武漢長江隧道工程盾構施工演示文稿當前1頁，總共75頁。武漢長江隧道工程盾構施工當前2頁，總共75頁。一、工程概況二、工程重難點分析三、泥水盾構選型和性能四、施工關鍵技術五、淺覆土地面冒漿應對措施六、科技創新

當前3頁，總共75頁。一、工程概況1、工程位置

武漢長江隧道為武漢市重點工程，是武漢市重要的過江交通通道，位于武漢長江一、二橋之間。起點為漢口大智路與銘新街的交叉口，終點為武昌友誼大道南側規劃中的沙湖路，線路平面見下圖。

2.工程規模

工程范圍包括盾構始發井、到達井、盾構隧道、聯絡通道、明挖暗埋隧道、A、B、C、D、E、F六條匝道、管理中心大樓、通風井、路面工程及機電設備安裝工程等。主線隧道建筑總長3630m，其中盾構隧道左右線各長2538.6m，過江段長1310m。

武漢長江隧道總平面圖當前4頁，總共75頁。3.盾構隧道線路平、縱、橫斷面設計概況盾構段隧道線間距為16m～28m，隧道線路平面最小曲線半徑為800m。線路縱坡大致為U形，線路最大下坡坡度為4.35%，最大上坡坡度為4.4%。隧道覆土厚度在6.8-43m之間。盾構隧道為雙洞分離式隧道，襯砌外徑11000mm，內徑10000mm，采用通用（楔形量為55mm）鋼筋混凝土管片。隧道斷面底部設逃生通道和電纜通道，中部為行車道，上部為專用排煙道。為改善隧道的防災條件，在兩條盾構隧道間設置2條聯絡通道。當前5頁，總共75頁。4.隧道穿越地層巖性分布

本盾構隧道先后穿越淤泥質粘土、粉細砂、中粗砂、卵石、上軟下硬復合地層等，具有地層多變、高承壓水等特點。盾構隧道工程地質縱斷面圖當前6頁，總共75頁。武漢長江隧道工程是個高風險、高難度、規模大、技術復雜的涉及多領域的系統工程,技術特點和難點主要體現在長約2.5km，外徑為11m的兩條圓隧道的設計、施工和施工組織等方面，可以用多變、長、大、深、難幾個字來概況：

1、地質條件復雜多變。盾構隧道穿越的地層,進出洞段以粉質粘土、粘土、淤泥質粘土為主，江邊及江中段以粉細砂及中粗砂為主，江中段局部穿過上軟下硬的復合地層，地質條件復雜且多變，且隧道穿越的地層透水性強，最大水壓達0.6Mpa。對盾構機性能（適應性、可靠性、耐久性）要求高。二、工程重難點分析當前7頁，總共75頁。2、高水壓。在最大水壓0.6Mpa下盾構推進的施工安全和工程防水是重點。關鍵是保證主軸承密封、盾尾密封在高承壓狀態下的正常工作、耐久性和管片的拼裝防水質量。3、長距離掘進。盾構長距離掘進中密和密實粉細砂（石英含量高），并在江中段掘進上軟下硬地層，切削中等風化基巖，對刀具特別是邊刀的磨損很大。盾構正面刀盤刀具耐久性和可靠性是一次過江成敗的關鍵。4、周邊環境復雜，保護難度大。進出洞段埋深淺，且下穿眾多重要的建筑物，如電教樓、長江防洪大堤、武大鐵路、魯茲故居等5、施工難度大。施工中存在以下技術難題：①高承壓水砂層聯絡通道施工風險大；②特殊地段（淺覆土、上軟下硬復合地層、小半徑曲線段）盾構掘進質量控制難度大；③大體積、深手孔管片預制裂紋防治難度大。當前8頁，總共75頁。二、盾構選型、性能1、盾構的選型（1）盾構機的分類根據開挖面平衡根據地層和地下水情況，所采用的穩定開挖面的方法進行分類，盾構法分為敞開式盾構（自然平或機械支護）、氣壓盾構（壓縮空氣支護）、泥水盾構（泥水支護）、土壓平衡盾構（碴土支護）和復合式盾構。當前9頁，總共75頁。盾構類型基本原理支護方式/開挖面壓力調節方式1敞開式自穩獲機械支撐2氣壓盾構3泥水盾構當前10頁，總共75頁。盾構類型基本原理支護方式/開挖面壓力調節方式4氣墊式泥水盾構5土壓平衡盾構當前11頁，總共75頁。當前12頁，總共75頁。2、盾構選型（１）盾構選型的內容A盾構機基本類型的選擇：土壓盾構、泥水盾構、復合盾構B盾構刀盤與刀具的選擇：幅條式刀盤、面板式刀盤；滾刀、切刀、先行刀、超挖刀。c主要功能的配置：土壓盾構：加泥裝置、泡沫注入裝置；泥水盾構：沖洗裝置、氣墊平衡裝置；復合盾構：功能部件更換、多模式平衡功能當前13頁，總共75頁。（2）盾構機選型及定購的依據土質條件、巖性；開挖面穩定；隧道埋深、地下水位；設計隧道的斷面；環境條件、沿線場地；襯砌類型；工期；造價；輔助工法；設計路線、線形、坡度；選型的原則：掘得進、穩得住、出得來、成形快、環保好當前14頁，總共75頁。地質影響因素：土砂層、巖層，特別應考慮特殊地質條件，一般來說對于土層或淤泥質地層，選擇土壓平衡盾構；而砂層或卵石地層選擇泥水；巖石地層選擇土壓盾構；對于復合地層需要綜合分析。主要因素有：地層的滲透系數、巖土層的顆粒分布與組份、巖石的強度、巖石的RQD指標、地質構造。

