石新棟，吳全立

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

0 引言

為了構筑南京浦口新區(qū)與江南之間城市跨江交通網架的需要，根據現(xiàn)有南京市城市交通總體發(fā)展規(guī)劃，擬形成“3鐵、4軌、8路”共10個通道的南京長江段過江通道總體規(guī)劃?，F(xiàn)正在籌劃建設的2條地鐵過江隧道與南京緯三路過江隧道，計劃于2015年前建成通車，屆時將形成“2軌、3橋、2隧”交通網絡?，F(xiàn)緯三路過江隧道工程已經開工，地質情況極其復雜，具有高透水、高水壓特征，集砂卵石、砂巖基巖為一體，采用盾構法施工，一次掘進長度達4 140 m。

上海崇明島越江隧道主要以淤泥質地層和部分粉砂地層為主，具有超大直徑、高水壓作用、一次性長距離施工、穿越復合土層等特點，對本工程岸上段有一定借鑒經驗［1－3］;北京直徑線隧道及成都、北京地鐵工程在砂卵石地層方面對刀盤刀具的磨損取得了不少經驗教訓［4－5］;北京直徑線隧道和武漢長江隧道取得了小于0.3 MPa 壓力下帶壓作業(yè)的經驗［5－6］;武漢長江隧道在常壓狀態(tài)下對泥漿門進行永久修復，為泥水盾構泥漿門的維修及盾構泥水倉內設備維修提供借鑒經驗［7］;南京緯七路隧道在常壓換刀機構設計上具有可供借鑒的經驗［8］。本文作者及研究團隊積極吸取國內主要研究成果，在前期工程籌劃階段主要針對本工程地質特點及存在的地質問題提出相應的施工對策，為工程的前期籌劃方案制定及盾構機選型提供技術依據。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

緯三路過江隧道工程位于南京長江大橋上游5 km處，連接南京江南主城區(qū)與江北浦口新區(qū)。江北連接線位于南京市浦口區(qū)浦珠路沿定向河路穿越長江，沿線現(xiàn)狀以農田為主，浦珠路和定向河兩側分布有部分民房和工廠，江南連接線位于下關區(qū)及鼓樓區(qū)緯三路與江東北路交叉口東側，建筑物較為密集，并分布著國家一級文物保護單位——寶船廠遺址。

緯三路過江通道所在位置河道順直，呈南西－北東向展布，江面由潛洲、江心洲分為3個航道，隧道先后從這3個航道下穿過。

1.2 設計概況

緯三路過江通道采用8車道“X”形盾構隧道方案(見圖1)，從浦口到定淮門將有2條隧道“X”形交叉過江，隧道設計為雙層雙向8車道。左右線分離布置2管，盾構直徑為14.5 m，內設上下層雙向4車道。通道道路等級按城市快速路設計，設計車速為80 km/h，道路最小平曲線半徑為1 000m，最大縱坡為4.5%;道路凸形豎曲線最小半徑為4 500 m，凹形豎曲線最小半徑為2 700 m，設計使用年限為100 a，地震基本烈度為7度，暫按8度設防。

圖1 8車道“X”形盾構隧道方案平面示意圖Fig.1 Alignment of shield-bored tunnel

本工程南線隧道全長4 755 m，其中盾構隧道長4 140 m，覆土厚度為10.8 ～51.5m;北線全長5 337m，盾構隧道長3 433 m，覆土厚度為9.8～51.5 m。隧道采用預制管片襯砌并作為永久襯砌，單環(huán)管片數(shù)十塊，管片外徑14500mm，內徑13300mm，厚600mm，寬2 000 mm，最大單塊質量為15 t。

南線在梅子洲設置風井，與南線盾構隧道相接，風井結構內徑為26.8 m，開挖直徑為29.2 m，開挖深度為43.3 m，先行施工風井再由盾構施工通過。

1.3 工程地質與水文地質

根據地質資料顯示，隧道穿越區(qū)域河勢變化較大(預計河床的最大沖刷線位于現(xiàn)狀河床以下約10.0 m)。隧道穿越的地層較為復雜，主要分布有淤泥質粉質黏土層、粉細砂層、細砂層、礫砂層、圓礫層和砂巖、泥巖基巖地層。隧道穿越江中地段有長達740 m的卵石以及高強度砂巖混合地層，掘進斷面巖性差異明顯、上下軟硬不均，上部砂卵石層石英含量高，下部基巖為砂巖、泥巖，平均抗壓強度為60～80 MPa，勘探取芯最高抗壓強度可達120 MPa，屬高強度硬巖(見圖2)。

