南京长江隧道工程关键技术研究09625课件

中铁十四局集团有限公司南京长江隧道工程指挥部欢迎各位领导专家莅临南京长江隧道参加股份公司盾构隧道技术交流会NanjingYangtzeRiverTunnelProjectofChinaRailwayShisijuGroup中国鉄建股份公司盾构隧道技术交流会中铁十四局集团有限公司南京长江隧道工程指挥部欢迎各位领导专家尊敬的各位领导、各位专家：我叫王华伟，现担任中铁十四局南京长江隧道工程指挥部总工程师职务，我汇报的题目是《南京长江隧道工程综合施工技术研究》，包括以下三项主要内容：尊敬的各位领导、各位专家：一、工程总体情况介绍1、南京长江隧道工程项目概况2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点3、设备情况简介二、南京长江隧道工程施工情况综述三、开展的技术攻关和施工综合技术研究1、研究背景和意义2、南京长江隧道创新之处3、开展的主要研究项目和阶段成果不当之处敬请批评指正！一、工程总体情况介绍一、工程总体情况介绍

1、项目概况

南京长江隧道工程盾构隧道设计为双向、双洞6车道，其中左线盾构隧道长3022m，右线盾构隧道长3015m。隧道采用两台直径Φ14.93m泥水盾构，由江北始发井出发，同向掘进施工。一、工程总体情况介绍

1、项目概况

南京长江隧道工程盾盾构隧道水文地质情况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2600m，高水位多年平均值8.37m，最大水深约28.8m。隧道通过地段主要地层分布为粉细砂、砾砂、圆砾和强风化砂质泥岩。盾构隧道水文地质情况南京长江隧道工程关键技术研究09625课件盾构隧道管片盾构隧道管片内径13.30m，外径14.50m，厚度60cm。每环衬砌由10块管片组成，环宽2m。管片拼装设计为7块标准块、2块相邻块和1块封顶块，分Z型Y型两种管片模式。管片设计强度C60，防水等级S12。盾构隧道管片一、工程总体情况介绍2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点南京长江隧道是一项世界瞩目的宏伟工程，南京长江隧道工程面临一些世界级的技术难点和挑战。本工程特点、难点及风险点主要包括以下六个方面：⑴盾构直径超大荷兰的绿心隧道盾构机直径14.87m，是目前世界上已建成的直径最大的盾构工程。南京长江隧道盾构机直径14.93m，是目前世界上直径最大的盾构机之一，直径超过世界上已建成的最大盾构隧道。虽然盾构机尺寸的增大仅是数字的增大，但是由于盾构机尺寸的增大带来的则是施工难度和风险的几何增长，盾构机直径的超大带来的一系列问题是施工面临的挑战之一。

一、工程总体情况介绍南京长江隧道是一项世界瞩目的宏伟⑵水压力高南京长江隧道盾构机工作压力高，最大达到6.5㎏/㎝2（即相当于65m水头压力），在超大直径盾构水下隧道项目中是世界最大的。⑶地层透水性特强长江南京水域的江中主要为粉细砂地层，以及部分砾砂、卵石层，砂层透水系数是粘土层的千倍以上，在如此高透水性地层条件下，而最大水压力达到6.5㎏/㎝2，所有的水头压力均直接作用在隧道上，江底隧道掘进风险是巨大的，如何安全、顺利完成施工是一个具有挑战性的课题。

⑵水压力高⑷水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高南京长江隧道长度超过3km，而且地层条件复杂，以砂层为主：①如果在同等地质条件下，由于盾构直径超大，南京长江隧道3km的掘进相当于直径6.3m的地铁盾构掘进17km。②同样的盾构机刀具，在石英含量高的砂层中盾构机刀具的磨损是软土地层中的10倍以上，也就是说：南京长江隧道盾构机掘进完成3公里长的江底隧道，相当于同样直径的盾构机在软土地层中掘进30公里。因此刀具的保护是施工中必须克服的难题。⑷水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高⑸盾构始发和接收超浅埋按照一般作法，盾构机始发和接收覆土厚度一般不宜小于1倍盾构机直径，而本工程权衡深基坑和盾构出洞双重困难，选择盾构机始发埋深仅为0.37倍盾构直径（5.5m），在国内是埋深最浅的；除了荷兰绿心隧道以外，世界上还没有更浅埋深盾构始发范例。另一方面来说，盾构超浅埋始发和接收的顺利实现，对我们以后进行类似工程建设提供了重要参考和依据，并且盾构隧道埋深的减少将会带来巨大的经济效益，推动盾构施工技术进步。南京长江隧道工程关键技术研究09625课件⑹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，有一江中冲槽段，该冲槽段盾构最小覆土厚度仅有11m（仅有0.7倍盾构直径）。而且该段地层为高透水性、松散的粉细砂层，水深却高达20多米，在这样高水压、浅覆土极端困难的条件下进行隧道施工安全风险极大，这也是南京长江隧道面临的难题和挑战。⑹江底盾构覆土厚度浅鉴于南京长江隧道面临的上述六大技术难题和挑战，在没有现成经验可供借鉴的情况下，为了安全顺利完成这项史无前例的工程施工，我们建立了三级专家体系，坚持依靠专家团队的智慧，为工程施工保驾护航：1、以钱七虎院士为首的专家委员会2、以梁文灏院士为首的现场专家组3、由具有丰富施工经验的国内外相关专家组成的工地专家组鉴于南京长江隧道面临的上述六大技术难题和挑战，自2006年以来,我们先后聘请国内外盾构设备、盾构隧道施工相关的业内知名专家共计25位（包括钱七虎院士、梁文灏院士、日本专家秋源、法国布依格专家龙尚等），分别针对施一系列技术难题进行了专题论证，截至目前已经在现场召开了35次专家评审会，有力的推动了隧道建设的安全顺利进展。自2006年以来,我们先后聘请国内外盾构设备、盾构隧道施工相3、设备情况简介根据南京长江隧道穿越地段水文和地质特点，我们量身定做了两台德国海瑞克公司生产的直径为14.93m的泥水平衡盾构机进行南京长江隧道施工。根据南京长江隧道工程的要求，盾构机设计具有如下先进性：1、刀盘刀具设计有71把能够在常压下进行更换的刀具，且安装了磨损监测系统。2、主驱动：带有特殊压力装置的密封系统符合高工作压力，在盾构机轴心部分中部达到7.5bar的要求。3、主轴承设计寿命达：17,600小时。3、设备情况简介根据南京长江隧道穿越地段水文和地质特点，我们4、先进的PLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良好工作状态。5、盾体⑴设计有大型碎石机，可以破碎直径达到1.2m的石块。⑵先进的冲洗冲刷系统减少了开挖舱内碴土粘结或大量碴土沉积的情况。⑶盾体设计有锥度（由三个直径组成），即使在施工过程中遇到长时间停机的情况，恢复推进时仍能确保盾构机轻松前进。4、先进的PLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良好工6、盾构机的操作采用气泡调节技术，能够保证支撑压力的精确率为+/-0.05bar。在不稳定的、混合地层中能够安全地进行隧道开挖操作，外界压力的变化不会对开挖面的稳定造成影响，沉降控制在+20mm～-40mm之间。7、盾尾专门设计了用于高工作压力的的密封系统，包括3道钢丝刷、1道钢板束和1个应急密封。8、盾构机的主要部件都设计用于长距离隧道掘进工程（超过15公里）。6、盾构机的操作采用气泡调节技术，能够保证支撑压力的精确率为二、南京长江隧道工程施工情况综述南京长江隧道工程自2005年3月29日开工以来，经过四年来的努力，相继完成了以下工作：1、克服了国际融资和国际招标程序复杂、不可控因素多的困难，按期完成盾构机及配套设备的选型和采购工作；2、用5个月的时间完成了按正常工期需要一年才能完成的江北工作井全部土建任务；二、南京长江隧道工程施工情况综述南京长江隧道工程自2005年3、仅用58天时间就完成了正常需要近五个月时间的盾构机组装，第一台盾构机于08年1月15日试掘进，2月27日正式掘进，目前已掘进2300米；第二台盾构机于08年5月16日破门进洞，2009年5月20日，左线隧道实现贯通；3、仅用58天时间就完成了正常需要近五个月时间的盾构机组装，4、3043环管片生产已经于08年11月13日全部完成，其工艺控制水平和质量达到世界先进水平，箱涵已于08年7月30日提前两个月完成了3082块的全部生产任务；5、梅子洲接收井自07年9月份开始分段开挖，08年6月25日提前5天完成全部土建施工，保证了盾构机的到达接收。4、3043环管片生产已经于08年11月13日全部完成，其工三、开展的技术攻关和施工综合技术研究1、研究背景和意义2、南京长江隧道创新之处3、开展的主要研究项目和阶段成果三、开展的技术攻关和施工综合技术研究三、技术攻关、关键技术研究的开展情况

