大直径泥水平衡盾构在南京越江隧道工程施工中的关键技术综述

陈 健

（中铁十四局集团有限公司，250014，济南∥高级工程师）

近年来，国内水下隧道建设有了长足发展，并有优先考虑采用水下隧道作为跨越江河湖海方式的趋势［1］。然而，水下隧道工程建设具有投资大、施工周期长、施工技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响大等特点，属于高风险建设工程［2］。与土压平衡盾构相比，泥水平衡盾构能较好地适应于富水地层，且具有变形控制和施工安全性等明显优势［3］，因此针对开挖断面大、地下水丰富、地质条件复杂、变形控制严格的隧道，泥水平衡盾构成为首选的施工方法。然而，大直径泥水平衡盾构同时受开挖面的稳定性、盾构刀盘刀具对复杂地质条件的适应性、长距离掘进过程中盾构刀盘检修及刀具更换、环境变形控制及既有设施保护、泥浆质量控制和泥水处理等问题的制约，致使大直径泥水平衡盾构在城市中心区、长大隧道的应用及推广方面受到一定限制［4］。

南京长江隧道工程是中国长江流域上工程技术难度最高、挑战性最多的地下工程，作为世界级难度的越江工程，南京长江隧道面临的是高风险、高挑战性的世界难题，其特点主要体现在大、高、强、薄、长、险［5］。本文以南京长江隧道为例，对越江隧道施工中的难题和关键技术进行系统的分析。

1 工程概况

南京长江隧道工程是连接南京市区与浦口区的一条最直接的快速通道，它位于南京长江大桥与三桥之间，上距三桥9km，下距大桥10km，连接河西新城区—梅子洲—浦口区。盾构隧道设计为双向6车道，采用2台14.93m泥水加压盾构由江北始发井出发，同向掘进施工。隧道开挖直径为14.96m，隧道外径为14.5m、内径为13.3m（见图1）。南京长江隧道对于实现南京市政府提出的跨江发展战略，拉动江北经济快速发展起到了促进作用。

图1 隧道衬砌结构横断面图

2 越江隧道施工关键技术

2.1 冷冻始发技术

确定始发端头土体加固的范围及加固工艺是盾构隧道施工必须解决的关键问题［6］。南京长江隧道所处位置地下水与长江水存在连通关系，由于盾构机出洞处承压水头较高且位于砂层中等不利条件的存在，出洞处易发生涌砂、涌水，影响破洞门及盾构正常出洞，故此处存在极高的施工风险。综合考虑各方面因素，南京长江隧道采用了垂直冷冻墙技术，以保证洞门圈内地下连续墙安全凿除及盾构安全始发出洞。

对冻结加固体尺寸进行确定：全深垂直冻结深度为23m（大于隧道底部向下3m），冻结壁与槽壁胶结宽度为20.4m（大于盾构直径范围向外2.765 m），冻结壁厚度为1.6m。

浦口始发段冻结孔孔深为23m，布设两排，排间距为0.8m，冻结孔呈梅花状分布，孔间距为0.8 m。其中，第1排垂直冻结孔距槽壁0.4m，孔数为25个；第2排孔数为24个。同时布设测温孔3个，水平探孔6～8个。冻结孔具体布置如图2所示。

图2 浦口始发井冻结孔布设图

现场实测结果显示，群孔冻结内部冻土平均发展速度均大于40mm／d，外部（向外）冻土平均发展速度约为30mm／d。冻结板块交圈耗时16d，冻土墙与槽壁完全胶结耗时25d，冻土墙完全达到设计厚度和强度耗时30d。将冻结管拔至隧道顶部1m以上位置，继续冻结作业，盾构机出洞。在盾构穿过冻土区后停止冻结，拔除冻结管。从盾构机出洞到穿越冻结区耗时2d，实现了盾构机安全顺利始发出洞作业。

