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1、1,南京长江隧道超大直径盾构掘进施工技术,题目,2,工程概况,汇报内容,盾构掘进施工,盾构始发,汇报内容,盾构接收,施工体会,3,一、工程概况,工程概况,1、工程简述,2、工程难点及特点,4,1. 工程简述,南京长江隧道位于南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区梅子洲浦口区，是南京市规划的五桥一隧重要过江隧道工程。,南京长江隧道,南京长江大桥,南京长江三桥,工程概况,本工程采用“左汊隧道+右汊桥梁”方案，左汊隧道分左右两线，左线盾构隧道全长3022.025m，右线盾构隧道全长3014.76m。隧道按双向6车道快速通道规模建设，设计车速80公里/小时。,5,1.工程简述,工程概况,本隧道的结构形
2、式为双管单层，采用两台德国海瑞克公司生产的超大直径泥水混合式盾构掘进机施工，盾构开挖直径14.96m，管片环外径14.5m，内径13.3m，壁厚0.6m，环宽2m，混凝土设计强度等级C60，抗渗等级S12。,6,南京长江隧道在当前同类型盾构隧道中属于世界上第二大超大直径盾构隧道，同时又是世界上地质条件最为复杂的超大直径泥水盾构隧道，具体有以下四个工程特点:,2. 工程难点及特点,超浅覆土始发与到达：由于受线路控制影响，本工程盾构始发段属于超浅埋，最浅覆土厚度为5.5m，仅为0.37D，主要穿越地层为流塑状的层淤泥质粉质粘土和层淤泥质粉质粘土夹粉土，在国内盾构超浅覆土始发施工中尚属首例，施工技术
3、难度非常大。,工程概况,7,二、盾构始发,盾构始发,1、洞前加固及洞门破除,2、盾构机超浅覆土始发,8,1. 洞前加固及洞门破除,盾构始发,全断面加固,顶棚加固,高压旋喷桩加固,冷冻法加固,洞门破除后的冷冻面,1）洞前加固,9,南京长江隧道指挥部,1. 洞前加固及洞门破除,盾构始发,2）洞门破除,洞门圈内1.0m厚连续墙，分三次进行破除。第一次破除在冻结前进行，主要破除地下连续墙10cm厚的外层钢筋；第二次破除在冻结墙完全胶结后进行，破除厚度60cm，从上到下分块破除；第三次破除在负8环管片拼装完成后进行，同时应结合负环管片的安装进度进行。施工中为了确保洞门破除及盾构始发万无一失，提前采取井点
4、降水方法降低地下水位，以便减小洞前土体的侧向压力。,10,2. 盾构机超浅覆土始发,盾构始发,钢管撑,冷冻管,反力架,11,三、盾构掘进施工,1、盾构掘进参数控制,2、盾构掘进姿态控制,3、泥水管理,4、同步注浆施工,5、管片拼装,6、中箱涵施工,12,1.盾构掘进参数控制,盾构掘进施工,由于南京长江隧道水域长度长达2500m，占盾构段总长度的82以上，且地质条件复杂多变，当盾构机进入江中后，无法采用现有手段对江底掘进断面进行实时精确监测，因此，不同地质地段掘进施工参数的设定、控制与修正，是掘进施工中的关键控制技术。,13,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定及控制,盾构掘进施工,1）淤泥质粘土地
5、段（K3+600+850）（采用水土合算方式）,泥水压力上限值: P上=P1P2P3= K0(H h) sath20,泥水压力下限值: P下=P1P2P3= Ka (H h) sath20,由于本隧道以粉细砂、砾砂地层为主，地层渗透系数大，透水性强，根据国际上泥水盾构的施工经验，切口水压的上、下限值设定值通常采用的静止土压力和主动土压力进行控制，除始发段不透水的淤泥质黏土地层采用水土合算外，其余地段均采取水土分算的方法进行计算，同时结合本工程地质特点及刀盘对掌子面的支撑作用，关键要根据地表监测数据，对理论计算的泥水压力及时进行修正。,14,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定及控制,盾构掘进施工,
