复杂地质条件下超大断面过江盾构隧道总体施工技术方案张焕城陈健南京长江隧道工程指挥部一、工程概况1、项目简况南京长江隧道工程是连接南京市浦口区与河西新城区的市内快速通道，是南京市“井字加一环”快速路系统跨江成环的重要组成部分，也是“南京市城市总体规划”确定的“五桥一隧”过江通道中的重要项目。

该工程位于南京长江大桥和三桥之间，线路总长5.813km，道路等级为双向6车道城市快速路，车道宽为3.5m×2＋3.75m，设计时速80 km/h，总工期48个月，总投资约30个亿。

工程组成主要包括680m江北接线道路、300m收费广场、3822m左汊盾构隧道（盾构掘进2992m）、401m梅子洲接线道路和610m右汊夹江独塔悬索桥（主桥67+70+248）。

南京长江隧道工程总平面图2、右汊盾构隧道概况南京长江隧道南京长江二桥南京长江大桥南京长江隧道南京长江三桥盾构隧道工程区段属长江河床及高河漫滩，地形开阔平坦。

地表主要为农田、水塘、苗圃等。

盾构穿越江面宽度约2500m，高水位多年平均值8.37m，最大水深约28.8m 。

隧道通过部位为白垩系及第四系地层，主要分布为第四系冲积、沉积粉细砂、砾砂、圆砾层和强风化砂岩。

下穿地层除穿越一级长江防洪大堤外，地面建（构）筑物、管线较少，仅有少量2～3层民房和一条水厂管道。

左汊盾构隧道全长3822m，其中盾构段长度为2992m，使用两台ф14.93m的泥水平衡式盾构机施工，满足车道净空限界的盾构隧道内径为13.30m，隧道管片外径14.50m。

管片拼装设计为7块标准块、2块相邻块和1块封顶块，设计强度为C60，防水等级为S12。

长江隧道纵断面及结构横断面图如下二、长江盾构隧道的工程特点、难点及面临的风险和挑战南京长江隧道工程是一项举世瞩目的宏伟工程，第一次在长江下修建江底隧道，且盾构直径之大、地质条件之差、水压之高世界罕见，这些世界级技术难点极具挑战性。

因此无论是在隧道设计、盾构机选型，还是盾构施工和管理等方面都面临着严峻的考验。

其工程的特点与技术难点主要表现如下：1.盾构直径超大目前世界上已建成的盾构直径最大是荷兰的格林哈特隧道，盾构机直径14.87m。

南京长江隧道盾构直径为14.93m，是目前世界上直径最大的盾构隧道之一。

2. 水压力高目前世界上已实施或计划实施的超大直径盾构项目，水压在6kg/cm2以上的实例尚属空白。

而南京长江隧道盾构设计最大水压近6.5kg/cm2，在同等或更大直径的盾构项目中，水压是最高的。

3.地层透水性强隧道长距离穿越粉细砂层（穿越长度2542m，占隧道总长度的85％），以及部分砾砂、卵石层，透水系数是粘土土质的千倍以上，透水性非常强而水压很高，施工风险巨大。

4. 施工地质风险大江中1250m长度为粉细砂、砾砂（粒径3～20mm，局部夹2～8cm卵石）和卵石（粒径8～20cm，含卵石，级配不良）混合地层，掌子面岩性明显的差异，使盾构机在江底掘进风险很大。

另外，历史上日本侵华和解放军跨江作战均可能留下沉船、炸弹等地下障碍物，经过目前最先进的探测手段表明：除能排除大型沉船外，并不能排除象炸弹等铁件的存在。

5.水下一次掘进距离长盾构隧道从始发井与到达井之间，中间未设检修井，超大直径盾构机一次掘进长度近3公里，掘进过程中检修设备和更换刀具极端困难。

6.盾构进出洞超浅埋盾构机进出洞覆土厚度按照国际惯例，一般情况下不能小于0.6～0.7倍盾构直径，而本工程权衡深基坑和盾构机出洞双重困难，选择盾构机始发埋深仅为0.4倍盾构直径（5.0m），浅埋深的盾构始发属世界第一。

