长沙南湖路湘江隧道盾构施工及掘进管理

“独立寒秋，湘江北去，橘子洲头……问苍茫大地，谁主沉浮？”伟人已逝，名句犹在，情怀犹在。橘子洲，亦在风雨中静默于湘江之畔百年、千年……橘子洲又称橘洲，因一首《沁园春·长沙》，橘子洲更是盛名远播。橘子洲由激流回旋、沙石堆积而成，因盛产美橘而闻名遐迩。

长沙南湖路湘江隧道盾构施工及掘进管理

湖南长沙市南湖路湘江隧道位于橘子洲大桥与猴子石大桥之间，南距猴子石大桥约3.0km，北距橘子洲大桥约3.4km，江中段位于橘子洲头以南约100m。隧道西起阜埠河路和潇湘大道交叉口并与潇湘大道互通，下穿湘江、湘江大道后与南湖路相接。土建施工主要包括七个匝道出入口及过江隧道，其中隧道采用双管单层型式，内径10.3m、外径11.3m，建筑界限9m×4.5m，分为南北两线穿越湘江。盾构段采用NFM11.68m泥水盾构机，主机总长约11.70m，重约980t，后配套长42m，重约260t。其中北线盾构区间长1374.937m，南线盾构区间长1347.579m。该工程由中铁隧道集团承建，于2010年12月17日开工，将于2013年6月16日建成通车。

南湖路湘江隧道采用双管单层结构，分为南北两线穿越湘江，其中北线盾构隧道段1374m，南线盾构段1343m。该隧道原定由1台盾构机完成南北２条线的掘进，并于2011年12月底在北线启动了第1台NFM11.65m泥水盾构机“橘子洲号”的掘进。为了加快隧道的建设进度，早日实现通车的目标，中铁隧道集团于2012年7月新增1台NFM11.65m泥水盾构机“橘子洲Ⅱ号”以实施南线掘进任务。“橘子洲Ⅱ号”与正在江底掘进的“橘子洲号”可谓盾构穿江“双胞胎”，从2006年至今，“两兄弟”已经携手安全高效开掘了武汉长江隧道、杭州庆春路过江隧道和杭州运河隧道，此次下穿湘江是它们的第４次“联袂演出”。据中铁隧道集团南湖路湘江隧道项目部机械总工程师汪朋介绍，每台盾构机的使用寿命是完成约10km的掘进任务，这2台盾构机前面３条隧道一共完成了4.7km的掘进长度，此时正值“壮年”，还可以掘进约5.3km。

工程重复难点及应对

长距离水下浅埋段大直径盾构掘进中安全是控制重点和技术难点

本项目工程在湘江东、西两岸覆土均小于1倍洞径11m，普遍为7～10m，其中北线浅埋段占全线的45%，共619m,南线浅埋段占全线的65%，共876m。水下浅覆土段盾构施工对盾构轴线控制和沉降控制存在较大难度，需要从设计和施工阶段综合考虑，采取有效土体加固、抗浮措施和优化掘进施工参数，快速、可靠地建立盾构泥水平衡，才可避免掘进施工中产生问题。不良地质段盾构掘进隧道掘进中会遇见岩溶、断裂带、上软下硬等地层。

遇到此类地层，施工方除在做好补充地质勘察，加强掘进施工控制外，还需在断层带2侧各设置一环钢制柔性衬砌环，使隧道能适应较大的变形，在施工过程中，严格按照设计做好柔性衬砌环的安装工作；加强管片姿态监测，并根据监测结果采取相应措施控制管片上浮等位移情况加剧。

大坡度盾构始发及施工运输安全控制

应做好盾构始发及推进过程中技术控制：施工过程中采用55t电机车作为水平运输的牵引动力（该机车可达到12t的水平牵引力，且具有安全可靠的双气路制动装置）；隧道运输轨道在盾构后配套及盾构机内设置安全可靠的止动装置，保证运输安全。

明挖结构强透水层围护结构施工西岸基坑范围主要地层为新杂填土、细砂及圆砾层，其中细砂及圆砾层较厚，地下水充沛，与湘江水联系密切，围护结构施工时易发生塌孔，成孔难度较大。

施工方在围护结构施工前，详细做了地质补勘及地质分析工作，根据地质采取合理的施工处理方案。泥浆制备前对粘土进行除砂、除砾石处理，从原料方面加强控制。施工前根据经验值确定泥浆浓度值，并在第一幅连续墙或第一根钻孔桩施工时根据实际情况调整至合适值；施工过程做好泥浆循环工作，及时补充流失泥浆。

湘江隧道溶洞勘察和处理

根据初勘地质资料，湘江隧道有溶洞存在，为埋藏型，无充填物，洞高最高达5.9m。若在掘进过程中遇到溶洞或溶洞处理不好，则会造成溶洞揭穿，继而造成突水，突泥及盾构陷落，致使工程施工无法进行。