6、2）其它透水层地段（K3+850 K6+620）（采用采用水土分算方式）,泥水压力上限值: P上=P1P2P3= w(hw+h)K0h20,泥水压力下限值: P下=P1P2P3= w(hw+h)Kah20,根据以上两种计算方式，盾构机掘进时的切口泥水压力应介于理论计算值上下限之间，并应根据盾构机实际开挖干砂量的变化情况、地表建构筑物的沉降情况以及盾构机掘进当中掘进参数的异常情况进行适当调整。,15,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定及控制,盾构掘进施工,3）施工监测与压力调整,右线盾构岸边非加固浅覆土区地层沉降监测孔布置立面图,泥水压力 P=P下0.2bar通过横向检测断面I及监测点A、B,以正
7、常泥水压力通过监测点C,泥水压力 P=P上0.2bar通过横向检测断面II及监测点D、E,16,南京长江隧道指挥部,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定及控制,盾构掘进施工,右线盾构岸边非加固浅覆土区地层沉降监测孔布置平面图,17,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定及控制,盾构掘进施工,3）施工监测与压力调整,18,1.盾构掘进参数控制泥水压力设定与控制,盾构掘进施工,4）泥水压力控制小结,根据监测数据统计显示：采用理论计算压力设定泥水压力参数完全满足掌子面开挖稳定要求；当压力设定小于计算下限值0.2Bar以下，虽然在淤泥质黏土中能保持掌子面平衡，但对于其它透水地层由于地面沉降量超过90mm以上，极
8、易造成地表塌陷和掌子面失稳的风险；当压力设定大于计算上限值0.2Bar以上时，对于该地层由于隆起量超过50mm以上，且在池塘处出现冒气泡现象，虽然没有出现冒浆击穿覆土，但对其它透水地层有极大的冒顶风险；因此对于地表沉降控制严格的地段选用上限值控制为好；对于浅覆土且地表沉降控制不严地段，为防止压力过高或波动引起地面冒浆，压力参数选为下限值控制为宜，同时要保证推进速度平稳，进出浆流量平衡，推进过程中压力波动严格控制在：1010kPa以内。,19,1、盾构掘进参数控制其它掘进参数控制,盾构掘进施工,1）推进速度与推力,正常掘进条件下，掘进速度应设定为3040mm/min；在盾构机通过砾砂、圆砾地层时
9、，掘进速度应控制在2530mm/min，一般情况下，推力随着泥水压力的大小和推进速度的快慢而增大，正常情况下根据本项目不同的地质情况，盾构掘进施工总推力最大不易大于额定总推力的70进行控制。,盾构掘进速度设定及控制时，应注意以下几点： 盾构启动时，盾构司机需检查千斤顶是否顶实，开始推进和结束推进之前速度不宜过快。每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大冲击扰动地层。 每环正常掘进过程中，掘进速度值应尽量保持衡定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。在调整掘进速度时，应逐步调整，避免速度突变对地层造成冲击扰动和造成切口水压摆动过大。 推进速度的快慢必须满足每环掘进注浆量的
10、要求，保证同步注浆系统始终处于良好工作状态。 掘进速度选取时，必须注意与地质条件和地表建筑物条件匹配，避免速度选择不合适对盾构机刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧道周边土体扰动过大。,20,1、盾构掘进参数控制其它掘进参数控制,盾构掘进施工,2）刀盘转速与扭矩,掘进施工中，刀盘转速选择要结合不同地层的软硬程度和盾构机设计的最大掘进扭矩综合考虑。,根据海瑞克设计生产的盾构机性能参数和本项目地质水文特点，依据盾构试掘进的掘进经验指标，该盾构在不同地质的地段施工掘进参数控制如下表：,各地层盾构掘进参数控制表,21,南京长江隧道指挥部,、盾构姿态控制,盾构掘进施工,根据盾构试掘进段施工参数的修正，最终确
