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新建重庆至黔江铁路长江隧道盾构施工
关键技术研究
郑彦飞
(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250000)
摘 要:越江盾构隧道本身的工程风险巨大,由于地质条件的复杂性导致每个隧道工程都具有独特性和众多工程
难点,亟需更多的施工技术积累和经验总结。依托新建重庆至黔江铁路长江隧道工程,在分析工程场区地质条件
与水文地质条件的基础上,结合盾构段泥岩吸水膨胀结饼、砂岩磨损刀具严重、盾构与矿山交接处始发洞与接收洞
施工等实际工程重难点问题,选取复合泥水平衡盾构机,采取合金柱保护措施降低砂岩中石英颗粒对刀具的研磨,
采用半仓法掘进降低结泥饼概率,盾构始发洞和接受洞采用正洞与支洞相结合进行成洞方法,所提出施工关键技
术有效地克服了泥饼固结、掘进速率低问题,解决了始发洞和接收洞的施工难题。研究成果为确保长江隧道盾构
段的安全、快速掘进提供了保障,同时丰富了越江盾构隧道施工经验,可为同类地层隧道施工提供参考和借鉴。
关键词:长江隧道 盾构施工 盾构选型 掘进参数
中图分类号: 文献标识码:A DOI:.1009
StudyonKeyTechnologiesofShieldConstructionforYangtzeRiverTunnelon
NewChongqingQianjiangRailway
ZHENGYanfei
(.,JinanShandong250000,China)
Abstract:Theengineeringriskofrivercrossingshieldtunnelitselfishuge,andduetothecomplexityofgeological
conditions,eachtunnelprojecthasuniquecharacteristicsandmanyengineeringdifficulties,somoreconstruction
hydrogeologicalconditionsoftheYangtzeRivertunnelprojectonnewChongqingQianjiangRailway,combinedwiththekey
anddifficultproblemsoftheactualproject,suchasmudcakeformationbymudstoneswelling,serioustoolwearof
sandstone,andtheconstructionofthestartingtunnelandreceivingtunnelatthejunctionofshieldandmine,thecomposite
slurrybalanceshieldmachineisselected,thealloycolumnprotectionmeasuresareadoptedtoreducethegrindingofquartz
particlesinsandstonetocuttingtools,thehalfBINmethodisadoptedtoreducetheprobabilityofmudcakeformation,and
keyconstructiontechnologiesproposedinthispapereffectivelyovercometheproblemsofmudcakeconsolidationandlow
drivingspeed,
aguaranteeforthesafetyandrapidexcavationoftheshieldsectionoftheYangtzeRivertunnel,enrichtheconstruction
experienceoftheshieldtunnelacrosstheriver,andprovidereferencefortheconstructionoftunnelsinsimilarstrata.
Keywords:YangtzeRivertunnel;shieldconstruction;shieldselection;tunnelingparameter