2.2 超浅覆土掘进技术

南京长江隧道盾构始发段（K3＋600～730）属于超浅覆土，最浅覆土厚度仅有5.5m，约0.37D（D为隧道开挖直径），主要穿越地层为流塑状的淤泥质粉质黏土地层。在该种工况地层施工时，由于竖向压力较小，加之开挖过程中有充足的水源对开挖区进行补给，隧道施工过程中极易出现盾构机姿态偏离轴线、泥水窜出地面“冒浆”、隧道上浮、端头土体失稳、涌水涌砂、地层塌陷等恶劣后果，施工技术难度非常大。

南京长江隧道对洞门周围连续墙外地层进行了加固，采用全断面旋喷加固方法对洞门前方18 m范围内地层进行了加固。同时，采用半断面旋喷加固法向前延伸37m加固区。还采取了2m厚的冷冻墙加固措施，给始发上了“双保险”。在掘进过程中，严格控制泥浆压力和地表沉降，并结合室内和原位试验等手段设定合理的盾构掘进参数，具体如下：

（1）切口水压控制：先由地层条件求得切口水压理论计算值，掘进过程中的切口泥水压力控制在理论值上下限之间，切口水压偏差值始终控制在－20～20kPa。

（2）掘进参数控制：掘进速度设定为20～40 mm／min，总推力控制在30000～45000kN。

（3）加强壁后同步注浆：注浆量控制在150%～250%，浆液胶凝时间为3～10h，固结体强度一天不小于0.2 MPa，结石率＞95%，稠度为（12±2）cm，倾析率小于5%。

（4）二次注浆管理：为提高背衬注浆层的防水性及密实度，并有效填充管片后的环形间隙，根据监测结果，必要时进行二次补强注浆。

（5）泥水质量控制：泥水密度控制在1.26～1.3 g／cm3之间，黏度（以泥浆黏度计计时）控制在25～35s，在推进过程中加大泥浆测试频率，及时调整泥浆质量。

（6）姿态控制：考虑到覆土较浅，盾构及管片由于浅覆土可能发生“上飘”，为抵消“上飘”的影响，盾构掘进时，盾构中心与隧道设计高程的偏差控制在－30mm，平面偏差控制在±30mm之内。

2.3 大堤穿越技术

泥水盾构穿越堤防的风险源繁多，主要包括：掘进参数控制不力、地质条件的复杂性、堤防自身结构和机组人员操作不当或业务不精等［7］。长江大堤防洪等级高，地表隆沉量需严格控制在＋10～－30 mm以内，且该处地面覆土厚度变化明显，由此对施工工艺提出了严峻的考验。采用的关键施工技术如下：

（1）控制刀盘转速：适当降低了刀盘转速，以防止对地层的扰动过大。

（2）控制水土压力：切口压力波动幅度要小，波动值需控制在－0.01～＋0.01 MPa之间，在操作上由自动控制改为人工手动控制，采用比重为1.15～1.20g／cm3、漏斗黏度为23～25s的泥浆进行重浆推进。

（3）控制同步注浆：同步注浆采用水泥砂浆（单液浆）为注浆材料，其胶凝时间为3～10h，固结体强度一天不小于0.2MPa，28d不小于2.5MPa；固结收缩率＜5%；注浆压力设定为0.3～0.6MPa。

（4）加强盾尾保护：在掘进过程中，应时刻监测盾尾是否有漏浆情况，根据实际情况，掘进一段距离需通过二次补浆孔进行检查。

（5）跟踪注浆补强：根据监测情况采用跟踪注浆对隧道周围地层进行加固，在盾构轴线方向前后各25m范围内，在大堤背水面坡角预埋PVC（聚氯乙烯）注浆管，注浆管与铅垂面呈30°夹角，距隧道顶3m，间距为1m。

2.4 上软下硬复合地层穿越技术

南京长江隧道从K4＋462开始进入江中粉细砂和砾砂层混合地层，地层岩性上软下硬，地层特性差异较大，盾构施工技术难度大，风险高。地层渗透系数高达10－2cm／s，大于2mm的粗颗粒约占整个地层的40%，且黏粒含量极少，不利于泥水盾构在开挖面上形成泥膜，且极易出现因泥浆大量滤失无法形成良好的泥膜从而致使开挖面失稳的事故发生。本工程中采用了以下几方面的技术：