當前15頁，總共75頁。粉細砂卵石層粗砂礫層中細砂礫層粉細礫層粗砂泥砂粘土地層滲透性與盾構選型-10泥水盾構土壓平衡盾構滲透系數(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10-10-11本工程滲透系數當前16頁，總共75頁。環境因素：建構筑物、場地環境、工程投資作為控制地層變形能力評判，泥水盾構優于土壓盾構；但是由于泥水處理系統的需要，工作場地要求大。從工程投資角度考慮，一般泥水盾構施工的成本高于土壓盾構的15~20%；且泥水系統會造成噪音污染。當前17頁，總共75頁。

3、武漢長江隧道盾構性能介紹

根據武漢長江隧道盾構所穿越的地層分析，即有強度高的粉砂巖，也有粉細砂和粉質粘土等，以及高水壓、周邊環境條件復雜的特點，因此采用復合式泥水平衡盾構施工。具有高效的開挖系統、泥水壓力平衡功能、泥水輸送及管路延伸功能、控制及故障顯示功能、方向控制及導向系統、數據采集處理和分析功能、管片安裝功能、同步注漿功能、泥水分離系統等基本功能．當前18頁，總共75頁。盾構由法國NFM公司設計，除核心設備采用進口件，部分結構在國內制造。（1）盾構機類型：膨潤土-氣墊式泥水平衡盾構；（2）開挖直徑11.38米；（3）重量：主機與后配套的重量1100t（主機900t，后配套200t），其中刀盤組件重160t；（4）長度：整機56米，主機殼體長度11.71米；（5）最小轉彎半徑400m；（6）推力：最大推力121220kN；（18組共36根油缸）（7）扭矩：最大扭矩13650kNm@0.85轉/分；最大轉速時的扭矩5050kNm@2.3轉/分；脫困扭矩17750kNm；（8）速度：最大掘進速度40mm/min．當前19頁，總共75頁。（1）刀盤和刀具設計◆支撐方式：中心支撐（八個輻條）◆刀盤型式：復合刀盤（39把17“單刃滾刀，224把切刀）◆開挖直徑11380mm，開口率30%（中心部位50%）◆滾刀安裝在從半徑2.0m至周緣處，間距108mm；◆周邊的保護刀32把；仿形刀1把；切刀磨損檢測裝置4把；◆刀盤分塊數量3塊；◆刀盤和刀具做了耐磨工藝處理，滿足長距離掘進要求．當前20頁，總共75頁。當前21頁，總共75頁。當前22頁，總共75頁。當前23頁，總共75頁。