海沿江城市选择隧道作为越海越江通道,重庆、武
1 引言汉、南京、上海等沿江城市相继修建了不同使用功
随着我国水下盾构技术的成熟与发展,众多沿能的越江隧道,涵盖公路、铁路、城市地铁等,极大
收稿日期:20210616
基金项目:山东省经信委第四批技术创新项目计划(201441901157);中铁十四局第四工程有限公司科研项目(202150100378)
作者简介:郑彦飞(1981—),男,四川泸州人,高级工程师,研究方向为隧道工程;Email:******@
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郑彦飞:新建重庆至黔江铁路长江隧道盾构施工关键技术研究
地促进了地区经济和运输效率[1-3]。然而,由于隧
道工程为隐蔽性工程,需要面对复杂的地质环境、
穿越大江大河时高水压、长距离、大型掘进设备的
管养难以及施工周期长等问题,工程建设难度和风
险巨大[4-7]。
[8]
刘义山针对长沙地铁3号线穿越湘江区间
隧道的研究,研究了岩溶地质条件下的水下盾构隧
道施工关键技术,指出了泥水盾构设备在岩溶区越图1 长江隧道纵断面图
[9]
江隧道的适用性;孙雪兵结合武汉地铁 3号线越
汉江隧道, 盾构段工程地质条件
[10]
施工技术;李波等对武汉轨道交通7号线三阳路盾构段隧道洞身范围岩性主要为:
Js
越江隧道的掘进效率低、刀具磨损严重、泥饼厚度上沙溪庙组泥岩夹砂岩(2),主要矿物成分为
大等问题进行研究,提出了较为实用的施工对策。黏土矿,局部砂质较重,属于Ⅳ级软石。
Jxs
综合目前的研究文献可知,越江隧道的施工技下沙溪庙组泥岩夹砂岩(2),主要矿物成分
术多与区域性的地质条件有关,由于工程地质条件为黏土矿物,中间夹多层1~2m厚的粉细砂岩,具
与水文地质条件的复杂多变,导致盾构隧道施工面有交互层理,属于Ⅳ级软石。
Js
临的困难和挑战也不同,还存在着诸多亟待解决的上沙溪庙组砂岩(2),主要矿物成分为石英、
重难点问题[11-13]。因此,本文依托重庆至黔江铁路长石,强风化层属于Ⅳ级软石,弱风化层属Ⅴ级次
长江隧道盾构段隧道施工,针对泥岩和砂岩条件下坚石。
盾构设备的选型、掘进参数及克泥效等问题进行分隧道于DK4+465附近与金螯寺向斜核部斜
析,同时对该工程盾构工法与矿山工法相结合段设交,向斜为宽缓向斜构造,两翼产状均相对平缓,南
置始发洞与接收洞的特殊施工技术进行研究,研究东翼岩层产状N35~50°E/5~14°NE,北西翼岩层
产状N35°E/13°SE。由于向斜为宽缓型构造,核部
成果丰富了越江盾构隧道施工经验,可为同类地层地层受构造运动作用较小,向斜构造对围岩完整性
隧道施工提供参考和借鉴。影响较小。
2 盾构段工程水位地质条件
DK4+890~DK6+172段隧道下穿长江,该段
隧道概况基岩裂隙水补给源水量丰富(受长江水补给),隧道
新建重庆至黔江铁路长江隧道位于重庆市渝下穿长江段岩性以泥岩为主夹多层厚2~30m不等
中区、南岸区境内,为正线单洞双线高速铁路隧道,的砂岩层,砂岩层中裂隙贯通程度相对较好,为基
起于既有菜园坝火车站,以隧道穿越渝中半岛城岩裂隙水的主要赋存地层。盾构段隧道涌水量预
区、长江、南滨路以及南坪城区后沿南山西侧向北测如图2所示。
行进约2km,在黄山风景区附近下穿南山,止于茶
园新区的花田咀村附近。长江隧道进口里程DK2
+045,出口里程DK13+987,最大埋深337m,全长
11942m,其中盾构段3810m,明挖段90m,矿山段
8042m。进口半径为700m、600m的右偏曲线,洞
身两段位于半径1400m、1700m左偏及右偏曲线
上,其余地段为直线,设计纵坡为-‰、-30‰、
‰、30‰、-3‰,呈主体“V”字加出口段下坡
的形态。隧道以盾构法穿越长江,盾构段里程为
DK3+805~DK7+615。如图1所示。图2 长江隧道盾构段涌水量预测
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郑彦飞:新建重庆至黔江铁路长江隧道盾构施工关键技术研究
与否的关键。不同的盾构设备对地层具有不同程度
3 工程重难点分析的适应性,在选取盾构机时,需要综合分析场区地层