1、研究背景和意义

目前国际上修建的大型跨江、跨海隧道还很少，国内则更是刚刚起步，在这方面还没有经验,传统的设计与施工方法难以满足超长度、大深度、大断面的隧道及地下工程的要求。面对我国将建的一批越江跨海等特长隧道工程，一方面我们要紧跟国际研究的前沿，另一方面则要依托南京长江隧道工程，开展超大直径泥水盾构核心技术研究。三、技术攻关、关键技术研究的开展情况

1、研究背景和意义

目2、南京长江隧道创新之处以南京长江越江隧道工程为依托，对超大直径盾构隧道的衬砌结构型式及力学行为、超浅覆土始发和接收施工技术、施工风险分析与应对措施以及高水压、长距离、浅覆土条件下河床处理及掘进施工技术等建造关键技术进行深入研究，解决复杂地质条件下超大直径盾构隧道建造技术难题，形成具有自主知识产权的、整体上达到国际先进水平、部分技术达到国际领先的越江隧道核心技术体系。2、南京长江隧道创新之处以南京长江越江隧道工程为依托，对超大2、南京长江隧道创新之处创新点：⑴发展超大直径盾构施工核心技术；⑵总结出复杂地层条件下盾构刀具切削机理和刀盘优化设计原理，掌握合理的最小覆土厚度及相应的安全掘进模式和掘进参数的关键核心技术，建立泥水劈裂理论，整理出劈裂发生以及泥水喷发的判别标准；⑶发展跨江跨海盾构风险的评估和防范理论，建立风险分析与评估的核心技术体系。

2、南京长江隧道创新之处创新点：3、开展的主要研究项目和阶段成果南京长江隧道工程综合施工技术研究涉及两方面内容：一是机械设备方面。南京长江隧道采用直径14.93m泥水平衡盾构进行施工作业，对于这种超大型机械设备的引进、消化、吸收、改进，设备的运输、起吊、组装、调试测试，以及设备的接收和施工中的保养维护等等，给我们提出了一系列的研究课题。3、开展的主要研究项目和阶段成果南京长江隧道工程综合施工技术3、开展的主要研究项目和阶段成果二是土建方面。土建方面是课题研究的关键和重点，土建方面的课题又分以下几个方面进行专题研究：㈠推进专题。推进专题研究包括：盾构始发和接收、泥水、掘进参数、同步注浆等。㈡小覆土、长距离专题小覆土、长距离专题研究包括：江中冲槽段掘进参数的研究、长距离掘进刀具的保护等。这是南京长江隧道科研工作的核心内容。㈢和盾构隧道配套的其他工程专题。和盾构隧道配套的其他工程专题研究包括：基坑、管片、同步施工等。㈣信息化施工专题。信息化施工专题研究包括：三维仿真、远程监控和信息快速反馈系统。㈤安全风险专题。安全风险专题研究包括：风险分析和应对措施、安全穿越长江大堤施工等。南京长江隧道工程的科研课题将主要围绕以上两个方面，依托南京长江隧道，整合利用国内相关科研单位和高校研究机构，分门别类展开各个专题研究。3、开展的主要研究项目和阶段成果二是土建方面。土建方面是课题3、开展的主要研究项目和阶段成果针对两个方面、六个专题我们开展了一系列课题研究，下面我针对四个主要课题情况向大家介绍如下：超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征研究超大直径盾构高水压长距离浅覆土条件下掘进施工技术研究超大直径盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究超大直径盾构、超浅覆土始发施工技术研究3、开展的主要研究项目和阶段成果针对两个方面、六个专题我们开3、开展的主要研究项目和阶段成果3.1超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征研究

南京长江隧道穿越软硬程度差异极大的混合地层，隧道顶部与长江最高水位差约60m，隧道施工全过程以及运营阶段必将承受较大的外部荷载(高水压、土压以及其他各种形式的可预见和不可预见的荷载)，同时由于水文及地质原因，作用在盾构隧道衬砌结构上的水土压变化也较大；除施工条件困难外，隧道主体结构体系复杂、未知因素众多，在国内尚无同类水下隧道的结构设计、施工先例，为了确保隧道在施工期间的安全性，在环境保护、建成后的可靠性等诸多方面取得成效，并获得良好的技术经济效益和巨大的综合社会效益，开展其超大断面衬砌结构选型及力学特征试验研究，获取宝贵的第一手原始资料，具有十分重要的现实意义。

管片结构力学行为研究已经列入国家“863”计划研究、示范项目。3、开展的主要研究项目和阶段成果3.1超大断面盾构隧道衬砌结基于上述认识，我们在进行管片高性能混凝土配比和施工工艺研究的同时，和项目公司、铁四院、西南交通大学一起，利用半年的时间，在现场进行管片衬砌结构体原型加载试验，研究管片环结构在通缝与错缝拼装方式下、以及在各种拼装组合方式下的力学行为特征，以此检测结构内力与变形，以及评估配筋设计，寻求相对最优的拼装方式，最后通过破坏试验观察通缝与错缝拼装方式下的破坏特征。

基于上述认识，我们在进行管片高性能混凝土配比和施工工艺研究的试验内容

（1）组合管片环加载试验（模拟错缝拼装方式）；（2）组合管片环破坏试验；（3）单环管片环加载试验（模拟通缝拼装方式）；（4）单环管片环破坏试验。试验内容

（1）组合管片环加载试验（模拟错缝拼装方式）；试验装置及加载试验装置采用“多功能盾构隧道结构体原型加载系统”装置，环箍梁用于对管片环施加环箍力而产生轴力，以此模拟水压，而对拉梁用于对管片结构施加径向压力而产生弯矩，在不同位置对结构进行加载，最后在相对最优的拼装方式下以5000kN轴力和约3100kN的弯矩对结构加载破坏。每个千斤顶和钢铰线提供1500kN的集中力，环箍上每环需4条环箍钢铰线，提供最大的轴力为6000kN；在对拉梁上最大能提供6000kN的对拉力，在进行组合管片环试验时，最大能提供3000kN/环的对拉力，最大能产生约6000kN•m/环的弯矩。在弹性阶段内试验，只需2组千斤顶对拉即可，提供3000kN的对拉力，最大能产生约3000kN•m/环的弯矩。

组合管片环（错缝）加载示意图

单环管片环（通缝）加载示意图

试验装置及加载组合管片环（错缝）加载示意图单环管片环（通管片试验共需要3环管片，1环用于单环管片环加载及破坏试验，2环用于组合管片环加载及破坏试验，其中有1环管片需平分成半幅宽环，对称放地在1整环管片两侧。

