南京纬三路过江盾构隧道工程主要地质问题及其对策

石新栋，吴全立

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

0 引言

为了构筑南京浦口新区与江南之间城市跨江交通网架的需要，根据现有南京市城市交通总体发展规划，拟形成“3铁、4轨、8路”共10个通道的南京长江段过江通道总体规划。现正在筹划建设的2条地铁过江隧道与南京纬三路过江隧道，计划于2015年前建成通车，届时将形成“2轨、3桥、2隧”交通网络。现纬三路过江隧道工程已经开工，地质情况极其复杂，具有高透水、高水压特征，集砂卵石、砂岩基岩为一体，采用盾构法施工，一次掘进长度达4 140 m。

上海崇明岛越江隧道主要以淤泥质地层和部分粉砂地层为主，具有超大直径、高水压作用、一次性长距离施工、穿越复合土层等特点，对本工程岸上段有一定借鉴经验［1－3］;北京直径线隧道及成都、北京地铁工程在砂卵石地层方面对刀盘刀具的磨损取得了不少经验教训［4－5］;北京直径线隧道和武汉长江隧道取得了小于0.3 MPa 压力下带压作业的经验［5－6］;武汉长江隧道在常压状态下对泥浆门进行永久修复，为泥水盾构泥浆门的维修及盾构泥水仓内设备维修提供借鉴经验［7］;南京纬七路隧道在常压换刀机构设计上具有可供借鉴的经验［8］。本文作者及研究团队积极吸取国内主要研究成果，在前期工程筹划阶段主要针对本工程地质特点及存在的地质问题提出相应的施工对策，为工程的前期筹划方案制定及盾构机选型提供技术依据。

1 工程概况

1.1 工程地理位置

纬三路过江隧道工程位于南京长江大桥上游5 km处，连接南京江南主城区与江北浦口新区。江北连接线位于南京市浦口区浦珠路沿定向河路穿越长江，沿线现状以农田为主，浦珠路和定向河两侧分布有部分民房和工厂，江南连接线位于下关区及鼓楼区纬三路与江东北路交叉口东侧，建筑物较为密集，并分布着国家一级文物保护单位——宝船厂遗址。

纬三路过江通道所在位置河道顺直，呈南西－北东向展布，江面由潜洲、江心洲分为3个航道，隧道先后从这3个航道下穿过。

1.2 设计概况

纬三路过江通道采用8车道“X”形盾构隧道方案(见图1)，从浦口到定淮门将有2条隧道“X”形交叉过江，隧道设计为双层双向8车道。左右线分离布置2管，盾构直径为14.5 m，内设上下层双向4车道。通道道路等级按城市快速路设计，设计车速为80 km/h，道路最小平曲线半径为1 000m，最大纵坡为4.5%;道路凸形竖曲线最小半径为4 500 m，凹形竖曲线最小半径为2 700 m，设计使用年限为100 a，地震基本烈度为7度，暂按8度设防。

图1 8车道“X”形盾构隧道方案平面示意图Fig.1 Alignment of shield-bored tunnel

本工程南线隧道全长4 755 m，其中盾构隧道长4 140 m，覆土厚度为10.8 ～51.5m;北线全长5 337m，盾构隧道长3 433 m，覆土厚度为9.8～51.5 m。隧道采用预制管片衬砌并作为永久衬砌，单环管片数十块，管片外径14500mm，内径13300mm，厚600mm，宽2 000 mm，最大单块质量为15 t。

南线在梅子洲设置风井，与南线盾构隧道相接，风井结构内径为26.8 m，开挖直径为29.2 m，开挖深度为43.3 m，先行施工风井再由盾构施工通过。

1.3 工程地质与水文地质

根据地质资料显示，隧道穿越区域河势变化较大(预计河床的最大冲刷线位于现状河床以下约10.0 m)。隧道穿越的地层较为复杂，主要分布有淤泥质粉质黏土层、粉细砂层、细砂层、砾砂层、圆砾层和砂岩、泥岩基岩地层。隧道穿越江中地段有长达740 m的卵石以及高强度砂岩混合地层，掘进断面岩性差异明显、上下软硬不均，上部砂卵石层石英含量高，下部基岩为砂岩、泥岩，平均抗压强度为60～80 MPa，勘探取芯最高抗压强度可达120 MPa，属高强度硬岩(见图2)。