當前24頁，總共75頁。當前25頁，總共75頁。三層刀具復合設計:（應付軟土地層與硬巖地層的交替推進功能）刮刀設計有兩排碳化鑲嵌物，形成兩層截割層。在掘進第一段沙和粘土中，第一排碳化物開挖土壤，此排碳化物保護盤刀不磨損。在下部是巖石的隧道段，巖石磨掉了刮刀上部的40mm，直至盤刀可以正常作業，此時刮刀只是刮削巖石。當盾構到達第二段軟土時，盤刀會很快磨損，第二排刮刀可以正常開挖沙和粘土，直至掘進結束。

當前26頁，總共75頁。20mm11mm第二層滾刀部分第一層切刀第二層切刀第二層普通材質在滾刀作用時很快磨損當前27頁，總共75頁。（2）刀盤驅動系統①型式變頻電機驅動，驅動功率200Ⅹ8即1600kW；②雙向轉速0~2.3轉/分(連續可調)；③最大扭矩13650kNm@0.85轉/分；脫困扭矩17750kNm④主軸承類型3排滾柱?2排軸向-1排徑向?軸承⑤主軸承壽命10000小時；⑥密封2×5道密封，開挖室的最大工作壓力6.0bar當前28頁，總共75頁。（3）可靠的密封系統：①主軸承密封主軸承由唇式密封來保護，配備了2排、每排5道唇式密封。如果外部壓力為6bar，HBW油脂壓力應為6.5bar，滿足江底掘進高水壓耐水壓力。當前29頁，總共75頁。②盾尾密封（防止泥漿、地下水等進入盾構體內）

當前30頁，總共75頁。采用四道盾尾密封，即三排鋼絲刷+一排鋼板束。以抵抗高水壓力及可能的流砂泄露．盾尾密封性能主要靠充滿整個油脂橋腔的油脂建立壓力密封，油脂壓力的設定值根據如下原則設置:若底部注漿管最大壓力設定值為N,三道盾尾油脂腔的壓力由盾尾向刀盤方向依次為N+2、N+1、N。當地層壓力過高時，盾尾油脂腔的壓力應綜合考慮盾尾刷結構承受能力進行合理調整。當前31頁，總共75頁。（4）采用先進的氣墊——泥水壓力維持技術使開挖面前部砂土中形成一層膨潤土保護膜，通過使用位于主開挖室后的一個單獨的氣墊室來精確地控制開挖室以及盾構機前部膨潤土保護膜的壓力。這種系統能確保開挖面穩定。地層切削刀盤進漿管排漿管膨潤土溶液壓縮空氣連通管氣鎖室膨潤土液區當前32頁，總共75頁。泥水壓力設置泥水壓力采用靜止土壓力（水土分算）作為控制上限，主動土壓力作為控制下限。穿越密集建筑物時壓力設定值靠近上限。一般根據地層性質，砂土、粉土、粉質粘土等滲透系數較大的地層，采用水土分算。地面荷載偏壓的情況下，壓力設定值宜取超載和無荷載的中間值。判斷合理性的依據：A、壓力設定要不斷摸索，通過地表沉降及時修正。B、在滲透性大的地層，利用泥漿漏失量作為檢驗壓力設定是否合理為依據是可行的。當前33頁，總共75頁。（5）推進系統①最大推力121220kN②油缸數目36個、單個油缸推力3366kN；③油缸行程：2600mm；⑤油缸分組：為4組；⑥最大推進速度40mm/min；當前34頁，總共75頁。（6）泥水系統一是及時向開挖面密閉艙提供掘進施工需求的泥漿，用優質膨潤土配制的泥漿的比重、粘度等技術指標必須滿足在高透水砂層中形成泥膜和穩定開挖面的要求；二是及時把切削土砂形成的混合泥漿輸送到地面進行分離和處理（達到環保要求后排放），再將回收的泥漿調整利用。

當前35頁，總共75頁。泥水盾構的泥水系統由四大部分組成⑴造漿分系統⑵輸送分系統⑶處理分系統（振動篩和旋流器）

振動篩作為首道初級分離比較合適，振動篩的作用始對泥水作預處理，去除團狀和塊狀等粗大顆粒。旋流處理分系統的主要功能是將經過分離以后的中細顆粒漿液再次進行細化處理，逐次降低漿液粒徑⑷泥水監控分系統當前36頁，總共75頁。當前37頁，總共75頁。當前38頁，總共75頁。當前39頁，總共75頁。當前40頁，總共75頁。