管片测试项目

量测项目主要有管片内力、管片变形、钢筋受力、接缝张开、接缝压应力、螺栓应力以及混凝土裂缝的产生和发展等。

测缝计、混凝土应变计、钢筋计测试项目

量测项目主要有管片内力、管片变形、钢筋受力、接埋设好监测元件的钢筋笼浇筑完成、养护的试验用管片埋设好监测元件的钢筋笼浇筑完成、养护的试验用管片管片切割及切割后的管片管片切割及切割后的管片试验支座下半环拼装试验支座下半环拼装拼装完成的试验管片拼装完成的试验管片穿钢绞线架对拉梁穿钢绞线架对拉梁组合管片环加载试验组合管片环加载试验单环管片加载试验单环管片加载试验南京长江隧道工程关键技术研究09625课件管片裂缝接缝张开管片裂缝接缝张开管片加载破坏螺栓抗拔试验管片破坏管片加载破坏螺栓抗拔试验管片破坏通过上述在现场进行的管片衬砌结构体原型加载试验，我们验证了管片结构及设计的合理性，同时试验结果对我们优化管片施工工艺，管片选型、拼装顺序、螺栓紧固等方案的优化和改进提供了重要依据，具有重要的现实指导意义。通过上述在现场进行的管片衬砌结构体原型加载试验，我们验证了管3、开展的主要研究项目和阶段成果3.2超大直径盾构高水压、长距离、浅覆土条件下掘进施工技术研究研究的背景

南京长江隧道盾构施工中存在的重大风险点及难点

（1）江中水压高

南京长江隧道盾构机工作压力约6.5bar,在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。

东京湾海底隧道最大水压为6bar,荷兰绿心隧道最大水压为5.5bar；长江上的另外两条盾构隧道——上海沪崇苏和武汉过江隧道，最大水压为5～5.5bar。

3、开展的主要研究项目和阶段成果3.2超大直径盾构高水压、长（2）江中段覆土厚度小、水压大，地层突变

江中段最小覆土厚度小于1倍盾构直径，尤其是江南冲槽段覆土厚度仅有11m（0.7D），其前方以大坡度覆土厚度增加，地形起伏极大，而且地层为粉细砂以及砾砂、卵石层，切削面稳定和泥水压力很难控制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江水倒灌事故。（2）江中段覆土厚度小、水压大，地层突变（3）一次掘进距离长，高水压下换刀困难

15m级的超大直径盾构一次掘进距离长近3公里。盾构穿越的地层基本为砂层，在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损是软土地层中刀具磨损的10倍以上，刀具磨损严重。一旦刀具过于磨损，难以掘进，被迫停机，将给施工带来极大的困难。不仅工期、工程质量难以保证，在高水压的江底，将有塌方危险。（3）一次掘进距离长，高水压下换刀困难高水压、小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层、冒浆问题。国内外这方面研究成果很少，没有施工经验可供借鉴。大直径高水压盾构开挖面稳定问题，一直是困扰着国际盾构界的难题，特别在高水压下、透水性大、稳定性差的地层中掘进，还没有很好的方法。刀具磨损问题研究的资料就更少，近年在地铁盾构施工中，北京、广州、成都、沈阳等地相继出现刀具磨损等问题，还没有好的评价标准和措施，特别是在高水压下换刀，这方面研究还没有展开。

国内外研究现状及研究基础高水压、小覆土盾构掘进问题，主要鉴于上述情况，结合南京长江隧道的实际条件，我们以南京长江隧道工程为依托，研究水底盾构隧道“高水压小覆土施工、长距离掘进”两个子课题的相关理论和针对性技术措施，课题研究拟采用现场试验与监测、室内模型实验、理论分析等技术手段，现场实验与监测为主体，室内实验及理论分析为补充，相互配合，以趋完善，达到“研究成果服务于工程，减小工程施工风险、节省工程投资、确保工程安全、提高工程经济性”的总体目的。鉴于上述情况，结合南京长江隧道的实际条件，我们研究目标

子课题1：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术研究

（1）构建泥水劈裂压力（包括启裂压力，伸展压力）、劈裂发生位置、劈裂发生和伸展方向及伸展速度的力学模型；（2）提出盾构掘进过程中地层劈裂发生与掘进参数的关系，整理出劈裂发生以及泥水喷发的判别标准，提出规避泥水喷发现象发生的措施；（3）提出覆土厚度、水压等与盾构机参数及掘进参数的关系；（4）提出合理的最小覆土厚度及相应的安全掘进模式和掘进参数。研究目标子课题1：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术子课题2：大型泥水盾构长距离掘进研究（1）总结分析刀具磨损数据，针对南京长江隧道具体工程，建立磨损对盾构掘进性能影响评价体系，提出合理掘进参数和施工措施，增大掘进距离；（2）综合各研究手段，提出盾构刀具切削机理和刀盘优化设计原理、针对不同地层进行刀盘、刀具优化设计分析。子课题2：大型泥水盾构长距离掘进研究研究成果汇报右线初始掘进段现场原位试验选取右线初始掘进长度135m左右进行现场原位试验研究成果汇报右线初始掘进段现场原位试验右线初始掘进段现场原位试验选取右线初始掘进长度135m左右进行现场原位试验，是基于以下考虑：⑴该段盾构施工埋深浅，覆土厚度5.5m～11.65m。⑵距离始发井75m左右有一水塘。与江中浅覆土段工况有相似之处。⑶该段施工便于进行各种检测原件的埋设和数据测量。⑷可以进行理论分析和现场的实际对比。右线初始掘进段现场原位试验右线初始掘进段地层自上而下分别为:②-3粘土④淤泥质粉质粘土⑥淤泥质粉质粘土夹粉土⑦-2粉土⑧粉细砂⑨粉细砂其中盾构穿越地层主要为④淤泥质粉质粘土地层。该土层含水量大，孔隙比大，渗透系数小，强度指标小，属于典型的软弱粘土。右线初始掘进段地层自上而下分别为:试验目的1)泥水盾构掘进对周围地层的影响；2)小覆土泥水盾构掘进合理的施工参数；3）与压力相关的包括泥水压力和注浆压力的控制指标；

监测内容

1)地表变形监测：监测隧道横向和纵向地表沉降，绘制横向沉降槽和纵向沉降曲线，研究地表沉降随盾构推进的变化规律；2)地层分层沉降和水平位移监测：利用测斜仪监测不同深度处地层水平位移，利用分层沉降仪监测不同深度处地层竖向位移，根据水平和竖向位移，判断盾构施工对土体的挤压情况。3)原位水土压力及孔隙水压力监测：以双膜土压力盒监测土体原位压力；利用孔隙水压力计记录地层孔隙水压的变化，为泥水盾构掘进尤其是小覆土工况下掘进时泥水压力和注浆压力的设定提供依据；4)选取第二监测断面，在临近该断面前盾构以较大泥水压力掘进，取得监测数据，与正常泥水压力掘进时所取得的各项数据进行对比分析，为江中小覆土段地层处理方案及施工参数提供理论依据；5)优化盾构施工参数：包括泥水舱压力、推力、推进速度、出土量、壁后压力和注浆量、盾构姿态等。试验目的第一个断面为常规掘进监测断面。第二个断面为改变泥水特性、泥水压力、推力、壁后注浆压力以及掘进速度的监测断面。监测断面布置

试验分两个区段，分别为在距始发井70m处（覆土厚度8m）和120m处（覆土厚度11m）。第一个断面为常规掘进监测断面。监测断面布置1）地表沉降点布置1）地表沉降点布置2)地层分层沉降和水平位移监测点布置第一监测断面分层沉降和测斜仪布点（距始发井70m，埋深约8m）

2)地层分层沉降和水平位移监测点布置第一监测断面分层沉降和

第二监测断面分层沉降和测斜仪布点（距始发井120m，埋深约11m）南京长江隧道工程关键技术研究09625课件

3)土压力和孔隙水压力监测点布置第一监测断面土压力计和孔隙水压计布点（距始发井75m，埋深约8m）

3)土压力和孔隙水压力监测点布置第一监测断面土压力第二监测断面土压力计和孔隙水压计布点图（距始发井125m，埋深约11m）第二监测断面土压力计和孔隙水压计布点图地层分层沉降和水平位移监测点土压力和孔隙水压力监测点地层分层沉降和水平位移监测点土压力和孔隙水压力监测点

