南京长江隧道与扬子江隧道工程技术对比

堕王墼堕南京长江隧道与扬子江隧道工程技术对比TechnologycomparisonofNanjingChangJiangtunnelandYangZiJiangChangJiangtunnel曲明玉(兰州市轨道交通有限公司，甘肃兰州730000)摘要通过对同类工程对比分析的方法，以南京长江隧道和杨子江隧道工程实例为基础，指出在高水压、超浅埋、长距离、高强度的卵石地层修建超大直径盾构隧道应掌握的关键技术，尤其是在恶劣的复合地质条件下，如何考虑设计盾构开挖刀具，延长盾构刀具的使用寿命，以及重视工程水文地质的研究并针对性的部署应对措施是大直径穿江盾构隧道工程成败的关键，寄希望能对国内外同类工程建设发挥一定的建设性作用。关键词：长江隧道；扬子江隧道：技术对比Abstract：AnalysistothesimilarbothprojectofNanjing，onthebasisoftheNanjingChangjiangTunnelproject，pointsOUtthekeytechniqueshouldbegraspedtobuildsuper—largediametershieldtunnelingeologyofhighpressure，supershallowcover，longdistance，highstrengthgravel．Especially，itisthekeytotheconstructionofthesuper—largediametershieldcross—rivaltunnelprojectonhowtodesignofshieldcutters，prolongtheservicelifeofshieldcutters，andemphasizetheresearchofhydrologygeologyandthecountermeasuresforconstructionintheconditionofbadgeology．Hopingtoplaymoreeffectonsimilarprojectathomeandabroad．keywords：Changliangtunnel；YangZiJiangtunnel；technologycomparison中图分类号：TBll5文献标识码：B文章编号：1003—8965(2()16)04一0113一041工程概况南京长江隧道工程与南京扬子江隧道工程(简称纬三路隧道工程)在很多方面极其类似，在国际同类工程中颇具影响力，是近年南京市政府重大基础设施投资项目，对改善南京市交通状况，尤其是对江北经济发展起到至关重要的作用。南京长江隧道工程位于南京长江大桥与三桥之间，上距三桥9km，下距大桥1Okm，连接河西新城区～梅子洲～浦口区。整个工程通道总长约5853km，按双向6车道快速通道规模建设，设计车速80公里／小时。隧道设计为双管盾构隧道，隧道单线长度3510m，其中盾构段长度为3015m。选用两台开挖直径14．98m的混合式泥水盾构机同向掘进施工。南京长江隧道工程总投资33亿元，其中盾构隧道双线投资约22亿元。工程从2005年9月开工建设，到2009年8月全线贯通，2010年5月全线通车运营，建设历时近5年。南京扬子江隧道工程位于南京长江大桥与纬七路南京长江隧道之间，设计方案为双管双层8车道X形隧道，线路全长约7．2km，两条隧道交叉，上下两层共8车道，其中车道宽3．5m，每层高度为4．5m，隧道外径15m，设计时速为全线80公里。隧道N线长度6930m，其中盾构段长度为3537m，隧道S线长度7636m，其中盾构段长度为4135m，选用两台开挖直径14．98m的混合式泥水盾构机同向掘进。扬子江隧道工程总投资52亿元，其中N线投资25亿元，S线投资27亿元，工程从2011年2月正式开工建设。2020年预测交通流量6万辆／日。2．1盾构基坑设计与施工纬七路和扬子江隧道工程盾构始发与接收深基坑设计类型与施工工法基本相同：均采用地连墙防护设计，明挖法施工，但是基坑的宽度和深度存在一定的差异。2．2盾构隧道设计与施工●■j．■-。：～!《囊蕊≯i“．．￡’I乙I一一I◇一毒◇7＼·．．一o·o“·‘．／①普通切刀；②边缘铲刀；③、③可推出切刀⑤中心先行刀；⑥腹臂先行刀；图1南京长江隧道工程盾构刀盘图纬七路和扬子江隧道工程盾构隧道衬砌设计均采用外径：14．5m，宽2m，厚60cm的C60钢筋混凝土预制管片，管片分块采用“9+1”形式，抗渗等级为S12。