粘土地層泥漿采用小密度小流量，但由于泥水分離效果差，泥漿密度上升快，一般都在1.2左右；砂土地層泥漿采用大密度大流量，一般進漿控制在1.1左右。在砂層段粘度適當提高，利于工作面穩定和泥水輸送。當前41頁，總共75頁。(7)盾構導向系統

當前42頁，總共75頁。四、盾構施工關鍵技術當前43頁，總共75頁。1、盾構始發技術盾構始發流程圖當前44頁，總共75頁。始推臺架反力墻地基加固臨時隔墻出洞口管片搬入臨時管片當前45頁，總共75頁。盾構始發和到達技術的關鍵在于洞口地基加固范圍、效果和洞圈止水密封的效果。（1）始發地基加固由于始發端處于滲透性很小的土層中，土體加固采用三軸攪拌樁和雙重管高壓旋噴相結合的方式。土體加固以攪拌樁為主，高壓旋噴為輔，旋噴樁加固攪拌樁與連續墻間的部分。見下圖所示。

當前46頁，總共75頁。（2）洞圈止水裝置：設兩道簾布橡膠止水帶。當前47頁，總共75頁。（3）輔助措施：增設降水井、降低地下水位，減小涌水風險。（4）始發效果左線由于加固長度超過盾構主機長度，在出加固區前對管片背后進行注漿，防止了盾構出加固體后掘進時泥土、地下水從盾殼和洞門的間隙處流出，確保了泥水壓力的建立，始發控制達到預期效果。但右線在出洞過程中，由于加固長度短，簾布橡膠自身防水效果不好，泥水壓力無法正常建立，從而導致上部地層沉陷。當前48頁，總共75頁。