隧道设计高水位按穿越江域百年一遇水位(吴淞高程11.080m)计算，按三百年一遇水位(吴淞高程11.550 m)验算。设计低水位按历史最低水位(吴淞高程1.54 m)计算。

本隧道最大覆土厚度约54 m，按最高水位计算最大静水压力约0.77 MPa，江中段隧道穿越沟槽最小覆土厚度为9.8m，隧道穿越多种地层，结构受力不均衡。

图2 南线隧道地质分段纵断面图Fig.2 Longitudinal profile of geology of south tunnel tube

1.4 工程重点及难点

1)超大直径盾构。开挖直径达14.96 m，盾构机选型是重点;而江底地质勘探具有较大的不确定性，需进一步加密细查，为盾构机选型和施工方案制订提供必要的条件，是本工程前期工作的重中之重。

2)长距离江底掘进。南线推进长度达4 140 m，刀具管理与维护是本工程的重点，盾构机选型要考虑一次推进不带压检查的可行性，同时也要在盾构机设计上进行刀具检查和刀具更换多种备用方案，施工过程中刀具检查及更换是本工程控制安全风险的重点。

3)高达0.77 MPa的最高静水压力。应保证盾构机整体密封性能，重点确保盾尾密封、主轴承密封的整体性能。施工中确保高水位下盾构密封功能的有效性，是确保盾构过江防止突涌的重要保障，是本项目从盾构机采购选型及施工维护上的重点。

4)覆土厚度小。受深槽影响，江中段最小覆土9.8 m，而江中覆土以卵石层为主，与江底水力联系紧密，浅覆土高水压使盾构泥水压力维护困难，如何保证不击穿江底是控制盾构泥水工作压力的难点。

5)穿越地层强度高。江底长达700 m，上部为卵石层，下部为砂岩地层，盾构机刀盘设计、刀具配置及制造监造是盾构机江底推进地层适应的关键所在，是本工程的控制重点。

2 主要地质问题及风险分析

2.1 江中高水压，覆土厚度小

目前长江上的另外3条盾构隧道，上海沪崇苏和武汉过江隧道水压约为0.6 MPa，南京长江纬七路隧道水压约为0.65 MPa，而南京长江纬三路隧道盾构机最高静水压力达0.77 MPa，考虑水土压力其工作压力将不低于0.85 MPa，比武汉、崇明长江隧道和临近的纬七路隧道都要高。高压力下盾构机能否正常工作，特别是保证盾构机密封性能，进行江底高水压下安全有效的刀具检查和更换，对设计、盾构机选型、制造和施工都是一个挑战。

如果计算水土压力，江中段盾构机的工作压力高达0.6～0.85 MPa，在此高水压条件下，现状覆土厚度为0.7倍洞径，最小覆土厚度为9.8 m，而江中段拱顶以上主要为砂与卵石地层，属高渗透性地层，与江水直接相连;因此，一方面需要高的泥水压力维护工作面的稳定，一方面由于拱顶浅覆土高渗透地层极易发生泥水劈裂地层，造成泥水喷发江水倒灌的工程事故，风险极大。

2.2 江中复合地质条件下盾构推进的高风险

纬三路长江隧道江中段主要为松散、稍密－中密的粉细砂地层、砾砂、卵石层以及下部为砂岩基岩的复合地层。主要穿越地层属中高渗透性地层，渗透性远高于上海沪崇苏隧道，与武汉过江隧道比较接近，但是水压比崇明、武汉过江隧道高近0.2 MPa。在如此高透水性地层条件下，最大静水压力达0.77 MPa，江底隧道掘进风险是巨大的，特别是在河床地势起伏变化急剧段(河床地形最大坡度超过40°)如何安全、顺利施工是一个具有挑战性的课题。

盾构通过江中地段数百m长度为粉细砂、砾砂和卵石以及高强度砂岩、泥岩的混合地层，掌子面岩性差异明显、上下软硬不均，上部砂卵石层石英含量高，对刀盘刀具磨损和抗冲击能力要求高，下部基岩平均强度等级为60～80 MPa，最高达120 MPa，属高强度硬岩。由于其石英含量达到65%，对刀具磨损严重，需要换刀的频度高，同时由于其上部为高透水的砂卵石，也不同于狮子洋隧道全岩石地层可以常压开舱更换刀具;因此，本项目江底段既要考虑刀盘和刀具的耐磨要求，也要考虑风险小、技术可靠的换刀功能，同时还要考虑不利条件下带压换刀作业，对盾构机选型要求更高。

