南京水下隧道工程盾構施工技術

一、工程總體情況介紹1、南京長江隧道工程項目概況2、南京長江隧道工程特點、難點及風險點3、設備情況簡介二、南京長江隧道工程施工情況綜述三、開展的技術攻關和施工綜合技術研究1、研究背景和意義2、南京長江隧道創(chuàng)新之處3、開展的主要研究項目和階段成果水下隧道工程盾構施工技術一、工程總體情況介紹

1、項目概況

南京長江隧道工程盾構隧道設計為雙向、雙洞6車道，其中左線盾構隧道長3022m，右線盾構隧道長3015m。隧道采用兩臺直徑Φ14.93m泥水盾構，由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進施工。盾構隧道水文地質情況盾構隧道工程區(qū)段屬長江河床及高河漫灘，地形開闊平坦。地表主要為農(nóng)田、水塘、苗圃等。盾構穿越江面寬度約2600m，高水位多年平均值8.37m，最大水深約28.8m。隧道通過地段主要地層分布為粉細砂、礫砂、圓礫和強風化砂質泥巖。盾構隧道管片盾構隧道管片內(nèi)徑13.30m，外徑14.50m，厚度60cm。每環(huán)襯砌由10塊管片組成，環(huán)寬2m。管片拼裝設計為7塊標準塊、2塊相鄰塊和1塊封頂塊，分Z型Y型兩種管片模式。管片設計強度C60，防水等級S12。一、工程總體情況介紹2、南京長江隧道工程特點、難點及風險點南京長江隧道是一項世界矚目的宏偉工程，南京長江隧道工程面臨一些世界級的技術難點和挑戰(zhàn)。本工程特點、難點及風險點主要包括以下六個方面：⑴盾構直徑超大荷蘭的綠心隧道盾構機直徑14.87m，是目前世界上已建成的直徑最大的盾構工程。南京長江隧道盾構機直徑14.93m，是目前世界上直徑最大的盾構機之一，直徑超過世界上已建成的最大盾構隧道。雖然盾構機尺寸的增大僅是數(shù)字的增大，但是由于盾構機尺寸的增大帶來的則是施工難度和風險的幾何增長，盾構機直徑的超大帶來的一系列問題是施工面臨的挑戰(zhàn)之一。

⑵水壓力高南京長江隧道盾構機工作壓力高，最大達到6.5㎏/㎝2（即相當于65m水頭壓力），在超大直徑盾構水下隧道項目中是世界最大的。⑶地層透水性特強長江南京水域的江中主要為粉細砂地層，以及部分礫砂、卵石層，砂層透水系數(shù)是粘土層的千倍以上，在如此高透水性地層條件下，而最大水壓力達到6.5㎏/㎝2，所有的水頭壓力均直接作用在隧道上，江底隧道掘進風險是巨大的，如何安全、順利完成施工是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

⑷水下一次掘進距離長，刀具保護要求極高南京長江隧道長度超過3km，而且地層條件復雜，以砂層為主：①如果在同等地質條件下，由于盾構直徑超大，南京長江隧道3km的掘進相當于直徑6.3m的地鐵盾構掘進17km。②同樣的盾構機刀具，在石英含量高的砂層中盾構機刀具的磨損是軟土地層中的10倍以上，也就是說：南京長江隧道盾構機掘進完成3公里長的江底隧道，相當于同樣直徑的盾構機在軟土地層中掘進30公里。因此刀具的保護是施工中必須克服的難題。⑸盾構始發(fā)和接收超淺埋按照一般作法，盾構機始發(fā)和接收覆土厚度一般不宜小于1倍盾構機直徑，而本工程權衡深基坑和盾構出洞雙重困難，選擇盾構機始發(fā)埋深僅為0.37倍盾構直徑（5.5m），在國內(nèi)是埋深最淺的；除了荷蘭綠心隧道以外，世界上還沒有更淺埋深盾構始發(fā)范例。另一方面來說，盾構超淺埋始發(fā)和接收的順利實現(xiàn)，對我們以后進行類似工程建設提供了重要參考和依據(jù)，并且盾構隧道埋深的減少將會帶來巨大的經(jīng)濟效益，推動盾構施工技術進步。⑹江底盾構覆土厚度淺由于受客觀條件的制約，線路縱坡設置雖然達到最大規(guī)范坡度，但是在盾構到達井一側的江底，有一江中沖槽段，該沖槽段盾構最小覆土厚度僅有11m（僅有0.7倍盾構直徑）。而且該段地層為高透水性、松散的粉細砂層，水深卻高達20多米，在這樣高水壓、淺覆土極端困難的條件下進行隧道施工安全風險極大，這也是南京長江隧道面臨的難題和挑戰(zhàn)。