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南京长江隧道大断面泥水盾构开舱实例
摘 要：致密地层中的盾构隧道施工常常会遇到盾构机故障或刀盘刀具磨损的情况，因此带压开舱成为修复和更换磨损刀具的主要方法，而这其中涉及许多安全问题，例如开挖面的稳定。但开舱而引起的开挖面稳定问题尚未得到充分研究，为克服这一缺点，在为南京长江下游构造的大断面（最大14.93 m）泥水盾构隧道的开舱实例中，提出了开挖面支护措施和稳定性分析。由于大多数损坏的切刀沿切割轮的边缘分布，因此腔室内仅3 m的隧道工作面需要由压缩空气支撑，而剩余区域也将由泥浆压力支撑。本文通过一系列简单的初步实验室测试，设计出最佳的泥浆配合比，用于该项目开舱时的开挖面支护。通过采用实验室测试中的土壤和滤饼特性，通过压力平衡（即内部和外部压力）以及三维数值分析来分析表面稳定性。通过将较低密度的泥浆注入砂子以形成一个稳定的渗透区，然后使用较高密度的泥浆在隧道工作面形成滤饼，压缩空气支撑系统可以在维护切割轮期间确保工作面的稳定性。在该项目中成功应用混合泥浆和压缩空气支护方案对于在相似的地面条件下屏蔽隧道施工具有宝贵的价值。
关键词：南京长江隧道；盾构；开舱；滤饼；压缩空气支撑
中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2017)01–0062–09
Abstract: Shield tunnel construction in a dense strata often encounters malfunction of shield-tunneling machine orabrasion of cutters. Accessing to an excavation chamber under compressed air is a main method to repairand replace worn cutters. And many safety issues such as stability of the excavation face were involved.However, the face stability due to opening an excavation chamber was not fully studied. To overcome this shortcoming, face support scheme and stability analysis were presented in a case history of opening the pressure chamber for a large-diameter (up to 14.93 m) slurry shield tunnel constructed underneath Nanjing Yangtze River. Since most of the damaged cutters were distributed along the edge of cutting wheel, only top 3 m of tunnel face within the chamber needed to be supported by compressed air, and remaining area would also to be supported by slurry pressure. A series of simple primary laboratory tests were carried out to design an optimum slurries mixing scheme to support the tunnel face as accessing to the pressure chamber in the project. The face stability was analyzed in terms of the pressure equilibrium (i.e.,internal and external pressures) as well as three-dimensional numerical analysis by adopting properties of soils and filter cakes from laboratory tests. By injecting lower density slurry into the sand to form a stable infiltration zone, followed by using higher density slurry to create a filter cake at tunnel face, compressed air-support system could ensure face stability during maintenance of cutter wheel. The success of applying the mixed slurry and compressed air-support scheme in this project is valuable to shield tunnel constructions in similar ground conditions.