当溶洞位于隧道及隧道１倍洞径范围内时，采用填砂+袖阀管注浆处理；当溶洞分布位于隧道及隧道１倍洞径范围以外时，采用隔离墙结合地面充填、注浆的方式进行预处理；当溶洞平面分布在隧道１倍洞径以外、深度分布在隧道2倍洞径以外，且隧道洞身范围岩层较好时，可不进行岩溶预处理或视情况处理。

盾构机适应性改造

盾构机需要根据不同地区不同的地质构造进行相应的改造，才能满足施工的需要。长沙市南湖路湘江隧道主要是在强风化—中风化砾岩中穿过，河西局部地段穿越含水沙砾和圆砾地层，河东端为中风化砾岩地层，中间部分存在上软下硬地层。不良地质主要表现为小规模的断裂破碎带以及隐伏的小溶洞。由于工程地质条件改变，需要针对刀盘的适应性和泥水循环系统的适应性进行改造。

刀盘的适应性改造

设置盘型合金齿滚刀和切刀来适应软弱不均地层和岩石地层。刮刀设置２排碳化镶嵌物，形成２层切削层，满足先穿越风化砾岩层，后穿越粉沙粉土层及砾石层的地质分布。

刀盘采用先进的防磨保护，刮刀上镶有碳化钨刀刃，能更好的防止刀具磨损。刀体由经过机加工的碳钢制成，刀刃由用铜焊焊在刀体凹槽中的碳化钨镶嵌块构成。刀体上可能与掌子面发生摩擦的其他表面由硬化面层加以保护。刀具安装有镶嵌型的特殊合金齿滚刀，提高滚刀的耐磨性。在切刀和边刮刀上安装最新的检测装置，能够及时掌握刀具的磨损情况。

泥水循环系统的适应性改造

针对泥水循环系统的适应性主要进行了以下改造：加大泥水仓循环流量；严格控制进浆的比重和黏度；安装冲刷泵，加大刀盘内圈中心区域的冲刷；掘进过程中多时段短时间停机在泥水仓循坏，循环时机的选择依据为刀盘扭矩及顶部、中部泥水压力的匹配性：循环时提高刀盘转速，提高出渣量，控制仓内的积渣量；土仓内增加4个主动搅拌臂和2个被动搅拌臂。

中风化及强风化岩中的掘进管理

长沙市南湖路湘江隧道基本上是在中-强风化地层中掘进，中国中铁隧道集团长沙市南湖路湘江隧道项目机械副总工程师吴庆丹根据该工程地层和在整个施工过程中遇到的问题和改进措施，对有效防止刀盘结泥饼的控制过程进行了梳理和总结，对于同类类似地质工程盾构施工具有极强的借鉴作用。他认为：在长沙这种含有大量黏土颗粒的全断面中风化—强风化硬岩中，采取气压模式，液位控制在45%～60%，提高刀盘转速，降低推力，减少刀具贯入度，控制泥浆比重的方法推进，既可以有效防止刀盘结泥饼，又可以有效保护刀具。在硬岩情况下，总推力过大，容易造成刀具过载，发生刀具轴承、刀圈等异常损坏；贯入度过大，容易造成刀具受轴向力增大，发生密封泄露，从而导致轴承损坏和刀具弦磨。

要更新盾构机在硬岩掘进施工的管理理念，在这种特殊的全断面硬岩中掘进，重点是要加强盾构机刀具的管理，及时检查更换刀具，尤其是刀盘外圈刀具，在盾构机制造加工的过程中，要充分考虑刀具及刀盘的耐磨性能，增加外圈刀具的数量和耐磨性。合理选择掘进参数，合理的掘进参数对保护刀具，确保盾构机的顺利推进非常重要。

盾构机在全断面硬岩地层中掘进，由于地层具有较强的自稳性，地表不易不会发生隆起或沉降。但盾构机通过后，地层不会对盾壳形成包裹，盾壳外侧的空腔依然存在，这就需要改变同步注浆方式，同时需加强对注浆量和注浆压力等主要参数的监控。

盾构机组装调试是保证盾构正常施工的一个重要环节，不管是新设备还是旧设备，都应该严格按照相关的技术要求进行组装调试。在组装调试阶段遗留的问题，在施工掘进阶段往往不易处理。特别是掘进过程中有小拐弯半径的隧道，在组装调试中，特别要注意盾尾的调整，确保盾尾间隙符合设计要求。

吴庆丹建议：针对盾构机在含有大量黏性颗粒的中风化及强风化岩地层中掘进，应开展专项实验，以期发现采用气垫模式掘进存在的其他问题，更好地解决泥水盾构在同类地层中结泥饼问题，可有效提高盾构机掘进速度，缩短省施工成本、节约工期具有重大意义。