（1）保证泥膜质量：在原有泥浆配置（主要为膨润土与天然黏土）的基础上，添加2‰的NSHS－3制浆剂调节泥浆的黏度，泥浆密度为1.15～1.20g／cm3，漏斗黏度为20s，能够在砾砂层中快速形成微透水的泥皮型泥膜［8］。

（2）控制掘进速度：掘进速度控制在5～12 mm／min之间，在完成同样的掘进距离时，增加边缘刀具对底部强风化岩切削的次数。

（3）控制背填注浆：尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填环形建筑空隙，将地下水疏干，并视情况及时进行二次注浆，将浆液的凝胶时间调整至4～15min。

（4）控制盾构姿态：盾构通过软硬不均地层时，根据掌子面的地质情况，适当控制盾构机纠偏力度，防止由于纠偏造成刀盘受力不均而影响掘进姿态。

（5）加强监控：加强对盾构机参数和姿态的监测，并时刻观测气垫仓液面变化情况。

2.5 带压开舱换刀技术

在右线盾构机推进到655～659环时（K4＋910～918），盾构机刀盘扭矩值明显增大，最高达到20 MN·m，推进速度缓慢，排出的渣土中出现直径＞20cm的卵石。检查常压可更换刀具，发现部分刀具磨损程度严重，并存在刀刃崩落的现象。盾构机停机位置所处断面上部地层为粉细砂，渗透系数约为6×10－3cm／s；下部地层为砾砂，渗透系数约为3×10－2cm／s。根据实际的地层条件，取气压面下端处埋深25.5m，水深48m，计算出盾构机顶部往下5m处的静止土应力为0.11 MPa，孔隙水压力为0.48MPa，总静止土压力为0.59 MPa。在如此高渗透性高水压的地层中开舱，如何保证开挖面的稳定性极具挑战。在此之前国内仅有4.3kg／cm3压力下进仓检查的案例，南京长江隧道实现了6.5 kg／cm3高工作压力下刀盘刀具的焊接作业。

本工程采用了在开挖面上形成气密性良好的泥膜、气压支护开挖面的带压开舱方法，成功实现了江底更换刀具、修复刀盘［9］。掘进过程中，使用由膨润土和黏土配置而成，密度为1.15g／cm3，漏斗黏度为25s的混合泥浆。试验测得5mm厚泥膜的泥膜闭气值为0.12MPa。极限气压值由地层水压力加泥膜闭气值来确定，即0.48MPa＋0.12MPa＝0.6 MPa，该极限气压略大于开挖面上总静止土压力值，满足了短时间内开舱修复的安全性要求。

2.6 江中冲槽段穿越技术

南京长江隧道工程在江中里程K5＋988～K6＋104地段，覆土厚度小于1倍盾构直径。由于江水常年冲刷，在该地段内形成冲槽，该段隧道在水平方向是半径为2500m的曲线段，盾构在该段施工极易出现超挖现象，从而造成开挖面失稳；同时，由于在曲线段掘进时盾构机和管片转向不同步，盾尾间隙不易控制，会发生管片间隙不均匀的现象，造成盾尾漏水、漏浆或管片卡壳等事故。线路在竖直方向为4.5%上坡，倾斜的开挖面极易失稳。

由于长江水流快，水太深，通过论证，南京长江隧道放弃了抛填黏土以增加覆土厚度的方法。在穿越江中冲槽浅覆土段时，决定采用“优配泥浆质量，精细控制压力，严格控制姿态，强化参数匹配，平稳操控推进，快速管片拼装”的施工原则，迅速通过该危险地段。具体措施包括以下几个方面：

