南京长江隧道工程关键技术研究09625课件.ppt

1、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：一、工程总体情况介绍1 1、南京长江隧道工程项目概况2 2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点3 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 1、研究背景和意义2 2、南京长江隧道创新之处3 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 1、项目概况、项目概况 南京长江隧道工程盾构隧道设计为双向、双洞南京长江隧道工程盾构隧道设计为双向、双洞

2、6 6车道，其中左线盾车道，其中左线盾构隧道长构隧道长3022m3022m，右线盾构隧道长，右线盾构隧道长3015m3015m。隧道采用两台直径。隧道采用两台直径14.93m14.93m泥水盾构，由江北始发井出发，同向掘进施工。泥水盾构，由江北始发井出发，同向掘进施工。盾构隧道水文地质情况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盾构穿越江面宽度约2600m2600m，高水位多年平均值，高水位多年平均值8.37m8.37m，最大水深约，

3、最大水深约28.8m28.8m。隧道通过地段主要。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。地层分布为粉细砂、砾砂、圆砾和强风化砂质泥岩。独塔悬索桥-2-2 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-2-2-2-1-1-1-1-2-3-2-2-1-1-1-1-1-3-3-3-2-1-2-1（35+77+60+248+35）m粉细砂淤泥填土淤泥粘土粉砂淤泥质粉质粘土粉质粘土夹粉土粉土粉细砂淤泥质粉质粘土夹粉土粉质粘土夹粉土粉细砂粉土粉细砂粉细砂粉质粘土夹粉土砾砂粉细砂粉质粘土夹粘土圆砾强风化粉砂质

4、泥岩中风化粉砂质泥岩历年最高潮水位多年平均8.37m8.37m8.37m长江江北防洪大堤K3+760.000浦口服务区浦口明挖段梅子洲明挖段-2-1-1-1-50.000-30.000-10.00010.00030.00050.00070.00090.000-70.000K7+770-70.000-1-2-3-2-1-1-1-1-1-1-1-50.000-30.000-10.00010.00030.00050.00070.00090.000南京长江隧道工程设计起点K2+200.000收费广场起点K2+660.000滨江大道K3+99.620收费广场终点K3+80.000引道起点K3+230.0

5、00江北隧道进口K3+402.000盾构起点K3+599.763西环洲公路（梅子州防洪大堤）K6+345.820K6+590.000盾构终点梅子洲隧道出口K6+832.000引道终点K7+67.000梅子洲穿洲公路K7+154.760钢筋砼盖板涵K7+250.000南京长江隧道工程设计终点K8+053.000钢筋砼盖板涵K7+322.500 -1-1-1-1-1-1-1-1水面历年最高潮水位多年平均8.37m粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂砾砂砾砂砾砂粉细砂粉细砂粉细砂圆砾圆砾圆砾强风化粉砂质泥岩强风化粉砂质泥岩中风化粉砂质泥岩-50.000-30.000-10.0001

6、0.00030.000-70.000长江盾构隧道盾构隧道管片盾构隧道管片盾构隧道管片内径盾构隧道管片内径13.30m13.30m，外径，外径14.50m14.50m，厚度，厚度60cm60cm。每环衬砌由。每环衬砌由1010块管片组成，环宽块管片组成，环宽2m2m。管片拼装设计为管片拼装设计为7 7块标准块、块标准块、2 2块相邻块和块相邻块和1 1块封顶块，分块封顶块，分Z Z型型Y Y型型两种管片模式。两种管片模式。管片设计强度管片设计强度C60C60，防水等级，防水等级S12S12。装检验环1.0 mm对应面环间螺孔不同轴度(-0,+2.0)mm纵缝间隙内表面测定1.0mm环面间隙拼1.