11、定正常掘进施工参数，同时为了使盾构机保持良好的掘进姿态，施工中需进行动态的现场掘进管理，具体如下：,（1）根据地质条件、覆土厚度和现场的掘进姿态对部分设定掘进参数进一步优化组合。,（2）推进姿态控制：推进过程中，严格控制好推进方向，将施工测量结果不断地与计算的三维坐标相校核，及时调整。为了控制掘进姿态，要求每环掘进过程中，盾构姿态要保持平稳，尤其是竖向方向高度：盾尾保持在+5+20mm范围，盾构机前段保持在+10+30mm，竖向抬头趋势尽量控制在+10+30mm/m。严禁在每环掘进过程中出现“上穿下跳”现象。同时均衡盾构机掘进姿态与管片拼环姿态的一致性。,（3）盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧
12、道轴线和折角变化不能超过0.4%。,（4）盾构掘进施工全过程须严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘察、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量不超过4mm/环，以减少对地层的扰动。,（5）做好施工记录：盾构推力、掘进速度、刀盘转速、切口和气垫仓压力、泥浆流量、进出浆比重、注脂压力、注浆压力、盾构竖直及水平偏差及盾构机设备运行状态等。,22,南京长江隧道指挥部,、泥水管理,盾构掘进施工,泥水流程图,制浆
13、剂,新浆池,调浆池,P1泵,分离设备,沉淀池,P2泵,泥浆指标测试,盾构机,渣土外运,沉淀池,调浆池,泥水处理系统,泥水管理控制系统,P1泵,盾构操作页面泵,P1泵,射线密度仪,P2泵,23,3、泥水管理,盾构掘进施工,1）泥浆指标选定,针对本工程复杂的地层特点，盾构掘进施工中，要想保持掌子面的稳定，就必须配制高质量的泥水，高质量的泥水是通过合理的泥浆指标来实现的。主要的泥浆参数包括比重、粘度、含砂率、析水量和PH值等参数，施工中必须进行严格控制。,比重: 泥水比重是一个主要控制指标。掘进中进泥比重不易过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，降低掘进速度；过低则不利于开挖面的稳定。本工程粘土层比
14、重选取1.151.2，粉细沙层比重选取1.21.23，砂砾层比重选取1.21.25。,粘度:泥水粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求及泥水处理系统的配套来讲，要求泥水的胶凝强度（静切力）适中；粘度过高，增加分离难度；粘度过低，泥膜形成困难，携碴能力变弱，不利于掌子面稳定。本工程在粘土层中选取粘度为1718s，粉细砂层粘度为1819s，粉细砂与砂砾、砾石混合地层粘度为2325s。,析水量和PH值:析水量和PH值是泥水管理中的一项综合指标，它们在更大程度上与泥水的粘度有关，悬浮性好的泥浆就意味着析水量小，反之就大。本工程泥水的析水量控制在5%以下，PH值为910。,含砂量:透水系数大的地
15、层，泥浆中的砂粒对土体孔隙有堵塞作用，故泥膜形成与泥浆中砂的粒径及含量有很大关系。泥水处理中保留有用的粘土颗粒，有利于开挖面形成泥膜。本工程泥水含砂量控制在1525。,小结:在砾砂、粉砂层中掘进时，由于工作泥浆不断地被劣化，比重逐渐降低，需要不断地调整泥水的各项指标，同时采用废浆回收或添加粘土的方法来调整比重和其它指标；在粘土、淤泥质粘土中掘进时，由于粘性颗粒不断增加，使排放的泥浆浓度越来越高，施工中主要采用弃浆加水方法进行稀释调配。,24,南京长江隧道指挥部,3、泥水管理,盾构掘进施工,2）泥浆配制,为了应对南京长江隧道穿越的复杂地质条件，同时考虑解决开挖面泥膜形成、环流系统携砂、泥水分离等
16、问题，按照设定的泥浆性能指标，在本工程中优先选用了采取复合型高分子聚合材料配制泥浆的方法。,、号地层:淤泥质粉质粘土地层，0.075mm颗粒占整地层颗粒的90%左右，该地层泥浆的配制主要依赖地层的自造浆功能，由于分离系统对该地层不能进行有效地分离，为了降低泥浆比重，主要是通过弃浆加水来实现。泥浆比重控制在1.151.2之间，粘度控制在1718s。,、号地层:砾砂、卵砾石地层，属于强透水地层，该地层细小颗粒含量少，地层颗粒间孔隙大，开挖面泥膜形成困难，地层中有粒径大于110mm的卵石，泥浆携砂困难，容易造成堵管，针对本地层，泥浆需要通过增加粘土颗粒并采用华北油田生产的NSHS-1、 NSHS-2