鑒于于南南京京長長江江隧隧道道面面臨臨的的上上述述六六大大技技術術難難題題和和挑挑戰(zhàn)戰(zhàn)，，在在沒沒有有現(xiàn)現(xiàn)成成經(jīng)經(jīng)驗驗可可供供借借鑒鑒的的情情況況下下，，為為了了安安全全順順利利完完成成這這項項史史無無前前例例的的工工程程施施工工，，我我們們建建立立了了三三級級專專家家體體系系，，堅堅持持依依靠靠專專家家團團隊隊的的智智慧慧，，為為工工程程施施工工保保駕駕護護航航：：1、以錢七虎院士為首的專家委員會2、以梁文灝院士為首的現(xiàn)場專家組3、由具有豐富施工經(jīng)驗的國內(nèi)外相關專家組成的工地專家組自2006年以以來來,我們們先先后后聘聘請請國國內(nèi)內(nèi)外外盾盾構構設設備備、、盾盾構構隧隧道道施施工工相相關關的的業(yè)業(yè)內(nèi)內(nèi)知知名名專專家家共共計計25位（（包包括括錢錢七七虎虎院院士士、、梁梁文文灝灝院院士士、、日日本本專專家家秋秋源源、、法法國國布布依依格格專專家家龍龍尚尚等等）），，分別別針針對對施施一一系系列列技技術術難難題題進進行行了了專專題題論論證證，，截截至至目目前前已已經(jīng)經(jīng)在在現(xiàn)現(xiàn)場場召召開開了了35次專家評審審會，有有力的推推動了隧隧道建設設的安全全順利進進展。3、設備情情況簡介介根據(jù)南京京長江隧隧道穿越越地段水水文和地地質特點點，我們們量身定定做了兩兩臺德國國海瑞克克公司生生產(chǎn)的直直徑為14.93m的泥水平平衡盾構構機進行行南京長長江隧道道施工。。根據(jù)南京京長江隧隧道工程程的要求求，盾構構機設計計具有如如下先進進性：1、刀盤刀刀具設計計有71把能夠在在常壓下下進行更更換的刀刀具，且且安裝了了磨損監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)。2、主驅動動：帶有有特殊壓壓力裝置置的密封封系統(tǒng)符符合高工工作壓力力，在盾盾構機軸軸心部分分中部達達到7.5bar的要求。。3、主軸承承設計壽壽命達：：17,600小時。4、先進的的PLC系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)了故障障自動報報警，確確保盾構構機處于于良好工工作狀態(tài)態(tài)。5、盾體⑴設計計有大型型碎石機機，可以以破碎直直徑達到到1.2m的石塊。。⑵先進進的沖洗洗沖刷系系統(tǒng)減少少了開挖挖艙內(nèi)碴碴土粘結結或大量量碴土沉沉積的情情況。⑶盾體體設計有有錐度（（由三個個直徑組組成），，即使使在施工工過程中中遇到長長時間停停機的情情況，恢恢復推進進時仍能能確保盾盾構機輕輕松前進進。6、盾構機機的操作作采用氣氣泡調節(jié)節(jié)技術，，能夠保保證支撐撐壓力的的精確率率為+/-0.05bar。在不穩(wěn)穩(wěn)定的、、混合地地層中能能夠安全全地進行行隧道開開挖操作作，外界界壓力的的變化不不會對開開挖面的的穩(wěn)定造造成影響響，沉降降控制在在+20mm～-40mm之間。7、盾尾專專門設計計了用于于高工作作壓力的的的密封封系統(tǒng)，，包括3道鋼絲刷刷、1道鋼板束束和1個應急密密封。8、盾構機機的主要要部件都都設計用用于長距距離隧道道掘進工工程（超超過15公里）。。二、南京京長江隧隧道工程程施工情情況綜述述南京長江江隧道工工程自2005年3月29日開工以以來，經(jīng)經(jīng)過四年年來的努努力，相相繼完成成了以下下工作：：1、克服了了國際融融資和國國際招標標程序復復雜、不不可控因因素多的的困難，，按期完完成盾構構機及配配套設備備的選型型和采購購工作；；2、用5個月的時時間完成成了按正正常工期期需要一一年才能能完成的的江北工工作井全全部土建建任務；；3、僅用58天時間就就完成了了正常需需要近五五個月時時間的盾盾構機組組裝，第第一臺盾盾構機于于08年1月15日試掘進進，2月27日正式掘掘進，目目前已掘掘進2300米；第二二臺盾構構機于08年5月16日破門進進洞，2009年5月20日，左線線隧道實實現(xiàn)貫通通；4、3043環(huán)管片生生產(chǎn)已經(jīng)經(jīng)于08年11月13日全部完完成，其其工藝控控制水平平和質量量達到世世界先進進水平，，箱涵已已于08年7月30日提前兩兩個月完完成了3082塊的全部部生產(chǎn)任任務；5、梅子洲洲接收井井自07年9月份開始始分段開開挖，08年6月25日提前5天完成全全部土建建施工，，保證了了盾構機機的到達達接收。。三、開展展的技術術攻關和和施工綜綜合技術術研究1、研究背背景和意意義2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果三、技術術攻關、、關鍵技技術研究究的開展展情況1、研究背背景和意意義目前國際際上修建建的大型型跨江、、跨海隧隧道還很很少，國國內(nèi)則更更是剛剛剛起步，，在這方方面還沒沒有經(jīng)驗驗,傳統(tǒng)的設設計與施施工方法法難以滿滿足超長長度、大大深度、、大斷面面的隧道道及地下下工程的的要求。。