监测实施第一监测断面：按正常设定掘进

盾构切口到达离测点前30m时开始监测地表变形、测斜、分层沉降、土压力及水压力值。其中地表变形、测斜及分层沉降每环测1次，测量时间安排在推进结束后进行。土压力及水压力值采集频率为每环测3次。

第二监测断面：加大泥水压力、改变泥水特性、以更大推进速度掘进（根据第一断面试验结果）监测频率基本与第一断面相同，加大泥水压力、改变泥水浓度、壁后注浆压力较大、掘进速度快条件下进行监测。分层沉降、土压力及孔隙水压力是监测重点。监测实施125m断面地表沉降发展过程125m断面地表沉降发展过程120m断面3#孔纵向水平位移120m断面3#孔纵向水平位移3#孔土压计土压变化

3#孔土压计土压变化2#孔孔隙水压变化趋势

2#孔孔隙水压变化趋势1、通过右线初始掘进段现场原位试验取得的监测数据，我们通过进行对比分析，对监测方案进行了优化调整（观测点加密、泥水采用分步加压、掘进速度调整、加压产生劈裂等），继续在左线进行试验监测。2、通过进行左右线原位试验，将成果应用到室内盾构掘进泥水劈裂试验装置上，通过理论分析、原位试验、室内模型试验等一系列手段，完善江中浅覆土段的施工方案，确保该段施工安全顺利进行。1、通过右线初始掘进段现场原位试验取得的监测数据，我们通过进3、根据理论计算分析、现场原位试验数据统计分析、掘进泥水劈裂试验装置模拟，形成了非抛填方式穿越江中冲槽段浅覆土的施工方案并通过专家评审，我们严格按照评审的方案实施，于2009年4月7日-4月12日安全顺利穿越江中冲槽超浅覆土段，比原计划提前了7天时间，成功克服了覆土薄、水压大、透水强，极容易发生击穿冒顶、江底沉降、坍塌的巨大风险，破解了在强透水地质、不进行河床处理等条件下穿越江中冲槽浅覆土的施工技术难题，填补了国内同类施工的空白，积累了宝贵经验。3、根据理论计算分析、现场原位试验数据统计分析、掘进泥水劈裂泥水盾构长距离掘进研究刀盘的基本结构南京长江隧道盾构刀盘形式为辐条面板式，直径为14.93m,重量达400t，由6个主辐臂（1#-6#）和6个辅助辐臂（1#-6#）组成，主辐臂上安装先行刀、刮刀和小铲刀，辅助辐臂上安装大铲刀，刀盘的开口率约为30％。1#主辐臂6#主辐臂5#主辐臂4#主辐臂3#主辐臂2#主辐臂泥水盾构长距离掘进研究刀盘的基本结构1#主辐臂6#主辐臂5#2、刀具的基本结构南京长江隧道盾构机配备刀具总数量为225把（从开挖轨迹上说是309把），刀具由先行刀、刮刀、铲刀和仿形刀四种组成。

先行刀16把，高出刀盘250mm刮刀189把（常压可更换刀71把，固定刀118把），刮刀高出刀盘200mm。小铲刀3对，安装在1#－3#主辐臂上，铲刀高出刀盘200mm。

大铲刀6对（覆盖31#～38#刮刀的开挖轨迹），安装在1#－6#辅助辐臂上，铲刀高出刀盘200mm。2、刀具的基本结构先行刀16把，高出刀盘250mm刮刀189南京长江隧道盾构在掘进中，尤其是在砂砾石地层中掘进遇到的主要问题是：⑴刀具磨损过快。⑵刀具磨损过度。

38#刀磨损后38#刀磨损前38#左侧南京长江隧道盾构在掘进中，尤其是在砂砾石地层中掘进遇到的主要考虑到刀具存在的上述问题，我们对刀具形式、加工工艺等各方面进行分析和研究，并根据研究结果对刀具进行了三种改进方案设计，以适应砾砂层掘进。在现场取742～792环（50环）作为改进刀具应用试验段，不同改进方案刀具分别安装在同一轨迹，以检验各自优缺点。考虑到刀具存在的上述问题，我们对刀具形式、加工工艺等各方面进通过50环试验段统计，对三种改进方案进行了对比分析：方案I新改进刀具总体性能比原装刀具有很大提高，但崩齿现象依然严重，四把刀中有3把出现崩齿现象，由于合金头部倒角较尖锐，导致正常磨损量也偏大（7mm左右；通过50环试验段统计，对三种改进方案进行了对比分析：方案II改进刀具主要表现在两排合金之间刀体磨损较严重，合金耐磨性能较好，合金崩裂和整体脱落趋势严重，

36#刀（左）两排合金全部崩裂；方案II改进刀具主要表现在两排合金之间刀体磨损较严重，合金耐方案III刀具表现最好，所有刀具均未出现任何崩齿现象，自然磨损也很小，几乎全在3mm以内。方案III刀具表现最好，所有刀具均未出现任何崩齿现象，自然磨由于方案III性能表现总体良好，故以改进方案III刀具性能为计算依据，理论计算掘进距离分别为38#刀具400m，24#～37#刀具在700～1000m之间，其余在1000m以上，考虑合金崩裂或其他原因对刀具寿命的不预期影响，安全系数取2，38#刀具掘进距离为200m，其余刀具掘进距离在300m以上。由于方案III性能表现总体良好，故以改进方案III刀具性能为通过在施工过程对刀具磨损的分析以及进一步的改进与工程应用，大大加深了我们对砾砂地层刀具切削机理、刀具选型、刀具设计的理解与认识，换刀距离由改进前的50环（100m）普遍提高到改进后的300环（600m）以上，工程效益显著，对以后类似工程提供了一个很好的借鉴案例，意义深远重大。左线到达接收井后，部分刀具照片，可以看出改进后的刀具全部表现为正常磨损，未见合金崩裂脱落。现场应用情况：在现场实际施工时，方案III刀具更换距离普遍在300环以上，几乎未出现合金崩裂脱落等现象，与掘进距离估算结果基本一致。方案III改进刀具在后续施工最长掘进距离达到了363环（27#刀具）。通过在施工过程对刀具磨损的分析以及进一步的改进与工程应用，大3、开展的主要研究项目和阶段成果开展盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究，通过进行隧道始发和接收、穿越长江大堤、最浅覆土层施工、复合土层施工、两条隧道临近超越施工的三维可视化仿真模拟，达到如下目的：1）通过三维可视化仿真，分析隧道施工中发生地表冒浆或塌陷、地表沉降过大、进出洞土体大量流失等施工事故的可能性。分析发生隧道施工事故的机理、原因和关键影响因素，提出防范施工事故的措施，评价和验证防范措施的有效性和合理性。2）针对南京长江隧道的结构特点、环境条件和施工方案，通过三维可视化仿真，对多种施工方案进行比较分析，评价施工方案的优缺点，并对优选出来的施工方案进行施工参数优化，实现施工参数的最优匹配。

3.3超大直径盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究

3、开展的主要研究项目和阶段成果开展盾构隧道施工三维基于三维重构几何模型建立的三维有限元模型-整体图模型整体长600m，宽度203m，起始高度104m，单元总数约100万。单步掘进步长为2m。基于三维重构几何模型建立的三维有限元模型-整体图模型整体长6盾构机出洞施工有限元模型

盾构机出洞施工有限元模型分析内容：拟定施工方案下的盾构机位移差、开挖面位移、地表位移盾构机位移差：盾构机尾部垂直位移减去头部的垂直位移，正值表示盾构机磕头，负值表示盾构机抬头。开挖面的位移：即掌子面位移，负值为土体涌出方向，正值为盾构机前进方向。