(1)重庆长江隧道工程是本标段控制工期工程,条件、隧道埋深、设备设计参数及工作性能、经济指标
盾构隧道长距离穿越长江,施工风险大。如表1所和技术效果等因素,同时满足一定储备余量。
示,盾构隧道穿越上、下沙溪庙组泥岩地层,岩质较长江隧道越江段地层主要为盾构隧道穿越上、
软,%~%,蒙脱石含量为下沙溪庙组泥岩地层,上沙溪庙组砂岩地层,上覆
%,%,,土压平衡盾构机和泥水平衡
离子交换能力,超强的亲水力和粘聚力,在刀片滚动盾构机均不能单一地满足地层掘进。这是因为土
时,吸附在刀盘上产生泥饼,阻碍掘进;盾构隧道穿压平衡盾构机的工作原理主要是依赖于推进油缸
越上沙溪庙组砂岩地层,石英含量高,3326%~对刀盘削切且存储于土舱内的土体施加压力,以维
4267%,岩石单轴饱和抗压强度最大值为42MPa,持开挖面的稳定,渣土由螺旋输送机运处舱体,舱
且局部段岩体破碎,裂隙发育,极易造成刀具磨损。体的压力稳定依赖于渣土在输送机上形成的“土塞
表1 岩石矿物成分分析%效应”,因此密封性能较差,在高压水环境下(水压
矿物强风化泥岩弱风化泥岩强风化弱风化
)掘进时,螺旋输送机处容易发生泄
石英—,导致喷渣,失去“土塞”作用,进而引起土舱
方解石———内压力骤降,开挖面坍塌;泥水平衡盾构机是一种通
,在盾
钾长石——、密封性、保持压力等方面均具有较高的工
云母——
蒙脱石———作性能,适用于大断面、高水压的隧道掘进,但一般而
,对于饱和单轴强度小于20MPa的岩体,泥水平衡
———盾构机具有较好的施工能力,但是场区地层存在砂
(2)该段基岩裂隙水补给源水量丰富(受长江岩,单轴饱和抗压强度最大值达到42MPa,掘进十分
水补给),隧道施工时,在砂岩与泥岩交界面以及厚困难。另一方面,由于场区泥岩中具有较高的绿泥
层砂岩中的裂隙水富集地段存在较高的隧道突、涌石、蒙脱石和伊利石等矿物,对泥水平衡盾构机和土
水风险,长江基岩厚度薄,裂隙承压水压力大,最大压平衡盾构机均容易造成泥饼板结,黏附在刀盘上使
,对设备的性能要求极高。刀具工作失效,加大了更换刀盘频次和占用了掘进时
(3)盾构机械设备采用洞内组装和拆解,始发间,降低了掘进效率,而在场区的砂岩石英含量较高,
洞尺寸为85m××~(长×对刀具容易产生研磨和冲击,在长距离施工中需要采
宽×高),接收洞尺寸为40m××~取有效措施保证盾构的持续掘进。
(长×宽×高),盾构机组装及拆解处于地综合分析后,长江隧道盾构段采用复合式泥水
下空间,盾构机组装和拆解、盾构机运输大型的设平衡盾构,能掘进单轴抗压强度小于60MPa的岩
备进出洞难度大[14],盾构始发洞和接收洞的施工为体,5道盾尾刷可承受1MPa水压,配置3×5根油
本工程的关键之一。脂管灌注油脂以提高密封保证率。
(4)盾构施工中的线形控制,管片的加工预制为克服砂岩地层对刀具的磨损,在刀片两侧增
质量控制,混凝土的耐久性要求,掘进时盾构泥水设合金柱,使得合金柱
的配比的调整、防漏、防冒、防沉、防堵、防浮和防磕先行损耗,延长刀盘的
等防范措施。使用寿命,如图3所示。
图4为里程DK5+
4
主要施工技术分析100~DK5+300全断
盾构设备的选型及辅助措施面砂岩的刀片更换情 图3 刀具增设合金柱的
盾构设备的选择是决定越江盾构隧道贯通成功况,从图中可以看出, 保护措施
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郑彦飞:新建重庆至黔江铁路长江隧道盾构施工关键技术研究
增加合金柱保护措施前,砂岩段的换刀频次最大装完成,始发后,最后施作其内部结构;DK3+775~
达到70次,极大地降低了施工效率,而采取合金柱DK3+805段为隧道盾构接收洞,先通过2#斜井支
保护措施后,刀片更换次数明显降低,最大仅为17洞开挖接收洞上部,上部采用双侧壁法施工,再通
次,而在泥岩段施工,增设合金柱前后的换刀次数过正洞开挖其下部及施作下部结构,下部采用台阶
变化并不大,表明增加合金柱对降低砂岩中石英颗法施工,待盾构机组装完成,始发后,最后施作其内
粒对刀具的研磨具有明显效果。部结构。
为了解决交叉口处正洞拱部型钢钢架的受力
转换问题,于始发洞内沿3#斜井支洞、1#斜井支洞
(接收洞为2#斜井支洞)开挖方向设置门型钢架,然
后于门型钢架两侧末端设置3榀密排25b主洞钢