7. 江底盾构覆土厚度浅由于受客观条件的制约，线路纵坡设置虽然达到最大规范坡度，但是在盾构到达井一侧的江底，有一江中冲槽，局部盾构覆土厚度仅有9.5m（小于0.7倍盾构直径）。

该段地层为透水的松散～稍密粉细砂层，水深达20多米，盾构通过安全风险极大。

8.深基坑规模大、地质条件恶劣盾构工作井及后续段隧道长121m、宽33～47m、深11.4～23.7m，距江北防洪堤137m，此处地层软弱、透水性强、地下水位高、存在承压水，在环境条件恶劣的状况下开挖深基坑，施工难度和风险较高9. 长江大堤的不均匀沉降，对防洪构成威胁。

盾构机掘进穿越长江防洪大堤下的⑦-1粉细砂层，随着掘进施工对地层的扰动和地层的承压水作用，宜引起管涌或大堤不均匀沉降，形成地下水的通路，对防洪工作构成极大的威胁。

三、总体施工技术方案本工程盾构隧道段为双洞六车道设计，线间距为23.33m～32.5m，左线长2992.34km，右线长2984.95km，总计5976.988m，结构外径14.5m，掘进开挖断面为14.93m，根据工期要求采用两台泥水平衡式盾构机先后同向由浦口向梅子洲方向掘进施工。

1、盾构选型不同类型的盾构适用的地质类型不同，盾构的选型必须做到针对不同的工程特点及地质水文特点进行针对性方案设计，才能使盾构更好的适应工程。

根据南京长江隧道工程地质及水文情况及工程特点，可选择的盾构类型只有土压平衡和泥水平衡盾构。

土压平衡盾构和泥水盾构在稳定开挖面、地质条件、抵抗水压、控制地表沉降、碴土处理、施工场地、工程成本等方面都有较大差异，有其独特的适应性，对二种盾构进行综合对比分析比较见下表表1泥水平衡盾构和土压平衡盾构对比表a 盾构类型与地层类别关系不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡盾构最适应于细颗粒地层，切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。

而泥水平衡盾构盾构最适应于较粗颗粒地层，在砂土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出，泥水压力作用于工作面。

本工程段中含有大量的砂性地层，因此从地质条件方面分析采用泥水平衡盾构最佳。

b 盾构类型与水压、渗透性关系地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。

根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。

本工程在隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数为1.0×10-5m/s至1.0×10-4m/s范围变化，垂直渗透系数为1.0×10-6m/s至1.0×10-3m/s范围变化，地层的最大透水系数大于10-3m/s，在长江底下穿过，且水压高，超过土压平衡盾构允许的最大范围，所以采用泥水平衡盾构。

盾构类型与本工程水压、渗透性的适应性见下表。

盾构类型与水压、渗透性的适应性本工程项目土压平衡盾构泥水平衡盾构渗透性强水平渗透系数为8.0×10-10～8.0×10-3m/s垂直渗透系数为3.0×10-9～9.0×10-3 m/s 由于K>1×10-4m/s，开挖仓中添加剂被稀释，水、砂、砂砾相互混合后，土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，易发生喷涌，施工困难。

在掘进时需要对各种掘进参数进行管理，特别是泥水质量、压力及流量管理。

高水压（6bar）开挖面稳定及止水性（水、土砂的喷涌）高压水头的承压水（在两岸）高压水头的潜水（在长江）由于采用螺旋输送机排土，在富含水、透水性大的粉细砂及中粗砂层中，需要向开挖面及土仓中添加泡沫或泥浆材料，才能使开挖土形成具有良好塑流性及止水性的土体。