（5）體會①地基加固的長度要綜合考慮破除洞門后的土體穩定能力和洞門密封防水效果，加固長度最好大于盾構主機長度。②對于土體加固采用的方法，從江南始發效果看，在粘土層中采用攪拌樁效果很好。③建議洞門密封結構增加油脂腔,增強防水效果。當前49頁，總共75頁。2、淺覆土段施工技術本工程盾構進出洞段和武昌深槽段施工覆土厚度均小于1D，施工中易出現以下問題：（1）地表冒漿；（2）地表沉降量大；（3）粘土粘附刀盤；（4）管片上浮。當前50頁，總共75頁。采取以下措施：（1）合理設置壓力，控制好切口水壓，盡量保持切口水壓的穩定。（2）推進速度和姿態由于盾構機的推進速度和姿態控制直接影響到土體沉降，要本著施工快速、高效的原則，優化工序銜接，快速通過。同時盾構機的姿態變化不宜過大或過頻。（3）在粘土地層中掘進以低進尺、高轉速推進。（4）密切關注出土量變化，以便及時采取措施控制超挖。（5）控制好泥漿循環，避免堵管引起壓力突變。（6）利用中部及上部4個注漿管注漿，注漿采用一定稠度和早強的水泥砂漿，避免管片上浮。（7）江底砂層掘進時，調整好泥漿質量,將泥漿的粘度提高。當前51頁，總共75頁。盾構淺覆土下穿建筑物當前52頁，總共75頁。盾構始發淺覆土下穿建筑物當前53頁，總共75頁。盾構下穿鐵路示意圖當前54頁，總共75頁。武昌長江防洪大堤長江防洪大堤隧道穿越位置當前55頁，總共75頁。武昌長江防洪大堤當前56頁，總共75頁。3、大直徑盾構小半徑曲線掘進管片破損控制技術當盾構進入本隧道半徑800m曲線段施工時，發生管片被盾殼擠壞、管片錯臺和前后管片螺栓孔無法對齊等問題。主要是由于盾尾在焊接過程中失圓，造成盾尾間隙局部過小，加之大直徑管片在拼裝中不可避免的出現失圓（武漢長江隧道橢圓度為3‰左右）；因此盾構機在曲線上掘進時，管片外弧與盾尾內壁間的距離沿環向分布不均勻,造成一側間距很小,而另一側間距較大,產生“卡殼”，造成管片拉裂。當前57頁，總共75頁。當前58頁，總共75頁。采取的控制措施：（1）對盾尾突出部分進行打磨（主要是45度角）；（2）盾構掘進過程中確保每米糾偏量；（3）合理選取管片的拼裝點位；（4）管片拼裝過程中將管片往所轉彎方向的環面人為錯臺3mm；（5）嚴格三道復緊等制度，確保管片拼裝成環質量；（6）制定詳細的管片修補方案，管片發生破損后及時修補，確保防水效果。武漢長江隧道根據情況采用環氧樹脂修補，效果不錯。當前59頁，總共75頁。4、地面沉降控制從實際監測情況看，在盾構性能正常掘進情況下，地表沉降可控制在20mm左右，保證周邊環境安全。從地層沉降歷程變化曲線的情況看，盾構機通過和盾構脫出后20m內這兩個階段是地表變形的主要階段，占到總沉降量的80%左右。（1）均衡快速掘進通過確保盾構機及后配套設備正常運轉，使盾構均衡勻速施工，快速通過，以減少盾構施工對其影響。（2）施工參數優化盾構穿越過程中嚴格控制切口水壓，同時也必須嚴格控制與切口壓力相關的施工參數，如推進速度、總推力、進排漿量等，盡量減少壓力的波動。（3）關鍵還是要精細操作盾構機，控制泥水壓力，調整好泥漿質量，使掌子面保持穩定，加強泥水循環系統控制和泥漿管理，適當減少出碴量。當前60頁，總共75頁。（4）嚴格控制同步注漿量和漿液質量武漢長江隧道利用盾構推進中的切屑土研制開發出水下不分散砂漿同步注漿材料，其主要指標為：稠度17～18cm、初凝時間5h。施工時根據使用情況和試驗結果對漿液進行優化調整。同步注漿壓力大于泥水壓1-1.5bar。同步注漿量綜合考慮不同地層和周邊環境確定。粘土地層注漿填充率160％～180％，砂土地層注漿填充率130％～150％基本上是比較合適的。武漢長江隧道（5）嚴格控制糾偏量嚴格控制盾構推進軸線，避免過多、過量的盾構糾偏，以減少盾構推進對土層的擾動，控制地表變形。（6）信息化動態施工（7）暢通信息溝通渠道當前61頁，總共75頁。5、管片裂紋控制技術管片裂紋防治技術是本隧道大體積、深手孔混凝土管片質量控制的關節環節。鋼筋籠制作檢驗合格出廠鋼筋籠入模混凝土攪拌混凝土澆筑蒸汽養護真空吸盤機脫模泡水養護7天噴淋養護7天自然養護14天抹面靜停當前62頁，總共75頁。（1）裂縫出現的位置和原因分析①蒸養前產生的裂紋為塑性裂紋，主要產生在管片外弧面，是由于環境條件導致混凝土表面水分的迅速失去而產生收縮，從而導致裂縫的產生。②蒸養脫模后在外弧面和側面產生微裂紋，該裂紋主要是由于溫差產生的應力造成的。③蒸養后深大手孔裂紋：由于本工程管片手孔尺寸較大，國內大部分混凝土管片的手孔深度在l5cm左右，而本工程管片的手孔尺寸達到了23cm，由于鋼模導熱性能好，在鋼模和混凝土的接觸界面形成由混凝土側指向鋼模側的溫度梯度，混凝土表面產生拉應力，在手孔突變區形成應力集中。當前63頁，總共75頁。蒸養前外弧面裂紋蒸養后側面裂紋管片手孔裂紋當前64頁，總共75頁。（2）裂紋的控制措施管片裂紋控制的關鍵在于配合比設計和蒸養制度，具體措施如下：①優化混凝土配合比。選用低水化熱水泥，嚴格控制水泥用量；嚴格控制水灰比；粗、細骨料的顆粒級配要與混凝土的配比相適應。②制定蒸養作業標準流程。管片蒸養必須先試驗，不可照搬照抄規范.靜養和升溫、恒溫、降溫時間必須根據現場情況進行測定后，制定切實可行的作業工藝標準。做到緩慢升溫、高濕低溫、緩慢停汽，均勻降溫，保持濕度。推遲蒸汽養護加大靜停時間或是減少升溫速率以防止蒸養引起的破壞作用。確保蒸汽均勻分布，避免局部受熱。混凝土及時進行收光，收光后迅速用塑料薄膜進行覆蓋，預防外露面失水，是防止混凝土表面產生塑性裂紋的重要措施。重視廠房內的溫度和濕度控制(尤其是北方冬季施工)，減小在管片在生產過程中混凝土和鋼模及與大氣環境產生的濕度差。③在手孔部位及其周圍模具上涂刷纖維水泥漿，增強管片混凝土表面抗拉強度。④嚴格施工過程監控.當前65頁，總共75頁。6、帶壓進倉技術武漢長江隧道在左線泥漿門無法正常嚴密關閉的情況下，因需處理碎石機油管爆裂和油缸缸體焊縫擊穿等故障，進行了帶壓潛水作業取出泥漿門滑槽和在2.6bar壓力下帶壓焊接碎石機油管等帶壓工作，同時在過江前為進行刀具磨損檢查，創造了國內4.5bar壓力下帶壓作業的新記錄。為確保帶壓作業工作的安全，主要應做好以下工作：（1）根據現場情況選擇合適的帶壓方式如武漢長江隧道工程盾構始發掘進過程中，發現泥漿門不能正常工作，該段隧道覆土厚度只有7m左右，就采用了壓氣與潛水相結合的方法，完成了泥漿門的修復工作。即保證了開挖面穩定，又避免氣體發生泄漏。（2）提前做好人員身體檢查和培訓，選擇實力雄厚、經驗豐富的合作單位。（3）制定詳細的作業方案：①設定確保開挖面穩定和防止涌水所必須的最小壓氣壓力，以避免施工對周邊環境及附近地區產生影響；當前66頁，總共75頁。②帶壓作業前，提前做好設備（加壓設備、通訊設備、應急救護設備、應急電力設備等）的檢查，確保完好。應急設備物資準備到位；③帶壓作業時，要保證泥膜質量并不得破壞泥膜，同時控制好壓力波動。（4）制定詳細的應急預案并進行技術交底，如2.6bar壓力下帶壓焊接碎石機油管作業，要做好防火、通風、壓力設備泄露等安全防范工作。帶壓潛水作業取出泥漿門滑槽在2.6bar壓力下帶壓焊接碎石機油管當前67頁，總共75頁。過江前4.5bar壓力下帶壓檢查刀具當前68頁，總共75頁。

