武漢公路過江通道隧道工程施工技術(shù)

武漢長江隧道工程施工技術(shù)中國中鐵隧道集團有限公司2007年12月匯報的主要內(nèi)容：一、工程概述二、工程特點、重難點三、盾構(gòu)施工技術(shù)四、盾構(gòu)施工成功經(jīng)驗五、目前工程進展及盾構(gòu)機性能評價一、

工程概述1.1參建單位：業(yè)主：武漢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團有限公司（武漢長江隧道工程建設(shè)有限公司）監(jiān)理單位：施工監(jiān)理聯(lián)合體主辦單位：上海市市政工程管理咨詢有限公司成員單位：中咨工程建設(shè)監(jiān)理公司湖北中南市政工程監(jiān)理有限公司總包單位（EPC）：中鐵隧道集團聯(lián)合體主辦單位：中鐵隧道集團有限公司成員單位：鐵道部第四勘察設(shè)計院（設(shè)計單位）武漢市市政建設(shè)集團有限公司武漢市城市規(guī)劃設(shè)計研究院奧地利D2咨詢有限公司

設(shè)計監(jiān)理：長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院

1.2工程工期和總造價工期：45個月開工日期：2004年11月28日完工日期：2008年8月26日 工程投資概算總額約20.5億元1.3工程概況工程位置武漢長江隧道為武漢市重點工程，是武漢市第一條重要的公路過江通道。工程位于武漢長江一、二橋之間，隧道江北起點位于漢口大智路與銘新街的交叉口，江南終點為武昌友誼大道南側(cè)規(guī)劃中的沙湖路，線路全長3630m，其中過江盾構(gòu)隧道設(shè)計為兩條隧道，左右線各長2538m。單條隧道設(shè)計為兩車道，設(shè)計車速50km/h。漢口端設(shè)2條匝道，武昌端設(shè)4條匝道與路網(wǎng)相接。武漢長江隧道工程地理位置見圖1。圖1武漢長江隧道工程地理位置圖武昌漢口1.3.3盾構(gòu)隧道平、縱、橫斷面設(shè)計概況盾構(gòu)隧道線路共設(shè)3組平曲線，平面最小轉(zhuǎn)彎半徑為800m。線路縱坡大致為U形，最大下坡為4.35%，最大上坡為4.4%。盾構(gòu)隧道內(nèi)凈空φ10m，管片外徑φ11m。隧道斷面底部設(shè)逃生通道和電纜通道，中部為行車道，上部為專用排煙道。盾構(gòu)隧道最小覆土厚6.3m，最大覆土厚40.5米。線間距為16-28m。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面見圖3。

工程范圍和任務(wù)劃分工程范圍包括盾構(gòu)始發(fā)井、到達井、盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道、明挖隧道、主線中山大道暗挖隧道、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(shè)備安裝工程等。工程線路平面布置示意見圖2。

圖2工程平面布置示意圖江南通風井江北通風井盾構(gòu)始發(fā)井盾構(gòu)到達井江南橫通道江北橫通道長江武昌區(qū)江岸區(qū)圖3盾構(gòu)隧道橫斷面圖1.3.4工程地質(zhì)及水文地質(zhì)工程地質(zhì)

隧址區(qū)長江段水下地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細砂，中粗砂組成，中部由第四系全新統(tǒng)中密～密實粉細砂組成，下部基巖為志留系泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖、頁巖；江南及江北兩岸地層除地表有呈松散狀態(tài)的人工填土外，上部由第四系全新統(tǒng)沖積軟～可塑粉質(zhì)粘土，中部由第四系全新統(tǒng)中密～密實粉細砂組成，下部基巖為志留系泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖、頁巖。工程地質(zhì)縱斷面見圖４。盾構(gòu)隧道主要穿越粘土層、粉土層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉細砂、中粗砂，局部地段穿越泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖頁巖，其中穿越粉細砂層和中粗砂層占74.74%，穿越粉土和粘土層占23.03%，穿越卵石層占1.01%，穿越巖石占1.22%。最大切巖深度為2.341m，未切入微風化巖層。圖４工程地質(zhì)縱斷面圖密實粉細砂中粗砂上軟下硬地層松散粉細砂層泥質(zhì)粉砂巖地層盾構(gòu)到達井盾構(gòu)始發(fā)井長江粘性土地層聯(lián)絡(luò)通道聯(lián)絡(luò)通道1.3.4.２不良地質(zhì)

