中石化管道储运公司 杨厚源 李骁晔华能集团 李树青

盾构隧道在管道穿越长江中的应用

中石化管道储运公司 杨厚源 李骁晔华能集团 李树青

介绍了南京金陵石化物料管道盾构隧道穿江项目的地质条件以及盾构隧道穿江工程的技术难点、穿越风险和风险控制措施，分析了测量定位、注浆封堵、隧道稳定和洞门密封的实施方法，详细阐述了成功穿越长江的施工过程，指出了施工中的难点及风险，为相关工程提供了有益参考。

管道 盾构隧道 穿越长江

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

南京金陵石化南京长江盾构隧道工程位于江苏省南京市六合区，隶属于金陵石化物料管道穿江项目。工程采用泥水平衡盾构工法穿越施工，在六合区龙袍镇玉带村与栖霞区甘家巷金陵石化厂区内之间穿越长江。隧道全长2 000 m，内径3.08 m。

始发井位于长江北岸南京市化学工业园区内，大堤背水侧，距堤脚约106.0 m，穿堤处隧道顶部距堤顶约42.5 m，内径14.5 m，深34.5 m，采用沉井法施工。接收井位于长江南岸南京市金陵石化老厂区，内径9.3 m，深26.1 m，采用逆作法施工。建成后的盾构隧道铺设5条液态成品油管道和2条可燃气体管道，管道规格分别为2条D323.9 mm、3条D273.1 mm，1条D219.1 mm，1条D168.3 mm。管道输送压力为4.0 MPa。

盾构隧道轴线共有三次变坡，先以4.22%下行635 m，再以0.44%下行241 m，然后以3.63%上行1 070 m，最后40 m的水平段达到接收井。

长江穿越段地貌为长江河谷平原，水域地形呈U型河谷，水深25~35 m，局部最深达40 m。

1.2 地质条件

(1)始发井主要地质为淤泥质粉质粘土和砂层。

(2)接收井主要地质为淤泥质粉质粘土和中风化砂砾岩。

(3)穿越段所经地质状况如下：

第一层：填土、耕植土及粘土，层厚约0.7~0.8 m，地基承载力标准值fk=80 kPa。

第二层：冲积成因，以淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂为主，fk=70~140 kPa。

第三层：粉土夹粉细砂，灰黄，饱和，厚度1.7~10.0m，fk=120~200 kPa。

第四层：粉土夹粉质粘土，厚度5.0~70.0 m，fk=140~300 kPa。

第五层：砂卵砾石，以硅质为主，粒径1.5~5.0 cm为主，占20%~40%，厚度0.8~2.4 m，fk=300 kPa。

第六层可分为：①强风化砂砾岩，灰白色，岩芯较软，锤击易碎，呈密石碎石土状。极软质岩，砂质结构，遇水易散开，风干易开裂。厚度4.7~16.8 m，fk=1~10 MPa。②中风化砂砾岩，灰白色，砂质结构，块状构造，少量闭合裂隙，岩芯较完整，呈长柱状。岩质、强度不均。厚度10.7~36.8 m，fk=30~50 MPa。

盾构隧道穿越主要在第三、四、五、六层中通过。隧道贯通段地层为粉细砂、粉土夹粉质粘土、砂砾岩层，其中穿越粉细砂、粉土夹粉质粘土层长度约59 m，强风化砂砾岩约为8 m，中风化砂砾岩约为65 m。

2 工程技术难点及风险

盾构隧道穿越地质状况较为复杂，穿越距离长2 000 m，江面宽度1 400 m，属于长距离、大型河流盾构穿越工程。这对定位测量、注浆封堵和隧道贯通技术都提出了极大的挑战。

2.1 测量精度要求高

按照《盾构法隧道施工与验收规范》(GB 50446─2008)要求，水工隧道水平贯通中误差为±75 mm，高程贯通中误差为±25 mm。本工程所投入的盾构机外径为3 809 mm，接收井预留洞口内径4 100 mm，因此贯通期间盾构允许最大偏差也仅为±145 mm，贯通精度要求高。

