大直徑泥水平衡盾構(gòu)在南京越江隧道工程施工中的關(guān)鍵技術(shù)綜述

陳 健

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，250014，濟(jì)南∥高級工程師）

近年來，國內(nèi)水下隧道建設(shè)有了長足發(fā)展，并有優(yōu)先考慮采用水下隧道作為跨越江河湖海方式的趨勢［1］。然而，水下隧道工程建設(shè)具有投資大、施工周期長、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多和對社會環(huán)境影響大等特點(diǎn)，屬于高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程［2］。與土壓平衡盾構(gòu)相比，泥水平衡盾構(gòu)能較好地適應(yīng)于富水地層，且具有變形控制和施工安全性等明顯優(yōu)勢［3］，因此針對開挖斷面大、地下水豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜、變形控制嚴(yán)格的隧道，泥水平衡盾構(gòu)成為首選的施工方法。然而，大直徑泥水平衡盾構(gòu)同時(shí)受開挖面的穩(wěn)定性、盾構(gòu)刀盤刀具對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性、長距離掘進(jìn)過程中盾構(gòu)刀盤檢修及刀具更換、環(huán)境變形控制及既有設(shè)施保護(hù)、泥漿質(zhì)量控制和泥水處理等問題的制約，致使大直徑泥水平衡盾構(gòu)在城市中心區(qū)、長大隧道的應(yīng)用及推廣方面受到一定限制［4］。

南京長江隧道工程是中國長江流域上工程技術(shù)難度最高、挑戰(zhàn)性最多的地下工程，作為世界級難度的越江工程，南京長江隧道面臨的是高風(fēng)險(xiǎn)、高挑戰(zhàn)性的世界難題，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在大、高、強(qiáng)、薄、長、險(xiǎn)［5］。本文以南京長江隧道為例，對越江隧道施工中的難題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 工程概況

南京長江隧道工程是連接南京市區(qū)與浦口區(qū)的一條最直接的快速通道，它位于南京長江大橋與三橋之間，上距三橋9km，下距大橋10km，連接河西新城區(qū)—梅子洲—浦口區(qū)。盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)為雙向6車道，采用2臺14.93m泥水加壓盾構(gòu)由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進(jìn)施工。隧道開挖直徑為14.96m，隧道外徑為14.5m、內(nèi)徑為13.3m（見圖1）。南京長江隧道對于實(shí)現(xiàn)南京市政府提出的跨江發(fā)展戰(zhàn)略，拉動江北經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 越江隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 冷凍始發(fā)技術(shù)

確定始發(fā)端頭土體加固的范圍及加固工藝是盾構(gòu)隧道施工必須解決的關(guān)鍵問題［6］。南京長江隧道所處位置地下水與長江水存在連通關(guān)系，由于盾構(gòu)機(jī)出洞處承壓水頭較高且位于砂層中等不利條件的存在，出洞處易發(fā)生涌砂、涌水，影響破洞門及盾構(gòu)正常出洞，故此處存在極高的施工風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮各方面因素，南京長江隧道采用了垂直冷凍墻技術(shù)，以保證洞門圈內(nèi)地下連續(xù)墻安全鑿除及盾構(gòu)安全始發(fā)出洞。

對凍結(jié)加固體尺寸進(jìn)行確定：全深垂直凍結(jié)深度為23m（大于隧道底部向下3m），凍結(jié)壁與槽壁膠結(jié)寬度為20.4m（大于盾構(gòu)直徑范圍向外2.765 m），凍結(jié)壁厚度為1.6m。

浦口始發(fā)段凍結(jié)孔孔深為23m，布設(shè)兩排，排間距為0.8m，凍結(jié)孔呈梅花狀分布，孔間距為0.8 m。其中，第1排垂直凍結(jié)孔距槽壁0.4m，孔數(shù)為25個(gè)；第2排孔數(shù)為24個(gè)。同時(shí)布設(shè)測溫孔3個(gè)，水平探孔6～8個(gè)。凍結(jié)孔具體布置如圖2所示。