架,并焊接牢固,用于支撑门型钢架,形成整体框
架。
自进式锚杆。破除门型钢架竖撑后,门型钢架荷载
转移至主洞密排钢架及门型钢架顶部自进式锚杆
图4 盾构隧道施工换刀频次上,两者共同受力。
盾构始发洞及接收洞上部双侧壁核心土临时
为了摆脱泥饼困扰,施工时,严格控制泥浆比初期支护采用锚杆+钢架。锚杆为22砂浆锚杆,
重,并加强刀盘正面及中心部位的清洗,,,,梅花形布
口率的刀盘(开口率约为35%,中心开口率≥25%)置;临时钢架采用22a工字钢,,梅花形
提供排土顺畅,并添加特制泡沫剂等,促进泥浆流布置,纵向22钢筋连接,,
动。另外,实践表明采用半仓法掘进,可以有效增加喷射C25早强混凝土,厚20cm。
刀盘与空气的接触面积和接触实践,泥岩段的盾构掘盾构始发洞及接收洞下部结构采用肋板式锚杆
~。挡墙+二次衬砌。肋板式锚杆挡墙,肋板采用C35钢
始发洞和接收洞施工筋混凝土,厚30cm,肋柱采用C35钢筋混凝土,宽×
5
如图所示,盾构段隧道两端为矿山法段,因此厚为50cm×60cm,纵向间距200cm,锚杆设置肋柱
需设置始发洞和接收洞,采用洞内组装和洞内拆上,钻孔大小150,每孔设置4根32砂浆锚杆,竖
解,其中最大开挖断面605m2,采用双侧壁(上部)
和台阶法(下部)施工方法,隧道整体断面大、分步向间距为250cm,锚杆锚固段不小于400cm。二次
开挖施工空间狭小、地质条件差、隧道变形量大,施衬砌采用120cm厚C35钢筋混凝土。如图6所示。
工风险较高。
图5 盾构段隧道始发洞和接收洞平面图示意
DK7+615~DK7+700段为隧道盾构始发洞,
先通过3#斜井支洞、1#斜井支洞开挖始发洞上部,
上部采用双侧壁法施工,再通过正洞开挖其下部及
施作下部结构,下部采用台阶法施工,待盾构机组图6 盾构段隧道始发洞和接收洞结构
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,综合比较采用复合式泥水
图7为盾构隧道刀盘扭矩与泥水盾构机总推力平衡盾构进行掘进。
的变化曲线。从图中可以看出,DK4+890~DK5+(2)采取合金柱保护措施可有效降低砂岩中石
100、DK5+300~DK6+172范围内为泥岩,需要的扭英颗粒对刀具的研磨,同时采用半仓法掘进降低结
力值及总推力值较小,由于地层存在砂岩夹层,均质泥饼概率,有效提高掘进效率。
性不一,使得曲线存在波动,但波动幅度不大,平均扭(3)盾构始发洞和接受洞采用正洞与支洞相结
矩为2230kN·m,平均盾构机总推力为1059t,而在合的方法进行成洞,上部采用双侧壁工法、下部采
DK5+100~DK5+300范围内为砂岩,需要扭矩和总用台阶法工法施工,解决了交叉口处正洞拱部型钢
推力大幅度提升,平均扭矩为3134kN·m,平均盾构钢架的受力转换问题。
机总推力为1556t。(4)总体而言,砂岩的刀盘扭矩、泥水盾构机总
推力、掘进速率均比泥岩的大,砂岩掘进速率受合
金柱的影响大,而泥岩基本无影响。
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图8为盾构隧道掘进速率的变化曲线。从图中[5] LINXingtao,CHENRenpeng,WUHuaina,
可以看出,在增设合金柱前后,泥岩的掘进速率变formationbehaviorsofexistingtunnelscausedbyshield
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图8 盾构段隧道掘进速率变化曲线[12][J].建筑
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本文针对新建重庆至黔江铁路长江隧道盾构四代常压换刀技术应用研究[J].隧道建设,2017,37
隧道施工关键问题展开研究,得到以下几个结论:(S1):143.
(1)长江隧道越江段地层主要为盾构隧道穿越[14]
上、下沙溪庙组泥岩地层,上沙溪庙组砂岩地层,上[J].铁道建筑技术,2021(4):139-143.
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