隧道設計高水位按穿越江域百年一遇水位(吳淞高程11.080m)計算，按三百年一遇水位(吳淞高程11.550 m)驗算。設計低水位按歷史最低水位(吳淞高程1.54 m)計算。

本隧道最大覆土厚度約54 m，按最高水位計算最大靜水壓力約0.77 MPa，江中段隧道穿越溝槽最小覆土厚度為9.8m，隧道穿越多種地層，結構受力不均衡。

圖2 南線隧道地質分段縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of geology of south tunnel tube

1.4 工程重點及難點

1)超大直徑盾構。開挖直徑達14.96 m，盾構機選型是重點;而江底地質勘探具有較大的不確定性，需進一步加密細查，為盾構機選型和施工方案制訂提供必要的條件，是本工程前期工作的重中之重。

2)長距離江底掘進。南線推進長度達4 140 m，刀具管理與維護是本工程的重點，盾構機選型要考慮一次推進不帶壓檢查的可行性，同時也要在盾構機設計上進行刀具檢查和刀具更換多種備用方案，施工過程中刀具檢查及更換是本工程控制安全風險的重點。

3)高達0.77 MPa的最高靜水壓力。應保證盾構機整體密封性能，重點確保盾尾密封、主軸承密封的整體性能。施工中確保高水位下盾構密封功能的有效性，是確保盾構過江防止突涌的重要保障，是本項目從盾構機采購選型及施工維護上的重點。

4)覆土厚度小。受深槽影響，江中段最小覆土9.8 m，而江中覆土以卵石層為主，與江底水力聯(lián)系緊密，淺覆土高水壓使盾構泥水壓力維護困難，如何保證不擊穿江底是控制盾構泥水工作壓力的難點。

5)穿越地層強度高。江底長達700 m，上部為卵石層，下部為砂巖地層，盾構機刀盤設計、刀具配置及制造監(jiān)造是盾構機江底推進地層適應的關鍵所在，是本工程的控制重點。

2 主要地質問題及風險分析

2.1 江中高水壓，覆土厚度小

目前長江上的另外3條盾構隧道，上海滬崇蘇和武漢過江隧道水壓約為0.6 MPa，南京長江緯七路隧道水壓約為0.65 MPa，而南京長江緯三路隧道盾構機最高靜水壓力達0.77 MPa，考慮水土壓力其工作壓力將不低于0.85 MPa，比武漢、崇明長江隧道和臨近的緯七路隧道都要高。高壓力下盾構機能否正常工作，特別是保證盾構機密封性能，進行江底高水壓下安全有效的刀具檢查和更換，對設計、盾構機選型、制造和施工都是一個挑戰(zhàn)。

如果計算水土壓力，江中段盾構機的工作壓力高達0.6～0.85 MPa，在此高水壓條件下，現(xiàn)狀覆土厚度為0.7倍洞徑，最小覆土厚度為9.8 m，而江中段拱頂以上主要為砂與卵石地層，屬高滲透性地層，與江水直接相連;因此，一方面需要高的泥水壓力維護工作面的穩(wěn)定，一方面由于拱頂淺覆土高滲透地層極易發(fā)生泥水劈裂地層，造成泥水噴發(fā)江水倒灌的工程事故，風險極大。

2.2 江中復合地質條件下盾構推進的高風險

緯三路長江隧道江中段主要為松散、稍密－中密的粉細砂地層、礫砂、卵石層以及下部為砂巖基巖的復合地層。主要穿越地層屬中高滲透性地層，滲透性遠高于上海滬崇蘇隧道，與武漢過江隧道比較接近，但是水壓比崇明、武漢過江隧道高近0.2 MPa。在如此高透水性地層條件下，最大靜水壓力達0.77 MPa，江底隧道掘進風險是巨大的，特別是在河床地勢起伏變化急劇段(河床地形最大坡度超過40°)如何安全、順利施工是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

盾構通過江中地段數(shù)百m長度為粉細砂、礫砂和卵石以及高強度砂巖、泥巖的混合地層，掌子面巖性差異明顯、上下軟硬不均，上部砂卵石層石英含量高，對刀盤刀具磨損和抗沖擊能力要求高，下部基巖平均強度等級為60～80 MPa，最高達120 MPa，屬高強度硬巖。由于其石英含量達到65%，對刀具磨損嚴重，需要換刀的頻度高，同時由于其上部為高透水的砂卵石，也不同于獅子洋隧道全巖石地層可以常壓開艙更換刀具;因此，本項目江底段既要考慮刀盤和刀具的耐磨要求，也要考慮風險小、技術可靠的換刀功能，同時還要考慮不利條件下帶壓換刀作業(yè)，對盾構機選型要求更高。

