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1、 地 下 工 程盾构法施工过程涉及的力学问题分析专 业： 土木工程系 班 级： 1009 姓 名： 日 期： 2013/04/27南京过江隧道（盾构施工）一、南京过江隧道简介南京长江隧道于2008年5月开工到2009年8月22日全线胜利贯通，是南京城市总体规划确定的“五桥一隧”过江隧道之一，是南京跨江发展战略的标准基础设施项目，工程位于南京长江大桥和长江三桥之间，南起南京市和西新城区，北至浦口江、珠江镇，全长5853米，由越江隧道、将西周大桥和接线道路三部分组成，隧道建筑长度3790米，其中盾构段长3020米。南京长江隧道分左右两条隧道，每条隧道设置三车道，设计行车速度为80Km/h。盾构设计
2、内经13.3m，外径14.m。圆形衬砌环用环宽2m、厚0.6m、每环由10块管片组成。图1 南京长江图2 南京长江越江隧道图3 隧道盾构段图4 盾构隧道直径二、南京过江隧道施工南京长江隧道是当今世界上直径最大的盾构隧道之一，其江底埋深达60多米，水压高达每平方厘米6.5公斤，兼地质情况复杂，地层透水性强，一次掘进距离长达3公里多，面临着多项世界级难题和挑战，泥水平衡式盾构机（如图6）是水下隧道施工最安全最先进的设备。泥水平衡式盾构机施工隧道（如图5.1;图5.2；图5.3）图5.1 泥水平衡式盾构机施工隧道图5.2 泥水平衡式盾构机施工隧道图5.3 泥水平衡式盾构机施工隧道图6 泥水平衡式盾构
3、机三、盾构机设计与工作原理介绍南京长江隧道，根据本工程的特点和地质条件专门定制了两台超大直径溺水平衡式盾构机进行施工，下面展示这两台盾构机的设计和工作原理：盾构机主要包括主机和三个后配套车架，总重多达四千多吨，主机最前端是开挖地层的刀盘，直径达14.93米，刀盘上安装有先行刀，重行刮刀和边缘铲刀等类型的刀具200多把，刀盘的六个主刀壁在正常的大气压下进土，维护人员可以通过中心人闸进入主刀壁。图7 盾构机的直径图8 刀盘维护人员对磨损的刀具进行更换，为了检测刀具的磨损，部分刀具内部安装了传感器感应系统，一旦传感器发出信号，整个刀盘上设计有77把可设置常压更换的刀具，这些刀具安装在刀闸中，当刀具磨
4、损，需要更换刀具时，工作人员进入刀盘腹壁内，将刀具通过刀闸回缩，刀闸关闭后就可以取走磨损的刀具，新的刀具将重新安装到位。图9 绿色为传感器显示刀具磨损信号图10.1 换磨损刀具图10.2 去掉磨损刀具图10.3 换上新刀具图10.4 装新刀具图10.5 新刀具安装到位刀盘的旋转由15个电动马达驱动，装机功率为3750千瓦，三个人闸用于刀盘和刀具的维护作业，中心人闸是专门为了在常压下更换刀具而配置的，两条泥浆管道延伸至地面，将开挖的渣土输送到隧道以外，盾构机借助28组液压千斤顶推进，管片拼装机用于吊起管片，并将其安装到正确的位置，刀盘的后面是挖掘舱与工作舱，他们是被压力腔隔板分割成的两个封闭的区
5、间，大约三分之二的工作舱充满了用膨润土配置的泥浆，这种泥浆被称之为盾构机的血液，压力平衡系统采用先进的气垫加压模式，通过调节工作腔内的气压来平衡外界的水土压力，从而维持开挖面的稳定。进浆管不停地向开挖舱内注入新鲜的泥浆，刀盘开挖下来的渣土悬浮在泥浆里，通过排泥管输送到隧道外，排泥管出口设有隔障和破碎机，不能通过隔障的大石块，将被碎石机粉碎，以确保泥浆流畅的循环。图11 刀盘驱动马达图12 维护人闸图13 泥浆管道图14 盾构机挖掘腔与工作腔管片在盾构机壳体内进行拼装，拼装时管片由输送机供给，液压千斤顶临时回缩，为新的管片提供足够的空间，由拼装机吊起并安装到准确位置，部位精度，精确到毫米。管片定