面對我我國將建建的一批批越江跨跨海等特特長隧道道工程，，一方面面我們要要緊跟國國際研究究的前沿沿，另一一方面則則要依托托南京長長江隧道道工程，，開展超超大直徑徑泥水盾盾構核心心技術研研究。2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處以南京長長江越江江隧道工工程為依依托，對對超大直徑徑盾構隧隧道的襯襯砌結構構型式及及力學行行為、超超淺覆土土始發(fā)和和接收施施工技術術、施工工風險分分析與應應對措施施以及高高水壓、、長距離離、淺覆覆土條件件下河床床處理及及掘進施施工技術術等建造關關鍵技術術進行深深入研究究，解決決復雜地地質條件件下超大大直徑盾盾構隧道道建造技技術難題題，形成成具有自自主知識識產(chǎn)權的的、整體體上達到到國際先先進水平平、部分分技術達達到國際際領先的的越江隧隧道核心心技術體體系。2、南京長長江隧道道創(chuàng)新之之處創(chuàng)新點：：⑴發(fā)展展超大直直徑盾構構施工核核心技術術；⑵總結結出復雜雜地層條條件下盾盾構刀具具切削機機理和刀刀盤優(yōu)化化設計原原理，掌掌握合理理的最小小覆土厚厚度及相相應的安安全掘進進模式和和掘進參參數(shù)的關關鍵核心心技術，，建立泥泥水劈裂裂理論，，整理出出劈裂發(fā)發(fā)生以及及泥水噴噴發(fā)的判判別標準準；⑶發(fā)展展跨江跨跨海盾構構風險的的評估和和防范理理論，建建立風險險分析與與評估的的核心技技術體系系。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果南京長江江隧道工工程綜合合施工技技術研究究涉及兩兩方面內(nèi)內(nèi)容：一是機械械設備方方面。南南京長江江隧道采采用直徑徑14.93m泥水平衡衡盾構進進行施工工作業(yè)，，對于這這種超大大型機械械設備的的引進、、消化、、吸收、、改進，，設備的的運輸、、起吊、、組裝、、調試測測試，以以及設備備的接收收和施工工中的保保養(yǎng)維護護等等，，給我們們提出了了一系列列的研究究課題。。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果二是土建建方面。。土建方方面是課課題研究究的關鍵鍵和重點點，土建建方面的的課題又又分以下下幾個方方面進行行專題研研究：㈠推進進專題。。推進專題題研究包包括：盾盾構始發(fā)發(fā)和接收收、泥水水、掘進進參數(shù)、、同步注注漿等。。㈡小覆覆土、長長距離專專題小覆土、、長距離離專題研研究包括括：江中中沖槽段段掘進參參數(shù)的研研究、長長距離掘掘進刀具具的保護護等。這這是南京京長江隧隧道科研研工作的的核心內(nèi)內(nèi)容。㈢和盾盾構隧道道配套的的其他工工程專題題。和盾構隧隧道配套套的其他他工程專專題研究究包括：：基坑、、管片、、同步施施工等。。㈣信息息化施工工專題。。信息化施施工專題題研究包包括：三三維仿真真、遠程程監(jiān)控和和信息快快速反饋饋系統(tǒng)。。㈤安全全風險專專題。安全風險險專題研研究包括括：風險險分析和和應對措措施、安安全穿越越長江大大堤施工工等。南京長江江隧道工工程的科科研課題題將主要要圍繞以以上兩個個方面，，依托南南京長江江隧道，，整合利利用國內(nèi)內(nèi)相關科科研單位位和高校校研究機機構，分分門別類類展開各各個專題題研究。。3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果針對兩個個方面、、六個專專題我們們開展了了一系列列課題研研究，下下面我針針對四個個主要課課題情況況向大家家介紹如如下：超大斷面面盾構隧隧道襯砌砌結構選選型及力力學特征征研究超大直徑徑盾構高高水壓長長距離淺淺覆土條條件下掘掘進施工工技術研研究超大直徑徑盾構隧隧道施工工三維數(shù)數(shù)值可視視化仿真真模擬技技術研究究超大直徑徑盾構、、超淺覆覆土始發(fā)發(fā)施工技技術研究究3、開展的的主要研研究項目目和階段段成果3.1超大斷面面盾構隧隧道襯砌砌結構選選型及力力學特征征研究南京長江江隧道穿穿越軟硬硬程度差差異極大大的混合合地層，，隧道頂頂部與長長江最高高水位差差約60m，隧道施施工全過過程以及及運營階階段必將將承受較較大的外外部荷載載(高水壓、、土壓以以及其他他各種形形式的可可預見和和不可預預見的荷荷載)，同時由由于水文文及地質質原因，，作用在在盾構隧隧道襯砌砌結構上上的水土土壓變化化也較大大；除施施工條件件困難外外，隧道道主體結結構體系系復雜、、未知因因素眾多多，在國國內(nèi)尚無無同類水水下隧道道的結構構設計、、施工先先例，為為了確保保隧道在在施工期期間的安安全性，，在環(huán)境境保護、、建成后后的可靠靠性等諸諸多方面面取得成成效，并并獲得良良好的技技術經(jīng)濟濟效益和和巨大的的綜合社社會效益益，開展展其超大大斷面襯襯砌結構構選型及及力學特特征試驗驗研究，，獲取寶寶貴的第第一手原原始資料料，具有有十分重重要的現(xiàn)現(xiàn)實意義義。