两项工程也均采用开挖直径14．98m级超大复合泥水盾构开挖，但由于两项工程隧道穿越的地质状况不同，则盾构刀盘在设计方面存在一定的差异。纬七路长江隧道盾构设计刀具总共是233把，其中边缘铲刀6把，先行刀24把，183把正面切刀，有71把切刀可以在常压下更换(见图1)。由于纬七路盾构刀盘设计直径达到14．93m，刀盘的六条腹臂均为空腔，作业人员能从中心人闸进入到这六条腹臂的内腔中在常压下更换13 其中的71把刀具。①刮刀②单刃滚刀③齿刀④先行刀⑤边缘铲刀⑥双刃滚刀图2扬子江隧道工程盾构刀盘图在南京长江隧道工程盾构刀盘设计时，为了能在常压下更换刀具，有六条刀盘腹壁设计为空腔，这样极大占用了刀具布置的空间，造成纬七路长江隧道盾构刀具设计数量偏少，而在实际工程施工中，能在常压下更换的71把切刀所能起到的作用很有限，但是却占用了大量的空间，无法设计更多刀具，这是本工程刀盘设计最失败的地方。在扬子江隧道工程中盾构刀盘的设计上，采用的是“简化刀盘结构，增加刀具数量和类型，常压换刀的思想”，这是明智的，也可行的，符合实际要求的(见图2)。其中设计先行刀80把，正面滚刀80把，中心滚刀6把，切刀总共448把，其中正面切刀是392把，边缘切刀16把，中心切刀40把。扬子江隧道工程盾构刀具是南京长江隧道工程盾构刀具的3倍，同时刀具磨损采用视频化监控可靠性更高，这是确保工程成败的关键。3两项隧道工程的不同点3．1隧道设计断面形式的差异纬七路隧道设计单层单线三车道，而扬子江隧道工程设计单线双层四车道，布局更加合理，有效利用隧道空间，设计更加科学合理，提高了单位时间的交通流量(详见图4)。14图3南京长江隧道工程断面图+qF。-篮▲篁■謦l、、譬‘●●图4扬子江隧道工程断面图3．2隧道地质条件的差异南京长江隧道工程穿越的地层分布主要有淤泥、粉细沙、砾砂、卵石和风化岩层(图5)；而扬子江隧道工程穿越的地层分布情况有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、细砂、中粗砾砂、卵砾石、及部分中风化砂岩等地层(图6)，从比较中可以看出，扬子江隧道工程穿越的地质条件更复杂，更恶劣，主要是存在700多米强度达到80MPa的中风化砂岩硬岩地层，而且掌子面分布不均，对盾构掘进是很大挑战，尤其是盾构刀盘设计，刀具的要求更高。4两项工程施工技术难点分析4．1南京长江隧道工程难点分析南京长江隧道工程具有“大、高、薄、长、险、深”等技术难点。南京长江隧道工程水位地质条件复杂，盾构机开挖直径达到14．98m，是目前世界上最”大“的复合泥水平衡盾构机之一，盾构机在设计、制造、运输、安装难度都比较大。江中隧道在江底最“深”处达60m，承受的最高水土压力达到6．5kg／cm2，(即相当于65m的水头压力)，是目前已建成超大直径盾构水下隧道项目之首，江底掘进风险很大。同时江底盾构覆土厚度超“薄”，江中长150m的冲槽地段，隧道上方覆土厚度不足1倍洞径(约10．8m，仅为开挖直径的0．72倍)：隧道进出洞口段上方覆土厚度仅5．5m(约0．37倍开挖直径)，对盾构开挖时开挖面稳定和地层沉降控制的技术要求极高。盾构水下一次独头掘进距离“长”达3500m，对刀具抗磨损，抗冲击能力要求高。同时在设计方面，超大直径水下盾构隧道的设计理论和经验在国内几乎是空白，国外经验也不足；施工方面，地质条件异常复杂，工程存在很大的建设风“险”。4．2扬子江隧道工程难点分析除了具有纬七路长江隧道“大、高、薄、长、险、深”之难外。扬子江隧道工程同时还存在“多”、“挤”等施工难点。南京扬子江隧道工程施工中承受的水土压力“高“达到7．7kg／cm2，(即相当于77m的水头压力)，居目前超大直径盾构水下隧道项目之最。隧道最“深”度处到江底77m处，地层存在抗压强度达120MPa硬岩，对盾构掘瓜 堕三蕉堕筒i·慷十二．沓?《晤：}=．旌忙一。暂商鼙十j聃神：．狮t04F五=蔓译i。℃岩i．畸砂右图6南京纬三路过江通道工程地质剖面图(局部)进存在很大风险。盾构水下一次掘进距离长，地质条件复杂，在掘进过程中刀具更换极为困难，两条双向六车道的四千米长盾构段隧道掘进需一气呵成，对盾构刀具的设计要求极高。同时盾构始发和接收深基坑以及盾构隧道施工工法众“多”。另外隧道内设计双层4车道结构，盾构掘进时，洞内空间狭小，拥“挤”，管线密布，运输繁忙，而内部结构必须紧跟盾构同步施工，前后上下多工序同时作业，狭小、拥挤的空间多工种施工，管理难度大。