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1、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10.49m12.34m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
2、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。201
3、0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
4、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
5、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
6、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 切口水压上限值(公式4-1)： （
7、公式4-1）图4-1 江中段开挖面切口水压示意图式中：-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 20 kPa；-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。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)。送排泥流量
8、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。施工准备施工参数确定配制优质泥浆盾构快速掘进管片拼装二次注浆设定掘进参数同步注浆测量监测图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
9、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1.231.26g/cm3之间,出浆比重1.301.40g/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2325s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80100m3新浆对循环系统泥浆粘度和比重
10、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74m以上的大部分砂颗粒及45m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1525%。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
11、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1.23-1.261800-20001.30-1.402050-22505%10 距工作面1倍洞径 2 / 1 105 距工作面12倍洞径 1 / 1 41 距工作面25倍洞径 1 / 2 5倍洞径 1 / 7表6.1-2 管片拼装允许偏差表序号 项目 允许偏差(mm) 检验方法 检查频率1 衬砌环直径椭圆度 6D 尺量后计算 4点/环2 隧道圆环平面位置 60 用经纬仪测中线 1点/环3 隧道圆环高程 60 用水准仪测高程 1点/环 4 相邻管片的径向错台 6 用尺量 4点/环5
12、 相邻环片环面错台 7 用尺量 1点/环注：D指隧道的外直径，单位：mm。6.2质量控制措施1) 为防止盾构机在此区段因长时间停机造成地层劈裂，在盾构机进入此区段前即对盾构机进行全面的检查，更换所有存在隐患的配件，做好拼装系统的全面检修更换，并在进入冲槽段前更换一次高压电缆。2) 确保在冲槽地段以“高粘优浆、合理低压、平稳推进、快速拼装、禁止停机、一次通过”的原则进行推进，力争将穿越时间缩到最短；泥浆池重新制备优质泥浆，并在储浆池保持贮存400m3新浆，用于每环结束维护掌子面和调浆使用；在调浆池储备好满足指标要求的调配浆液3100m3，同时在废浆池中储备5000m3的备用浆液；现场库房储备不少
13、于20吨HS1，10吨HS2，20吨HS3，10吨HS4等高分子聚合材料和50吨膨润土备用，仓储库房储备100吨HS1，30吨HS2，100吨HS3，50吨HS4等高分子聚合材料和200吨膨润土。3) 掘进采用高比重、高粘度泥浆形成致密泥膜，封闭掌子面。4) 根据软弱地层参数计算泥水压力，给掌子面提供足够的支撑压力。同时严控泥水压力和注浆压力（波动0.1bar），防止压力击穿覆土层。5) 为保证掘进参数的准确性，我单位将在穿越冲槽段前对冲槽地形进行一次江底地形断面实测，在穿越过程中每环掘进前均安排专人测量水位，对掘进参数进行修正。6) 穿越过程中加强设备的状态监测与维护保养，配备必要的易损件。