圖2 浦口始發(fā)井凍結(jié)孔布設(shè)圖

現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果顯示，群孔凍結(jié)內(nèi)部凍土平均發(fā)展速度均大于40mm／d，外部（向外）凍土平均發(fā)展速度約為30mm／d。凍結(jié)板塊交圈耗時(shí)16d，凍土墻與槽壁完全膠結(jié)耗時(shí)25d，凍土墻完全達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度耗時(shí)30d。將凍結(jié)管拔至隧道頂部1m以上位置，繼續(xù)凍結(jié)作業(yè)，盾構(gòu)機(jī)出洞。在盾構(gòu)穿過凍土區(qū)后停止凍結(jié)，拔除凍結(jié)管。從盾構(gòu)機(jī)出洞到穿越凍結(jié)區(qū)耗時(shí)2d，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)安全順利始發(fā)出洞作業(yè)。

2.2 超淺覆土掘進(jìn)技術(shù)

南京長江隧道盾構(gòu)始發(fā)段（K3＋600～730）屬于超淺覆土，最淺覆土厚度僅有5.5m，約0.37D（D為隧道開挖直徑），主要穿越地層為流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層。在該種工況地層施工時(shí)，由于豎向壓力較小，加之開挖過程中有充足的水源對開挖區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，隧道施工過程中極易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏離軸線、泥水竄出地面“冒漿”、隧道上浮、端頭土體失穩(wěn)、涌水涌砂、地層塌陷等惡劣后果，施工技術(shù)難度非常大。

南京長江隧道對洞門周圍連續(xù)墻外地層進(jìn)行了加固，采用全斷面旋噴加固方法對洞門前方18 m范圍內(nèi)地層進(jìn)行了加固。同時(shí)，采用半斷面旋噴加固法向前延伸37m加固區(qū)。還采取了2m厚的冷凍墻加固措施，給始發(fā)上了“雙保險(xiǎn)”。在掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制泥漿壓力和地表沉降，并結(jié)合室內(nèi)和原位試驗(yàn)等手段設(shè)定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，具體如下：

（1）切口水壓控制：先由地層條件求得切口水壓理論計(jì)算值，掘進(jìn)過程中的切口泥水壓力控制在理論值上下限之間，切口水壓偏差值始終控制在－20～20kPa。

（2）掘進(jìn)參數(shù)控制：掘進(jìn)速度設(shè)定為20～40 mm／min，總推力控制在30000～45000kN。

（3）加強(qiáng)壁后同步注漿：注漿量控制在150%～250%，漿液膠凝時(shí)間為3～10h，固結(jié)體強(qiáng)度一天不小于0.2 MPa，結(jié)石率＞95%，稠度為（12±2）cm，傾析率小于5%。

（4）二次注漿管理：為提高背襯注漿層的防水性及密實(shí)度，并有效填充管片后的環(huán)形間隙，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，必要時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。

（5）泥水質(zhì)量控制：泥水密度控制在1.26～1.3 g／cm3之間，黏度（以泥漿黏度計(jì)計(jì)時(shí)）控制在25～35s，在推進(jìn)過程中加大泥漿測試頻率，及時(shí)調(diào)整泥漿質(zhì)量。

（6）姿態(tài)控制：考慮到覆土較淺，盾構(gòu)及管片由于淺覆土可能發(fā)生“上飄”，為抵消“上飄”的影響，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)中心與隧道設(shè)計(jì)高程的偏差控制在－30mm，平面偏差控制在±30mm之內(nèi)。

2.3 大堤穿越技術(shù)

泥水盾構(gòu)穿越堤防的風(fēng)險(xiǎn)源繁多，主要包括：掘進(jìn)參數(shù)控制不力、地質(zhì)條件的復(fù)雜性、堤防自身結(jié)構(gòu)和機(jī)組人員操作不當(dāng)或業(yè)務(wù)不精等［7］。長江大堤防洪等級高，地表隆沉量需嚴(yán)格控制在＋10～－30 mm以內(nèi)，且該處地面覆土厚度變化明顯，由此對施工工藝提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。采用的關(guān)鍵施工技術(shù)如下：

