超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工工法.docx

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超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工工法

超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工工法

中铁**集团有限公司

1、前言

盾构法进行水域（江、河、湖、海）下隧道施工时，由于隧道使用线路上的因素限制，使得有时隧道所处位置的上覆土层较浅。

盾构机在高水压、强透水、浅覆土（覆盖层厚度不足一倍盾构机直径）条件下的掘进过程中，极易发生掌子面失稳、地层隆陷、透水冒浆和局部扰动液化，施工技术难度和工程风险极大，属于世界级技术难题。

中铁**集团有限公司针对南京长江隧道工程盾构隧道始发浅埋段及江中浅覆土段（该段覆土最小厚度大约在10.49m～12.34m间，有72m覆土厚度不足一倍盾构直径，最小覆土厚度仅为0.71倍盾构直径），受到盾构掘进扰动后，土体易发生液化现象，易坍塌；且当盾尾密封效果不佳或注浆量设置不合理时，均可能发生涌水涌砂等技术难点进行研究，在总结超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工技术的基础上，形成该工法。

该工法在技术创新上达到了国际先进水平。

经教育部科技查新工作站查新，查新结果：

本课题针对长江南京段以松散、稍密~中密的粉砂为主的高透水性江中地层，其最大水压达到7.0kg/cm2（即相当于70cm水头压力），开挖直径达14.96m，距离超过3km等现象，拟通过调研、理论分析、实物试验、模型试验、三维数值可视化仿真模拟和现场实测等手段，研究盾构法穿越长江隧道建造的一系列关键技术及其施工风险分析评估体系和健康监测体系，上述内容尚未见有公开文献报道。

2010年9月9日通过了中国建筑业协会全国建筑业新技术应用示范工程成果评审，评审意见：

“复杂地质条件下超大直径盾构隧道浅覆土穿越长江技术”达到国际先进水平。

该工法应分别应用于南京长江隧道工程左、右线江中段及始发段，推广应用成绩显著。

该工法解决了在强透水地层、不进行地层处理条件下穿越江中浅覆土段的施工技术难题。

由于受各种客观条件的制约，很多跨江跨海盾构隧道面临长距离（尤其是石英含量高的砂层）、覆土层薄、水深深、水压高等技术难题，同时也带来施工安全风险极大的难题，该成果在类似工程建设中有重要的指导意义，在大型铁路工程、公路工程及市政工程中具有良好的推广价值，应用前景将非常广阔。

2、工法特点

2.0.1加快施工进度。

采用高粘度泥浆维护开挖面稳定，减少了抛填土运输取土、运输等工序，提高施工进度。

2.0.2降低成本。

减少了租用车船、运输、购土等环节，降低了施工成本。

2.0.3操作简单。

最大限度了减少了施工人员和运输机械设备的工作量，现场管理简便易行。

2.0.4减少了对河道通航的影响。

不在江中进行抛填作业，减少了对河道通航的影响。

2.0.5安全可靠。

不进行抛填土作业，减少了对江底土体的扰动，安全可靠。

3、适用范围

本工法适用于大直径的越江穿河隧道工程中采用盾构法施工的复杂地质条件下的浅覆土掘进施工。

对其它类似盾构隧道的施工也具有相当的参考价值。

4、工艺原理

南京长江隧道采用抛填粘土方法可以满足掘进覆土厚度要求，但是江底浅覆土地段处于长江主流下方，由于江水流速较快，粘土颗粒较细，只能采用抛填袋装粘土，这样就很难在江底形成均匀的覆土层。

这样就导致抛填粘土部分土体松散，与原有河床下土体无法成为一个整体，土压力稳定作用较小；由于水流快，抛填粘土会引起周圈土体局部冲刷扰动原覆土层的稳定。

南京长江隧道江中浅覆土施工通过采用高粘度泥浆维护开挖面，控制开挖面泥水压力波动和泥浆流量，掘进过程中严格控制盾构姿态，确保注浆均匀充足等综合技术，安全平稳通过了浅覆土地段。

泥水平衡盾构开挖面的稳定是依靠密封舱的压力泥浆来达到的。

当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土体中，泥水中的砂成分、粘土堵住了地层土中的间隙（或淤堵在其表面），形成与土体间隙成一定比例的悬浮颗粒，被土体捕获的颗粒凝聚于土体与泥水的接触面，形成渗透性非常小的一层泥膜。