盾构机的竖向位移开挖面的位移分析内容：拟定施工方案下的盾构机位移差、开挖面位移、地表位移地表沉降云图地表沉降云图同一监测位置，不同时刻沉降槽同一时刻，不同监测位置沉降槽监测位置为第20环衬砌处该时刻，开挖面位于第20环衬砌处同一监测位置，不同时刻沉降槽同一时刻，不同监测位置沉降槽监测衬砌变形示意图（放大50倍）竖直向位移云图（放大50倍）衬砌变形示意图（放大50倍）竖直向位移云图（放大50倍）开挖面纵向位移开挖面竖向位移开挖面水平向位移开挖面纵向位移开挖面竖向位移开挖面水平向位移大堤顶部挡水墙长江大堤模型大堤顶部挡水墙长江大堤模型针对穿越长江大堤的4种不同的段落，进行3种内容的三维仿真模拟分析：地表沉降、开挖面稳定性和盾构机姿态。针对穿越长江大堤的4种不同的段落，进行3种内容的三维仿真模拟南京长江隧道工程关键技术研究09625课件监测面位置：70m盾构机掘进范围：62m～200m原状土段（55～80m）横向沉降槽变化规律监测面位置：70m原状土段（55～80m）横向沉降槽变化规律监测面位置：100m盾构机掘进范围：62m～200m水塘段（80～115m）横向沉降槽变化规律监测面位置：100m水塘段（80～115m）横向沉降槽变化规监测面位置：124m盾构机掘进范围：62m～200m长江大堤段（115m～150m）横向沉降槽变化规律监测面位置：124m长江大堤段（115m～150m）横向沉降监测面位置：堤面中心盾构机开挖面掘进范围：62m～200m大堤堤面段(150m～180m)横向沉降槽变化规律监测面位置：堤面中心大堤堤面段(150m～180m)横向通过进行上述盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究，我们成功实现了两台盾构的顺利始发和穿越长江大堤施工，准确把握住了南京长江隧道始发施工和穿越长江大堤施工的关键点和风险点，有效规避了始发和穿越大堤的施工风险，地表沉降控制在允许范围内。在此之后我们又针对两条隧道临近超越施工等课题进行了深入研究，在研究取得的成果基础上，左线于08年12月1日～9日成功超越右线。通过进行上述盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究，我们3、开展的主要研究项目和阶段成果3.4超大直径盾构、超浅覆土始发施工技术研究南京长江盾构隧道始发埋深仅为0.37倍盾构直径（5.5m），在国内是埋深最浅的；除了荷兰绿心隧道以外，世界上还没有更浅埋深盾构始发范例。3、开展的主要研究项目和阶段成果3.4超大直径盾构、超浅覆土3、开展的主要研究项目和阶段成果3.4超大直径盾构、超浅覆土始发施工技术研究盾构始发自钢负环管片（-9环管片）安装计起，至盾构机刀盘离开全断面加固区（此时推进+5环行程约1800mm）止。整个始发过程盾构机整机前移约24m，分为洞前加固、盾构机负载调试、洞门破除、压力建仓、碰壁开挖、密封环封闭（二次密封）、始发掘进等几个过程。我们通过模型计算等科学手段进行了多方面研究，同时将方案提交专家进行审查和把关，最终确认盾构始发过程中涉及的六大风险点：洞门破除风险、密封环失效风险、掌子面失稳坍塌风险、盾构机栽头风险、地面冒浆风险、泥浆管堵管风险。对始发时六大风险可能产生的原因进行了分析，并且通过三维仿真模拟、Φ400模型盾构掘进模拟试验研究等，形成了63条相应的风险对策，最终实现了两台盾构的安全顺利始发。3、开展的主要研究项目和阶段成果3.4超大直径盾构、超浅覆土南京长江隧道工程关键技术研究09625课件汇报完毕，恳请各位领导专家批评指正！汇报完毕，恳请各位领导专家批评指正！中铁十四局集团有限公司南京长江隧道工程指挥部欢迎各位领导专家莅临南京长江隧道参加股份公司盾构隧道技术交流会NanjingYangtzeRiverTunnelProjectofChinaRailwayShisijuGroup中国鉄建股份公司盾构隧道技术交流会中铁十四局集团有限公司南京长江隧道工程指挥部欢迎各位领导专家尊敬的各位领导、各位专家：我叫王华伟，现担任中铁十四局南京长江隧道工程指挥部总工程师职务，我汇报的题目是《南京长江隧道工程综合施工技术研究》，包括以下三项主要内容：尊敬的各位领导、各位专家：一、工程总体情况介绍1、南京长江隧道工程项目概况2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点3、设备情况简介二、南京长江隧道工程施工情况综述三、开展的技术攻关和施工综合技术研究1、研究背景和意义2、南京长江隧道创新之处3、开展的主要研究项目和阶段成果不当之处敬请批评指正！一、工程总体情况介绍一、工程总体情况介绍

1、项目概况

南京长江隧道工程盾构隧道设计为双向、双洞6车道，其中左线盾构隧道长3022m，右线盾构隧道长3015m。隧道采用两台直径Φ14.93m泥水盾构，由江北始发井出发，同向掘进施工。一、工程总体情况介绍

1、项目概况

南京长江隧道工程盾盾构隧道水文地质情况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2600m，高水位多年平均值8.37m，最大水深约28.8m。隧道通过地段主要地层分布为粉细砂、砾砂、圆砾和强风化砂质泥岩。盾构隧道水文地质情况南京长江隧道工程关键技术研究09625课件盾构隧道管片盾构隧道管片内径13.30m，外径14.50m，厚度60cm。每环衬砌由10块管片组成，环宽2m。管片拼装设计为7块标准块、2块相邻块和1块封顶块，分Z型Y型两种管片模式。管片设计强度C60，防水等级S12。盾构隧道管片一、工程总体情况介绍2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点南京长江隧道是一项世界瞩目的宏伟工程，南京长江隧道工程面临一些世界级的技术难点和挑战。本工程特点、难点及风险点主要包括以下六个方面：⑴盾构直径超大荷兰的绿心隧道盾构机直径14.87m，是目前世界上已建成的直径最大的盾构工程。南京长江隧道盾构机直径14.93m，是目前世界上直径最大的盾构机之一，直径超过世界上已建成的最大盾构隧道。虽然盾构机尺寸的增大仅是数字的增大，但是由于盾构机尺寸的增大带来的则是施工难度和风险的几何增长，盾构机直径的超大带来的一系列问题是施工面临的挑战之一。

一、工程总体情况介绍南京长江隧道是一项世界瞩目的宏伟⑵水压力高南京长江隧道盾构机工作压力高，最大达到6.5㎏/㎝2（即相当于65m水头压力），在超大直径盾构水下隧道项目中是世界最大的。⑶地层透水性特强长江南京水域的江中主要为粉细砂地层，以及部分砾砂、卵石层，砂层透水系数是粘土层的千倍以上，在如此高透水性地层条件下，而最大水压力达到6.5㎏/㎝2，所有的水头压力均直接作用在隧道上，江底隧道掘进风险是巨大的，如何安全、顺利完成施工是一个具有挑战性的课题。