管片結構構力學行行為研究究已經(jīng)列列入國家家“863”計劃研究究、示范范項目。?；谏仙鲜稣J認識，，我們們在進進行管管片高高性能能混凝凝土配配比和和施工工工藝藝研究究的同同時，，和項項目公公司、、鐵四四院、、西南南交通通大學學一起起，利利用用半年年的時時間，，在現(xiàn)現(xiàn)場進進行管片襯襯砌結結構體體原型型加載載試驗驗，研研究管管片環(huán)環(huán)結構構在通通縫與與錯縫縫拼裝裝方式式下、、以及及在各各種拼拼裝組組合方方式下下的力力學行行為特特征，，以此此檢測測結構構內(nèi)力力與變變形，，以及及評估估配筋筋設計計，尋尋求相相對最最優(yōu)的的拼裝裝方式式，最最后通通過破破壞試試驗觀觀察通通縫與與錯縫縫拼裝裝方式式下的的破壞壞特征征。試驗內(nèi)內(nèi)容（1）組合合管片片環(huán)加加載試試驗（（模擬擬錯縫縫拼裝裝方式式）；；（2）組合合管片片環(huán)破破壞試試驗；；（3）單環(huán)環(huán)管片片環(huán)加加載試試驗（（模擬擬通縫縫拼裝裝方式式）；；（4）單環(huán)環(huán)管片片環(huán)破破壞試試驗。。試驗裝裝置及及加載載試驗裝裝置采采用“多功能能盾構構隧道道結構構體原原型加加載系系統(tǒng)”裝置，，環(huán)箍箍梁用用于對對管片片環(huán)施施加環(huán)環(huán)箍力力而產(chǎn)產(chǎn)生軸軸力，，以此此模擬擬水壓壓，而而對拉拉梁用用于對對管片片結構構施加加徑向向壓力力而產(chǎn)產(chǎn)生彎彎矩，，在不不同位位置對對結構構進行行加載載，最最后在在相對對最優(yōu)優(yōu)的拼拼裝方方式下下以5000kN軸力和和約3100kN的彎矩矩對結結構加加載破破壞。。每個千千斤頂頂和鋼鋼鉸線線提供供1500kN的集中中力，，環(huán)箍箍上每每環(huán)需需4條環(huán)箍箍鋼鉸鉸線，，提供供最大大的軸軸力為為6000kN；在對對拉梁梁上最最大能能提供供6000kN的對拉拉力，，在進進行組組合管管片環(huán)環(huán)試驗驗時，，最大大能提提供3000kN/環(huán)的對對拉力力，最最大能能產(chǎn)生生約6000kN?m/環(huán)的彎彎矩。。在彈彈性階階段內(nèi)內(nèi)試驗驗，只只需2組千斤斤頂對對拉即即可，，提供供3000kN的對拉拉力，，最大大能產(chǎn)產(chǎn)生約約3000kN?m/環(huán)的彎彎矩。。組合管管片環(huán)環(huán)（錯錯縫））加載載示意意圖單環(huán)管管片環(huán)環(huán)（通通縫））加載載示意意圖管片試驗共共需要要3環(huán)管片片，1環(huán)用于于單環(huán)環(huán)管片片環(huán)加加載及及破壞壞試驗驗，2環(huán)用于于組合合管片片環(huán)加加載及及破壞壞試驗驗，其其中有有1環(huán)管片片需平平分成成半幅幅寬環(huán)環(huán)，對對稱放放地在在1整環(huán)管管片兩兩側。。測試項項目量量測項項目主主要有有管片片內(nèi)力力、管管片變變形、、鋼筋筋受力力、接接縫張張開、、接縫縫壓應應力、、螺栓栓應力力以及及混凝凝土裂裂縫的的產(chǎn)生生和發(fā)發(fā)展等等。測縫計計、混混凝土土應變變計、、鋼筋筋計埋設好好監(jiān)測測元件件的鋼鋼筋籠籠澆筑完完成、、養(yǎng)護護的試試驗用用管片片管片切切割及及切割割后的的管片片試驗支座下半環(huán)拼裝拼裝完完成的的試驗驗管片片穿鋼絞絞線架對對拉拉梁梁組合管管片環(huán)環(huán)加載載試驗驗單環(huán)管管片加加載試試驗管片裂裂縫接縫張張開管片加加載破破壞螺栓抗抗拔試試驗管管片破破壞通過上上述在在現(xiàn)場場進行行的管片襯襯砌結結構體體原型型加載載試驗驗，我我們驗驗證了了管片片結構構及設設計的的合理理性，，同時時試驗驗結果果對我我們優(yōu)優(yōu)化管管片施施工工工藝，，管片片選型型、拼拼裝順順序、、螺栓栓緊固固等方方案的的優(yōu)化化和改改進提提供了了重要要依據(jù)據(jù)，具具有重重要的的現(xiàn)實實指導導意義義。