2.2 接收洞门涌水涌砂风险

本工程的贯通段地层为粉细砂、粉土夹粉质粘土和75 m强中风化砂砾岩，其中砂层透水性较好，且与长江相通；砂砾岩层自稳性好，弱透水，贯通口处覆盖层最小为13 m。根据施工经验，贯通前通常采取在地层过度段及岩层中增加背填注浆量的方式提高封水效果。然而，一旦注浆效果不佳、监测不到位，江水仍有可能沿隧道外侧与地层的空隙涌入接收井，形成涌水涌砂风险。

2.3 隧道变形风险

隧道掘进到贯通段后，顶进油缸的顶力逐渐卸去，管片失去盾构机提供的反作用力，隧道贯通口附近无法依靠自身连接件维持原有稳定状态，可能造成部分管片下沉、错台和环缝开裂。尤其是最后一环管片需要探出洞口一部分，一旦盾尾脱离管片，最后一环管片将会有部分处于悬空状态，如不及时进行支护处理，很容易造成管片失稳、变形，直接威胁到隧道衬砌安全。

3 穿越风险控制措施

3.1 隧道穿越精度控制

针对长江穿越距离长、江面宽、航道繁忙等特点，为保证隧道穿越精度，采取如下测量措施：

(1)地面测量控制。为避开接收段地面建筑物、管廊、树林，达到两岸通视的条件，重新布设地面控制点，采用GPS进行静态控制测量，晴朗天气全站仪多频次复测。

(2)联系测量控制。采用一井定向与铅垂仪陀螺全站仪联合定向相结合的方法进行测量，并将测量结果进行平差计算及改正，作为联系测量依据。

(3)地下测量控制。在稳定的隧道结构上埋设强制对中装置作为隧道内测量控制点，点位选择符合规范要求。在使用前，点位均采用三联脚架法进行三次以上复测校核，并作为永久控制点进行保护。

(4)测量结果复测控制。成立多组测量队伍进行复测，将各组测量结果进行比对，并取平均值作为测量结果及指导隧道穿越依据，确保测量数据准确可靠。

3.2 洞门涌水涌砂控制措施

盾构机由松散的砂层进入稳定性较好的岩层后，距离接收洞门还剩73 m。为了防止地层中的水和砂通过管片外侧通道进入接收竖井，在接收洞口处安装橡胶帘布密封板，同时优化浆液类型和注浆工艺，加强同步注浆和二次补浆的施工质量，并适时对注浆效果进行检测，确保注浆效果真实可靠。

3.2.1 洞口密封控制

为防止地层中的水和砂通过管片外侧通道进入接收竖井，在接收洞圈周围安装橡胶帘布橡胶板、扇形压板、圆环板及翻板，作为洞口防水措施。

3.2.2 优化浆液控制

为确保适用于砂层、卵石层、粘土层、岩层等地层的浆液配合比，利用新研制的背填注浆模拟试验平台，实现了注浆过程的模拟试验和对注浆效果的实时检查，为防止隧道洞门涌水涌砂提供强有力的保障。

3.2.3 同步注浆控制

(1)浆液类型选择。结合贯通段地质情况，选择浆液稠度为125~135 mm、比重1.3~1.4 g/cm²、抗压强度不小于2 MPa，具有填充性好、泵送性好、强度高等特点，确保浆液注入后不发生过量流失，可有效填充管片外部空间。

(2)注浆压力控制。为保证达到对管片外侧空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据覆盖层厚度及地下水位分别计算注浆压力，使注浆压力略高于地层静压力0.5 kPa。

(3)注浆量控制。根据《盾构法隧道施工与验收规范》(GB 50446─2008)规定，注浆量至少为理论体积的1.3倍，即每环注浆量至少为2.3 m3，现取充填系数1.4，即每环注浆2.5 m3。在考虑提高浆液一次填充率和不影响盾构正常施工的前提下，将最后73 m管片的注浆充填系数取为1.7，即每环注浆量由2.5 m3提高至3 m3。

(4)注浆速度控制。同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构单环掘进时间确定注浆速度，边掘进边注入，将3 m3浆液均匀注入到管片与地层缝隙中。同时开启四条注浆通道，实现多点、均匀、同步注入，提高注浆质量。