6、位后，立即由千斤顶临时固定，随后通过螺栓进行连接，楔形的封顶块将从前面插入，从而使管片封闭成圆环。图15 管片封装成圆环管片安装完成后，底部的滚筒筛将被从后面向前调运到刚刚完成的管片环上，用来支撑后配套车架，继续向前移动，1号后配套车架位于主机的后面，由于庞大的盾构机的直径，车架被分为三层，安装有控制室、变压器、泥浆泵、液压泵和砂浆的同步注入系统，2号车架在1号车架与3号车架的之间，形成一个桥梁，3号车架位于口子构架两侧的辅助上移动。图16.1 1号后配套车架图16.2 2号车架图16.3 3号车架图17 盾构机总长随着盾构机的前进，后面的轨道逐一移动到前部循环使用，包括主机的车架和整个盾构机
7、总长为134米，在2号车架与3号车架的区域供给卡车可以行驶在口子形构件上，将货物运送到前方的管片吊装部位，在车价的顶层一部管片运输行车，将管片从盾构机的后部运送到前部。图18 货物供给车与管片调运这部行车也被用来位于1号车架的移动砂浆罐，通过另一个安装在1号车架上后部的转运吊机，将管片运输行车提供的管片逐个提起、旋转，并放置到输送机上，然后由管片输送机供给到最前面的管片拼装机，在这个紧密衔接的工作流程中，运输车辆必须按照精确地运输空间和次序来调动运行，设计独特的运输车辆连续运送管片，口子构件、砂浆罐和油脂筒等物件，并被行车向前传递，回程时空容器又被运走。盾构机在液压千斤顶的推动下前行，旋转的刀
8、盘挖掘地层，并通过排泥管运出，每前进2米便拼装一环新的管片，在持续循环的工作流程(掘进、拼环、再掘进、再拼环)，隧道在不断地循环中向前延伸。图19 掘进图20 拼环图21 再掘进图22 再拼环-隧道不断向前推进南京长江隧道的建设代表了中国当今水下隧道建设的最高水准，工程建成后，不仅将极大地缓解南京市过江交通的压力，加快跨江发展战略实施，而且也将极大地提升我国跨大江、大河的交通隧道建设的技术水平，扩大我国在世界隧道建设领域的影响，树立中国水下超大直径盾构隧道的品牌。图23 南京长江隧道建成后入口图24 南京长江隧道内部运营图25 南京长江隧道出口四、综合分析南京长江隧道 1、管片的拼装错缝拼装，
9、通过螺栓连接； 2、本工程特点，难点及风险分析1）盾构直径超大 目前世界上已建成的盾构隧道，直径最大的是荷兰的格林哈特隧道，直径为14.87m，而南京长江隧道盾构直径为14.93m，是目前世界上最大直径盾构隧道之一。 2）水压力高 目前世界上已施工或承建的超大直径盾构隧道，水压在6bar以上尚属罕见。而南京长江隧道设计最大水压近7.5bar，在同等或更大直径的盾构隧道项目中，水压力是最高的。 3）地质水文条件复杂 盾构穿越的土层分别为灵敏度高的软弱土层，透水性强的松散粉细砂层和富含水的砾砂层，特别是盾构机所穿越的地层大都处在透水性强的粉细砂层（粉细砂层地段长2542m，占盾构隧道总长的85%）
10、，在高水压作用下，易造成冒顶。另一难点是：盾构机还要掘进穿越长1250m的粉细砂、砾砂（粒径320mm）和圆砾（粒径820cm）混合地层。掌子面岩性、土层的明显差异，对盾构机性能、盾构机的施工操作和施工管理提出了更高的要求。 4）水下一次掘进距离长 超大直径盾构机在高水压、高渗透系数的砂土混合地层中一次掘进近3km，对盾构机的性能，特别是盾构机刀具的质量提出了更高的要求。 5）盾构进出洞超浅埋 盾构进出洞覆土厚度，按照国际惯例一般不小于1.0倍盾构直径。而本工程权衡深基坑和进出洞双重困难，选择盾构机始发覆土厚度0.4倍盾构直径（5.0m）。如此超浅埋盾构始发，尚属世界首例。 6）江中冲槽段盾构
