上海长江隧道工程盾构施工技术

上海长江隧道工程盾构施工技术上海长江隧道工程盾构施工技术摘要：位于长江口的上海长江隧道工程，其盾构直径和一次连续掘进距离均为世界之最。结合该隧道工程超大直径、超长距离盾构掘进，研究探讨了施工中的关键技术、技术难点与风险并提出了相应的对策，以确保如期、优质安全地建成长江隧道工程。关键词：隧道盾构泥水方案1工程概况上海长江隧桥工程是连接上海市区和崇明的高速公路通道，是我国沿海大通道的重要组成部分。长江隧桥工程总长25.5km，采用隧道形式穿越长江南港后，连接浦东和长兴岛；采用桥梁形式跨越长江北港后，连接长兴岛至崇明岛，见图1。上海长江隧道工程南起浦东五号沟，北至长兴岛新开港，该工程设计线路总长8955.26m，江中为盾构法双线隧道，上行线圆隧道段长7471.65m，下行线圆隧道段长7469.36m。每条圆隧道内道路为3车道，共6车道，设计时速为80km/h，见图2。江中圆隧道施工采用Φ15.43m泥水平衡盾构掘进机，一次连续掘进完成。江中圆隧道外径15000mm，内径13700mm，最大坡度为2.90A，最小平面曲率半径为4000m，江底最浅覆土约14.0m，最深覆土约29.0m。两条隧道内最低点共设4座江中泵房，在两条隧道之间设有8条连接通道。 工程沿线地质条件复杂，隧道穿越主要土层为③1、③2层粉性土、④1、④2、⑤1-1、⑤1-2层粘性土和(孰层粉性土、⑦1-1⑦1-2层砂性土，部分地段遇⑤1-t层灰色粘质粉土透镜体。工程沿线浅部土层中的潜水，与江水有密切水力联系，基本上与江水相沟通；埋藏于⑦层、⑨层中的承压水直接相通，水量丰富，承压水水头标高在0.00m左右睇⑤2层中分布有微承压水，与⑦层中承压水有一定的水力联系。工程沿线地层有浅层气存在，主要分布于④层淤泥质粘土层中下部，以弥散状分布，量少、气压低。在工程范围内还存在冲刷槽，冲刷槽深度为6~7m，呈"V"字形，在冲刷槽坡侧上有滑塌体存在。隧道轴线与河床中心线相交部位，存在宽约150m、高2m左右的活动沙丘，沙丘沙洲(沙脊)可在水动力作用下迁移。工程沿线江底埋设有2条光缆，与隧道轴线基本平行、部分相交。2盾构掘进机2.1选型根据工程地质以及实际工况条件，本工程选用2台德国海瑞克公司制造的直径为书15.43m的泥水平衡盾构掘进机(见图3)，其盾构直径为世界之最，一次连续掘进距离也为世界之最。泥水平衡盾构掘进机采用管道输送开挖面泥土，输送速度快而连续，施工进度快；同时采用加压泥水平衡开挖面土体，压力控制更加及时和精确，能有效地保证开挖面的稳定。2.2主要功能由于江中圆隧道工程是整个上海长江隧桥项目的关键控制节点工程，盾构掘进距离长、施工工期紧，要求隧道内道路结构与盾构掘进施工实现即时同步，故盾构机必须在满足盾构掘进的同时安装道路结构预制件，将盾构掘进和道路施工两者的相互影响降到最低程度；由于工程沿线地质条件复杂、开挖断面大，故盾构正面泥水压力的控制精度要求高； 由于隧道断面相当大，故必须充分考虑施工期间的隧道抗浮措施。为此，选用的盾构掘进机采用2个设备台车，在2个设备台车之间进行道路预制构件的安装，安装时不影响盾构的正常掘进施工；开挖面泥水压力控制采用气泡舱方式，这比传统方法的控制精度更高、更及时，可有效保证开挖面的稳定；采用2个台车设备以及在其问即时安放道路预制构件，加大了相关重量，可有效地解决隧道的抗浮问题。3施工关键技术江中圆隧道工程采用的2台盾构均由浦东五号沟往长兴岛方向掘进施工。2台盾构间掘进相隔3个月。圆隧道内道路结构施工采用即时同步施工工艺，其中，"口"字形预制构件安装在1号设备台车与2号设备台车之间，与盾构掘进同步进行，其余道路结构采用现浇施工，滞后于2号设备台车尾部后方100m，分段分幅施工，以保证运输线路畅通。