2.3 過江一次掘進距離長

南京緯三路過江通道盾構段基本上是先軟土地層，再硬巖地層，然后過江后再到軟土地層，大致為:始發(fā)后首段為土砂地層與卵礫石地層，長900～1 100 m;中間段為上卵礫石下中風化砂巖，長約700 m;最后一段為卵礫石及砂土地層，長1 700～2 300 m。先軟后硬再軟的地層特點，要求盾構機刀具布置上能夠作到滾刀與切削刀使用功能的自由切換;而南線長達4 140 m的盾構隧道，江面寬度達2 500多m(比武漢長江隧道長800 m)，由于江中存在卵石與砂巖地層，無法設置檢修井。因此，其地層條件差，水壓高，設備檢修和換刀風險大。由于盾構直徑大，盾構機邊緣刀具開挖軌跡長度遠遠大于小直徑的盾構機，再加上砂卵石及高強度砂巖地層特點，刀具耐磨性預測、刀具檢查及換刀存在較大安全風險。

2.4 埋深變化幅度大

最大埋深達66 m，是國內盾構隧道最大埋深。與進出洞岸上段、受河床影響的河中段覆土相對應，埋深變化幅度大，因地下水位受洪水影響變化，造成盾構推進過程中泥水壓力控制較困難。

3 施工對策

3.1 盾構機選型

3.1.1 盾構機選型的原則

根據以上分析，確定了盾構機選型的原則為:充分滿足地質情況，具有針對性的風險處理對策，盾構密封及設備制造的高可靠度，盾構刀盤與刀具設計按不帶壓進艙設計，預設完善而可靠的帶壓進艙功能裝備，設計可靠有效的換刀、檢查刀具功能裝備。

3.1.2 盾構機基本選型

本工程是穿越長江的隧道，盾構掘進的地層有淤泥質粉質黏土層、粉細砂層、細砂層、礫砂層、圓礫層和基巖層。其地質條件復雜，地層透水性好，與江水直接相通，含水量豐富，水壓高達0.77 MPa。除全斷面基巖外其他地層段穩(wěn)定性都很低，容易坍塌。特別是在盾構通過江中沖積槽時，盾構與開挖面的壓力平衡必須精確控制，確保盾構前方和上部的土體穩(wěn)定。土壓平衡盾構機依靠調節(jié)螺旋輸送機出土速度和推進油缸的推進速度來調整土壓，土艙壓力波動大，難以有效控制盾構前方和上部土體下沉。泥水盾構通過控制進/排流量、進漿壓力來控制泥水艙壓力，泥水艙壓力波動小，能夠有效地控制盾構前方和上部土體下沉，安全可靠度高。

本項目盾構隧道要穿越較長距離的礫砂層、圓礫層、基巖層，巖土內石英含量高，抗壓強度高，盾構長距離掘進可能需要多次更換刀具。采用泥水盾構由于膨潤土漿液滲入開挖面形成的附壁泥膜在氣壓的支撐下能較好地穩(wěn)定開挖面，換刀人員易于進入泥水艙上部的氣泡空間進行帶壓換刀作業(yè)，能夠確保盾構刀具的正常切削破巖，保證隧道施工順利完成。

綜上所述，本工程選用泥水平衡式盾構機。

3.2 盾構機工作壓力選擇

本工程隧道覆土達54 m，加上長江水深需考慮的水頭高達77 m。根據其埋深及覆土厚度的變化選取了5個不利斷面進行計算，取得工作面正面水土合力可達0.85 MPa，泥水盾構機的泥水艙工作壓力按0.85 MPa取值。

3.3 刀盤與刀具選配

刀盤采用幅條面板構造，屬具有外周加固環(huán)的堅固平面結構，為刀盤適應軟硬不均地層提供足夠的剛度。刀盤幅條設計為可常壓進人更換刀具的裝置，主要對刀盤上安裝的軟土刀具進行常壓更換，該刀具可對軟土及砂卵石地層進行切削掘進，并保證可常壓下更換。面板上設計有固定式滾刀1組和預設可推出式滾刀2組。刀盤(特別是刀盤中央部)采用防止黏性土引起堵塞的特殊設計，適應長距離岸上段黏質土層掘進的需要。為適應長距離掘進、上軟下硬復合地層以及卵石地層耐磨損的需要，對刀盤的面板部、開口邊緣以及外周部實施了詳細而可靠的磨損裝置。為適應挖掘最高150MPa的硬巖，刀盤刀具配置按19″直徑滾刀裝配，刀間距為89 mm，由此可更有效地挖掘硬巖。為便于曲線施工和方向控制，設置仿形刀裝置(2個)。系統(tǒng)設計了液壓和電測2種形式的磨損檢測刀，正確掌握刀盤的磨損狀態(tài)。刀盤后面設攪拌葉片，并通過更廣范圍的土艙內部攪拌，防止挖掘土砂固結。