①、隧道址場地20m深度內(nèi)松散粉細砂（地層代號③1）和稍密粉細砂（地層代號⑤1）為可輕微液化土層；②、分布于長江兩岸近地表處的人工填土層均呈松散狀態(tài)，隧道明挖及豎井基坑施工時，該土層不穩(wěn)定，需進行支護；③、分布于長江河床表層的粉細砂和中粗砂地層，呈松散狀態(tài)。④、場地內(nèi)分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（地層代號④5）主要分布在隧道址江南（武昌）段，其分布不連續(xù)，厚度不大，該層在隧道施工時，可能會對坑壁穩(wěn)定性有一定影響。１水文地質(zhì)①、地表水該地區(qū)地表水系主要有長江水系、漢江水系、沙湖水系。長江水系為區(qū)內(nèi)主要地表水系，也是對擬建長江隧道有直接影響的地表水系。長江水系主要接受上游及漢江補給，向下游排泄；漢江水系主要接受上游補給，向長江排泄。沙湖水系主要接受大氣降水補給，與長江水力聯(lián)系受人為因素控制。長江水對混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。②、地下水地下水主要有上層滯水、孔隙水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于上部人工填土層中，孔隙水主要賦存于第四系松散層中，可分為孔隙潛水和孔隙承壓水兩種類型；基巖裂隙水主要賦存于下部基巖裂隙中。場地內(nèi)地下水位埋深0.80～5.90m。相當于標高21.02～15.92m。長江河床段分布的地層主要為第四系全新統(tǒng)新近沉積粉細砂、全新統(tǒng)沉積粉細砂、中粗砂、砂卵石層以及志留系砂巖泥巖。與長江兩岸比較，長江切穿了第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水層頂板，江水和地下水具有密切的水力聯(lián)系。洪水期盾構(gòu)施工最大水壓達到0.57MPa。二、

工程特點、重難點

2.1工程特點（1）工程規(guī)模宏大、意義重大

武漢長江隧道是武漢市大型重點工程和重要的過江通道，被稱為“萬里長江第一隧”，工程宏偉，投資巨大，引起湖北省、武漢市政府及土木工程界的高度關(guān)注。

（2）施工涉及領(lǐng)域多，綜合性強

本工程包括長江兩岸明挖基坑、暗挖隧道、過江盾構(gòu)隧道、道路施工、設(shè)備采購及安裝等項目，涉及富水地層深基坑開挖、大斷面泥水平衡盾構(gòu)掘進、大跨隧道淺埋暗挖施工、聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工等工程技術(shù)，施工綜合性強。（3）工程地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大

本工程處于Ι類建筑場區(qū)，地層復(fù)雜，地下水位高。富水地層深基坑開挖、大斷面泥水平衡盾構(gòu)掘進、大跨隧道淺埋暗挖施工、軟土地層聯(lián)絡(luò)通道施工等工程技術(shù)，設(shè)計和施工難度都很大。（4）盾構(gòu)施工涉及難題多

①、斷面大、連續(xù)掘進距離長。②、盾構(gòu)穿越地層復(fù)雜，地質(zhì)條件變化大。③、隧道埋深變化大，水壓高。④、進出洞段埋深淺，且下穿眾多重要的建筑物，如長江防洪大堤、武大鐵路、魯茲故居等。⑤、2條盾構(gòu)隧道凈間距小，相互對周邊環(huán)境影響大。⑥、盾構(gòu)隧道上下坡度大，上下反坡差達8.7%。要求盾構(gòu)有較強的爬坡能力和方向控制能力，同時對運輸系統(tǒng)提出了更高的要求。（5）工程拆遷量大、施工任務(wù)重、工期緊2.2工程重難點（1）盾構(gòu)選型和設(shè)計