(5)注浆结束标准。采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到3 m3时，都认为达到了注浆质量要求。同时，若盾尾铰接压力达到额定压力的80%，并有持续上升趋势时，应根据实际情况减少同步注浆量，防止盾尾被浆液包裹住。

3.2.4 二次补浆控制

(1)二次补浆。为进一步提高浆液的密实度和封水效果，贯通前对过度段岩层进行二次补浆处理，使管片外侧空隙完全被注浆液充填，形成稳定的防水层，达到加强隧道衬砌稳定性和封水的目的。

(2)注浆类型。二次注浆先采用单液浆压注，再采用双液浆压注。

(3)注浆形式。将原有注浆管路进行加长，利用盾构机配置的同步注浆泵进行注浆。施工时，每环均采用多点注入，至少注入3孔，连续注入压力不高于0.7 MPa，瞬间注浆压力不高于0.8 MPa。

3.2.5 注浆效果检查

(1)通过管片注浆孔检查漏水情况。注浆结束24小时后，沿隧道轴线方向凿开至少3环注浆孔，观察渗漏水情况。如果涌水量较大，则继续加大二次补浆力度，直至凿开的注浆孔无水流出为止。

(2)进舱检查。当盾构机进入岩层后，每掘进20 m进舱检查一次封水效果情况。如果注浆效果差时，继续注浆直到达到完全封水效果。

3.3 隧道贯通段变形控制

3.3.1 隧道贯通段管片加固处理

为增加隧道的整体稳定性，对后20环管片进行改造。改造后的管片内表面增加了预埋钢板，钢板宽130 mm，厚度10 mm，预埋钢板与钢筋笼相连接。管片拼装后，利用型材将管环间、管片间的预埋钢板焊接牢固，使其形成一个整体。

3.3.2 接收洞口管片处理

最后一环管片拼装出接收洞口后，利用管片内侧预埋钢板将其与成型隧道焊接成一体，并用管材进行内弧面支护处理，同时在探出洞口的管片与接收轨道之间加垫钢板带，防止管片下沉。最后一环管片需将崁入块置于隧道底部，以减少顶部焊接数量，依靠管片自身结构维持隧道的整体稳定性。

3.3.3 洞门注浆封堵

预制5环特种管片，该管片预埋的注浆孔数量由每环6个增加至16个。盾尾脱出洞门前，通过对最后5环管片的预留注浆孔和洞门预留的注浆管注浆封堵洞门，注浆顺序为从上至下注入，直至开孔检查后不再有渗水方可将盾尾拖出吊装。

3.3.4 加强测量监测

贯通阶段，增加对地表和成型隧道的测量频次，确保测量监测的数据精确。根据监测数据及时调整施工方案。

4 隧道贯通实施过程

根据贯通过程中各阶段风险源不同，将贯通过程划分为四个阶段，并制定出相应控制措施。

4.1 第一阶段(距离洞门70~2 m的掘进控制)

此阶段控制重点是调整盾构姿态，将盾构掘进姿态调整到隧道轴线上方10 mm，确保贯通偏差不超过±75 mm。同时严格控制同步注浆量和注浆参数，确保封水效果。

4.1.1 盾构姿态控制

按照最终测量结果重新绘制纠偏曲线，在施工中严格按计算进行纠偏，防止出现因纠偏量过大造成卡壳和因纠偏量过小造成盾构机偏离轴线。

4.1.2 掘进参数控制

根据盾构姿态和纠偏方向确定各组推进油缸的压力，同时，将刀盘舱内的泥浆压力调整到高于地层原始水土压力0.3 kPa以上，以确保背填注浆的填充效果。

4.1.3 背填注浆

为保证同步注浆的填充性，在盾构机贯通前的掘进中，同步注浆采用岩层专用浆液配合比。每环注浆量3 m3，注浆最高压力控制在0.7~0.8 MPa。

4.1.4 管片拼装

从1 630环起，拼装带有预埋钢板的管片，每两片之间用10 mm厚的钢板焊接，保证成型管片结构的稳定。控制管片错台量及成形隧道的圆度。

4.2 第二阶段(距离洞门2~0 m的掘进控制)