11、覆土厚度浅由于受客观条件制约，盾构机到达梅子洲接收井须穿越江中一冲槽，冲槽局部覆土厚度仅9.5m（不足0.7倍盾构直径），土层大都为透水性强的松散稍密粉细砂层。在高水压的情况下，盾构掘进安全风险极大。 7）盾构掘进穿越长江大堤，对地表沉降要求高。 盾构机两次穿越长江防洪大堤下的层粉细砂透水层，盾构掘进宜对土层产生的扰动，在加上地下承压水作用，极可能对大堤产生不均匀沉降，而大堤高标准的防洪安全要求，对地表沉降、盾构机施工操作和施工管理提出了很高的要求。南京长江隧道工程是一项风险大、影响大、技术含量高，具有里程碑意义的工程。“稳字当头、安全第一、万无一失、确保成功。”3、南京长江隧道涉及的力学问题
12、分析1）管片接头抗弯刚度k重要性:管片接头抗弯刚度的取值是梁-弹簧模型设计中衬砌环结构受力分析必不可少的重要参数，其综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。定义：管片接缝产生单位转角所需要的弯矩 即为片接头抗弯刚度k。取值:通过分析对比-M关系曲线求得管片接头抗弯刚度k (割线法 、切线法、多段直线法 、曲线+直线法等, 见图26 )图26 (a)割线法 (b)切线法 (c)两段直线法图26 (d)三段直线法 (e)曲线+直线法2)数值模型建立计算中采用接触力学平面有限元模型，平面有限元模型有着很高的计算效率，能够准确把握接头的力学行为。3）数据模拟分析在接头有效高度位置
13、最大张开量为2mm时，正、负弯矩工况下接头抗弯刚度保持在110MN.M/Rad240MN.M/Rad范围内，且正、负弯矩工况相差不大，其差异主要原因是由于螺栓位置上下不对称和两管片体中螺栓长度的不一致引起的；在有限高度位置最大张开量为2mm左右时，接头受压区高度占有效高度的6.12%19.15%，接头位置荷载偏心矩为0.17m0.23m，接头附近混凝土最大拉、压应力均已超过C60混凝土轴心抗拉强度、抗压强度设计值和弯曲抗压强度；在有效高度位置接头最大张开量为2mm左右时，连接螺栓轴力均未超过6.8级螺栓的屈服强度。同时，在计算中发现连接螺栓轴力、剪力和弯矩的最大值均出现在有预埋套筒端预埋套筒口
14、位置；在其他因素不变情况下，接头抗弯刚度、连接螺栓最大轴力、接头接触面法向压力随预紧力的增大而增大；受压区高度随预紧力增大成阶梯型增大；接头附近混凝土最大压应力、接头接触面最大法向应力随预紧力增大而减小。在其他因素不变情况下，改变接头接触面摩擦系数，对数值模拟结果影响不大；相同荷载工况时加载试验所对应的抗弯刚度系数要略小于数值模拟所对应的抗弯刚度系数，但总体上看加载试验和数值模拟所得出的抗弯刚度是相一致的。4）接头可靠度分析图27 纵缝张开量累积分布函数图图28 纵缝张开量统计图图29 纵缝张开量灵敏度图图30 抗弯刚度系数灵敏度图 、抗弯刚度系数随机输入变量灵敏度表根据蒙特卡罗拉丁超立方法灵
15、敏度结果得出管片接头最大张开量、抗弯刚度系数、连接螺栓轴力、接头附近混凝土最大压应力等对轴力、偏心矩、管片厚度、幅宽等各随机参数的灵敏程度，并加以量化，可为工程设计、施工提供参考；从接缝最大张开量灵敏度图可知偏心矩、轴力、混凝土弹性模量对接头张开量的灵敏性最强,其次是螺栓合力点至内弧面距离、螺栓预紧力、管片厚度，其他参数敏感性不强，设计中对敏感性较强的参数应严格控制；管片接头抗弯刚度系数等在一定的置信度范围内的二次多项式拟合方程，为工程设计提供简单实用并且具有相对精度的接头抗弯刚度计算公式。5）其他影响在错缝拼装衬砌的受力中，纵缝接头的刚度大小，还决定两环之间的本身变形特性差异和由环与环之间摩擦产生的内力传递，接头刚度的大小也直接影响着错缝拼装衬砌的环间剪力传递和弯矩分配。在错缝拼装、通缝拼装原型试验中建议考虑隧道纵向约束来考察