扬子江隧道工程同时与纬七路长江隧道具有盾构超“大”，地质状况“险”恶，隧道穿越的覆土超“薄”等特点。回填土②淤泥质粘土一1③粉质粘土④淤泥质粘土一1⑥淤泥质粉土⑦粉细砂一1⑧粉细砂一2⑨粉细砂一3⑩砾砂一1(11)砾砂一2(12)粉细砂-4(13)圆砾(15)钙质泥岩图5南京纬七路长江隧道工程地质剖面图5．1南京长江隧道工程建设中出现的问题南京长江隧道工程在建设中取得很多可喜的成绩，创造了超大直径泥水盾构在复合地层中设计与施工许多科技成果，但是由于建设经验的不足，也出现过诸多问题。尽管工程前期也做了大量的模拟实验研究，但是因当时可借鉴的同类工程在国内几乎空白，再加之南京长江隧道工程地质比较复杂，在工程建设过程中，对工程水文地质状况的认识不足是从根本上制约纬七路长江隧道顺利贯通的原因，笔者把本工程建设重点暴露的几个问题作了总结。1)没有充分的认识本工程的水文地质条件的复杂性，在盾构刀具设计上存在一些不足和缺陷，如刀具设计数量偏少，切刀总共为229把，先行刀仅为24把；刀具设计组合类型偏少，如没有安装滚刀，遇到复杂地质状况时，盾构无法适用，工程前期研究远远不够，也与没有同类工程经验有关。这是工程工期延误最关键的因素之一。2)刀具磨损报警系统的失效，在盾构设计时，技术人员过分依赖刀具磨损报警系统，过分乐观该项不成熟的技术，不去总结分析盾构掘进中出现的问题，其实盾构开挖过程中，刀盘的扭矩是一个重要的判断刀具磨损程度的参数，在同样的地质条件和盾构推力下，当刀具完好时，进尺明显，而扭矩正常，而当刀具磨损严重时，刀盘扭矩异常偏大，盾构几乎无进尺，这是有经验的盾构技术人能判断出来的。因此，在今后工程中，盾构设计人员要加强研究刀具磨损系统的可靠性，可以采用视频化监控刀具的磨损状况；同时盾构施工人员也要加强研究，能通过掘进参数的比较判断刀具的磨损状况是很重要的。3)没有及早的进行水下带压更换刀具作业模拟训练，培训能在高水压下作业的人员。当盾构刀具磨损严重，甚至刀盘都被损伤时，在常压下处理无法完成，才紧急采取水下带压作业，难度太大，耗时太长，很是失败。4)施工过程中，盲目追求进度，而忽视对设备的维护和刀具的检查和维护工作，致使盾构刀盘被严重磨损还不为所知，直到盾构无法推进时才采取措施，这是盲目追求进度，未能制定科学合理的进度计划所造成的。如在淤泥质粘地层月进度可以达到400多米，创造了超大直径盾构掘进记录，但是在砂卵石地层盾构是很难达到这个进度的，但是施工人员盲目的推进，不去保护刀具和设备，只能造成严重后果，也给我们一个深刻教训。5)在盾构掘进过程中，没制定严格的盾构刀具检查管理制度，不能根据实际情况定期和不定期的进行刀具检查，评估刀具磨损情况，针对实际情况制定切实可行的盾构掘进计划。而是盲目的进行施工，直到刀具磨损严重了才去检查，这时刀盘都已经被磨损了，工程管理制度的缺失也是教训之一。5．2纬七路长江隧道超浅埋冒顶处理措施南京长江隧道工程水文地质条件比较复杂，江底浅覆土厚度仅为10．8m，O．7倍洞径，且该处主要为⑧、⑨粉细砂地层，其粘聚力差，盾构掘进中易发生隆馅事故，造成隧道冒项，一旦发生泥水劈裂，造成江水倒灌，无法建15 堕三垄堕立泥水平衡，危及整个工程建设的安全，在盾构推进中采取以下措施很好的规避冒顶风险的发生。1)在江底浅覆土地层，通过准确勘探，精确掌握浅覆土厚度是计算盾构泥水压力的关键。2)盾构推进中，严格控制泥水压力，通过复合式泥水盾构气垫调正，能把泥水压力精确的控制在±0．5bar，这样可以防止盾构开挖面泥水压力偏大，造成覆土上拱：或泥水压力偏小，造成塌方冒顶。3)除控制泥水压力之外，要严格控制泥水质量．提高泥水的粘度，滤失量等各项指标，防止泥水损失，这也是控制泥水压力的有效措施。4)要加强盾构同步注浆的浆液质量和数量，即保质保量的及时填充管片壁厚空间，防止盾构推进中浅覆土二次沉陷造成塌方冒顶。5．3扬子江隧道工程建设中的问题南京长江隧道工程的建设经验对扬子江隧道工程有很好的借鉴作用，但是在扬子江隧道建设中依然出现了许多问题，尽管扬子江隧道工程对盾构的设计和施工管理方面做了很多充分的准备，但是在其建设过程出现的问题也值得我们反思。首先表现对工程地质的认识不足，造成盾构刀具设计不合理以及刀具配置无法适用超大断面隧道上软下硬地层的耐磨要求，致使刀具磨损严重，开挖速度慢，延误了工程工期。同时由于水压力大，盾构刀具带压作业尽管前期做了很多准备，但是工程技术人对实际情况的预判还有较大差别，造成盾构刀具更换缓慢，同时也延误了工期。