14、7) 掌子面存在4.5的坡度在停止掘进时是较难保持稳定的，因此要求泥浆必须有迅速成膜的能力，根据经验数据，结合计算压力适当调高一些泥水压力抵消因上坡影响造成的掌子面失稳分力，每环掘进结束前必须及时向掌子面注入50m3100m3高浓度新浆，以维护掌子面稳定。8) 为减少平面曲线段对冲槽段施工的影响，掘进时按照每环的设计偏移量进行均匀转向，防止出现急转现象。9) 为保证盾尾间隙不出现恶化，每环分0.5m、1m、1.5m、2m四个里程段对盾尾间隙选取10个点进行测量，并根据盾尾间隙的测量数据，在掘进过程中及时进行慢慢修正，严禁过度纠偏。 管片选型采用机选为主，人工复核的方式，选取与盾构机姿态最匹配的
15、管片安装形式。当盾尾间隙不均匀造成漏浆时，可在管片外弧面粘贴止水海绵，以便盾尾漏浆时吸水膨胀封堵，同时在加大同步注浆量的情况下增加油脂注入量。10) 针对砂土层液化现象，在掘进参数上采取降低掘进速度和刀盘转速的方式，将扰动降到最小。采用高比重、高粘度泥浆形成致密泥膜，封闭掌子面；同时通过泥膜形成过程将粘性颗粒渗透入粉细砂层，也可改良粉细砂层的液化现象，消除与刀盘接触土体的液化作用。根据粉细砂层参数计算泥水压力，给掌子面提供足够的支撑压力。针对可能发生的涌水涌砂现象，一方面要保证盾尾间隙均匀，一方面要保证壁后注浆和盾尾密封油脂注入量的充足，另一方面每次注浆结束要采用粉煤灰加膨润土的混合浆液对盾尾
16、注浆管进行保压，防止外部泥水涌入。7、安全措施7.1安全管理措施7.1.1创建三级安全生产责任体系在集团公司安全机构的领导下，指挥部成立了三级安全机构：一级是局指安全领导小组，由指挥长亲自任组长，管施工生产的副指挥长及安全长任副组长，组员由总工程师及各项目部经理、局指各部门负责人组成。二级是由各项目部分管生产的副经理及安全长、安全工程师及各部门负责人组成。三级是由专职安全员及各班组兼职安全员组成，并且在施工现场所有作业人员都是义务安全员，对所负责的施工现场安全负责。使安全在组织体系上达到了全覆盖无漏洞。7.1.2强化安全责任制、严格规章制度、实行绩效管理制定了一系列的安全生产管理办法，并根据每
17、个管理人员及施工作业人员不同的工作岗位及所从事的不同工种制定了详细的岗位安全职责，贯彻“安全第一、预防为主”的方针和“管生产必须抓安全”的原则，确保施工生产的安全。指挥部制定了项目绩效考核管理办法，把安全工作目标进行数据化量化管理，实行每月一考核。7.1.3推进“一法三卡”工作法，维护员工的健康和安全参照国家现行的劳动安全卫生法律法规和技术标准，结合安全生产的实际情况，借鉴国内外安全管理的经验，积极推行“一法三卡”工作法，维护员工的健康和安全。7.1.4颁布落实安全生产手册根据超大直径盾构浅覆土穿越施工的特点和业主、公司的安全生产管理规定，颁布实施适合本工程需要的安全生产手册，其内容遵守国家颁
18、布的各种安全规程。工人上岗前进行培训和考核，合格者准予上岗。7.1.5坚持持证上岗制度对于机械操作手、电工、电焊工等特殊工种工作人员，严格持证上岗，确保按安全操作规程施工，保证施工安全。7.1.6抓教育培训、提高员工素质面对超大直径盾构隧道施工这一技术难度大，施工风险点多、危险源多、员工操作不熟练这一现状，为了使员工能熟练掌握操作规程，保证安全生产，我们坚持“学用结合、按需培训”的原则，做好员工三级安全教育的同时，抓好员工操作技能培训工作。7.1.7以预防为重点，加强突发事件的应急和处置能力我们始终坚持“安全第一、预防为主”这一安全管理工作方针。面对工程地质复杂，风险点多的现状，实行应急管理。
19、针对风险点组织制定了专项应急预案及其现场处置方案，并组织进行演练，遇到突发事件时能紧急处置，避免事故发生。7安全技术措施 7.1采取先进技术，加强远程监控与上海超级计算机模拟中心合作，采用超级计算机三维数值仿真模拟和小直径盾构模型掘进“双模拟”试验；采用声纳法和多波速束测探扫描系统等手段对江底地形进行“双监测”等先进技术，对施工风险点进行科研攻关。施工过程中我们还加强对作业现场的监控，设立了远程视频监控系统，在现场的每个作业地点都安装了摄像头，从而对施工现场的每道工序及作业流程都能做到一目了然，对员工是否按操作规程作业和施工中的控制参数都能在指挥部监控指挥中心看到，对碰到的问题也可以通过网络系