盾構(gòu)機穿越的地層主要為富含地下水的砂性土，但在江中地段，開挖面上同時存在著土層、卵石層及砂巖、泥巖層的強、中風化的巖石地層，地下水特征在兩岸表現(xiàn)為較高承壓水頭的承壓水特征，在江中則表現(xiàn)為高水壓的潛水特性。盾構(gòu)機選用正確與否是工程成敗的關(guān)鍵。（2）施工組織與技術(shù)管理

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，工程內(nèi)容和工法較多，施工場地狹小，施工工期緊張。如何加強施工組織和技術(shù)管理，加強施工過程控制，做到協(xié)調(diào)有序是施工的重點。（3）地表建（構(gòu)）筑物及地下管線眾多，環(huán)境保護要求高

本項目施工影響范圍內(nèi)重要建筑物包括魯茲故居、長江防洪堤、武大鐵路及隧道上方重要建構(gòu)筑物等。特別是在盾構(gòu)始發(fā)和到達段，覆土淺（0.7D）、軟土地層下穿大量建筑物。管線種類主要有：給水、排水、電力、通信、煤氣等。道路上的管線主要分布于機動車道兩側(cè)的非機動車道和人行道下，其密度較大；給水管線主要為鑄鐵管、混凝土管兩種；排水主管以混凝土管道為主，有少量為箱涵式。電力管線多數(shù)為溝道式埋設(shè)，部分分支為直埋。通信管線多數(shù)以管塊或群管集中方式埋設(shè)，部分為直埋方式。工程處于鬧市區(qū)，對噪音、粉塵、污水排放控制、交通組織等管理要求高。（4）盾構(gòu)穿越長江

本工程盾構(gòu)隧道要穿越1310米的長江，過江段盾構(gòu)穿越地層主要為⑤2粉細砂層、⑤3粉細砂層，而且隧道與江水之間的地層均為松散的中粗砂到粉細砂地層，為透水層，地下水和江水有著密切的水力聯(lián)系通道，水壓最高達0.57MPa，施工過程控制不好，就可能產(chǎn)生“冒頂”、隧道涌水涌砂等事故。隧道在穿越長江深槽處，河床深度僅有11米，隧道上覆砂層為滲透性強的中粗砂，施工控制難度大。隧道下半斷面在江底要間斷的穿越約300m左右的⑥卵石層、⑦1～⑦3強～微風化泥質(zhì)砂巖夾砂巖、頁巖等軟硬不均地層，卵石及基巖侵入隧道最大厚3.8m，施工可能出現(xiàn)開挖面坍塌、刀盤或刀具嚴重磨損使盾構(gòu)無法推進而不得不換刀、盾構(gòu)掘進方向不易控制、可能因堵管造成泥水壓力急劇變化而導(dǎo)致超挖，從而引發(fā)事故。（5）盾構(gòu)始發(fā)和到達

隧道始發(fā)和到達段覆土淺,隧道凈間距小(僅5.5米），地面建筑物及管線密集，施工難度大。始發(fā)和到達段是事故多發(fā)地段。（6）聯(lián)絡(luò)通道的施工

位于盾構(gòu)段的2處聯(lián)絡(luò)通道均處于粉細砂地層中，且地下水位高，在該種地層中進行聯(lián)絡(luò)通道施工，施工難度與風險均較大，而且橫通道地表建筑物及管線較多，若產(chǎn)生涌水涌砂而導(dǎo)致過大的地層沉降，很可能造成地表上方建構(gòu)筑物及地下管線的破損。因此，選用合理的施工方案，確保聯(lián)絡(luò)通道安全施工，是本工程的重點。三、盾構(gòu)施工技術(shù)