（1）控制刀盤轉(zhuǎn)速：適當(dāng)降低了刀盤轉(zhuǎn)速，以防止對地層的擾動過大。

（2）控制水土壓力：切口壓力波動幅度要小，波動值需控制在－0.01～＋0.01 MPa之間，在操作上由自動控制改為人工手動控制，采用比重為1.15～1.20g／cm3、漏斗黏度為23～25s的泥漿進(jìn)行重漿推進(jìn)。

（3）控制同步注漿：同步注漿采用水泥砂漿（單液漿）為注漿材料，其膠凝時(shí)間為3～10h，固結(jié)體強(qiáng)度一天不小于0.2MPa，28d不小于2.5MPa；固結(jié)收縮率＜5%；注漿壓力設(shè)定為0.3～0.6MPa。

（4）加強(qiáng)盾尾保護(hù)：在掘進(jìn)過程中，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測盾尾是否有漏漿情況，根據(jù)實(shí)際情況，掘進(jìn)一段距離需通過二次補(bǔ)漿孔進(jìn)行檢查。

（5）跟蹤注漿補(bǔ)強(qiáng)：根據(jù)監(jiān)測情況采用跟蹤注漿對隧道周圍地層進(jìn)行加固，在盾構(gòu)軸線方向前后各25m范圍內(nèi)，在大堤背水面坡角預(yù)埋PVC（聚氯乙烯）注漿管，注漿管與鉛垂面呈30°夾角，距隧道頂3m，間距為1m。

2.4 上軟下硬復(fù)合地層穿越技術(shù)

南京長江隧道從K4＋462開始進(jìn)入江中粉細(xì)砂和礫砂層混合地層，地層巖性上軟下硬，地層特性差異較大，盾構(gòu)施工技術(shù)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。地層滲透系數(shù)高達(dá)10－2cm／s，大于2mm的粗顆粒約占整個(gè)地層的40%，且黏粒含量極少，不利于泥水盾構(gòu)在開挖面上形成泥膜，且極易出現(xiàn)因泥漿大量濾失無法形成良好的泥膜從而致使開挖面失穩(wěn)的事故發(fā)生。本工程中采用了以下幾方面的技術(shù)：

（1）保證泥膜質(zhì)量：在原有泥漿配置（主要為膨潤土與天然黏土）的基礎(chǔ)上，添加2‰的NSHS－3制漿劑調(diào)節(jié)泥漿的黏度，泥漿密度為1.15～1.20g／cm3，漏斗黏度為20s，能夠在礫砂層中快速形成微透水的泥皮型泥膜［8］。

（2）控制掘進(jìn)速度：掘進(jìn)速度控制在5～12 mm／min之間，在完成同樣的掘進(jìn)距離時(shí)，增加邊緣刀具對底部強(qiáng)風(fēng)化巖切削的次數(shù)。

（3）控制背填注漿：盡快在脫出盾尾的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填環(huán)形建筑空隙，將地下水疏干，并視情況及時(shí)進(jìn)行二次注漿，將漿液的凝膠時(shí)間調(diào)整至4～15min。

（4）控制盾構(gòu)姿態(tài)：盾構(gòu)通過軟硬不均地層時(shí)，根據(jù)掌子面的地質(zhì)情況，適當(dāng)控制盾構(gòu)機(jī)糾偏力度，防止由于糾偏造成刀盤受力不均而影響掘進(jìn)姿態(tài)。

（5）加強(qiáng)監(jiān)控：加強(qiáng)對盾構(gòu)機(jī)參數(shù)和姿態(tài)的監(jiān)測，并時(shí)刻觀測氣墊倉液面變化情況。

2.5 帶壓開艙換刀技術(shù)