⑵水压力高⑷水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高南京长江隧道长度超过3km，而且地层条件复杂，以砂层为主：①如果在同等地质条件下，由于盾构直径超大，南京长江隧道3km的掘进相当于直径6.3m的地铁盾构掘进17km。②同样的盾构机刀具，在石英含量高的砂层中盾构机刀具的磨损是软土地层中的10倍以上，也就是说：南京长江隧道盾构机掘进完成3公里长的江底隧道，相当于同样直径的盾构机在软土地层中掘进30公里。因此刀具的保护是施工中必须克服的难题。⑷水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高⑸盾构始发和接收超浅埋按照一般作法，盾构机始发和接收覆土厚度一般不宜小于1倍盾构机直径，而本工程权衡深基坑和盾构出洞双重困难，选择盾构机始发埋深仅为0.37倍盾构直径（5.5m），在国内是埋深最浅的；除了荷兰绿心隧道以外，世界上还没有更浅埋深盾构始发范例。另一方面来说，盾构超浅埋始发和接收的顺利实现，对我们以后进行类似工程建设提供了重要参考和依据，并且盾构隧道埋深的减少将会带来巨大的经济效益，推动盾构施工技术进步。南京长江隧道工程关键技术研究09625课件⑹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，有一江中冲槽段，该冲槽段盾构最小覆土厚度仅有11m（仅有0.7倍盾构直径）。而且该段地层为高透水性、松散的粉细砂层，水深却高达20多米，在这样高水压、浅覆土极端困难的条件下进行隧道施工安全风险极大，这也是南京长江隧道面临的难题和挑战。⑹江底盾构覆土厚度浅鉴于南京长江隧道面临的上述六大技术难题和挑战，在没有现成经验可供借鉴的情况下，为了安全顺利完成这项史无前例的工程施工，我们建立了三级专家体系，坚持依靠专家团队的智慧，为工程施工保驾护航：1、以钱七虎院士为首的专家委员会2、以梁文灏院士为首的现场专家组3、由具有丰富施工经验的国内外相关专家组成的工地专家组鉴于南京长江隧道面临的上述六大技术难题和挑战，自2006年以来,我们先后聘请国内外盾构设备、盾构隧道施工相关的业内知名专家共计25位（包括钱七虎院士、梁文灏院士、日本专家秋源、法国布依格专家龙尚等），分别针对施一系列技术难题进行了专题论证，截至目前已经在现场召开了35次专家评审会，有力的推动了隧道建设的安全顺利进展。自2006年以来,我们先后聘请国内外盾构设备、盾构隧道施工相3、设备情况简介根据南京长江隧道穿越地段水文和地质特点，我们量身定做了两台德国海瑞克公司生产的直径为14.93m的泥水平衡盾构机进行南京长江隧道施工。根据南京长江隧道工程的要求，盾构机设计具有如下先进性：1、刀盘刀具设计有71把能够在常压下进行更换的刀具，且安装了磨损监测系统。2、主驱动：带有特殊压力装置的密封系统符合高工作压力，在盾构机轴心部分中部达到7.5bar的要求。3、主轴承设计寿命达：17,600小时。3、设备情况简介根据南京长江隧道穿越地段水文和地质特点，我们4、先进的PLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良好工作状态。5、盾体⑴设计有大型碎石机，可以破碎直径达到1.2m的石块。⑵先进的冲洗冲刷系统减少了开挖舱内碴土粘结或大量碴土沉积的情况。⑶盾体设计有锥度（由三个直径组成），即使在施工过程中遇到长时间停机的情况，恢复推进时仍能确保盾构机轻松前进。4、先进的PLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良好工6、盾构机的操作采用气泡调节技术，能够保证支撑压力的精确率为+/-0.05bar。在不稳定的、混合地层中能够安全地进行隧道开挖操作，外界压力的变化不会对开挖面的稳定造成影响，沉降控制在+20mm～-40mm之间。7、盾尾专门设计了用于高工作压力的的密封系统，包括3道钢丝刷、1道钢板束和1个应急密封。8、盾构机的主要部件都设计用于长距离隧道掘进工程（超过15公里）。6、盾构机的操作采用气泡调节技术，能够保证支撑压力的精确率为二、南京长江隧道工程施工情况综述南京长江隧道工程自2005年3月29日开工以来，经过四年来的努力，相继完成了以下工作：1、克服了国际融资和国际招标程序复杂、不可控因素多的困难，按期完成盾构机及配套设备的选型和采购工作；2、用5个月的时间完成了按正常工期需要一年才能完成的江北工作井全部土建任务；二、南京长江隧道工程施工情况综述南京长江隧道工程自2005年3、仅用58天时间就完成了正常需要近五个月时间的盾构机组装，第一台盾构机于08年1月15日试掘进，2月27日正式掘进，目前已掘进2300米；第二台盾构机于08年5月16日破门进洞，2009年5月20日，左线隧道实现贯通；3、仅用58天时间就完成了正常需要近五个月时间的盾构机组装，4、3043环管片生产已经于08年11月13日全部完成，其工艺控制水平和质量达到世界先进水平，箱涵已于08年7月30日提前两个月完成了3082块的全部生产任务；5、梅子洲接收井自07年9月份开始分段开挖，08年6月25日提前5天完成全部土建施工，保证了盾构机的到达接收。4、3043环管片生产已经于08年11月13日全部完成，其工三、开展的技术攻关和施工综合技术研究1、研究背景和意义2、南京长江隧道创新之处3、开展的主要研究项目和阶段成果三、开展的技术攻关和施工综合技术研究三、技术攻关、关键技术研究的开展情况

1、研究背景和意义

目前国际上修建的大型跨江、跨海隧道还很少，国内则更是刚刚起步，在这方面还没有经验,传统的设计与施工方法难以满足超长度、大深度、大断面的隧道及地下工程的要求。面对我国将建的一批越江跨海等特长隧道工程，一方面我们要紧跟国际研究的前沿，另一方面则要依托南京长江隧道工程，开展超大直径泥水盾构核心技术研究。三、技术攻关、关键技术研究的开展情况

1、研究背景和意义

目2、南京长江隧道创新之处以南京长江越江隧道工程为依托，对超大直径盾构隧道的衬砌结构型式及力学行为、超浅覆土始发和接收施工技术、施工风险分析与应对措施以及高水压、长距离、浅覆土条件下河床处理及掘进施工技术等建造关键技术进行深入研究，解决复杂地质条件下超大直径盾构隧道建造技术难题，形成具有自主知识产权的、整体上达到国际先进水平、部分技术达到国际领先的越江隧道核心技术体系。2、南京长江隧道创新之处以南京长江越江隧道工程为依托，对超大2、南京长江隧道创新之处创新点：⑴发展超大直径盾构施工核心技术；⑵总结出复杂地层条件下盾构刀具切削机理和刀盘优化设计原理，掌握合理的最小覆土厚度及相应的安全掘进模式和掘进参数的关键核心技术，建立泥水劈裂理论，整理出劈裂发生以及泥水喷发的判别标准；⑶发展跨江跨海盾构风险的评估和防范理论，建立风险分析与评估的核心技术体系。

2、南京长江隧道创新之处创新点：3、开展的主要研究项目和阶段成果南京长江隧道工程综合施工技术研究涉及两方面内容：一是机械设备方面。南京长江隧道采用直径14.93m泥水平衡盾构进行施工作业，对于这种超大型机械设备的引进、消化、吸收、改进，设备的运输、起吊、组装、调试测试，以及设备的接收和施工中的保养维护等等，给我们提出了一系列的研究课题。3、开展的主要研究项目和阶段成果南京长江隧道工程综合施工技术3、开展的主要研究项目和阶段成果二是土建方面。土建方面是课题研究的关键和重点，土建方面的课题又分以下几个方面进行专题研究：㈠推进专题。推进专题研究包括：盾构始发和接收、泥水、掘进参数、同步注浆等。㈡小覆土、长距离专题小覆土、长距离专题研究包括：江中冲槽段掘进参数的研究、长距离掘进刀具的保护等。这是南京长江隧道科研工作的核心内容。㈢和盾构隧道配套的其他工程专题。和盾构隧道配套的其他工程专题研究包括：基坑、管片、同步施工等。㈣信息化施工专题。信息化施工专题研究包括：三维仿真、远程监控和信息快速反馈系统。㈤安全风险专题。安全风险专题研究包括：风险分析和应对措施、安全穿越长江大堤施工等。南京长江隧道工程的科研课题将主要围绕以上两个方面，依托南京长江隧道，整合利用国内相关科研单位和高校研究机构，分门别类展开各个专题研究。3、开展的主要研究项目和阶段成果二是土建方面。土建方面是课题3、开展的主要研究项目和阶段成果针对两个方面、六个专题我们开展了一系列课题研究，下面我针对四个主要课题情况向大家介绍如下：超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征研究超大直径盾构高水压长距离浅覆土条件下掘进施工技术研究超大直径盾构隧道施工三维数值可视化仿真模拟技术研究超大直径盾构、超浅覆土始发施工技术研究3、开展的主要研究项目和阶段成果针对两个方面、六个专题我们开3、开展的主要研究项目和阶段成果3.1超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征研究