3.1盾構(gòu)選型武漢長江隧道最終采購由法國NFM公司設(shè)計的盾構(gòu)機，除核心設(shè)備采用進口件，部分結(jié)構(gòu)在國內(nèi)制造。盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)及其性能簡單介紹如下：（1）、盾構(gòu)機類型：膨潤土-氣墊式泥水平衡盾構(gòu)；（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(zhuǎn)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(zhuǎn)/分；最大轉(zhuǎn)速時的扭矩5050kNm@2.3轉(zhuǎn)/分；脫困扭矩17750kNm；（8）、速度：最大掘進速度40mm/min；圖5：間接控制型泥水平衡盾構(gòu)工作原理圖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(qū)３.三1.三1盾三構(gòu)機三刀盤（１三）、三支撐三方式三：中三心支三撐（三八個三輻條三）（２三）、三刀盤三型式三：復(fù)三合刀三盤（三39三把1三7“三單刃三滾刀三，2三24三把切三刀）（3三）、三開挖三直徑三11三38三0三mm三，開三口率三30三%（三中心三部位三50三%）（4三）、三滾刀安裝三在從三半徑2.三0三m至周三緣處三，間三距10三8m三m；（5三）、三周邊三的保三護刀三32三把；三仿形三刀1三把；三切刀三磨損三檢測三裝置三4把三；（6）、三刀盤三分塊三數(shù)量三3塊三；３.三1.三2刀三盤驅(qū)三動系三統(tǒng)（１三）、型式三變頻三電機三驅(qū)動三，驅(qū)三動功三率2三00Ⅹ8三即16三00三k三W；（2三）、三雙向三轉(zhuǎn)速三0三~2三.3三轉(zhuǎn)三/分三(連三續(xù)可三調(diào))三；（3三）、三最大三扭矩三13三65三0三kN三m三@三0.三85三轉(zhuǎn)/三分；三脫困三扭矩三17三75三0三kN三m（4三）、三主軸三承類三型3三排三滾柱三?三2排三軸向三-1三排徑三向?三軸承（5三）、三主軸三承壽三命1三00三00三小時三；（6三）、三密封三2三×5三道三密封三，開三挖室三的最三大工三作壓三力6三.0三b三ar圖6三：刀三盤布三置形三式圖7三：刮三刀和三滾刀三配置三結(jié)構(gòu)三圖圖8三主軸三承密三封推進三系統(tǒng)(1三)、三最大三推力三12三12三20三k三N（2三）、三油缸三數(shù)目三36三個、三單個三油缸三推力三33三66三k三N；（3三）、三油缸三行程三：2三60三0三mm三；（4三）、三油缸三分組三：為三4組三；（5三）、三最大三推進三速度三40三m三m/三mi三n；LowergroupUppergroupLeftgroupRightgroup圖9三推進三油缸三分區(qū)三圖泥漿三循環(huán)三系統(tǒng)（1三）、進漿三泵（三P1三.1三）流三量9三00三m三3/三h（三掘進三期間三）1三14三4三m3三/h三（旁三通時三）排渣三流量三（P三2.三1、三P2三.2三）1三25三0三m3三/h三（掘三進期三間和三旁通三時）（2三）、三進漿三最大三密度三1.