7、0 mm螺栓孔直径与孔位整（-0、+2）mm管片外半径1.0 mm管片内半径验检1.0 mm管片弧长、弦长块0.5 mm管片宽度单备注允差值项 目一、工程总体情况介绍一、工程总体情况介绍2 2、南京长江隧道工程特点、难点及风险点、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：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：盾构直径超大盾构直径超大 荷兰的绿心隧道盾构机直径荷兰的绿心隧道盾构机

8、直径14.87m14.87m，是目前世界，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机直径14.93m14.93m，是目前世界上直径最大的盾构机之一，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。直径超过世界上已建成的最大盾构隧道。虽然盾构机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增大带来的则是施工难度和风险的几何增长，盾构机，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。直径的超大带来的一系列问题

9、是施工面临的挑战之一。水压力高水压力高南京长江隧道盾构机工作压力高，最大达到南京长江隧道盾构机工作压力高，最大达到6.56.5/2 2（即相当于（即相当于65m65m水头压力），在水头压力），在超大直径盾构水下隧道项目中是世界最大的。超大直径盾构水下隧道项目中是世界最大的。地层透水性特强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6.56.5/2 2，所有，所有的

10、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。施工是一个具有挑战性的课题。水下一次掘进距离长，刀具保护要求极高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南京长江隧道长度超过3km3km，而且地层条件复杂，以砂层为主：，而且地层条件复杂，以砂层为主：如果在同等地质条件下，由于盾构直径超大，南京长江隧道如果在同等地质条件下，由于盾构直径超大，南京长江隧道3km3km的掘进相当于直径的掘进相当于直径6.3m6.3m的地铁盾构掘进的地铁盾构掘进17km17km。

11、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1010倍以上，倍以上，也就是说：南京长江隧道盾构机掘进完成也就是说：南京长江隧道盾构机掘进完成3 3公里长的江底隧道，相当于同样直径的盾构机在公里长的江底隧道，相当于同样直径的盾构机在软土地层中掘进软土地层中掘进3030公里。因此刀具的保护是施工中必须克服的难题。公里。因此刀具的保护是施工中必须克服的难题。盾构始发和接收超浅埋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 1倍盾构机

12、直径，而本倍盾构机直径，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0.370.37倍盾构直径倍盾构直径（5.5m5.5m），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），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。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，设提供了重要参考和依据，并且盾构隧道

13、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。推动盾构施工技术进步。江底盾构覆土厚度浅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江底，有一江中冲槽段，该冲槽段盾构最小覆土厚度仅有11m11m（仅有（仅有0.70.7倍盾构直径）。而倍盾构直径）。而且该段地层为高透水性、松散的粉细砂层，水深却高达且该段地层为高透水性、松散的粉细砂层，水深却高达2020多米，在这样高水压、浅覆土极多米，在这样高水压、浅覆土极端

14、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。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。-1-1-1-1 粉细砂淤泥质粉质粘土淤泥质粉质粘土淤泥粉土淤泥质粉质粘土夹粉土粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂砾砂砾砂粉细砂圆砾圆砾强风化粉砂质泥岩中风化粉砂质泥岩 -1-1-1-1-1-3-2梅子洲防洪大堤 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，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，坚持依靠专家团为了安全顺利

15、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：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、以钱七虎院士为首的专家委员会2、以梁文灏院士为首的、以梁文灏院士为首的现场专家组现场专家组3、由具有丰富施工经验的、由具有丰富施工经验的国内外相关专家组成的工国内外相关专家组成的工地专家组地专家组 自自20062006年以来年以来,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业内知名专家共计2525位（包括钱七虎院士、梁文灏院士、日本专家秋位（包括钱七虎院士、梁文灏院士、日

16、本专家秋源、法国布依格专家龙尚等），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题论证，截至目前已经在现场召开了3535次次专家评审会，有力的推动了专家评审会，有力的推动了隧道建设的安全顺利进展。隧道建设的安全顺利进展。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点，我们量身定做了两台德国海瑞克公司生产的直径为生产的直径为14.93m14.93m的泥水平衡盾构机进的泥水平衡盾构机进行南京长江隧道施工。行南京长江隧道施工。根据南京长江隧

17、道工程的要求，盾构机设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：计具有如下先进性：1 1、刀盘刀具设计有、刀盘刀具设计有7171把能够在常压下进行把能够在常压下进行更换的刀具，且安装了磨损监测系统。更换的刀具，且安装了磨损监测系统。2 2、主驱动：带有特殊压力装置的密封系统、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符合高工作压力，在盾构机轴心部分中部达到达到7.5bar7.5bar的要求。的要求。3 3、主轴承设计寿命达：、主轴承设计寿命达：17,60017,600小时。小时。4 4、先进的、先进的PLCPLC系统实现了故障自动报警，确保盾构机处于良好

