考虑多层支撑方案的三维数值模型有效预测了深基坑支护结构的侧移遥由于侧移量是基坑支护中的主要控制因素袁三维数值分析对基坑支护方案设计具有重要参考价值遥 而沉降尧伺服支撑轴力受到周边环境和人为控制等影响比较明显袁三维数值计算结果仍有较大误差袁后续研究应考虑周边环境荷载等因素的影响袁进一步改善数值模型的预测效果遥参考文献1 张佳莉.苏州地区软土深基坑围护结构变形特性及稳定性研究D.苏州:苏州大学袁2020.2 李淑袁张顶立袁房倩袁等.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究J.岩石力学与工程学报袁2012袁31渊01冤院189-1983 谢锡荣袁王立峰袁韦康袁等.土岩组合地层地铁深基坑开挖性状分析及预测J.地下空间与工程学报袁2020袁16渊增刊一冤院247-254.4 叶帅华袁丁盛环袁龚晓南袁等.兰州某地铁车站深基坑监测与数值模拟分析J.岩土工程学报袁2018袁40渊增刊一冤院177-182.5 雷霆袁宋建学袁丁保华袁等.地铁车站基坑钢支撑预加轴力幅度研究J.地下空间与工程学报袁2021袁17渊01冤院195-203.6 谢乐袁钱德玲袁杨罡袁等.合肥地区地铁车站深基坑稳定性分析J.合肥工业大学学报(自然科学版)袁2019袁42渊11冤院1530-1535.7 建筑基坑工程监测技术标准院GB 50497要2019S.北京院中国计划出版社袁2019.图 5断面 1-1 处伺服钢支撑轴力变化曲线渊上接第 72 页冤109