三1三T/三m3三，排三渣最三大密三度1三.3三0三T/三m3（3三）碎三石機三型式三雙獨三立顎三板式三最大三粒徑三40三0三mm（4三）、三泥漿三管延三伸機三構(gòu)延三伸能三力6三m；圖10泥漿三循環(huán)三界面三圖泥水三分離三系統(tǒng)三和制三漿（1三）、三3套三50三0立三方處三理設(shè)三備并三連；（2三）、三處理三以篩三分、三一級三旋流三、二三級旋三流；（3三）、三一級三旋流三以處三理7三4μ三m為三主；（4三）、三二級三旋流三以處三理4三5三μm三為主三；（5三）、三分離三后的三泥漿三經(jīng)沉三淀后三與新三漿混三合循三環(huán)利三用；（6三）、三新漿三以聚三合物三和膨三潤土三為原三料制三備；盾體三和盾三尾密三封系三統(tǒng)（1三）、三前體三直徑三和長三度1三13三60三mm三，2三40三5m三m（2三）、三中體三直徑三和長三度1三13三40三mm三，3三90三0m三m（3三）、三盾尾三直徑三和長三度1三13三40三mm三，4三47三5m三m（4三）、三盾尾三與襯三砌環(huán)三間的三徑向三間隙三40三mm（5三）、三盾尾三密封三：3三排鋼三絲刷三+三1三排鋼三板束（6三）、三中體三四周三預(yù)留三有超三前鉆三探孔三18三個圖11泥水三處理三設(shè)備三圖圖12分離三碴土三照片盾尾三結(jié)構(gòu)圖13盾尾三結(jié)構(gòu)三圖氣體三保壓三系統(tǒng)三（s三am三so三n）（1三）、三用于三設(shè)定三氣倉三壓力三；最三大設(shè)三定壓三力為三6b三ar三；（2三）、三用于三保持三氣倉三壓力三，減三小壓三力波三動；人員三倉（1三）、三配置三雙人三員倉三；其三中主三倉可三容納三4人三；（2三）、三材料三倉也三作為三輔倉三，可三容納三4人三；（3三）、三額定三工作三壓力三6b三ar三；（4三）、三供人三員呼三吸濾三清裝三置注漿三系統(tǒng)（1三）、三配置三6臺三注漿三泵；（2三）、三內(nèi)置三注漿三管2三*6三根；導(dǎo)向三系統(tǒng)（1三）、三PP三S導(dǎo)三向系三統(tǒng)3.三2盾構(gòu)三始發(fā)盾構(gòu)三始發(fā)三流程圖14盾構(gòu)始發(fā)流程圖端頭三土體三加固三及效三果檢三查（1三）、三加固三方案三：采三用三三軸攪三拌樁三和雙三重管三高壓三旋噴三相結(jié)三合的三方式三。土三體加三固以三攪拌三樁為三主，三高壓三旋噴三為輔三，旋三噴樁三加固三攪拌三樁與三連續(xù)三墻間三的部三分，三其余三段均三由攪三拌樁三加固三。（2三）、三加固三范圍三：東三線隧三道加三固長三度為三13三.6三m，三西線三隧道三加固三長度三為8三.3三m。三橫斷三面加三固范三圍為三距盾三構(gòu)隧三道外三圍3三米范三圍內(nèi)三的正三方形三區(qū)域三，該三范圍三為強三加固三區(qū)。三水泥三標號三采用三32三.5三，摻三量為三18三%(三重量三比)三。（3三）、三加固三效果三檢查三：強三度三：垂三直鉆三孔檢三查均勻三性：三垂直三鉆孔三檢查滲透三性：三洞門三處水三平鉆三孔檢三查圖1三5三端三頭加三固平三面圖圖1三6三端三頭加三固斷三面圖圖1三7三端三頭加三固洞三門水三平檢三查孔水平探孔兼注漿孔洞門三鑿除（1三）、三鑿除三方案三：首三先，三將洞三門鑿三除至三保留三地連三墻外三側(cè)鋼三筋及三保護三層；三其次三，三在盾三構(gòu)組三裝調(diào)三試好三可貫三入掌三子面三后快三速自三下而三上鑿三除剩三余鋼三筋砼三。圖1三8三洞三門鑿三除后三照片洞門三密封三裝置三由由三兩道三相同三的密三封組三成，三其中三每道三密封三由簾三布橡三膠、三扇形三壓板三、折三葉板三、墊三片和三螺栓三等組三成。