17、和NSHS-3号制浆剂综合调配，泥浆比重控制在1.21.25之间，粘度控制在2325s之间。,、号地层:粉细砂地层，渗透系数较大，70%左右颗粒粒径主要集中在0.10.25mm之间，粉粘土含量少，颗粒继配不良，地层自造浆能力有限，泥浆容易出现析水现象，从而引发开挖面失稳，故本地层的泥浆配制需通过使用华北油田生产的NSHS-1和NSHS-3大中分子聚合材料进行调配，泥浆比重控制在1.21.23之间，粘度控制在1819s。,泥浆自动配料系统,25,南京长江隧道指挥部,3、泥水管理,盾构掘进施工,3）泥水分离,根据盾构机掘进能力，左右线盾构机各用一套黑旋风ZX-3000B泥浆处理系统进行泥浆处理，每
18、条线处理能力为3000m3/小时，采用二级分离方法进行泥水分离，泥水分离后渣土采用泥浆泵泵送和车辆运输两种方案进行集中弃置。,泥水分离渣土场,26,南京长江隧道指挥部,4、同步注浆施工,盾构掘进施工,同步注浆流程图,浆液配制,浆液指标测试,浆液搅拌,移动砂浆罐进行浆液运输,固定砂浆罐搅拌存放,砂浆压注,注浆效果监测,二次注浆,同步注浆浆液室内试验,同步注浆浆液室内试验,同步注浆浆液室内试验,同步注浆浆液现场试验,全自动浆液搅拌站,移动砂浆罐,固定砂浆罐,同步注浆效果监测,同步注浆泵,27,4、同步注浆施工,盾构掘进施工,固结体强度： 28天抗压强度不小于0.5MPa（大于强风化岩天然抗压强度）
19、；,1）浆液配制指标,浆液结石率：95%，即固结收缩率5%；,浆液塌落度：1822cm或2226cm（根据不同地层调整选取）；,浆液扩散度：控制在4045cm；,浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%；,比重：1920Kg/m3；,28,4、同步注浆施工,盾构掘进施工,同步注浆压力最小值=（注浆孔所在点水土压力+管道中的压力损失）0.75,同步注浆压力最大值=（注浆孔所在点水土压力+管道中的压力损失）1.25,本盾构机沿盾构圆周共设6根同步注浆 管，上部为1、6号，中部为2、5号， 下部为3、4号；上中下3排注浆管的注 浆压力应按照以下公式分别进行计算设定:,其中：管道
20、中的压力损失在盾构机现场组装时通过注浆试验已现场测定；水土压力根据实际地质情况进行计算。,2）注浆压力计算,29,4、同步注浆施工,盾构掘进施工,每延米理论注浆量的应为：Q=（D12D22）/410.64m3,注浆量采取理论注浆量 注浆压力双重指标控制:,2）注浆量计算,30,南京长江隧道指挥部,4、同步注浆施工,盾构掘进施工,3）壁后注浆效果监测,为了及时地验证注浆参数的合理性和管片背后填充的密实性，管片环脱出盾尾且同步注浆固结超过7天以上，采用美国GSSI公司生产的Sir3000型地质雷达对成型隧道管片背后同步注浆效果进行监测，通过对LK3+642+654段拱顶管片的检测显示，注浆填充密实
21、，无空洞，注浆参数设定合理；否则及时调整前方注浆参数，同时对后方注浆不密实部位利用管片预留的二次注浆孔采用双液注浆方式进行二次注浆加固。,壁后注浆效果监测,壁后注浆监测效果,31,管片防水条粘贴,管片装车及运输,喂片机传递管片,管片拼装及量测,管片连接紧固,管片拼装流程图,管片拼装机吸附管片,南京长江隧道指挥部,5、管片拼装,盾构掘进施工,管片制作,管片性能试验,管片养护及存放,本隧道全线采用左（Z）、右（Y）环通用楔形环管片，1/3错缝拼装方式，管片设计最大楔形量48mm，管片拼装流程如下：,管片制作,管片养护及存放,管片防水条粘贴,管片装车及运输,喂片机传输管片,管片拼装机吸附管片,管片拼
22、装及量测,管片运输,管片检漏试验,管片三环拼装试验,管片连接紧固,32,5、管片拼装,盾构掘进施工,管片拼装技术要点：,（1）在进行线路拟合及施工纠偏时，后续环可在Y、Z型两种类型中选择，在保证线路中心偏差满足要求的情况下，尽量选择封顶块位于隧道上半部的安全拼装组合。,（2）直线环宜采用ZY组合方式进行，且封顶块位于隧道上半部分的工况拼装，在满足施工误差和线路拟和误差精度的前提下，宜尽量采用封顶块位于隧道竖直中心线左右30度附近的位置拼装。,（3）管片安装时必须从隧道底部开始，然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。每安装一块管片，需严格测量管片纵环缝安装误差不大于1mm，检查管片防水条是否密贴，