3.4 江底刀具設計與換刀技術

3.4.1 軟巖段刀具設計

1)采用不同軌跡不同刀具配置。根據刀盤不同直徑軌跡上分別配備4，8，16把特殊先行刀，從而有效提高刀具的掘進長度。

2)采用常壓可更換切削刀。正面每個軌跡上配置2把，保證在軟土地層對可更換刀具進行常壓狀態(tài)下的全面檢查和更換，保證在軟土地層刀具磨損后能及時更換。

3)不同高度配置常壓可更換切削刀。根據所掘進的地層利用刀具不同高低的配置調整其功能，可以實現(xiàn)軟土刀與滾刀功能的自由切換，在軟土及卵石地層先行刀比滾刀高，保護滾刀不被磨損，而進入硬巖地層時將先行刀設置比滾刀低，從而使?jié)L刀發(fā)揮破巖功能。

3.4.2 硬巖段刀具設計

1)采用不同軌跡不同刀具配置。根據刀盤不同直徑軌跡上分別配備1，2，3把固定滾刀，從而有效提高刀具的掘進長度，減少刀具的磨耗和換刀次數(shù)。

2)滾刀采用刀盤內預置備用方案的總體設計理念。固定式滾刀先行在硬巖段前1/3區(qū)段發(fā)揮作用，中間1/3區(qū)段采用第1組推出式滾刀發(fā)揮作用，而最后1/3段則采用第2組推出式滾刀發(fā)揮作用。預置推出式滾刀與固定滾刀合計，則從內到外不同直徑軌跡上分別配置1，2，4，7把滾刀。根據這種設計，按照其刀盤、刀具設計以及設計時正常磨損量的計算，現(xiàn)設計的初始刀具及預置備用刀具，能夠滿足在常壓下?lián)Q刀，完成本次隧道施工。

3)備選方案?；谏鲜龅脑O計，若刀具設計仍不滿足工程需要，則采用以下2種備選方案:①對于可能存在的僅剩余不多硬巖段的掘進，如果滾刀數(shù)量不足，采用可更換式強化切削刀完成巖石區(qū)域的掘進;②對于可能的比較長距離，如剩余1/3區(qū)段長度硬巖段滾刀磨損已盡，則可以采用地層加固的方案，進行一次地基加固改良的施工，降低水壓到0.3 MPa以下，人可以在常壓下進入泥水艙，從而檢查和更換刀具。

3.4.3 帶壓換刀方案設計

設計可靠的二室人閘艙2組，其中一組位于上部與泥水艙相連接，可以在氣壓環(huán)境下直接進入泥水艙，以便于在合適的位置對刀具進行全面檢查和必要時對刀具的更換;另一組位于下部與常壓換刀機構相連接，以便于當常壓換刀機構出現(xiàn)故障時帶壓進行維修。常壓或者預設刀具對策與帶壓進艙裝置是相輔相成的，前者是在預定設計思路下保證盾構快速推進，后者是為了保證不可預見的可能風險對刀具檢查和修復的補救應急措施。

3.4.4 江底水壓最大處的換刀設計

1)采用常壓換刀技術及預置備用滾刀設計，最大限度地減少江底最大水壓處換刀的可能性。

2)利用江底下部巖石的弱透水性、高穩(wěn)定性及江底上部砂卵礫石層高透水的特點，盾構機配備了功能完善的超前鉆孔與注漿系統(tǒng)，作為備用方案需要時可以對工作面前方的巖石裂隙及上部的砂卵礫石層注漿加固，低壓進艙換刀和維護。