三兩道三密封三間隔三50三0m三m。洞門三密封圖1三9三盾三構(gòu)始三發(fā)照三片盾構(gòu)三始發(fā)三幾點三認識（1三）、三大型三盾構(gòu)三始發(fā)三基座三強度三和剛?cè)纫凉M足三要求三；（2三）、三端頭三土體三加固三應(yīng)滿三足洞三門鑿三除受三力要三求；（3三）、三端頭三土體三加固三長度三宜大三于盾三構(gòu)殼三體長三度；（4三）、三洞門三密封三結(jié)構(gòu)三增加三油脂三腔使三洞門三密封三更有三效。3.三3盾構(gòu)三掘進三施工三技術(shù)盾構(gòu)在淺三覆土三粘性三土地三層掘三進（1三）、三易出三現(xiàn)的三問題三：①、三粘附三刀盤三②三、地三表冒三漿③、三地表三沉降三量大三④三、管三片上三?。?三）、三采取三措施①、三較低三掘進三速度三、較三高轉(zhuǎn)三速推三進；三②、三均勻三快速三穿越三；③、三壓力三選擇三合適三、壓三力波三動小三，減三小對三地層三擾動三；④、三利用三中部三及上三部4三個注三漿管三注漿三，注三漿采三用一三定稠三度的三水泥三砂漿三，避三免上三??；盾構(gòu)在砂三性土三地層三掘進（1三）、三易出三現(xiàn)的三問題三：①、三地層三不穩(wěn)三定易三坍塌三②三、地三表沉三降量三大（2三）、三采取三措施①、三調(diào)整三好泥三漿質(zhì)三量,三將泥三漿的三粘度三提高三；②、三壓力三選擇三適當三，一三般設(shè)三定壓三力高三于計三算水三土壓三力0三.2三ba三r，三壓力三波動三控制三在±三0.三2b三ar三;三③、三控制三出碴三量；三每環(huán)三記錄三出碴三量確三定是三否有三超挖三現(xiàn)象三；三④、三重要三地段三快速三穿越三，如三穿大三堤。盾構(gòu)在長三江段三砂性三土地三層掘三進（1三）、三易出三現(xiàn)的三問題三：①、三地層三不穩(wěn)三定易三坍塌三②三、易三發(fā)生三“冒三頂”三；（2三）、三采取三措施①、三調(diào)整三好泥三漿質(zhì)三量,三將泥三漿的三粘度三提高三；②三、控三制出三碴量三；③、三壓力三選擇三適當三，根三據(jù)泥三水漏三失量三和計三算水三土壓三力綜三合考三慮設(shè)三定壓三力；三④、三控制三好泥三漿循三環(huán)，三避免三堵管三引起三壓力三突變?nèi)?。盾?gòu)三淺覆三土下三穿建三筑物盾構(gòu)三始發(fā)三淺覆三土下三穿建三筑物盾構(gòu)三下穿三鐵路三示意三圖武昌三長江三防洪三大堤長江三防洪三大堤隧道三穿越三位置武昌三長江三防洪三大堤盾構(gòu)三掘進三幾點三認識（1三）、三壓力三設(shè)定三要不三斷摸三索，三通過三地表三沉降三及時三修正三；（2三）、三壓力三波動三范圍三要控三制，三正常三情況三下應(yīng)三控制三在±0三.2三ba三r范三圍內(nèi)三；（3三）、三地面三荷載三偏壓三的情三況下三，壓三力設(shè)三定值三宜取三超載三和無三荷載三的中三間值三，若三壓力三太大三，易三從薄三弱面三發(fā)生三冒漿三情況三，冒三漿后三建筑三物的三沉降三值會三更大三；（4三）、三重要三建筑三物下三要快三速連三續(xù)通三過；三如下三穿建三筑物三、鐵三路和三大堤三等；（5三）、三采用三水泥三砂漿三，僅三靠中三部和三上部三注漿三可有三效控三制管三片上三浮問三題；（6三）、三不穩(wěn)三定地三層，三泥漿三的指三標需三提高三，粘三性土三層泥三漿質(zhì)三量要三求可三降低三；（7三）、三每環(huán)三應(yīng)記三錄出三碴量三，及三時發(fā)三現(xiàn)超