23、定位销是否就位，并立即将管片纵环向连接螺栓插入紧固。,（4）管片安装完后，当管片环被完全推到盾尾密封位置时进行第二次紧固，完全脱离盾尾后再对管片连接螺栓进行第三次紧固。,（5）安装管片时采取有效措施避免损坏防水密封条，并应保证管片拼装质量，减少错台，保证其密封止水效果。,33,南京长江隧道指挥部,6、中箱涵施工,盾构掘进施工,箱涵制作,箱涵养护及存放,箱涵运输,箱涵起吊安装,箱涵连接,中箱涵拼装流程图,中间箱涵由专用运输车运至工作面后，利用盾构后配套箱涵吊机吊起，运至前方作业面，由专用的箱涵吊装夹具完成拼装就位，工艺流程如下：,箱涵制作,箱涵存放,箱涵起吊,箱涵安装,箱涵连接,34,6、中箱涵
24、施工,盾构掘进施工,（1）安装时，中间箱涵顶面与圆形隧道结构水平轴线距离、中箱涵竖直轴线与圆形隧道结构竖直轴线距离偏差需控制在10mm之内。,（2）中箱涵与管片环应一一对应，不宜跨缝拼装，如出现则通过较宽管片环位置进行调整。由跨缝拼装造成的高差，需用高标号砂浆找平。,（3）平、竖曲线段中箱涵拼装时，可通过在中箱涵位于曲线外侧长边部位粘贴薄板（如丁晴软木胶板）的方式调整间隙，以实现对曲线半径的拟合。,中箱涵施工技术要点：,35,四、盾构接收施工,盾构接收,1、盾构接收轴线控制,2、盾构接收实施方案,3、盾构接收施工流程,36,南京长江隧道指挥部,1、盾构接收轴线控制,盾构接收施工,盾构接收轴线控
25、制包括：提前二个月完成二级GPS网和二等水准网跨江联合复测、每月一次的始发接收井和洞内三等导线二等水准控制两级复测、每掘进50环进行一次的盾构姿态复测等三部分内容，同时对接收井洞门圈进行详细复测，复测结果控制在-30+30mm之内，完全满足设计的接收控制精度要求。,盾构接收掘进姿态控制：在距离接收井洞门圈200m位置开始实施盾构掘进姿态精细控制，通过不同部位千斤顶推力和管片拼装姿态，严格控制开挖面中轴线在-30mm+30mm之间，盾构机前后姿态偏差不得超过50mm。,盾构姿态复测结果断面,掘进姿态控制断面,37,2、盾构接收实施方案,盾构接收施工,根据本工程环境条件、盾构选型、实际地质状况及综
26、合风险分析，首次采用井内灌水、井外降水+复合式洞前加固的综合接收方案，成功实现了超大直径泥水盾构在复杂地质条件下的安全接收，该方案常规洞门密封结构失效带来的风险。具体接收方案示意如下：,38,南京长江隧道指挥部,3、盾构接收施工流程,盾构接收施工,水位降至洞门圈以下3.0m,砂浆接收基座施工,接收井内灌水至洞门圈顶部以下1.5m,冷冻管拔除,实施管井降水,洞门破除,39,施工体会,通过本隧道施工，在超大型泥水盾构掘进施工中有以下几点体会：,（1）压力控制是泥水盾构施工的生命线。泥水压力的设定与控制尽量采用气垫仓压力进行控制，切口压力进行随时校核的控制方式，严禁出现较大的压力浮动，推进过程中的压
27、力浮动值控制在-10+10kPa（通过气垫仓液面调整）；理论计算必须通过地表监测数据来验证修正；按照不同地层分别采用水土分算和水土合算方式进行理论计算。,（2）对于长距离水下盾构掘进施工。掘进过程中要严格控制掘进姿态和管片拼装姿态一致性，保持盾尾间隙的均匀性，避免盾尾间隙出现较大偏差，防止盾尾泄露等重大风险发生。,（3）对于泥水盾构在浅覆土地层施工中必须保持不间断快速平稳推进，严格控制切口压力、压力波动和泥水偏差流量，严禁（除管片拼装外）长时间停机。,（4）同步注浆要采取注浆压力和理论注入量双向控制，其中压力为主控，并随推进速度及时调整注浆流量，确保管片背后注浆饱满密实。浆液流动性能最好以坍落度和扩散度来控制，严禁出现离析、大量泌水等，同时要加强背后注浆效果监测。,（5）对于大直径泥水盾构的接收要根据实际工况充分考虑轴线控制偏差、压力逐级消减控制、切断盾构接收时的密封通路、提供足够的接收反力，避免偏位、冒顶、管涌、坍塌、沉降变形等重大接收风险。,40,谢 谢请批评指正！,