（1）控制切口水压：冲槽段出现坡度为30°的斜坡段，存在斜坡效应，因此将整个浅覆土段的泥水压力分为常规压力和斜坡段压力。

式中：

Pa——主动土压力，MPa；

P0——静止土压力，MPa；

λ——修正常数，常规压力取0.2，斜坡压力取0.0035。

泥水压力计算过程中严格控制泥水压力，偏差幅度为±0.01MPa。

（2）控制掘进速度：刀盘转速为0.65～0.8r／min，掘进速度为25～30mm／min，锥入度为35～45 mm／转。

（3）控制壁后注浆：浆液密度为1.96g／cm3，浆液的坍落度控制在18～22cm；注浆量控制在理论空隙体积的150%～200%，确保壁后注浆密实有效。同时，注浆压力设定为注浆管位置泥水压力的95%～105%，加上泥水管泵头至出口压力损失，最大泵压不超过0.9MPa。

（4）控制盾构机姿态：盾构机姿态竖向上控制在－30～＋10mm之间；由于平面上在曲线段前进，盾构机姿态控制在曲线内侧＋10～＋30 mm之间。

（5）监控量测：采取超声波装置进行河床监测，在江中浅覆土施工前测量，水位监测结果需与当地长江水文站进行复核。盾构穿越江中浅覆土段时，需在掘进上方江面上进行全天候监测。

通过实施上述措施，南京长江隧道工程顺利穿越了江中冲槽浅覆土段，施工过程中保持了开挖面的稳定，管片拼装无错台、无渗漏等现象，成型管片实际轴线水平偏差控制在±10mm以内、高程偏差控制在±20mm以内，后续沉降较小。该工程创出了超大直径盾构施工中单日掘进29m和单周掘进170m的新纪录。此次盾构穿越江中冲槽浅覆土段为地下工程施工积累了宝贵的经验，填补了高渗透性地层泥水盾构穿越江中超浅覆土的技术空白。

2.7 接收技术

由于盾构进洞处为高渗透性砂质地层，且存在承压水头，地下水与长江存在互补关系，洞顶覆土厚度小，因此，仅依靠单一的常规地层加固方法远远不能满足施工要求。针对其特殊的地质条件，经论证比选，最终确定洞门端头采用三轴水泥搅拌桩加固＋降水＋冷冻＋接收井内灌水（土）的综合措施，具体为：

（1）盾构端头采用Φ1m的三轴水泥搅拌桩满堂加固，加固范围为洞身上下左右以外各3.3m，纵向长17m。

（2）盾构进洞时切削冷冻墙产生的大块切削体容易将洞门密封防水帘布破坏，故取消洞门密封防水环而采用接收井内灌水（土）的方案，用以保持井内外压力平衡，达到防止纵向渗漏水的效果。

（3）盾构到达前进行降水，保证盾构破门前地下水位降至盾体以下3m，从而保证盾构到达时不发生涌水涌砂。

（4）在地下连续墙与水泥搅拌桩加固体间设1.6m厚的冷冻墙，以保证地下连续墙凿除后的安全。

（5）盾构破门进洞时，盾构姿态偏差会使盾体与导轨标高之间不匹配，为解决此问题，盾构接收基座采用低标号砂浆，接收时盾构刀具可以直接切削砂浆基座实现接收井内推进。

通过实施以上施工措施，顺利实现了左右线盾构机的到达接收作业。

3 结语

南京长江隧道由于其特殊的地理位置和地质条件，施工难度和风险都非常大，极具挑战性。通过系统思考、分析和论证，南京长江隧道克服了诸多世界性难题并成功贯通，形成了一套可靠的越江隧道施工技术方案体系。

对于泥水平衡盾构越江隧道施工而言，不管是面临复杂地层的掘进，还是带压开舱换刀等高难度作业的开展，开挖面的稳定直接决定着施工的安全和质量。南京长江隧道通过不断调整泥浆配比和切口压力以形成适应于特定环境的泥膜，保持了开挖面的稳定，为隧道的贯通提供了保障。其形成的经验和技术方案对大直径泥水平衡盾构的推广及应用有重要的借鉴意义。

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