2.3 过江一次掘进距离长

南京纬三路过江通道盾构段基本上是先软土地层，再硬岩地层，然后过江后再到软土地层，大致为:始发后首段为土砂地层与卵砾石地层，长900～1 100 m;中间段为上卵砾石下中风化砂岩，长约700 m;最后一段为卵砾石及砂土地层，长1 700～2 300 m。先软后硬再软的地层特点，要求盾构机刀具布置上能够作到滚刀与切削刀使用功能的自由切换;而南线长达4 140 m的盾构隧道，江面宽度达2 500多m(比武汉长江隧道长800 m)，由于江中存在卵石与砂岩地层，无法设置检修井。因此，其地层条件差，水压高，设备检修和换刀风险大。由于盾构直径大，盾构机边缘刀具开挖轨迹长度远远大于小直径的盾构机，再加上砂卵石及高强度砂岩地层特点，刀具耐磨性预测、刀具检查及换刀存在较大安全风险。

2.4 埋深变化幅度大

最大埋深达66 m，是国内盾构隧道最大埋深。与进出洞岸上段、受河床影响的河中段覆土相对应，埋深变化幅度大，因地下水位受洪水影响变化，造成盾构推进过程中泥水压力控制较困难。

3 施工对策

3.1 盾构机选型

3.1.1 盾构机选型的原则

根据以上分析，确定了盾构机选型的原则为:充分满足地质情况，具有针对性的风险处理对策，盾构密封及设备制造的高可靠度，盾构刀盘与刀具设计按不带压进舱设计，预设完善而可靠的带压进舱功能装备，设计可靠有效的换刀、检查刀具功能装备。

3.1.2 盾构机基本选型

本工程是穿越长江的隧道，盾构掘进的地层有淤泥质粉质黏土层、粉细砂层、细砂层、砾砂层、圆砾层和基岩层。其地质条件复杂，地层透水性好，与江水直接相通，含水量丰富，水压高达0.77 MPa。除全断面基岩外其他地层段稳定性都很低，容易坍塌。特别是在盾构通过江中冲积槽时，盾构与开挖面的压力平衡必须精确控制，确保盾构前方和上部的土体稳定。土压平衡盾构机依靠调节螺旋输送机出土速度和推进油缸的推进速度来调整土压，土舱压力波动大，难以有效控制盾构前方和上部土体下沉。泥水盾构通过控制进/排流量、进浆压力来控制泥水舱压力，泥水舱压力波动小，能够有效地控制盾构前方和上部土体下沉，安全可靠度高。

本项目盾构隧道要穿越较长距离的砾砂层、圆砾层、基岩层，岩土内石英含量高，抗压强度高，盾构长距离掘进可能需要多次更换刀具。采用泥水盾构由于膨润土浆液渗入开挖面形成的附壁泥膜在气压的支撑下能较好地稳定开挖面，换刀人员易于进入泥水舱上部的气泡空间进行带压换刀作业，能够确保盾构刀具的正常切削破岩，保证隧道施工顺利完成。

综上所述，本工程选用泥水平衡式盾构机。

3.2 盾构机工作压力选择

本工程隧道覆土达54 m，加上长江水深需考虑的水头高达77 m。根据其埋深及覆土厚度的变化选取了5个不利断面进行计算，取得工作面正面水土合力可达0.85 MPa，泥水盾构机的泥水舱工作压力按0.85 MPa取值。