18、工作状态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 5、盾体、盾体 设计有大型碎石机，可以破碎直径达到设计有大型碎石机，可以破碎直径达到 1.2m 1.2m的石块。的石块。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。盾体设计有锥度（由三个直径组成）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，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。间停机的情况，恢复推进时仍能确保盾构机轻松前进。6 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、盾构机的操作采用

19、气泡调节技术，能够保证支撑压力的精确率为+/-0.05bar+/-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。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，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+20mm-40mm-40mm之间。之间。7 7、盾尾专门设计了用于高工作压力的的密封系统，包括、盾尾专门设计了用于高工作压力的的密封系统，包括3 3道钢丝刷、道钢丝刷、1 1道钢板束和道钢板束和1 1个应急密封。个应急密封。8 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、盾构机的主要部件

20、都设计用于长距离隧道掘进工程（超过1515公里）公里）。二、南京长江隧道工程施工情况综述二、南京长江隧道工程施工情况综述南京长江隧道工程自南京长江隧道工程自20052005年年3 3月月2929日开工以来，经过四年来的努力日开工以来，经过四年来的努力，相继完成了以下工作：，相继完成了以下工作：1 1、克服了国际融资和国际招标程序、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完成盾构机及配套设备的选型和采购工作；购工作；2 2、用、用5 5个月的时间完成了按正常工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期需要

21、一年才能完成的江北工作井全部土建任务；全部土建任务；3 3、仅用、仅用5858天时间就完成了正常需要近五个月时间的天时间就完成了正常需要近五个月时间的盾构机组装，第一台盾构机于盾构机组装，第一台盾构机于0808年年1 1月月1515日试掘进，日试掘进，2 2月月2727日正式掘进，目前已掘进日正式掘进，目前已掘进23002300米；第二台盾构米；第二台盾构机于机于0808年年5 5月月1616日破门进洞，日破门进洞，20092009年年5 5月月2020日，左线日，左线隧道实现贯通隧道实现贯通；4 4、30433043环管片生产已经于环管片生产已经于0808年年1111月月1313日全日全部完

22、成，其工艺控制水平和质量达到世界先进部完成，其工艺控制水平和质量达到世界先进水平，箱涵已于水平，箱涵已于0808年年7 7月月3030日提前两个月完成日提前两个月完成了了30823082块的全部生产任务；块的全部生产任务；5 5、梅子洲接收井自、梅子洲接收井自0707年年9 9月份开始分段开月份开始分段开挖，挖，0808年年6 6月月2525日提前日提前5 5天完成全部土建施工，天完成全部土建施工，保证了盾构机的到达接收。保证了盾构机的到达接收。三、开展的技术攻关和施工综合技术研究三、开展的技术攻关和施工综合技术研究1 1、研究背景和意义、研究背景和意义2 2、南京长江隧道创新之处、南京长江隧

23、道创新之处3 3、开展的主要研究项目和阶段成果、开展的主要研究项目和阶段成果 三、技术攻关、关键技术研究的开展情况三、技术攻关、关键技术研究的开展情况1 1、研究背景和意义、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，一方面我们要对我国将建的一批越江跨海等特长隧道工程，一方

24、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，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。开展超大直径泥水盾构核心技术研究。2 2、南京长江隧道创新之处、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技术等建造关

25、键技术进行深入研究，解决复杂地质条件下超大直径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。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 2、南京长江隧道创新之处、南京长江隧道创新之处 创新点：创新点：发展超大直径盾构施工核心技术；发展超大直径盾构施工核心技术；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，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

26、全掘进模式和掘进参数的关键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；别标准；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。的核心技术体系。3 3、开展的主要研究项目和阶段成果、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：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一是机械设备方面。南京长江隧道采用直径

27、14.93m14.93m泥水平衡盾构进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，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。保养维护等等，给我们提出了一系列的研究课题。3 3、开展的主要研究项目和阶段成果、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

28、究：方面进行专题研究：推进专题。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。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。小覆土、长距离专题小覆土、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。护等。这是南京长江隧道科研工作的核心内容。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。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。和盾构隧道配套的其他工程专题研究包括：基坑、管片

29、、同步施工等。信息化施工专题。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。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。安全风险专题。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。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。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