南京长江隧道穿越软硬程度差异极大的混合地层，隧道顶部与长江最高水位差约60m，隧道施工全过程以及运营阶段必将承受较大的外部荷载(高水压、土压以及其他各种形式的可预见和不可预见的荷载)，同时由于水文及地质原因，作用在盾构隧道衬砌结构上的水土压变化也较大；除施工条件困难外，隧道主体结构体系复杂、未知因素众多，在国内尚无同类水下隧道的结构设计、施工先例，为了确保隧道在施工期间的安全性，在环境保护、建成后的可靠性等诸多方面取得成效，并获得良好的技术经济效益和巨大的综合社会效益，开展其超大断面衬砌结构选型及力学特征试验研究，获取宝贵的第一手原始资料，具有十分重要的现实意义。

管片结构力学行为研究已经列入国家“863”计划研究、示范项目。3、开展的主要研究项目和阶段成果3.1超大断面盾构隧道衬砌结基于上述认识，我们在进行管片高性能混凝土配比和施工工艺研究的同时，和项目公司、铁四院、西南交通大学一起，利用半年的时间，在现场进行管片衬砌结构体原型加载试验，研究管片环结构在通缝与错缝拼装方式下、以及在各种拼装组合方式下的力学行为特征，以此检测结构内力与变形，以及评估配筋设计，寻求相对最优的拼装方式，最后通过破坏试验观察通缝与错缝拼装方式下的破坏特征。

基于上述认识，我们在进行管片高性能混凝土配比和施工工艺研究的试验内容

（1）组合管片环加载试验（模拟错缝拼装方式）；（2）组合管片环破坏试验；（3）单环管片环加载试验（模拟通缝拼装方式）；（4）单环管片环破坏试验。试验内容

（1）组合管片环加载试验（模拟错缝拼装方式）；试验装置及加载试验装置采用“多功能盾构隧道结构体原型加载系统”装置，环箍梁用于对管片环施加环箍力而产生轴力，以此模拟水压，而对拉梁用于对管片结构施加径向压力而产生弯矩，在不同位置对结构进行加载，最后在相对最优的拼装方式下以5000kN轴力和约3100kN的弯矩对结构加载破坏。每个千斤顶和钢铰线提供1500kN的集中力，环箍上每环需4条环箍钢铰线，提供最大的轴力为6000kN；在对拉梁上最大能提供6000kN的对拉力，在进行组合管片环试验时，最大能提供3000kN/环的对拉力，最大能产生约6000kN•m/环的弯矩。在弹性阶段内试验，只需2组千斤顶对拉即可，提供3000kN的对拉力，最大能产生约3000kN•m/环的弯矩。

组合管片环（错缝）加载示意图

单环管片环（通缝）加载示意图

试验装置及加载组合管片环（错缝）加载示意图单环管片环（通管片试验共需要3环管片，1环用于单环管片环加载及破坏试验，2环用于组合管片环加载及破坏试验，其中有1环管片需平分成半幅宽环，对称放地在1整环管片两侧。

管片测试项目

量测项目主要有管片内力、管片变形、钢筋受力、接缝张开、接缝压应力、螺栓应力以及混凝土裂缝的产生和发展等。

测缝计、混凝土应变计、钢筋计测试项目

量测项目主要有管片内力、管片变形、钢筋受力、接埋设好监测元件的钢筋笼浇筑完成、养护的试验用管片埋设好监测元件的钢筋笼浇筑完成、养护的试验用管片管片切割及切割后的管片管片切割及切割后的管片试验支座下半环拼装试验支座下半环拼装拼装完成的试验管片拼装完成的试验管片穿钢绞线架对拉梁穿钢绞线架对拉梁组合管片环加载试验组合管片环加载试验单环管片加载试验单环管片加载试验南京长江隧道工程关键技术研究09625课件管片裂缝接缝张开管片裂缝接缝张开管片加载破坏螺栓抗拔试验管片破坏管片加载破坏螺栓抗拔试验管片破坏通过上述在现场进行的管片衬砌结构体原型加载试验，我们验证了管片结构及设计的合理性，同时试验结果对我们优化管片施工工艺，管片选型、拼装顺序、螺栓紧固等方案的优化和改进提供了重要依据，具有重要的现实指导意义。通过上述在现场进行的管片衬砌结构体原型加载试验，我们验证了管3、开展的主要研究项目和阶段成果3.2超大直径盾构高水压、长距离、浅覆土条件下掘进施工技术研究研究的背景

南京长江隧道盾构施工中存在的重大风险点及难点

（1）江中水压高

南京长江隧道盾构机工作压力约6.5bar,在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。

东京湾海底隧道最大水压为6bar,荷兰绿心隧道最大水压为5.5bar；长江上的另外两条盾构隧道——上海沪崇苏和武汉过江隧道，最大水压为5～5.5bar。

3、开展的主要研究项目和阶段成果3.2超大直径盾构高水压、长（2）江中段覆土厚度小、水压大，地层突变

江中段最小覆土厚度小于1倍盾构直径，尤其是江南冲槽段覆土厚度仅有11m（0.7D），其前方以大坡度覆土厚度增加，地形起伏极大，而且地层为粉细砂以及砾砂、卵石层，切削面稳定和泥水压力很难控制，稍有不慎，就有可能发生泥水劈裂、江水倒灌事故。（2）江中段覆土厚度小、水压大，地层突变（3）一次掘进距离长，高水压下换刀困难

15m级的超大直径盾构一次掘进距离长近3公里。盾构穿越的地层基本为砂层，在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损是软土地层中刀具磨损的10倍以上，刀具磨损严重。一旦刀具过于磨损，难以掘进，被迫停机，将给施工带来极大的困难。不仅工期、工程质量难以保证，在高水压的江底，将有塌方危险。（3）一次掘进距离长，高水压下换刀困难高水压、小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层、冒浆问题。国内外这方面研究成果很少，没有施工经验可供借鉴。大直径高水压盾构开挖面稳定问题，一直是困扰着国际盾构界的难题，特别在高水压下、透水性大、稳定性差的地层中掘进，还没有很好的方法。刀具磨损问题研究的资料就更少，近年在地铁盾构施工中，北京、广州、成都、沈阳等地相继出现刀具磨损等问题，还没有好的评价标准和措施，特别是在高水压下换刀，这方面研究还没有展开。

国内外研究现状及研究基础高水压、小覆土盾构掘进问题，主要鉴于上述情况，结合南京长江隧道的实际条件，我们以南京长江隧道工程为依托，研究水底盾构隧道“高水压小覆土施工、长距离掘进”两个子课题的相关理论和针对性技术措施，课题研究拟采用现场试验与监测、室内模型实验、理论分析等技术手段，现场实验与监测为主体，室内实验及理论分析为补充，相互配合，以趋完善，达到“研究成果服务于工程，减小工程施工风险、节省工程投资、确保工程安全、提高工程经济性”的总体目的。鉴于上述情况，结合南京长江隧道的实际条件，我们研究目标