在右線盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)到655～659環(huán)時(shí)（K4＋910～918），盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩值明顯增大，最高達(dá)到20 MN·m，推進(jìn)速度緩慢，排出的渣土中出現(xiàn)直徑＞20cm的卵石。檢查常壓可更換刀具，發(fā)現(xiàn)部分刀具磨損程度嚴(yán)重，并存在刀刃崩落的現(xiàn)象。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置所處斷面上部地層為粉細(xì)砂，滲透系數(shù)約為6×10－3cm／s；下部地層為礫砂，滲透系數(shù)約為3×10－2cm／s。根據(jù)實(shí)際的地層條件，取氣壓面下端處埋深25.5m，水深48m，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)頂部往下5m處的靜止土應(yīng)力為0.11 MPa，孔隙水壓力為0.48MPa，總靜止土壓力為0.59 MPa。在如此高滲透性高水壓的地層中開艙，如何保證開挖面的穩(wěn)定性極具挑戰(zhàn)。在此之前國內(nèi)僅有4.3kg／cm3壓力下進(jìn)倉檢查的案例，南京長江隧道實(shí)現(xiàn)了6.5 kg／cm3高工作壓力下刀盤刀具的焊接作業(yè)。

本工程采用了在開挖面上形成氣密性良好的泥膜、氣壓支護(hù)開挖面的帶壓開艙方法，成功實(shí)現(xiàn)了江底更換刀具、修復(fù)刀盤［9］。掘進(jìn)過程中，使用由膨潤土和黏土配置而成，密度為1.15g／cm3，漏斗黏度為25s的混合泥漿。試驗(yàn)測得5mm厚泥膜的泥膜閉氣值為0.12MPa。極限氣壓值由地層水壓力加泥膜閉氣值來確定，即0.48MPa＋0.12MPa＝0.6 MPa，該極限氣壓略大于開挖面上總靜止土壓力值，滿足了短時(shí)間內(nèi)開艙修復(fù)的安全性要求。

2.6 江中沖槽段穿越技術(shù)

南京長江隧道工程在江中里程K5＋988～K6＋104地段，覆土厚度小于1倍盾構(gòu)直徑。由于江水常年沖刷，在該地段內(nèi)形成沖槽，該段隧道在水平方向是半徑為2500m的曲線段，盾構(gòu)在該段施工極易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，從而造成開挖面失穩(wěn)；同時(shí)，由于在曲線段掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)和管片轉(zhuǎn)向不同步，盾尾間隙不易控制，會發(fā)生管片間隙不均勻的現(xiàn)象，造成盾尾漏水、漏漿或管片卡殼等事故。線路在豎直方向?yàn)?.5%上坡，傾斜的開挖面極易失穩(wěn)。

由于長江水流快，水太深，通過論證，南京長江隧道放棄了拋填黏土以增加覆土厚度的方法。在穿越江中沖槽淺覆土段時(shí)，決定采用“優(yōu)配泥漿質(zhì)量，精細(xì)控制壓力，嚴(yán)格控制姿態(tài)，強(qiáng)化參數(shù)匹配，平穩(wěn)操控推進(jìn)，快速管片拼裝”的施工原則，迅速通過該危險(xiǎn)地段。具體措施包括以下幾個(gè)方面：

（1）控制切口水壓：沖槽段出現(xiàn)坡度為30°的斜坡段，存在斜坡效應(yīng)，因此將整個(gè)淺覆土段的泥水壓力分為常規(guī)壓力和斜坡段壓力。

式中：

Pa——主動土壓力，MPa；

P0——靜止土壓力，MPa；

λ——修正常數(shù)，常規(guī)壓力取0.2，斜坡壓力取0.0035。

泥水壓力計(jì)算過程中嚴(yán)格控制泥水壓力，偏差幅度為±0.01MPa。

（2）控制掘進(jìn)速度：刀盤轉(zhuǎn)速為0.65～0.8r／min，掘進(jìn)速度為25～30mm／min，錐入度為35～45 mm／轉(zhuǎn)。

（3）控制壁后注漿：漿液密度為1.96g／cm3，漿液的坍落度控制在18～22cm；注漿量控制在理論空隙體積的150%～200%，確保壁后注漿密實(shí)有效。同時(shí)，注漿壓力設(shè)定為注漿管位置泥水壓力的95%～105%，加上泥水管泵頭至出口壓力損失，最大泵壓不超過0.9MPa。

（4）控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)：盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)豎向上控制在－30～＋10mm之間；由于平面上在曲線段前進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制在曲線內(nèi)側(cè)＋10～＋30 mm之間。