30、 3、开展的主要研究项目和阶段成果、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：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超大直径盾构、超浅覆土

31、始发施工技术研究3 3、开展的主要研究项目和阶段成果、开展的主要研究项目和阶段成果 3.13.1超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征研究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60m60m，隧道施工全过程以及运营阶段必将承受较大的外部荷载，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，同时由于水文

32、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，获取宝贵的巨大的综合社会效益，开展其超大断面衬砌

33、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。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管片结构力学行为研究已经列入国家“863863”计划研究、示范项目。计划研究、示范项目。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，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体原型

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

35、4 4）单环管片环破坏试验。）单环管片环破坏试验。试验装置及加载试验装置及加载试验装置采用试验装置采用“多功能盾构隧道结构体原型加载系统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5000kN5000kN轴轴力和约力和约3100kN3100kN的弯矩对结构加载破坏。的弯矩对结构加载破坏。每

36、个千斤顶和钢铰线提供每个千斤顶和钢铰线提供1500kN1500kN的集中力，环箍上每环需的集中力，环箍上每环需4 4条环箍钢铰线，提供最条环箍钢铰线，提供最大的轴力为大的轴力为6000kN6000kN；在对拉梁上最大能提供；在对拉梁上最大能提供6000kN6000kN的对拉力，在进行组合管片环试的对拉力，在进行组合管片环试验时，最大能提供验时，最大能提供3000kN/3000kN/环的对拉力，最大能产生约环的对拉力，最大能产生约6000kN6000kNm/m/环的弯矩。在弹性环的弯矩。在弹性阶段内试验，只需阶段内试验，只需2 2组千斤顶对拉即可，提供组千斤顶对拉即可，提供3000kN3000k

37、N的对拉力，最大能产生约的对拉力，最大能产生约3000kN3000kNm/m/环的弯矩。环的弯矩。钢筋混凝土管片对拉钢绞线环箍加力梁(预留)环箍加力梁主对拉梁千斤顶主对拉梁锚具锚具环箍钢绞线 副对拉梁副对拉梁 组合管片环（错缝）组合管片环（错缝）加载示意图加载示意图 单环管片环（通缝）加单环管片环（通缝）加载示意图载示意图 管片管片 试验共需要试验共需要3 3环管片，环管片，1 1环用于单环管片环加载及破坏试验，环用于单环管片环加载及破坏试验，2 2环用于环用于组合管片环加载及破坏试验，其中有组合管片环加载及破坏试验，其中有1 1环管片需平分成半幅宽环，对环管片需平分成半幅宽环，对称放地在称放

38、地在1 1整环管片两侧。整环管片两侧。测试项目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。力以及混凝土裂缝的产生和发展等。测缝计、混凝土应变测缝计、混凝土应变计、钢筋计计、钢筋计埋设好监测元件的钢筋笼埋设好监测元件的钢筋笼浇筑完成、养护的试验用管片浇筑完成、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试验支座下半环拼装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穿钢绞线架架 对对 拉拉 梁梁组合管片环加载试验组合管片环加载

39、试验单环管片加载试验单环管片加载试验管片裂缝管片裂缝接缝张开接缝张开管片加载破坏管片加载破坏螺栓抗拔试验管片破坏螺栓抗拔试验管片破坏通过上述在现场进行的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。化和改进提供了重要依据，具有重要的现实指导意义。3 3、开展的主要研究项目和阶段成果、开展的主要研究项目和阶

40、段成果 3.23.2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）江中水压高 南京长江隧道盾构机南京长江隧道盾构机工作压力约工作压力约6.5bar,6.5bar,在同等直径及更大直径泥水在同等直径及更大直径泥水盾构项目中是世界最大的。盾构项目中是世界最大的。东京湾海底隧道最大水压为东京湾海底隧道最大水压为6bar,6bar,荷兰绿心隧道最大水压为荷兰绿心隧道最大水压为5.5bar5.5bar；长江上的另；

41、长江上的另外两条盾构隧道外两条盾构隧道上海沪崇苏和武汉过江隧道，最大水压为上海沪崇苏和武汉过江隧道，最大水压为5 55.5bar5.5bar。（2 2）江中段覆土厚度小、水压大，地层突变）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江中段最小覆土厚度小于1 1倍盾构直径，尤其是江南冲槽段覆土厚度仅有倍盾构直径，尤其是江南冲槽段覆土厚度仅有11m11m（0.7D0.7D），），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，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