20、统组织专家进行论证。7.2以科技为先导，加强方案预控施工方案制定的科学合理是施工安全的最大保障，为此指挥部专门成立了工地专家组，聘请了国内外知名的盾构施工及机械设备方面的专家（有工程院院士、日本盾构专家、德国盾构专家、国内盾构施工专家、西南交通大学、北京交通大学、河海大学、上海同济大学教授组成）对工程施工方案进行论证把关，况且日本盾构专家及德国盾构专家常驻工地，每遇到风险大的施工方案（例如盾构机的运输及工地装、盾构机的超浅埋始发及接收、盾构机下穿长江大堤、江中复合底层段施工、江中浅覆盖层段施工、盾构机江中换刀及进仓）等，都事先进行专家论证，确认方案上可行后再组织施工，从而从源头上保证了施工安全
21、。8、环保措施在本工程施工过程中，严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，以及业主制定的有关本工程环境保护的规章制度，加强对粉尘、废气、废水的控制和治理，降低噪声，控制粉尘和废气的浓度以及做好废水和废油的治理和排放，整个施工过程对环境无污染。9、效益分析9.1经济效益南京长江隧道江中浅覆土施工不采用抛填土加固方式，而是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，安全平稳通过浅覆土地段。在通过江中浅覆土前制定了针对性强的施工措施、切实可行、经济合理，相比通常盾构法穿越浅覆土施工顶部抛填粘土的措施，节省费用约2000
22、万元，保证了工程的安全和进度，共计节约工期1个月，间接经济效益1500万元。9.2环境效益因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施工避免了抛填土施工给长江通航及排水的影响，对环境无影响。9.3社会效益1、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，安全平稳通过浅覆土地段成功地解决了江中浅覆土段，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，确保工程建设的成功。2、超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工工法的研究，对
23、在水底设计施工超浅埋长大隧道具有一定指导意义。3、超大直径盾构穿越浅覆土水下隧道施工工法的研究为企业在施工领域的拓展树立了良好的信誉。10、应用实例 南京长江隧道工程10.1工程概况南京长江隧道工程采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”的施工方案”，其中左线盾构隧道长3022m，右线盾构隧道长3015m。盾构隧道采用两台14.93m泥水加压平衡盾构施工，左、右线里程k3+730k3+1000为始发超浅埋段，里程K5+900K6+200为江中超浅覆土段。该段里程最小覆土厚度约为11.3 m，仅为0.76倍盾构直径，覆土厚度不足一倍盾构直径的区间共有72 m长，地层与江水有水力联系，极易发生冒顶和坍塌。该
24、里程段盾构施工所穿越地层主要为7-1层粉细砂、8层粉细砂、10层砾砂、12层粉细砂，上部覆土主要为4层淤泥质粉质粘土、6层淤泥质粉质粘土夹粉土、7-1层粉细砂，地质概况见图1。由于粉细砂液化等级为轻微液化中等液化，当其受到盾构掘进扰动后，易发生液化坍塌现象，且当盾尾密封效果不佳或清洗注浆管时，可能发生涌水涌砂事故。图1 超浅覆土段地质概况10.2施工情况浅覆土掘进施工是盾构过江过河隧道工程成败的关键，制定严密的施工方案，加强施工过程的信息化管理，并重点控制防塌、防冒、防浮和防偏等四个方面，可以确保浅覆土段施工的安全。南京长江隧道工程左右线盾构区间分别顺利穿越了右线鱼塘超浅埋段（RK3+680R
25、K3+710）、左右线江中浅覆土段（K5+900K6+200），盾构掘进过程中开挖面稳定；管片拼装无错台、无渗漏；成型管片实际轴线水平偏差控制在10mm以内，高程偏差控制在20mm以内，后续沉降较小。左线右通过江中浅覆土时分别创出了超大直径盾构施工中单日掘进29m（14.5环）、单班（12小时）16m（8环）和单日掘进32m（16环）、单班（12小时）17m（8.5环）的世界纪录，同时创造了170m计85环的周掘进记录。南京长江隧道工程于2005年9月开工2010年5月28日竣工。10.3工程监测与结果评价南京长江隧道结构健康监测系统布置各类传感器共682只，可对6个监测断面管片结构受到的土、水压力、各类结构响应以及混凝土腐蚀性状进行实时在线监测，监测结果表明，监测环管片结构在该时间段内处于“健康”的工作状态。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，取得了创造性研究成果，达到了国际领先水平，实践证明运用该工法可以改善施工作业环境，保证施工安全，加快施工生产进度，创造良好的社会经济效益。为地下工程施工技术领域积累了宝贵的经验财富，对国内同类型地质条件下超大型盾构水域下超浅覆土安全穿越有极好的借鉴和推广意义。