７、盾構掘進認識和體會（1）重視和加強盾構設計聯絡、監造與工廠組裝調試工作。確保盾構在工廠組裝調試合格后再拆卸到工地組裝，避免因質量缺陷在現場進行修改，現場受條件限制，修改難度大且質量無法保證，將為后期掘進帶來隱患。（2）加強人員技術培訓。針對目前現場技術資源缺乏，加強和提高操作員工的業務水平和應急應變能力是確保安全施工的關鍵環節。（3）加強系統管理、嚴肅施工紀律杜絕違章作業。泥水盾構施工要做到管理系統化，實施包括泥水壓、出碴量、同步注漿和地層變形等施工管理數據在內的綜合系統管理。武漢長江隧道堅持實施了方案專家審查、地質素描和反饋制度及管片拼裝掘進通知單等制度，有效的提高了員工責任心和工作質量。（4）盾構掘進過程中做到三有序三平衡三平穩：施工組織管理有序、機械保養有序、信息管理有序；泥水壓力平衡、注漿壓力平衡、注漿量與進尺平衡；盾構掘進姿態平穩、管片拼裝姿勢平穩、推進速度平穩。當前69頁，總共75頁。1、岸上淺覆土段地表冒漿處理措施（1）稍微降低泥水控制壓力，在較小波動情況下快速通過；（2）地表覆蓋（砼、粘土堆高）；（3）通過后地表鉆孔注漿；（4）提高泥漿質量。五、淺覆土地面冒漿應對措施當前70頁，總共75頁。2、江中工作面失穩處理措施2007年9月1日13：45，右線盾構隧道在第434環掘進1930mm時（里程為RK4＋402.770，武昌深槽附近），由于P1.1泵突然跳停，關閉泥漿循環不及時，氣倉液位迅速降低，導致氣體從氣倉底部的泥漿門位置進入泥水倉逃逸，造成土體松動而發生坍塌現象，坍塌的土體涌入土倉，增加了刀盤旋轉的攪拌阻力，使刀盤不能旋轉。當前71頁，總共75