6结语南京长江隧道工程与南京扬子江隧道工程在地下工程领域内均为世界级难度的工程，本文对其施工技术特点尤其是盾构隧道施工技术的对比，无论是对国内甚至国际同类工程的建设都有一定的参考价值，其中南京长江隧道工程的建设取得了多项科研成果和国家专利，为中国水下工程在复合地层条件下建设积累了宝贵的经验。在扬子江隧道工程建设中，因为汲取了南京长江隧工程建设成功的地方，也总结了其中失败之处，深入研究扬子江隧道工程技术难题，为该工程的顺利贯通奠定坚实的基础，两项超大直径盾构设计与施工取得的宝贵经验为国内以及国际同类工程的建设提供有益的参考。参考文献【1]黄德中．超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究Ⅱ]现代隧道技术，2011,V48(4)：65—71HUANGDeZhong．ResearchofSoilImprovementduringSuperLargeDiameterEarthPressureBalancedShield16Ⅱ】，2011,V48(4)：65—71【2】周文波超大直径土压平衡盾构在中心城区公路隧道中的应用技术探讨Ⅱ]现代隧道技术，2013，V50(3)：1—7ZHOUWenBo．DiscussionoftheApplicationofExtra—LargeDiameterEPBShieldstoRoadTunnelsinCentralUrbanAreas[J]，2013，V50(3)：1—7[3]施仲衡．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997ShiZhonheng．Designandconstructionofundergroundrailways【m】．Xian：Shanxiscienceandtechnologypress，1997【4】张民庆何志军游旭等．铁路隧道底部混凝土质量评定的研究与应用Ⅱ】．铁道工程学报．2015，NO．9：85—91【5】5竺维彬，王晖，鞠世健．复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策Ⅱ】现代隧道技术，2006，43(4)：72—76．ZhuWeibin，WangHui，JuShijian．Analysisofdisccutterofshieldsincompositegroundandcountermeasures[J1．ModemTunnelingTechnology，2006．【6】6赵明高水压盾构隧道管片接缝防水可靠性试验研究U]．现代隧道技术，2013，V50(3)：87—93ZHAO—Ming．ExperimentalStudyontheReliabilityofShieldTunnelSegmentJointstoRemainWatertightUnderHighWaterPressurelJ】，2013，V50(3)：87—93【7]骆汉宾宫培松胡其虎等．地铁设计管理系统的研究与应用Ⅱ】．铁道工程学报．2013，NO．9：85—91LUOHan—binGONGPei—songHUqi—hui．Astudyandapplicationonmanagementsystemofmetrodesign[J]Journalofrailwayengineeringsociety．2013，NO．9(ser．180)：85—91[8】王良．盾构法施工在北京地铁5号线的应用U]．都市快轨交通，2004，17(5)．WangLiang．ShieldmethodconstructioninBeijingMetroLine5lineoftheapplication[J]．Urbanrapidrailtransit，2004，17(5)．【9】杨红军，徐军哲．盾构施工工程技术人员应具备的能力U】现代隧道技术，2011，V48(4)：55—58YANGHongJun，XuJunZhe．QualificationofTechniciansforShiddTunneling[J]，2011，V48(4)：55—58【10】李洪祺．复合式TBM在重庆地区复合地层的适应性分析Ⅱ】．建筑与工程，2011，(9)：678—683LIHongqi．AdaptabilityAnalysisofCombinedTBMPassingthroughMixGroundinChongqingArea[J]．ArchitectureandEngineering，2011，(9)：678—683