3.3 刀盘与刀具选配

刀盘采用幅条面板构造，属具有外周加固环的坚固平面结构，为刀盘适应软硬不均地层提供足够的刚度。刀盘幅条设计为可常压进人更换刀具的装置，主要对刀盘上安装的软土刀具进行常压更换，该刀具可对软土及砂卵石地层进行切削掘进，并保证可常压下更换。面板上设计有固定式滚刀1组和预设可推出式滚刀2组。刀盘(特别是刀盘中央部)采用防止黏性土引起堵塞的特殊设计，适应长距离岸上段黏质土层掘进的需要。为适应长距离掘进、上软下硬复合地层以及卵石地层耐磨损的需要，对刀盘的面板部、开口边缘以及外周部实施了详细而可靠的磨损装置。为适应挖掘最高150MPa的硬岩，刀盘刀具配置按19″直径滚刀装配，刀间距为89 mm，由此可更有效地挖掘硬岩。为便于曲线施工和方向控制，设置仿形刀装置(2个)。系统设计了液压和电测2种形式的磨损检测刀，正确掌握刀盘的磨损状态。刀盘后面设搅拌叶片，并通过更广范围的土舱内部搅拌，防止挖掘土砂固结。

3.4 江底刀具设计与换刀技术

3.4.1 软岩段刀具设计

1)采用不同轨迹不同刀具配置。根据刀盘不同直径轨迹上分别配备4，8，16把特殊先行刀，从而有效提高刀具的掘进长度。

2)采用常压可更换切削刀。正面每个轨迹上配置2把，保证在软土地层对可更换刀具进行常压状态下的全面检查和更换，保证在软土地层刀具磨损后能及时更换。

3)不同高度配置常压可更换切削刀。根据所掘进的地层利用刀具不同高低的配置调整其功能，可以实现软土刀与滚刀功能的自由切换，在软土及卵石地层先行刀比滚刀高，保护滚刀不被磨损，而进入硬岩地层时将先行刀设置比滚刀低，从而使滚刀发挥破岩功能。

3.4.2 硬岩段刀具设计

1)采用不同轨迹不同刀具配置。根据刀盘不同直径轨迹上分别配备1，2，3把固定滚刀，从而有效提高刀具的掘进长度，减少刀具的磨耗和换刀次数。

2)滚刀采用刀盘内预置备用方案的总体设计理念。固定式滚刀先行在硬岩段前1/3区段发挥作用，中间1/3区段采用第1组推出式滚刀发挥作用，而最后1/3段则采用第2组推出式滚刀发挥作用。预置推出式滚刀与固定滚刀合计，则从内到外不同直径轨迹上分别配置1，2，4，7把滚刀。根据这种设计，按照其刀盘、刀具设计以及设计时正常磨损量的计算，现设计的初始刀具及预置备用刀具，能够满足在常压下换刀，完成本次隧道施工。

3)备选方案。基于上述的设计，若刀具设计仍不满足工程需要，则采用以下2种备选方案:①对于可能存在的仅剩余不多硬岩段的掘进，如果滚刀数量不足，采用可更换式强化切削刀完成岩石区域的掘进;②对于可能的比较长距离，如剩余1/3区段长度硬岩段滚刀磨损已尽，则可以采用地层加固的方案，进行一次地基加固改良的施工，降低水压到0.3 MPa以下，人可以在常压下进入泥水舱，从而检查和更换刀具。

3.4.3 带压换刀方案设计

设计可靠的二室人闸舱2组，其中一组位于上部与泥水舱相连接，可以在气压环境下直接进入泥水舱，以便于在合适的位置对刀具进行全面检查和必要时对刀具的更换;另一组位于下部与常压换刀机构相连接，以便于当常压换刀机构出现故障时带压进行维修。常压或者预设刀具对策与带压进舱装置是相辅相成的，前者是在预定设计思路下保证盾构快速推进，后者是为了保证不可预见的可能风险对刀具检查和修复的补救应急措施。

3.4.4 江底水压最大处的换刀设计

1)采用常压换刀技术及预置备用滚刀设计，最大限度地减少江底最大水压处换刀的可能性。

2)利用江底下部岩石的弱透水性、高稳定性及江底上部砂卵砾石层高透水的特点，盾构机配备了功能完善的超前钻孔与注浆系统，作为备用方案需要时可以对工作面前方的岩石裂隙及上部的砂卵砾石层注浆加固，低压进舱换刀和维护。