子课题1：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术研究

（1）构建泥水劈裂压力（包括启裂压力，伸展压力）、劈裂发生位置、劈裂发生和伸展方向及伸展速度的力学模型；（2）提出盾构掘进过程中地层劈裂发生与掘进参数的关系，整理出劈裂发生以及泥水喷发的判别标准，提出规避泥水喷发现象发生的措施；（3）提出覆土厚度、水压等与盾构机参数及掘进参数的关系；（4）提出合理的最小覆土厚度及相应的安全掘进模式和掘进参数。研究目标子课题1：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术子课题2：大型泥水盾构长距离掘进研究（1）总结分析刀具磨损数据，针对南京长江隧道具体工程，建立磨损对盾构掘进性能影响评价体系，提出合理掘进参数和施工措施，增大掘进距离；（2）综合各研究手段，提出盾构刀具切削机理和刀盘优化设计原理、针对不同地层进行刀盘、刀具优化设计分析。子课题2：大型泥水盾构长距离掘进研究研究成果汇报右线初始掘进段现场原位试验选取右线初始掘进长度135m左右进行现场原位试验研究成果汇报右线初始掘进段现场原位试验右线初始掘进段现场原位试验选取右线初始掘进长度135m左右进行现场原位试验，是基于以下考虑：⑴该段盾构施工埋深浅，覆土厚度5.5m～11.65m。⑵距离始发井75m左右有一水塘。与江中浅覆土段工况有相似之处。⑶该段施工便于进行各种检测原件的埋设和数据测量。⑷可以进行理论分析和现场的实际对比。右线初始掘进段现场原位试验右线初始掘进段地层自上而下分别为:②-3粘土④淤泥质粉质粘土⑥淤泥质粉质粘土夹粉土⑦-2粉土⑧粉细砂⑨粉细砂其中盾构穿越地层主要为④淤泥质粉质粘土地层。该土层含水量大，孔隙比大，渗透系数小，强度指标小，属于典型的软弱粘土。右线初始掘进段地层自上而下分别为:试验目的1)泥水盾构掘进对周围地层的影响；2)小覆土泥水盾构掘进合理的施工参数；3）与压力相关的包括泥水压力和注浆压力的控制指标；

监测内容

1)地表变形监测：监测隧道横向和纵向地表沉降，绘制横向沉降槽和纵向沉降曲线，研究地表沉降随盾构推进的变化规律；2)地层分层沉降和水平位移监测：利用测斜仪监测不同深度处地层水平位移，利用分层沉降仪监测不同深度处地层竖向位移，根据水平和竖向位移，判断盾构施工对土体的挤压情况。3)原位水土压力及孔隙水压力监测：以双膜土压力盒监测土体原位压力；利用孔隙水压力计记录地层孔隙水压的变化，为泥水盾构掘进尤其是小覆土工况下掘进时泥水压力和注浆压力的设定提供依据；4)选取第二监测断面，在临近该断面前盾构以较大泥水压力掘进，取得监测数据，与正常泥水压力掘进时所取得的各项数据进行对比分析，为江中小覆土段地层处理方案及施工参数提供理论依据；5)优化盾构施工参数：包括泥水舱压力、推力、推进速度、出土量、壁后压力和注浆量、盾构姿态等。试验目的第一个断面为常规掘进监测断面。第二个断面为改变泥水特性、泥水压力、推力、壁后注浆压力以及掘进速度的监测断面。监测断面布置

试验分两个区段，分别为在距始发井70m处（覆土厚度8m）和120m处（覆土厚度11m）。第一个断面为常规掘进监测断面。监测断面布置1）地表沉降点布置1）地表沉降点布置2)地层分层沉降和水平位移监测点布置第一监测断面分层沉降和测斜仪布点（距始发井70m，埋深约8m）

2)地层分层沉降和水平位移监测点布置第一监测断面分层沉降和

第二监测断面分层沉降和测斜仪布点（距始发井120m，埋深约11m）南京长江隧道工程关键技术研究09625课件

3)土压力和孔隙水压力监测点布置第一监测断面土压力计和孔隙水压计布点（距始发井75m，埋深约8m）

3)土压力和孔隙水压力监测点布置第一监测断面土压力第二监测断面土压力计和孔隙水压计布点图（距始发井125m，埋深约11m）第二监测断面土压力计和孔隙水压计布点图地层分层沉降和水平位移监测点土压力和孔隙水压力监测点地层分层沉降和水平位移监测点土压力和孔隙水压力监测点

监测实施第一监测断面：按正常设定掘进

盾构切口到达离测点前30m时开始监测地表变形、测斜、分层沉降、土压力及水压力值。其中地表变形、测斜及分层沉降每环测1次，测量时间安排在推进结束后进行。土压力及水压力值采集频率为每环测3次。

第二监测断面：加大泥水压力、改变泥水特性、以更大推进速度掘进（根据第一断面试验结果）监测频率基本与第一断面相同，加大泥水压力、改变泥水浓度、壁后注浆压力较大、掘进速度快条件下进行监测。分层沉降、土压力及孔隙水压力是监测重点。监测实施125m断面地表沉降发展过程125m断面地表沉降发展过程120m断面3#孔纵向水平位移120m断面3#孔纵向水平位移3#孔土压计土压变化

3#孔土压计土压变化2#孔孔隙水压变化趋势

2#孔孔隙水压变化趋势1、通过右线初始掘进段现场原位试验取得的监测数据，我们通过进行对比分析，对监测方案进行了优化调整（观测点加密、泥水采用分步加压、掘进速度调整、加压产生劈裂等），继续在左线进行试验监测。2、通过进行左右线原位试验，将成果应用到室内盾构掘进泥水劈裂试验装置上，通过理论分析、原位试验、室内模型试验等一系列手段，完善江中浅覆土段的施工方案，确保该段施工安全顺利进行。1、通过右线初始掘进段现场原位试验取得的监测数据，我们通过进3、根据理论计算分析、现场原位试验数据统计分析、掘进泥水劈裂试验装置模拟，形成了非抛填方式穿越江中冲槽段浅覆土的施工方案并通过专家评审，我们严格按照评审的方案实施，于2009年4月7日-4月12日安全顺利穿越江中冲槽超浅覆土段，比原计划提前了7天时间，成功克服了覆土薄、水压大、透水强，极容易发生击穿冒顶、江底沉降、坍塌的巨大风险，破解了在强透水地质、不进行河床处理等条件下穿越江中冲槽浅覆土的施工技术难题，填补了国内同类施工的空白，积累了宝贵经验。3、根据理论计算分析、现场原位试验数据统计分析、掘进泥水劈裂泥水盾构长距离掘进研究刀盘的基本结构南京长江隧道盾构刀盘形式为辐条面板式，直径为14.93m,重量达400t，由6个主辐臂（1#-6#）和6个辅助辐臂（1#-6#）组成，主辐臂上安装先行刀、刮刀和小铲刀，辅助辐臂上安装大铲刀，刀盘的开口率约为30％。1#主辐臂6#主辐臂5#主辐臂4#主辐臂3#主辐臂2#主辐臂泥水盾构长距离掘进研究刀盘的基本结构1#主辐臂6#主辐臂5#2、刀具的基本结构南京长江隧道盾构机配备刀具总数量为225把（从开挖轨迹上说是309把），刀具由先行刀、刮刀、铲刀和仿形刀四种组成。

先行刀16把，高出刀盘250mm刮刀189把（常压可更换刀71把，固定刀118把），刮刀高出刀盘200mm。小铲刀3对，安装在1#－3#主辐臂上，铲刀高出刀盘200mm。

大铲刀6对（覆盖31#～38#刮刀的开挖轨迹），安装在1#－6#辅助辐臂上，铲刀高出刀盘200mm。2、刀具的基本结构先行刀16把，高出刀盘250mm刮刀189南京长江隧道盾构在掘进中，尤其是在砂砾石地层中掘进遇到的主要问题是：⑴刀具磨损过快。⑵刀具磨损过度。

38#刀磨损后38#刀磨损前38#左侧南京长江隧道盾构在掘进中，尤其是在砂砾石地层中掘进遇到的主要考虑到刀具存在的上述问题，我们对刀具形式、加工工艺等各方面进行分析和研究，并根据研究结果对刀具进行了三种改进方案设计，以适应砾砂层掘进。在现场取742～792环（50环）作为改进刀具应用试验段，不同改进方案刀具分别安装在同一轨迹，以检验各自优缺点。考虑到刀具存在的上述问题，我们对刀具形式、加工工艺等各方面进通过50环试验段统计，对三种改进方案进行了对比分析：方案I新改进刀具总体性能比原装刀具有很大提高，但崩齿现象依然严重，四把刀中有3把出现崩齿现象，由于合金头部倒角较尖锐，导致正常磨损量也偏大（7mm左右；通过50环试验段统计，对三种改进方案进行了对比分析：方案II改进刀具主要表现在两排合金之间刀体磨损较严重