在渗透系数较小的泥膜形成后，降低了泥水压力的损失，泥水与地下水的置换将被隔绝，泥水压力可更加有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和垮塌，并确保开挖面的稳定。

5、施工工艺流程及操作要点

5.1盾构穿越浅覆土施工工艺流程图（见图5.1）

5.2操作要点

5.2.1泥水压力

泥水压力计算过程中的水深以施工时实际长江水位为准，并根据盾构通过浅覆土段时的长江潮汐水位进行调整。

泥水压力要求严格进行控制，偏差幅度在±0.1bar之间。

施工参数计算采取的公式

⑴切口水压上限值（公式4-1）：

（公式4-1）

式中：

--切口水压上限值（kPa）；

--地下水压力（kPa）；

--静止土压力（kPa）；

--变动土压力，一般取20kPa；

--江水压力，根据不同的水深确定；

--水的容重（kN/m3）；

--地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）（m）；

--静止土压力系数；

--土的容重（kN/m3）；

--隧道埋深（算至隧道中心）（m）；

--江水的容重（kN/m3）；

--江水的深度（m），应根据潮汐表确定盾构切口上方实际水深。

⑵切口水压下限值（公式4-2）:

（公式4-2）

式中：

--切口水压下限值（kPa）；

--主动土压力（kPa）；

--主动土压力系数；

--土的凝聚力（kPa）。

⑶送排泥流量

根据杜郎德极限流速公式（公式4-3、公式4-4）：

（公式4-3）

（公式4-4）

式中:

--最低极限流速（m/s）

--取决于土粒子浓度和直径的常数，送泥管取值0.7，排泥管取值1.35；

--流过泥管内土粒的相对密度；

D--管路直径；

d--泥水相对密度；

g--重力加速度，9.8m/s2；

--设计最低流速。

图5.1盾构穿越浅覆土施工工艺流程图

5.2.2高性能泥浆配制

南京长江隧道通过泥浆成膜试验确定了采用高分子材料和旧浆复合调浆的方案，在应用中取得了良好的效果，低成本的旧浆对于完善泥水体系、稳定泥浆比重和抑制地层漏失有较好的效果；不仅降低了成本，且由于旧浆回收工艺简单，减少了制浆时间，提高了调浆效率。

泥浆参数如下：

1、比重

泥水比重大可较好的稳定掌子面，但太大则加重设备负担，并影响出渣效率，为维护掌子面的稳定，进浆泥水比重在1.23～1.26g/cm3之间,出浆比重1.30～1.40g/cm3。

2、粘度

为了维护开挖面的稳定，在掌子面形成有效泥膜，泥水处理场制备新浆时应提高循环泥水质量，将调浆池泥浆粘度的控制在23～25s范围之内，同时保证泥浆的漏失量小于10m3/h，析水率不大于5%。

根据国内外类似工程施工经验，并与相关科研单位进行试验确定，在江中浅覆土段施工中，每推进1环加入80～100m3新浆对循环系统泥浆粘度和比重进行调整。

3、含砂率：

在孔隙率大的圆砾层和级配差的砂层，泥浆中的砂粒对地层孔隙有堵塞作用，故泥膜形成与泥浆中砂的粒径及含量有很大关系。

通过泥水处理场进行筛分沉淀，保留有用的粘土颗粒，去除74μm以上的大部分砂颗粒及45μm以上的部分粉土颗粒，形成适当的固相颗粒级配，确保在开挖面形成泥膜。

因此，泥浆中的含砂量控制在泥水处理中也是一个重要指标，南京长江隧道工程大部分地段含砂量控制在15～25%。

4、泥浆泵泵压控制

为避免泥水环流系统进排泥浆泵泵压过高造成设备超负荷运转发生故障，必须对进出泥浆泵泵压进行控制，最大泵压不超过9.0bar。

在江中浅覆土段泥水参数详见下表5.2-1。

表5.2-1浅覆土段泥浆参数

项目

进浆比重（g/cm3）

进浆流量（m3/h）

排浆比重（g/cm3）

排浆流量（m3/h）

析水率

漏失量

江中浅覆土

1.23-1.26

1800-2000

1.30-1.40

2050-2250

<5%

<10m3/h

为了确保在江中浅覆土段施工盾构开挖面的稳定，根据确定的泥水参数，在进入江中浅覆土施工前，首先调配基础浆3000m3，泥浆粘度达到25S，比重控制在1.23~1.26g/cm3。