Key words: Nanjing Yangtze River Tunnel; Slurry shield; Excavation chamber; Filter cake; Compressed air-support
1 引 言
随着中国地下建筑的快速发展，盾构隧道已被广泛用于建筑活动中[1-4]，盾构隧道施工频繁出现各种各样的技术问题，如地表沉降，衬砌损坏（裂缝，碎屑和泄漏）以及盾构机故障[5-9]，例如需开舱维修的刀片磨损是很常见的[10, 11]。但是，盾构隧道通常建在地表以下或水位以下的较大深度，从而导致较大的上覆压力。在许多情况下，开挖室必须在压缩空气压力下进入[12]，这通常涉及很多挑战和风险。因此，由于带压开舱而引起的开挖面的稳定性问题近来引起了很多关注。
打开挖掘室是指技术人员在遇到致密的地层（例如沙子，砾石，巨石）或隧道掘进机故障（例如切刀磨损）时进入压力室以检查或维修设备。如果开挖面最初是稳定的或加固的，则开挖室可以直接打开而无需施加支撑压力。相反，当隧道面不稳定或在某些情况下无法加强时，则隧道面需要支撑压力。在这种情况下，通常使用压缩空气来支撑开挖面。在不施加支撑压力的情况下打开开挖室始终是实用且优选的[13, 14]。但是，在条件不理想情况下，并非总能加固开挖面高孔隙水压力下的土壤条件（即高渗透性和粗粒土壤）。因此，在以前的文献中也有过关于带压开舱的报道[15-18]。
南京长江双隧道是使用两台泥水盾构隧道掘进机（TBM）建造的。隧道在细砂至粗砂中开挖，位于水位以下53.25 m或现有泥线以下30 m。由于石英层中的致密砂层，东部TBM上的刀具严重磨损[19, 20]。由于隧道直径大，孔隙水压力高和该地点遇到的粗粒物料，应通过在高压下打开开挖室来进行盾构机的维护。然而，过高的土压力和水压力以及高渗透性的沙子导致打开压力室困难，例如开挖面的稳定性，以及在高压下维护期间技术人员的安全问题。
迄今为止，文献中只报道了有关开舱的有限案例研究。Falk[15]进行了案例研究，研究了易北河隧道4的挖掘腔的开口。直径为14.2 m的泥浆盾构隧道是在第四纪冰川T中建造的，该隧道由砂子、大理石和巨石组成。它被埋在水位以下7至42 m的深度内。当挖掘到河底最深的地方时，由于切割机的明显磨损，隧道机械被迫停止。技术人员必须在0.4-0.45 MPa的压力下进入腔室以修复损坏的刀具。每次维护最多可持续80分钟，以避免高压对人体造成不利影响。总共花费了2738小时来完成泥浆盾构机的整个维护。维修压力室后，技术人员经历了21次减压病。此外，Martin和Bapple[21]研究了在俄罗斯圣彼得堡建设一期红线地铁时使用的泥水盾构机。遇到的土壤是低塑性粘土，粉质砂土和级配不良的细砂。隧道的顶部埋深大约65 m，水压力高达0.56 MPa。发现刀具严重磨损，以至于技术人员不得不进入压力室进行维护。腔室内每工作1.5小时，需要在腔外休息5小时以进行减压。通常，压力室中的最大暴露时间为每天4.5小时。
多项研究[17, 18]还探讨了两个泥浆盾构隧道掘进机，用于建造1997年至2003年期间直径为11.34 m，长度为6600 m的Westerschelde隧道。位于水位以下约60 m的高渗透性砂岩层对隧道的施工提出了重大挑战。因此，进入砂层之前，在位于水位以下45 m的粘土层中打开了腔室，使技术人员可以检查设备并在0.45 MPa的气压下更换刀具。减压时间持续约2小时。同时，对挖掘室内的气压进行了严密监控，以保持稳定的挖掘面。上述文献中的案例报告都强调了施工过程和技术人员的健康问题。但是，关于开挖面的稳定性的研究很少，但其在盾构施工的安全性方面也起着关键作用。
在本研究中，介绍了在南京长江下建造的大直径（最大14.93 m）泥水盾构隧道打开压力室的案例。特别注意设计最佳的隧道面泥浆混合支护。此外，开挖面的稳定性分析通过进行压力平衡（即内部和外部压力）以及通过采用实验室测试的土壤和滤饼特性进行三维数值分析来进行探索。
2 南京长江隧道工程信息
2.1 项目站点
南京市位于长江三角洲，被长江分为西北和东南两部分。图 1显示了中国南京长江隧道的位置示意图。已建成三座桥梁以连接西北和东南地区。随着两个地区之间交通需求的增长，修建了一条新的线，即南京长江隧道。该隧道是南京首条穿越长江的公路隧道。隧道总长度为5859 m，包括一条从江北到江心洲的3020 m的泥浆盾构隧道，以及一条通向南部主要城市的2739 m长的桥梁。隧道和桥梁设计为双向六车道。直径为14.93 m的隧道由德国海瑞克公司制造的两座泥水盾构TBM建造。
2.2 地质和土壤特性
图 2显示了长江主要地质地层的部分景观。相应
图 1南京长江隧道在中国的位置
Fig. Location of Nanjing Yangtze River Tunnel in China.
图 2土壤剖面和隧道位置。 A：粘土和粉质砂岩，B：细砂，C：粗砂（含砾石），D：粗砂（含卵石），E：高至完全风化的泥岩。土壤剖面和隧道位置
Fig. Soil profile and location of the tunnel. A: clay and silty caly, B: fine sand, C: coarse sand (contained with some gravel), D: coarse sand (c
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