3)利用可靠的雙艙人閘設計，配備穿行艙及地面生命維護系統(tǒng)，在需要時帶壓進艙換刀或者進行其他作業(yè)。

3.5 盾構穿越砂卵石地層施工對策

卵石層卵石強度高，刀盤轉動時卵石主要對刀具及刀盤形成沖擊和磨損，易使齒刀崩裂損壞和使?jié)L刀偏磨，對刀盤面板產生磨損。因此，刀盤設計上要求其從材料選擇、耐磨層設計及刀具布置上充分考慮其長距離掘進的耐磨性，同時在刀具布置上采用特殊先行刀布置，并在刀具設計上要求具有良好的抗沖擊能力及耐磨能力，宜選用抗沖擊較好重型貝殼刀或刀軸啟動扭矩較小的具有良好耐磨材料的滾刀。

由于卵石地層可能有大塊巖石進入泥艙，增大泥漿輸送的阻力，需安裝碎石機破碎可能的大徑塊石或者卵石;同時要求輸送泥水泵、管道的輸送能力強且耐磨性高。

3.6 盾構穿越上軟下硬復合地層技術對策

江底隧道V型的下端，也是水頭壓力最大的部位，南北隧道分別有600～700 m砂石與硬質砂巖復合地層，砂巖具有較高的石英含量，上為砂卵石層，下為硬巖地層。

在滾刀配置上對刀具的破巖能力要求高，需安裝破巖能力強的滾刀，但當?shù)段挥谏喜柯咽貙訒r，滾刀容易偏磨，易產生沖擊破壞，且石英含量高，對刀具磨損大;因此，要選用破巖能力高、耐磨性好的重型滾刀，并要求其刀軸啟動扭矩較小。

3.7 高水位淺覆土江底段盾構穿越施工對策

設計最大水位為77 m，也就是說可能存在推進到最低點時水壓達到0.77 MPa。在高水壓下盾構推進，同時砂卵石、細砂及粗砂地層占有較大比例，與江水的連通性較好;因此，在盾構機主軸承密封、盾尾密封上要求具有材料、密封工作原理及技術措施上的可靠性。

盾尾密封采用加強可更換型“4+1”鋼絲刷構造，前2排采用螺栓連接，后3排采用焊接連接。如果存在盾尾密封失效磨損后，可在后3排的保護下對前2排方便地進行更換。

如果維持開挖面穩(wěn)定的泥水壓力容易造成泥水擊穿江水時，可啟動備用方案，可以利用超前鉆機對工作面前方進行預注漿加固，減小拱頂以上砂卵石地層的滲透系數(shù)。

3.8 盾構始發(fā)與到達施工對策

盾構機自江北始發(fā)，至江南工作井到達，由于臨近長江，特別是北線到達井至長江水域僅53 m，盾構機始發(fā)與到達時防止涌水流砂的技術對策是本工程的重點之一，主要采取技術措施如下。

1)采用旋噴加固與降水相結合的雙保險方案，端頭加固長度不小于18 m，確保整個盾構機有效長度在加固體范圍內;沿加固體四周設置止水帷幕，在加固體與止水帷幕間設置降水井降低區(qū)域內水位，確保其破除洞門的穩(wěn)定性與防止地下水的涌出。

2)破洞門前應采用超前鉆機對洞門周邊按3～5 m鉆設1個水平探孔，探孔深度大于盾構機長度2 m，確保周邊加固體完好再行破除洞門。

3)洞門設置雙橡膠布簾密封形式，并在2道布簾之間設置注漿孔。如出現(xiàn)涌水，則采用注漿的形式對涌水進行封堵。

4)盾構到達可采用水下進洞的方案。

3.9 新型檢測刀具技術

將引進先進的視頻及定位技術，以對刀具及刀盤磨損進行適時和更有效的快速檢測，這種方法將最大程度地降低現(xiàn)有水下盾構刀具檢查與更換方面的風險與代價。

3.10 盾尾刷密封技術

為確保高水壓下盾尾密封效果，設計采用5道盾尾刷(以適應高水壓)，其中前方的2道采用螺栓連接以便于更換。5道盾尾密封刷設計示意見圖3。

圖3 5道盾尾密封刷設計示意圖Fig.3 Design of 5 rows of tail skin brushes

4 結束語

南京緯三路過江隧道無論從高水壓一次性掘進長度還是從復合地質特點方面均為國內過江盾構隧道最難工程。本文主要針對工程特點和地質特點，結合國內外類似工程獲得的經驗教訓，進行了風險評估，重點對刀盤設計、刀具配置、盾尾密封、刀具檢查以及刀具更換風險預案提出了針對性的設備配置方案與工程對策，現(xiàn)正在逐步實施和不斷完善，部分方案已在盾構設計中得到了體現(xiàn)，部分觀點還在探討中。

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