42、劈裂、江水倒灌事故。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。-1-1-1-1 粉细砂淤泥质粉质粘土淤泥质粉质粘土淤泥粉土淤泥质粉质粘土夹粉土粉细砂粉细砂粉细砂粉细砂砾砂砾砂粉细砂圆砾圆砾强风化粉砂质泥岩中风化粉砂质泥岩 -1-1-1-1-1-3-2梅子洲防洪大堤（3 3）一次掘进距离长，高水压下换刀困难）一次掘进距离长，高水压下换刀困难 15m15m级的超大直径盾构一次掘进距离长近级的超大直径盾构一次掘进距离长近3 3公公里。盾构穿越的地层基本为砂层，在石英含量高里。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砂层中盾构

43、机刀具磨损是软土地层中刀具磨损的的1010倍以上，刀具磨损严重。一旦刀具过于磨损，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。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，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。将有塌方危险。高水压、小覆土盾构掘进问题，主要是泥水劈裂地层、冒浆问高水压、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。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大直径高

44、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，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。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。展开。国内外研究现状及研究基础国内外研究现状及研究基础 鉴于上述情况

45、，结合南京长江隧道的实际条件，我们以南京长江鉴于上述情况，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、长距离掘高水压小覆土施工、长距离掘进进”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

46、程施工风险、节省工程投资、确保工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、提高工程经济性程安全、提高工程经济性”的总体目的。的总体目的。研究目标研究目标 子课题子课题1 1：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术研究：南京长江隧道高水压、小覆土盾构施工技术研究 （1 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）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；向及伸展速度的力学模型；（2 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）提出盾构掘进过程中地

47、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；的判别标准，提出规避泥水喷发现象发生的措施；（3 3）提出覆土厚度、水压等与盾构机参数及掘进参数的关系；）提出覆土厚度、水压等与盾构机参数及掘进参数的关系；（4 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。）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。子课题子课题2 2：大型泥水盾构长距离掘进研究：大型泥水盾构长距离掘进研究（1 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）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，

48、提出合理掘进参数和施工措施，增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；大掘进距离；（2 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、）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。针对不同地层进行刀盘、刀具优化设计分析。研究成果汇报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选取右线初始掘进长度135m135m左右进行现场原位试验左右进行现场原位试验长 江 江 北 防 洪 大 堤-3粘 土淤 泥 质 粉 质 粘 土淤 泥 质 粉 质 粘 土 夹 粉 土-2粉

49、土粉 细 砂粉 细 砂水 塘 135m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选取右线初始掘进长度135m135m左右进行现场原位试验，是基于以下考虑：左右进行现场原位试验，是基于以下考虑：该段盾构施工埋深浅，覆土厚度该段盾构施工埋深浅，覆土厚度5.5m5.5m11.65m11.65m。距离始发井距离始发井75m75m左右有一水塘。与江中浅覆土段工况有相似之处。左右有一水塘。与江中浅覆土段工况有相似之处。该段施工便于进行各种检测原件的埋设和数据测量。该段施工便于进行各种检测原件的埋设和数据测量。可以进行理论分析和现场的实际对比。可以进行理论分析和现场的实际对比。

50、右线初始掘进段地层自上而下分右线初始掘进段地层自上而下分别为别为:-3-3粘土粘土 淤泥质粉质粘土淤泥质粉质粘土 淤泥质粉质粘土夹粉土淤泥质粉质粘土夹粉土 -2-2粉土粉土 粉细砂粉细砂 粉细砂粉细砂 其中盾构穿越地层主要为淤泥其中盾构穿越地层主要为淤泥质粉质粘土地层。该土层含水量质粉质粘土地层。该土层含水量大，孔隙比大，渗透系数小，强大，孔隙比大，渗透系数小，强度指标小，属于典型的软弱粘土。度指标小，属于典型的软弱粘土。长 江 江 北 防 洪 大 堤-3粘 土淤 泥 质 粉 质 粘 土淤 泥 质 粉 质 粘 土 夹 粉 土-2粉 土粉 细 砂粉 细 砂水 塘 135m 试验目的试验目的1)1