3、開展展的主主要研研究項項目和和階段段成果果3.2超大直直徑盾盾構高高水壓壓、長長距離離、淺淺覆土土條件件下掘掘進施施工技技術研研究研究的的背景景南南京京長江江隧道道盾構構施工工中存存在的的重大大風險險點及及難點點（（1）江中中水壓壓高南南京長長江隧隧道盾盾構機機工作壓壓力約約6.5bar,在同等等直徑徑及更更大直直徑泥泥水盾盾構項項目中中是世世界最最大的的。東京灣灣海底底隧道道最大大水壓壓為6bar,荷蘭綠綠心隧隧道最最大水水壓為為5.5bar；長江江上的的另外外兩條條盾構構隧道道——上海滬滬崇蘇蘇和武武漢過過江隧隧道，，最大大水壓壓為5～5.5bar。（2）江中中段覆覆土厚厚度小小、水水壓大大，地地層突突變江中段段最小小覆土土厚度度小于于1倍盾構構直徑徑，尤尤其是是江南南沖槽槽段覆覆土厚厚度僅僅有11m（0.7D），其其前方方以大大坡度度覆土土厚度度增加加，地地形起起伏極極大，，而且且地層層為粉粉細砂砂以及及礫砂砂、卵卵石層層，切切削面面穩(wěn)定定和泥泥水壓壓力很很難控控制，，稍有有不慎慎，就就有可可能發(fā)發(fā)生泥泥水劈劈裂、、江水水倒灌灌事故故。（3）一次次掘進進距離離長，，高水水壓下下?lián)Q刀刀困難難15m級的超超大直直徑盾盾構一一次掘掘進距距離長長近3公里。。盾構構穿越越的地地層基基本為為砂層層，在在石英英含量量高的的砂層層中盾盾構機機刀具具磨損損是軟軟土地地層中中刀具具磨損損的10倍以上上，刀刀具磨磨損嚴嚴重。。一旦旦刀具具過于于磨損損，難難以掘掘進，，被迫迫停機機，將將給施施工帶帶來極極大的的困難難。不不僅工工期、、工程程質量量難以以保證證，在在高水水壓的的江底底，將將有塌塌方危危險。。高水壓壓、小小覆土土盾構構掘進進問題題，主主要是是泥水水劈裂裂地層層、冒冒漿問問題。。國內(nèi)內(nèi)外這這方面面研究究成果果很少少，沒沒有施施工經(jīng)經(jīng)驗可可供借借鑒。。大直徑徑高水水壓盾盾構開開挖面面穩(wěn)定定問題題，一一直是是困擾擾著國國際盾盾構界界的難難題，，特別別在高高水壓壓下、、透水水性大大、穩(wěn)穩(wěn)定性性差的的地層層中掘掘進，，還沒沒有很很好的的方法法。刀具磨磨損問問題研研究的的資料料就更更少，，近年年在地地鐵盾盾構施施工中中，北北京、、廣州州、成成都、、沈陽陽等地地相繼繼出現(xiàn)現(xiàn)刀具具磨損損等問問題，，還沒沒有好好的評評價標標準和和措施施，特特別是是在高高水壓壓下?lián)Q換刀，，這方方面研研究還還沒有有展開開。國內(nèi)外外研究究現(xiàn)狀狀及研研究基基礎鑒于上上述情情況，，結合合南京京長江江隧道道的實實際條條件，，我們們以南南京長長江隧隧道工工程為為依托托，研研究水水底盾盾構隧隧道“高水壓壓小覆覆土施施工、、長距距離掘掘進”兩個子子課題題的相相關理理論和和針對對性技技術措措施，，課題題研究究擬采采用現(xiàn)現(xiàn)場試試驗與與監(jiān)測測、室室內(nèi)模模型實實驗、、理論論分析析等技技術手手段，，現(xiàn)場場實驗驗與監(jiān)監(jiān)測為為主體體，室室內(nèi)實實驗及及理論論分析析為補補充，，相互互配合合，以以趨完完善，，達到到“研究成成果服服務于于工程程，減減小工工程施施工風風險、、節(jié)省省工程程投資資、確確保工工程安安全、、提高高工程程經(jīng)濟濟性”的總體體目的的。研究目目標子課題題1：南京京長江江隧道道高水水壓、、小覆覆土盾盾構施施工技技術研研究（1）構建建泥水水劈裂裂壓力力（包包括啟啟裂壓壓力，，伸展展壓力力）、、劈裂裂發(fā)生生位置置、劈劈裂發(fā)發(fā)生和和伸展展方向向及伸伸展速速度的的力學學模型型；（2）提出出盾構構掘進進過程程中地地層劈劈裂發(fā)發(fā)生與與掘進進參數(shù)數(shù)的關關系，，整理理出劈劈裂發(fā)發(fā)生以以及泥泥水噴噴發(fā)的的判別別標準準，提提出規(guī)規(guī)避泥泥水噴噴發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象發(fā)發(fā)生的的措施施；（3）提出出覆土土厚度度、水水壓等等與盾盾構機機參數(shù)數(shù)及掘掘進參參數(shù)的的關系系；（4）提出出合理理的最最小覆覆土厚厚度及及相應應的安安全掘掘進模模式和和掘進進參數(shù)數(shù)。