对于土仓压力大于3bar的地层，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，从而有可能在螺旋输送机排土闸门处发生水、土砂喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。

通过对泥水压力及流量的正确管理，完全能保持开挖面的稳定。

对于透水性大的砂性土，泥浆能渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，在土层表面形成泥膜，有助于改善地层的自承能力，并使泥浆压力在全开挖面上发挥有效的支护作用。

结论止水性差止水性好c 采用泥水平衡型盾构最佳根据类似工程使用盾构的经验和通过上述各项分析，最终确定采用泥水平衡盾构是最适应南京长江隧道地质情况和水文情况，可以确保工程施工安全。

复合式泥水盾构效果图2、超浅埋盾构始发及接收本工程盾构出洞（始发）、端头地层主要为4层（淤泥质粉质粘土）、6层（淤泥质粉质粘土夹粉土），进洞（到达）端头地层主要4层（淤泥质粉质粘土）、7-1层粉细砂、8层粉细砂，场地地下水丰富、水位高，覆土浅（始发最浅覆土深5m，接收端最浅覆土深度7m）。

因此，盾构进出洞的安全是盾构工程施工控制的重点，为保证盾构进出洞时地层稳定、有效防水和防止涌水涌砂现象，施工中决定采取以下技术方案：1〉地层加固采用垂直冷冻法对端头地层进行加固。

在端头地层加固施工完毕之后，对加固区域进行垂直取芯以及在洞门处均匀布置数个水平探孔，用以检测加固效果。

如有问题继续冷冻，直到达到冷冻要求，确保盾构进、出洞的安全。

①盾构始发加固方案由于覆土较浅以及直径大等因素，本工程泥水平衡盾构始发将面临以下问题：a、凿除洞门时洞口土体的稳定性；b、初期泥水平衡的建立；c、封堵洞门以及盾构刀盘前方土体的稳定；d、洞口密封方法以及洞门附近土体加固。

考虑到工程的复杂性，为了给盾构洞门凿除、洞口封堵、盾构泥水平衡系统的建立以及盾构的正常推进创造良好的条件，由于盾构始发推进时，上部覆土层较薄（仅5m），仅靠覆土本身的重量不能够为盾构机推进时的泥水系统提供压力平衡，经比较并参考类似的工程施工经验，在出洞后的超浅覆土范围内采取人工冻结加固的方法进行加固，即在盾构始发区域内采取冻结板块+门型棚拱综合冻结方案。

冻结板块模型示意图应用人工制冷技术冻结加固隧道洞口土体，使之发展为封闭的冻土板块和连续棚拱，为大型泥水平衡盾构的出洞和盾构压力系统的形成并进入正常推进循环创造一个强有力的封顶维护结构。

具体方法包括两个冻土板块。

其一是位于洞口前的冻结板块，保证盾构安全出洞，同时保证冻结过程吸收变形和调整减小冻胀力。

其二是后冻结板块位于盾构机完全出洞后的刀盘前。

它是保证封堵洞口施工盾构机停滞时前方土体稳定。

两个冻结板块之间为冻结棚拱其作用是保证盾构机进入正常推进前建立压力泥浆系统、进入正常工况。

后冻结板块后的盾构推进线路的上方也通过冻结形成门型棚拱结构，拱棚结构的拱基与盾构下口平齐。

冻结的拱棚结构可以保证施工过程中泥浆不能漏失，而深入到盾构下口的拱基结构可以为盾构推进的泥水压力提供压力平衡。

冻土棚拱从洞口延续到洞外50m的位置，以使盾构机盾尾完全脱离冻结区后，上部的覆土厚度达到8.0m以上，这样可以保证泥浆系统的建立和正常工作压力，并防止压力泥浆的漏失。

②盾构接收土体加固方案同盾构始发，盾构接收凿除洞门时存在洞口土体的稳定性问题。

因此，也考虑采用人工冻结的方法对洞口附近的土体进行加固。