现就隧道施工中的关键技术介绍如下：3.1盾构进出洞盾构进出洞技术关键在于洞口的地基加固和洞圈的止水装置。盾构始发掘进洞口的地基加固采用搅拌桩方法等。其地基加固效果良好。为防止盾构始发掘进时开挖面泥水通过建筑空隙窜人工作井内，影响开挖面泥水压力的建立、开挖面土体的稳定以及盾构的掘进施工，在洞圈预埋钢板上布置了按照实测盾构外形轮廓尺寸制造安装的箱体结构，并在此箱体内安装了2道止水橡胶带和铰链板，在井内壁沿洞圈安装了3道钢刷。长兴岛盾构接收井洞门圈范围内的地下连续墙，拟采用纤维筋，盾构可直接切削洞门圈范围的混凝土，减小了洞门与盾构机以及隧道管片的建筑间隙，减少了水土流失，确保了盾构掘进机能顺利抵达接收井。3.2管片拼装 江中圆隧道衬砌采用通用(楔形量为40mm)钢筋混凝土管片。管片厚650mm，环宽2000mm，混凝土强度为C60、抗渗等级为s12。每环由10块管片(见图4)构成。管片环与环之间用38根M30的纵向斜螺栓相连接，每环管片块与块间用2根M36mm的环向斜螺栓连接、微量内八字封顶，拼装时纵向搭接1200mm、径向推上，然后纵向插入。每环管片拼装都必须根据盾构姿态、管片超前量等数据，合理选择管片旋转角度。拼装时采用自动测量和导向系统软件，以保证管片的拼装质量和提高隧道轴线的控制精度。该软件具备以下主要功能：(1)依据管片结构形式(包括外形尺寸、楔形量等)，结合隧道设计轴线，自动生成该工程的管片排列图(不同旋转角度)。(2)实际施工过程中，依据前一环盾构姿态(报表、千斤顶行程、盾尾间隙等)及管片姿态(报表、超前量等)，结合与设计轴线的拟合度，准确选择下一环管片的旋转量。(3)依据当前盾构、管片姿态，动态预测下阶段(后3环)轴线控制精度，并具备演示功能。3.3同步注浆本工程采用单液同步压浆的方式，即在盾构施工时采取掘进和压浆联动的方式。盾构掘进同步注浆系统采用注浆量和注浆压力双参数控制，以保证填充效果。在盾构本体采用内置式压浆管路，共设6个压注点，每个注浆点可单独控制压力和压注量，并有压力、流量及压人量显示。及时、充足地同步注浆，可有效减少地层沉降，并使已成隧道尽快稳定。3.4泥水处理 泥水处理系统分为处理、调整、新浆自造、弃浆和供水等子系统，处理设备选用滚动筛、除砂器和清洁器。泥水处理流程为：盾构排放浆液一一级处理子系统一沉淀池一二级处理子系统一÷泥浆池一三级处理子系统一调整池_由P1-1输送泵送至盾构开挖面。3.5道路结构同步施工采用盾构掘进和内部道路结构同步进行的施工方式，可充分利用隧道空间，满足掘进施工所需的大容量交通，有利于圆隧道的抗浮稳定，有效缩短工期。其施工流程如下：盾构掘进机前进_道路结构预制"口"形结构吊装就位_上述步骤循环一相距100m后道路两侧及路面板制作叶两侧防撞侧石现盾构进洞后，道路路面素混凝土铺张层施工。3.6连接通道施工拟采用冻结法工艺。上海地铁曾采用顶管法施工连接通道，其优点是：可采用机械化作业、降低劳动强度、对长距离通道施工有较大优越性。缺点是：施工时对圆隧道占用空问较大，影响圆隧道内水平运输，其进出洞风险较大，尤其在不良地层中，特别是江底地层饱和含水且与长江水存在水力联系、部分地层还存在承压水时，顶管顶进施工的风险很大。由于连接通道均位于长江底，采用冰冻法施工时，可能发生水砂突出和地层沉降甚至江水涌人，工程风险非常大。在施工中必须采取以下技术措施，以确保连接通道施工的安全：(1)采用在隧道两侧打孔、喇叭口部分采用双排孔冻结的措施，以确保冻土帷幕的厚度、强度以及与管片的良好胶结。(2)冻结孔开孔前先打若干小孔，探测地层的稳定情况。每个钻孔都须设密封装置，以防钻进时大量出砂、出水。 (3)在冻结、开挖过程中应加强监测，布置测温孔、压力释放孔与观测孔，全面监测冻土帷幕的形成过程，开挖施工时如遇冻土帷幕有明显变形时，应及时调整开挖构筑工艺。