子課題題2：大型型泥水水盾構構長距距離掘掘進研研究（1）總結結分析析刀具具磨損損數(shù)據(jù)據(jù)，針針對南南京長長江隧隧道具具體工工程，，建立立磨損損對盾盾構掘掘進性性能影影響評評價體體系，，提出出合理理掘進進參數(shù)數(shù)和施施工措措施，，增大大掘進進距離離；（2）綜合合各研研究手手段，，提出出盾構構刀具具切削削機理理和刀刀盤優(yōu)優(yōu)化設設計原原理、、針對對不同同地層層進行行刀盤盤、刀刀具優(yōu)優(yōu)化設設計分分析。。研究成成果匯匯報右線初初始掘掘進段段現(xiàn)場場原位位試驗驗選取右右線初初始掘掘進長長度135m左右進進行現(xiàn)現(xiàn)場原原位試試驗右線初初始掘掘進段段現(xiàn)場場原位位試驗驗選取右右線初初始掘掘進長長度135m左右進進行現(xiàn)現(xiàn)場原原位試試驗，，是基基于以以下考考慮：：⑴該該段盾盾構施施工埋埋深淺淺，覆覆土厚厚度5.5m～11.65m。⑵距距離始始發(fā)井井75m左右有有一水水塘。。與江江中淺淺覆土土段工工況有有相似似之處處。⑶該段施施工便便于進進行各各種檢檢測原原件的的埋設設和數(shù)數(shù)據(jù)測測量。。⑷可以進進行理理論分分析和和現(xiàn)場場的實實際對對比。。右線初初始掘掘進段段地層層自上上而下下分別別為:②-3粘土④淤泥泥質粉粉質粘粘土⑥淤泥泥質粉粉質粘粘土夾夾粉土土⑦-2粉土⑧粉細細砂⑨粉細細砂其中盾盾構穿穿越地地層主主要為為④淤淤泥質質粉質質粘土土地層層。該該土層層含水水量大大，孔孔隙比比大，，滲透透系數(shù)數(shù)小，，強度度指標標小，，屬于于典型型的軟軟弱粘粘土。。試驗目目的1)泥水盾盾構掘掘進對對周圍圍地層層的影影響；；2)小覆土土泥水水盾構構掘進進合理理的施施工參參數(shù)；；3）與壓壓力相相關的的包括括泥水水壓力力和注注漿壓壓力的的控制制指標標；監(jiān)測內(nèi)內(nèi)容1)地表變變形監(jiān)監(jiān)測：：監(jiān)測測隧道道橫向向和縱縱向地地表沉沉降，，繪制制橫向向沉降降槽和和縱向向沉降降曲線線，研研究地地表沉沉降隨隨盾構構推進進的變變化規(guī)規(guī)律；；2)地層分分層沉沉降和和水平平位移移監(jiān)測測：利利用測測斜儀儀監(jiān)測測不同同深度度處地地層水水平位位移，，利用用分層層沉降降儀監(jiān)監(jiān)測不不同深深度處處地層層豎向向位移移，根根據(jù)水水平和和豎向向位移移，判判斷盾盾構施施工對對土體體的擠擠壓情情況。。3)原位水水土壓壓力及及孔隙隙水壓壓力監(jiān)監(jiān)測：：以雙雙膜土土壓力力盒監(jiān)監(jiān)測土土體原原位壓壓力；；利用用孔隙隙水壓壓力計計記錄錄地層層孔隙隙水壓壓的變變化，，為泥泥水盾盾構掘掘進尤尤其是是小覆覆土工工況下下掘進進時泥泥水壓壓力和和注漿漿壓力力的設設定提提供依依據(jù)；；4)選取第第二監(jiān)監(jiān)測斷斷面，，在臨臨近該該斷面面前盾盾構以以較大大泥水水壓力力掘進進，取取得監(jiān)監(jiān)測數(shù)數(shù)據(jù)，，與正正常泥泥水壓壓力掘掘進時時所取取得的的各項項數(shù)據(jù)據(jù)進行行對比比分析析，為為江中中小覆覆土段段地層層處理理方案案及施施工參參數(shù)提提供理理論依依據(jù)；；5)優(yōu)化盾盾構施施工參參數(shù)：：包括括泥水水艙壓壓力、、推力力、推推進速速度、、出土土量、、壁后后壓力力和注注漿量量、盾盾構姿姿態(tài)等等。第一個個斷面面為常常規(guī)掘掘進監(jiān)監(jiān)測斷斷面。。第二個個斷面面為改改變泥泥水特特性、、泥水水壓力力、推推力、、壁后后注漿漿壓力力以及及掘進進速度度的監(jiān)監(jiān)測斷斷面。。監(jiān)測斷斷面布布置試驗分分兩個個區(qū)段段，分分別為為在距距始發(fā)發(fā)井70m處（覆覆土厚厚度8m）和120m處（覆覆土厚厚度11m）。。1）地表表沉降降點布布置2)地層分分層沉沉降和和水平平位移移監(jiān)測測點布布置第一監(jiān)監(jiān)測斷斷面分分層沉沉降和和測斜斜儀布布點（距始始發(fā)井井70m，埋深深約8m）第二監(jiān)監(jiān)測斷斷面分分層沉沉降和和測斜斜儀布布點（距始始發(fā)井井120m，埋深深約11m）3)土壓力力和孔孔隙水水壓力力監(jiān)測測點布布置第一監(jiān)監(jiān)測斷斷面土土壓力力計和和孔隙隙水壓壓計布布點（距始始發(fā)井井75m，埋深深約8m）第二監(jiān)監(jiān)測斷斷面土土壓力力計和和孔隙隙水壓壓計布布點圖圖（距始始發(fā)井井125m，埋深深約11m）地層分分層沉沉降和和水平平位移移監(jiān)測測點土壓力力和孔孔隙水水壓力力監(jiān)測測點監(jiān)測實實施第一監(jiān)監(jiān)測斷斷面：：按正正常設設定掘掘進盾構切切口到到達離離測點點前30m時開始始監(jiān)測測地表表變形形、測測斜、、分層層沉降降、土土壓力力及水水壓力力值。。