（5）監(jiān)控量測：采取超聲波裝置進(jìn)行河床監(jiān)測，在江中淺覆土施工前測量，水位監(jiān)測結(jié)果需與當(dāng)?shù)亻L江水文站進(jìn)行復(fù)核。盾構(gòu)穿越江中淺覆土段時(shí)，需在掘進(jìn)上方江面上進(jìn)行全天候監(jiān)測。

通過實(shí)施上述措施，南京長江隧道工程順利穿越了江中沖槽淺覆土段，施工過程中保持了開挖面的穩(wěn)定，管片拼裝無錯(cuò)臺、無滲漏等現(xiàn)象，成型管片實(shí)際軸線水平偏差控制在±10mm以內(nèi)、高程偏差控制在±20mm以內(nèi)，后續(xù)沉降較小。該工程創(chuàng)出了超大直徑盾構(gòu)施工中單日掘進(jìn)29m和單周掘進(jìn)170m的新紀(jì)錄。此次盾構(gòu)穿越江中沖槽淺覆土段為地下工程施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，填補(bǔ)了高滲透性地層泥水盾構(gòu)穿越江中超淺覆土的技術(shù)空白。

2.7 接收技術(shù)

由于盾構(gòu)進(jìn)洞處為高滲透性砂質(zhì)地層，且存在承壓水頭，地下水與長江存在互補(bǔ)關(guān)系，洞頂覆土厚度小，因此，僅依靠單一的常規(guī)地層加固方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足施工要求。針對其特殊的地質(zhì)條件，經(jīng)論證比選，最終確定洞門端頭采用三軸水泥攪拌樁加固＋降水＋冷凍＋接收井內(nèi)灌水（土）的綜合措施，具體為：

（1）盾構(gòu)端頭采用Φ1m的三軸水泥攪拌樁滿堂加固，加固范圍為洞身上下左右以外各3.3m，縱向長17m。

（2）盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)切削冷凍墻產(chǎn)生的大塊切削體容易將洞門密封防水簾布破壞，故取消洞門密封防水環(huán)而采用接收井內(nèi)灌水（土）的方案，用以保持井內(nèi)外壓力平衡，達(dá)到防止縱向滲漏水的效果。

（3）盾構(gòu)到達(dá)前進(jìn)行降水，保證盾構(gòu)破門前地下水位降至盾體以下3m，從而保證盾構(gòu)到達(dá)時(shí)不發(fā)生涌水涌砂。

（4）在地下連續(xù)墻與水泥攪拌樁加固體間設(shè)1.6m厚的冷凍墻，以保證地下連續(xù)墻鑿除后的安全。

（5）盾構(gòu)破門進(jìn)洞時(shí)，盾構(gòu)姿態(tài)偏差會使盾體與導(dǎo)軌標(biāo)高之間不匹配，為解決此問題，盾構(gòu)接收基座采用低標(biāo)號砂漿，接收時(shí)盾構(gòu)刀具可以直接切削砂漿基座實(shí)現(xiàn)接收井內(nèi)推進(jìn)。

通過實(shí)施以上施工措施，順利實(shí)現(xiàn)了左右線盾構(gòu)機(jī)的到達(dá)接收作業(yè)。

3 結(jié)語

南京長江隧道由于其特殊的地理位置和地質(zhì)條件，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)都非常大，極具挑戰(zhàn)性。通過系統(tǒng)思考、分析和論證，南京長江隧道克服了諸多世界性難題并成功貫通，形成了一套可靠的越江隧道施工技術(shù)方案體系。

對于泥水平衡盾構(gòu)越江隧道施工而言，不管是面臨復(fù)雜地層的掘進(jìn)，還是帶壓開艙換刀等高難度作業(yè)的開展，開挖面的穩(wěn)定直接決定著施工的安全和質(zhì)量。南京長江隧道通過不斷調(diào)整泥漿配比和切口壓力以形成適應(yīng)于特定環(huán)境的泥膜，保持了開挖面的穩(wěn)定，為隧道的貫通提供了保障。其形成的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方案對大直徑泥水平衡盾構(gòu)的推廣及應(yīng)用有重要的借鑒意義。

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