3)利用可靠的双舱人闸设计，配备穿行舱及地面生命维护系统，在需要时带压进舱换刀或者进行其他作业。

3.5 盾构穿越砂卵石地层施工对策

卵石层卵石强度高，刀盘转动时卵石主要对刀具及刀盘形成冲击和磨损，易使齿刀崩裂损坏和使滚刀偏磨，对刀盘面板产生磨损。因此，刀盘设计上要求其从材料选择、耐磨层设计及刀具布置上充分考虑其长距离掘进的耐磨性，同时在刀具布置上采用特殊先行刀布置，并在刀具设计上要求具有良好的抗冲击能力及耐磨能力，宜选用抗冲击较好重型贝壳刀或刀轴启动扭矩较小的具有良好耐磨材料的滚刀。

由于卵石地层可能有大块岩石进入泥舱，增大泥浆输送的阻力，需安装碎石机破碎可能的大径块石或者卵石;同时要求输送泥水泵、管道的输送能力强且耐磨性高。

3.6 盾构穿越上软下硬复合地层技术对策

江底隧道V型的下端，也是水头压力最大的部位，南北隧道分别有600～700 m砂石与硬质砂岩复合地层，砂岩具有较高的石英含量，上为砂卵石层，下为硬岩地层。

在滚刀配置上对刀具的破岩能力要求高，需安装破岩能力强的滚刀，但当刀位于上部卵石地层时，滚刀容易偏磨，易产生冲击破坏，且石英含量高，对刀具磨损大;因此，要选用破岩能力高、耐磨性好的重型滚刀，并要求其刀轴启动扭矩较小。

3.7 高水位浅覆土江底段盾构穿越施工对策

设计最大水位为77 m，也就是说可能存在推进到最低点时水压达到0.77 MPa。在高水压下盾构推进，同时砂卵石、细砂及粗砂地层占有较大比例，与江水的连通性较好;因此，在盾构机主轴承密封、盾尾密封上要求具有材料、密封工作原理及技术措施上的可靠性。

盾尾密封采用加强可更换型“4+1”钢丝刷构造，前2排采用螺栓连接，后3排采用焊接连接。如果存在盾尾密封失效磨损后，可在后3排的保护下对前2排方便地进行更换。

如果维持开挖面稳定的泥水压力容易造成泥水击穿江水时，可启动备用方案，可以利用超前钻机对工作面前方进行预注浆加固，减小拱顶以上砂卵石地层的渗透系数。

3.8 盾构始发与到达施工对策

盾构机自江北始发，至江南工作井到达，由于临近长江，特别是北线到达井至长江水域仅53 m，盾构机始发与到达时防止涌水流砂的技术对策是本工程的重点之一，主要采取技术措施如下。

1)采用旋喷加固与降水相结合的双保险方案，端头加固长度不小于18 m，确保整个盾构机有效长度在加固体范围内;沿加固体四周设置止水帷幕，在加固体与止水帷幕间设置降水井降低区域内水位，确保其破除洞门的稳定性与防止地下水的涌出。

2)破洞门前应采用超前钻机对洞门周边按3～5 m钻设1个水平探孔，探孔深度大于盾构机长度2 m，确保周边加固体完好再行破除洞门。

3)洞门设置双橡胶布帘密封形式，并在2道布帘之间设置注浆孔。如出现涌水，则采用注浆的形式对涌水进行封堵。

4)盾构到达可采用水下进洞的方案。

3.9 新型检测刀具技术

将引进先进的视频及定位技术，以对刀具及刀盘磨损进行适时和更有效的快速检测，这种方法将最大程度地降低现有水下盾构刀具检查与更换方面的风险与代价。

3.10 盾尾刷密封技术

为确保高水压下盾尾密封效果，设计采用5道盾尾刷(以适应高水压)，其中前方的2道采用螺栓连接以便于更换。5道盾尾密封刷设计示意见图3。

图3 5道盾尾密封刷设计示意图Fig.3 Design of 5 rows of tail skin brushes

4 结束语

南京纬三路过江隧道无论从高水压一次性掘进长度还是从复合地质特点方面均为国内过江盾构隧道最难工程。本文主要针对工程特点和地质特点，结合国内外类似工程获得的经验教训，进行了风险评估，重点对刀盘设计、刀具配置、盾尾密封、刀具检查以及刀具更换风险预案提出了针对性的设备配置方案与工程对策，现正在逐步实施和不断完善，部分方案已在盾构设计中得到了体现，部分观点还在探讨中。

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