其中中地表表變形形、測測斜及及分層層沉降降每環(huán)環(huán)測1次，測測量時時間安安排在在推進進結束束后進進行。。土壓力力及水水壓力力值采采集頻頻率為為每環(huán)環(huán)測3次。第二監(jiān)測斷斷面：加大大泥水壓力力、改變泥泥水特性、、以更大推推進速度掘掘進（根據(jù)據(jù)第一斷面面試驗結果果）監(jiān)測頻率基基本與第一一斷面相同同，加大泥泥水壓力、、改變泥水水濃度、壁壁后注漿壓壓力較大、、掘進速度度快條件下下進行監(jiān)測測。分層沉沉降、土壓壓力及孔隙隙水壓力是是監(jiān)測重點點。125m斷面地表沉沉降發(fā)展過過程120m斷面3#孔縱向水平平位移3#孔土壓計土土壓變化2#孔孔隙水壓壓變化趨勢勢1、通過右線線初始掘進進段現(xiàn)場原原位試驗取取得的監(jiān)測測數(shù)據(jù)，我我們通過進進行對比分分析，對監(jiān)監(jiān)測方案進進行了優(yōu)化化調整（觀觀測點加密密、泥水采采用分步加加壓、掘進進速度調整整、加壓產(chǎn)產(chǎn)生劈裂等等），繼續(xù)續(xù)在左線進進行試驗監(jiān)監(jiān)測。2、通過進行行左右線原原位試驗，，將成果應應用到室內(nèi)內(nèi)盾構掘進進泥水劈裂裂試驗裝置置上，通過過理論分析析、原位試試驗、室內(nèi)內(nèi)模型試驗驗等一系列列手段，完完善江中淺淺覆土段的的施工方案案，確保該該段施工安安全順利進進行。3、根據(jù)理論論計算分析析、現(xiàn)場原原位試驗數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分分析、掘進進泥水劈裂裂試驗裝置置模擬，形形成了非拋拋填方式穿穿越江中沖沖槽段淺覆覆土的施工工方案并通通過專家評評審，我們們嚴格按照照評審的方方案實施，，于2009年4月7日-4月12日安全順利利穿越江中中沖槽超淺淺覆土段，，比原計劃劃提前了7天時間，成成功克服了了覆土薄、、水壓大、、透水強，，極容易發(fā)發(fā)生擊穿冒冒頂、江底底沉降、坍坍塌的巨大大風險，破破解了在強強透水地質質、不進行行河床處理理等條件下下穿越江中中沖槽淺覆覆土的施工工技術難題題，填補了了國內(nèi)同類類施工的空空白，積累累了寶貴經(jīng)經(jīng)驗。泥水盾構長長距離掘進進研究刀盤的基本本結構南京長江隧隧道盾構刀刀盤形式為為輻條面板板式，直徑徑為14.93m,重量達400t，由6個主輻臂（（1#-6#）和6個輔助輻臂臂（1#-6#）組成，主主輻臂上安安裝先行刀刀、刮刀和和小鏟刀，，輔助輻臂臂上安裝大大鏟刀，刀刀盤的開口口率約為30％。1#主輻臂6#主輻輻臂臂5#主輻輻臂臂4#主輻輻臂臂3#主輻輻臂臂2#主輻輻臂臂2、刀刀具具的的基基本本結結構構南京京長長江江隧隧道道盾盾構構機機配配備備刀刀具具總總數(shù)數(shù)量量為為225把（（從從開開挖挖軌軌跡跡上上說說是是309把）），，刀刀具具由由先先行行刀刀、、刮刮刀刀、、鏟鏟刀刀和和仿仿形形刀刀四四種種組組成成。。先行刀16把，高出刀盤250mm刮刀189把（常壓可更換刀71把，固定刀118把），刮刀高出刀盤200mm。小鏟刀3對，安裝在1#－3#主輻臂上，鏟刀高出刀盤200mm。

大鏟刀6對（覆蓋31#～38#刮刀的開挖軌跡），安裝在1#－6#輔助輻臂上，鏟刀高出刀盤200mm。南京京長長江江隧隧道道盾盾構構在在掘掘進進中中，，尤尤其其是是在在砂砂礫礫石石地地層層中中掘掘進進遇遇到到的的主主要要問問題題是是：：⑴刀刀具具磨磨損損過過快快。。⑵刀刀具具磨磨損損過過度度。。38#刀磨磨損損后后38#刀磨磨損損前前38#左側側考慮慮到到刀刀具具存存在在的的上上述述問問題題，，我我們們對對刀刀具具形形式式、、加加工工工工藝藝等等各各方方面面進進行行分分析析和和研研究究，，并并根根據(jù)據(jù)研研究究結結果果對對刀刀具具進進行行了了三三種種改改進進方方案案設設計計，，以以適適應應礫礫砂砂層層掘掘進進。。在在現(xiàn)現(xiàn)場場取取742～792環(huán)（（50環(huán)））作作為為改改進進刀刀具具應應用用試試驗驗段段，，不不同同改改進進方方案案刀刀具具分分別別安安裝裝在在同同一一軌軌跡跡，，以以檢檢驗驗各各自自優(yōu)優(yōu)缺缺點點。。