(4)设置安全门，防止突发事件的产生。3.7隧道内运输由于盾构掘进距离长，为有效提高施工进度，采用道路结构同步施工方式。随着盾构掘进，在2个台车之间同步安装中间"口"字形道路预制构件作为运输通道，隧道内水平运输使用专用双头卡车来完成，大大提高了运输能力；在盾构2号台车后道路结构完成的条件下，可形成3个车道，进一步确保了工程运输的安全、高效性。运输通道见图5。4施工难点、风险及相应对策江中圆隧道工程采用的泥水平衡盾构机，无论是断面尺寸，还是盾构一次掘进长度，均创世界之最。在盾构掘进施工中存在许多施工难点及风险，包括：大型泥水平衡盾构进出洞、不良地质条件、盾构4.1不艮地质条件本工程沿线存在多种不良地质状况，包括流砂、管涌、承压水、浅层气、透镜体、地质钻探孔、冲刷槽和活动沙丘、地质钻探孔以及沉船打捞后未回填等。在施工时拟采取以下措施：(1)提高盾尾密封性能，增加盾尾油脂压注量，紧急情况下可启用盾尾紧急止水装置；密切注意偏差流量、盾尾漏浆情况，如盾尾漏浆严重，必要时可压注聚胺酯。(2)对于浅层气，在盾构掘进机内设置沼气、可燃气体浓度测试报警及通风排气装置，并保持良好的通风条件；盾构掘进机工作面设置有毒气体探测仪，以便施工人员可及时采取措施。 (3)对于透镜体，则加强地质勘探来摸清透镜体存在的大体位置。如盾构正面遇到透镜体时，可及时采用高密度、高粘度的泥水，并加入高分子材料，以确保泥水泥膜的形成；同时，合理地调整盾构掘进速度，使盾构掘进机尽快安全穿越该层土体。(4)对于地质钻探孔，盾构在掘进到该区域时采用大比重泥浆施工，盾构穿越后在隧道外围压注聚氨酯，以切断钻探孔与盾构机之间的水利联系。4.2盾构长距离穿越长江江中圆隧道工程盾构一次掘进距离长，且盾构绝大部分在长江底掘进施工，而长江的日水位变化较大，河床由于反复冲刷其变化量也较大。因此盾构掘进施工存在的风险因素相当多，如不采取防范措施，轻则耽误工期，重则可能危害整个工程的安全。为此，在盾构穿越长江施工中应采取以下对策和措施。4.2.1防止江底冒浆(防冒)严格控制切口水压波动范围，合理设定推进速度，严格控制出土量，控制同步注浆压力。当发现江底轻微冒浆，应适当加快掘进速度、提高拼装效率，使盾构尽早穿过冒浆区。当冒浆严重、不能掘进时，应采取将开挖面水压适当降低、提高泥水比重和粘度、检查并确认掘削干砂量有无超挖、进行充分的补注浆等措施，然后逐渐将开挖面泥水压返回到正常状态，进行正常掘进。4.2.2防止盾尾漏浆(防漏) 采取提高同步压浆质量、保持切口水压稳定、加强盾尾油脂压注、控制管片居中拼装、增加备用泵及堵漏材料、必要时垫放止水海绵或钢丝球等对策和措施。针对泄漏部分，应采取集中压注盾尾油脂、开启盾尾紧急止水装置等对策，并采用聚氨酯进行化学注浆、配制初凝时间较短的双液浆在盾尾后5~10环进行壁后注浆、利用堵漏材料进行封堵等相应措施。4.2.3隧道内火灾防范在盾构机及车架内布置足够数量的灭火器材，同时配置氧气、防毒面具等设施，配备便携式气体分析仪，间隔一定距离设置火灾点站(仓库)建立火灾报警系统，一量发生火灾险情，立即利用报警装置向隧道风所有施工人员发出信号，便于隧道内人员的快速疏散及地面救援人员的快速进入，当隧道内险情严重、人员无法从路面上部疏散时，可通过道路同步施工"口"字形预制件内部实现快速撤离。5结语2台盾构分别按计划于去年9月和12月先后出洞，盾构正常掘进度为250m/月，7500m长的隧道掘进预计30个月完成。针对工程的特点和难点为，有关方面已进行了大量的前期科研攻关和相关技术储备。随着工程进展，还将进一步开展工程试验研究和不断优化盾构机功能配置，并在盾构始发掘进阶段全面采集各项施工参数和监测数据，摸索最佳技术参数，不断完善施工方案，以逐一克服施工难点和工程风险。余暄平沈永东凌宇峰王吉云上海隧道工程股份有限公司