根据南京长江隧道工程在8层粉细砂、10层砾砂中的掘进经验，施工中泥浆损失主要包括掘进及拼装过程中掌子面漏失、泥水分离时碴土携带和沉淀池清理时泥浆损失。

在江中浅覆土粉细砂层中掘进时，每环浆液损失在110～130m3。

根据泥浆管流速及路程，确定每环掘进完成前20min向掌子面补充新制泥浆80m3以维护掌子面稳定，为保持泥水循环系统泥浆量稳定，向泥浆池内加入30～50m3新制泥浆。

5.2.3泥浆管流速

根据施工经验，排浆管浆液比重在1.30～1.40t/m3之间，砾砂层干密度为1.72t/m3，根据杜郎德最低极限流速公式，计算可得到排浆管在砾砂层最小排泥量Q排=1731m3/h，考虑到进排浆量与掘进速度的匹配，粉细砂层、砾砂层将进浆量设定为1900m3/h，排浆量设定为2150m3/h左右。

5.2.4掘进速度及刀盘转速

掘进速度和刀盘转速根据地质条件及施工经验设定，见表5.2-2。

表5.2-2浅覆土段掘进参数表

项目

刀盘转速

掘进速度

锥入度

地层特征

备注

江中浅覆土

K5+900～K6+200

0.65～0.8rpm

25-30mm/min

35-45mm/r

⑦-1层粉细、⑧层粉细砂、⑩层砾砂

减少掘进对掌子面的扰动

5.2.5管片壁后注浆

根据地质情况，江中浅覆土地段粉细砂层颗粒级配不良，砾砂层充填物易被冲刷，为防止盾尾漏浆、隧道上浮及地层失稳，需加强管片壁后注浆控制，保证同步浆液质量。

设定浆液比重为1.96g/cm3，浆液的坍落度控制在18～22cm；注浆量控制在理论建筑空间的150%～200%，确保壁后注浆密实有效。

同时控制注浆压力，防止击穿浅覆土层，注浆压力的设定为注浆管位置泥水压力的95％～105％（波动±0.1bar，与泥水压力匹配）加上泥水管泵头至出口压力损失。

5.2.6出渣量控制

盾构机掘进时，必须严格控制每环的出渣量。

理论出渣量＝盾构开挖面积×掘进长度×土体自然重度；实际出渣量＝（排浆流量×排浆比重－进浆流量×进浆比重）×泥水循环时间，具体数值在盾构机控制系统进行统计，并由泥水场工程师根据碴土场出碴量进行复核。

一般实际出渣量控制在理论出渣量的97％－100％之间，允许出现少量欠挖，不允许出现超挖，以保护掌子面稳定。

5.2.7盾构机姿态控制

根据南京长江隧道施工经验，盾构机姿态及成型管片在砂层中较稳定，在浅覆土层易发生上浮，江中浅覆土段盾构姿态竖向上控制在－30mm～＋10mm之间，由于平面上在曲线段前进，盾构机姿态控制在曲线内侧＋10mm～＋30mm之间。

5.2.8盾尾保护

泵送油脂主要是为了保持油脂仓的压力，使其不被盾体外的泥水击穿。

南京长江隧道盾构机采用欧洲式保压：

将泵送口设定一定的压力（该压力与油脂仓为同一压力），当油脂仓压力小于该压力时，油脂泵自动向油脂仓泵送油脂，以达到保压效果。

对于透水性强，自稳性差的地层，多选用泥水平衡盾构，其显著特点就是对盾尾密封止水性能的要求非常高，一旦盾尾密封出现问题，将会造成盾尾漏浆，液化砂土随地下水沿盾尾和隧道接缝渗漏进入隧道内，从而导致开挖面泥水压力下降，土体失稳，严重时造成隧道周围局部土体掏空，隧道下沉，螺栓断裂、隧道破坏，或者隧道内大量淤积泥浆而将盾构机淹没。

所以盾构掘进中需加强盾尾保护，严格控制风险。

5.2.9测量监测

受长江水位变化和江水对江底的冲刷和淤积影响，掘进泥水压力计算选取的数值和实际施工时存在一定差异。

为确保掘进时泥水压力设置准确，在江中浅覆土掘进施工时，应加强河床和水位监测，根据监测数据及时修正泥水压力。

河床监测采取超声波装置江中浅覆土施工前测量，水位监测每天