通過過50環(huán)試試驗驗段段統(tǒng)統(tǒng)計計，，對對三三種種改改進進方方案案進進行行了了對對比比分分析析：：方案案I新改改進進刀刀具具總總體體性性能能比比原原裝裝刀刀具具有有很很大大提提高高，，但但崩崩齒齒現(xiàn)現(xiàn)象象依依然然嚴嚴重重，，四四把把刀刀中中有有3把出出現(xiàn)現(xiàn)崩崩齒齒現(xiàn)現(xiàn)象象，，由由于于合合金金頭頭部部倒倒角角較較尖尖銳銳，，導導致致正正常常磨磨損損量量也也偏偏大大（（7mm左右右；；方案案II改進進刀刀具具主主要要表表現(xiàn)現(xiàn)在在兩兩排排合合金金之之間間刀刀體體磨磨損損較較嚴嚴重重，，合合金金耐耐磨磨性性能能較較好好，，合合金金崩崩裂裂和和整整體體脫脫落落趨趨勢勢嚴嚴重重，，36#刀（（左左））兩兩排排合合金金全全部部崩崩裂裂；；方案案III刀具具表表現(xiàn)現(xiàn)最最好好，，所所有有刀刀具具均均未未出出現(xiàn)現(xiàn)任任何何崩崩齒齒現(xiàn)現(xiàn)象象，，自自然然磨磨損損也也很很小小，，幾幾乎乎全全在在3mm以內(nèi)內(nèi)。。由于于方方案案III性能能表表現(xiàn)現(xiàn)總總體體良良好好，，故故以以改改進進方方案案III刀具具性性能能為為計計算算依依據(jù)據(jù)，，理理論論計計算算掘掘進進距距離離分分別別為為38#刀具具400m，24#～37#刀具具在在700～1000m之間間，，其其余余在在1000m以上上，，考考慮慮合合金金崩崩裂裂或或其其他他原原因因對對刀刀具具壽壽命命的的不不預預期期影影響響，，安安全全系系數(shù)數(shù)取取2，38#刀具具掘掘進進距距離離為為200m，其其余余刀刀具具掘掘進進距距離離在在300m以上上。。通過過在在施施工工過過程程對對刀刀具具磨磨損損的的分分析析以以及及進進一一步步的的改改進進與與工工程程應應用用，，大大大大加加深深了了我我們們對對礫礫砂砂地地層層刀刀具具切切削削機機理理、、刀刀具具選選型型、、刀刀具具設設計計的的理理解解與與認認識識，，換換刀刀距距離離由由改改進進前前的的50環(huán)（（100m）普普遍遍提提高高到到改改進進后后的的300環(huán)（（600m）以以上上，，工工程程效效益益顯顯著著，，對對以以后后類類似似工工程程提提供供了了一一個個很很好好的的借借鑒鑒案案例例，，意意義義深深遠遠重重大大。。左線線到到達達接接收收井井后后，，部部分分刀刀具具照照片片，，可可以以看看出出改改進進后后的的刀刀具具全全部部表表現(xiàn)現(xiàn)為為正正常常磨磨損損，，未未見見合合金金崩崩裂裂脫脫落落。?，F(xiàn)場場應應用用情情況況：：在在現(xiàn)現(xiàn)場場實實際際施施工工時時，，方方案案III刀具具更更換換距距離離普普遍遍在在300環(huán)以以上上，，幾幾乎乎未未出出現(xiàn)現(xiàn)合合金金崩崩裂裂脫脫落落等等現(xiàn)現(xiàn)象象，，與與掘掘進進距距離離估估算算結結果果基基本本一一致致。。方方案案III改進進刀刀具具在在后后續(xù)續(xù)施施工工最最長長掘掘進進距距離離達達到到了了363環(huán)（（27#刀具具））。。3、開開展展的的主主要要研研究究項項目目和和階階段段成成果果開展展盾盾構構隧隧道道施施工工三三維維數(shù)數(shù)值值可可視視化化仿仿真真模模擬擬技技術術研研究究，，通通過過進進行行隧隧道道始始發(fā)發(fā)和和接接收收、、穿穿越越長長江江大大堤堤、、最最淺淺覆覆土土層層施施工工、、復復合合土土層層施施工工、、兩兩條條隧隧道道臨臨近近超超越越施施工工的的三三維維可可視視化化仿仿真真模模擬擬，，達達到到如如下下目目的的：：1）通通過過三三維維可可視視化化仿仿真真，，分分析析隧隧道道施施工工中中發(fā)發(fā)生生地地表表冒冒漿漿或或塌塌陷陷、、地地表表沉沉降降過過大大、、進進出出洞洞土土體體大大量量流流失失等等施施工工事事故故的的可可能能性性。。分分析析發(fā)發(fā)生生隧隧道道施施工工事事故故的的機機理理、、原原因因和和關關鍵鍵影影響響因因素素，，提提出出防防范范施施工工事事故故的的措措施施，，評評價價和和驗驗證證防防范范措措施施的的有有效效性性和和合合理理性性。。2）針針對對南南京京長長江江隧隧道道的的結結構構特特點點、、環(huán)環(huán)境境條條件件和和施施工工方方案案，，通通過過三三維維可可視視化化仿仿真真，，對對多多種種施施工工方方案案進進行行比比較較分分析析，，評評價價施施工工方方