该阶段控制重点是缓慢掘进、降低泥水压力、最大程度切削洞门混凝土。当掘进到1 982 m时，缓慢掘进、加强循环控制，降低刀盘舱泥水压力，保持与接收井人员的联系，尽量使洞门处混凝土剩余厚度降到最低。同时，在拖车内保持储备至少两环管片，确保贯通后刀盘快速穿越洞门密封。洞门开始破除时，降低刀盘转速和推力，使用低转速进行缓慢推进，直至地层全部破碎完成。

4.3 第三阶段(盾构机刀盘进入竖井)

该阶段控制重点是在保证洞门密封完好的前提下寻求最快掘进速度。

该阶段不需要进行刀盘旋转和泥浆循环，主要控制推进速度与注浆速度匹配，并及时清理设备推进方向的障碍物。由于盾构机只承受地层的摩擦力和推进力，因此设定推进油缸推力在10 MPa以下，推进速度控制在40 mm/min左右，减少对洞门附近地层的扰动，推进的同时进行同步注浆，随时与接收井观察人员保持联系，观察洞门密封是否漏浆，漏浆后应降低注浆速度或停止注浆。

刀盘穿越洞门密封时，专人看护密封与刀盘的接触情况，确保刀具不对密封圈造成损坏，刀盘穿越洞门密封后，人工调节阀门密封的紧固程度，既要保证密封与盾壳紧密接触，又要保证紧固力不超过极限。

4.4 第四阶段(主机出洞吊装和洞门密封浇筑)

4.4.1 1#主机拆除吊装

盾构机穿越井壁后，继续推进直至刀盘中心距井壁3.5 m，开始拆除1#与2#主机的连接件，待所有连接件拆除后，通过使用导向油缸加短节的方法断开1#与2#主机，随后人工再用倒链向前拉动1#主机前进2 m至井壁1.5 m后用300 t吊车吊装上井。

4.4.2 2#主机拆除吊装

1#主机吊装完毕后，将2#主机连同盾尾，继续推进2.5 m(最后一环管片拼装完成)，拆除2#、3#主机连接件后，通过推进油缸和倒链将2#主机推进3.2 m距井壁1 m后用300 t吊车将2#主机吊装上井。

4.4.3 洞门封堵注浆、浇筑

拼装完最后一环管片，此时盾尾留有620 mm在洞门密封内，通过管片注浆孔、增加的备用注浆孔和洞门预留注浆管注入双液浆。注浆从下至上注入，快速填充、封堵洞门。待洞门密封处及前五环管片注浆孔凿开后无渗水，则可以将盾尾脱离洞门密封。

盾尾脱离洞门密封后，需立即进行浇筑工作。在浇筑洞门前，需要在洞门外部支护模板，洞门封堵的原则是“安全、稳固、快速”，确保在不发生涌水的前期内完成洞门封堵。

洞门封堵需要在洞门注浆封堵完成后，管片注浆孔凿开检测无渗漏水情况下，立即进行洞门的模板安装和支护工作，同时需要在洞门底部提前放置一根50 mm的引流管，排走洞门附近的积水。待模板加固完成后，进行混凝土的浇筑。

5 总体实施效果

(1)始发井施工：2012年11月04日，始发竖井破土动工，采用沉井法施工，采用逆作法施工。2013年04月15日完工。

(2)接收井施工：2013年01月20日，接收竖井进场破土施工，采用逆作法施工。2013年10月31日主体施工完成。

(3)管片生产：2013年02月01日，开始管片试生产，2013年11月10日1 657环管片全部生产完成。

(4)盾构掘进：2013年05月01日，盾构始发掘进，2013年11月20日，盾构掘进1 850 m进入实施阶段，2014年1月10日，盾构贯通达到接收井，历时255天，顺利完成了长江穿越施工任务。

6 结语

盾构隧道长江穿越最大的难点及风险，在于盾构贯通接收段掘进施工中预防突发的涌水涌砂现象发生。盾构贯通接收段掘进过程中，严格注重测量定位、注浆封堵、隧道稳定和洞门密封的实施方法，对降低和避免穿越风险是非常必要的，尤其是掘进至1 927 m及以上后，必须保持测量定位、注浆封堵、隧道稳定和洞门密封工序的紧密衔接，尽可能避免排除不利于衔接的各种因素，也是保证穿越成功的关键细节。

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