钱江隧道超大直径盾构施工的关键技术及挑战

1　工程概况
　　钱江隧道，是钱江通道及接线工程的关键控制性工程，南连杭州萧山、北接嘉兴海宁的特大越江公路隧道。隧道截弯取直，向北延伸与沪杭高速公路连接，向南延伸与杭甬高速相沟通，建成后将改变从萧山至钱江以北需往西从杭州绕行的现状，是项目沿线萧山、绍兴部分地区与嘉兴、上海及江苏东南部地区沟通的最便捷通道，上海与萧山间的距离也将缩短70km。钱江通道及接线工程因北岸临近观潮胜地——盐官镇，为了保护钱江涌潮的自然奇观，本项目经反复论证最终决定采用钱江隧道过江方案。该隧道可以称为上海长江隧道的姐妹隧道，同样采用外径15.43m的盾构法技术施工，双管六车道，为世界最大直径的盾构法隧道之一。隧道设计速度80km/h，隧道全长4450m，其中江中盾构段长达3200m，仅次于庆春路隧道（长5352m），其中江中盾构段长达3200m，隧道估算总投资36亿元，建设工期预计4年。
　　钱江隧道位于软土地区，江中最大埋深约38m，隧道跨径大、里程长、技术难度大，且地质条件复杂，施工难度颇大，需要突破多项关键技术，目前隧道西线已经顺利贯通。
2　工程地质和工程设计
　　2.1　工程地质
　　钱江隧道所处范围的地层结构主要为：①素填土层、③1淤泥质粉质黏土层、④2淤泥质粉质黏土层、⑤3黏质粉土、⑤4粉质黏土层等。江南工作井及暗埋段主要开挖层为③1层，③2层，④2层，均属“软土”类。③1层﹑③2层粉土，粉砂开挖时易引起流砂，管涌等现象，且易引起砂土液化。④2层淤泥质粉质黏土开挖易产生塑性坍塌及蠕动破坏。
　　2.2　工程结构设计
　　工程结构的设计主要包括圆隧道段、岸边暗埋段结构设计和机电设计等。
　　（1）圆隧道段设计
　　圆隧道段的结构设计关键在于盾构段衬砌结构设计。钱江隧道外径15.0m，隧道内径13.7m，管片厚度65cm，环宽2.0m，环向分块采用9＋1通用楔形环方式，错缝拼接，斜螺栓连接。衬砌环间通过38个纵向m30螺栓连接，块与块之间环向通过2个M39螺栓连接。封顶块采用半纵向插入的方式，以提高管片接头抗剪能力。
　　圆隧道段的防水设计管片抗渗等级为S12，裂缝宽度不得大于0.2mm。管片外侧防水采用EPDM弹性密封垫，紧靠弹性密封垫外侧贴聚醚聚氨酯挡水条作为辅助防水措施。管片内侧嵌缝采用泡沫橡胶棒与聚硫密封胶。
　　（2）岸边暗埋段结构设计
　　岸边隧道明挖矩形暗埋段采用箱形框架结构；明挖矩形敞开段采用U形框架结构。根据基坑深度，基坑围护分别采用地下连续墙﹑SMW工法桩等形式。
　　（3）机电设计
　　在机电设计中，通过选用低能耗、干式变压器，并合理选择变压器容量，优化配电方案和对单台较大容量用电设备配置软启动等措施，可以很好地达到节约能源的效果。通过采用低压集中电容自动补偿装置，以提高功率因数，减少无功损耗，有效节约能源。通过设置光过渡段，智能控制照明系统，绿色节能电源稳压装置，高压钠灯采用节能型电感镇流器，采用T5或T8系列荧光灯配电子镇流器等措施，以实现降低照明用电能耗。隧道照明灯具内设电容补偿器，以提高功率因数，减少无功损耗，有效节能。
3　工程的难点
　　钱江隧道工程规模宏大、施工工期紧、涉及领域多、综合性强、工程质量要求高、工程结构复杂、施工技术难度较大、施工困难较多。主要的技术难点体现在：
　　（1）拟建工程岸边段施工场地为网格式鱼塘，施工前必须外借大量的土方对施工场地范围的河塘进行整平。
　　（2）江南、江北工作井地下连续墙最深达51m，如何有效地截断地下承压水及防止降水引起坑外地面过量沉降，需有恰当的技术措施。
　　（3）由于钱塘江无大型的码头，盾构大件只能通过水路运输至浦阳江的萧山电厂码头，然后陆路运输至施工现场。而萧山为钱塘江南岸，属于河沙土淤积区，在落潮时可能不满足船舶的吃水深度要求；沿线的道路有大量的桥梁及长4km的小道，需对沿线的桥梁检测加固及搭设临时钢便桥，以满足通行的要求。
　　（4）盾构推进施工绝大部分在钱塘江底砂性地质条件中进行，且钱塘江的强潮汐将会给江中段盾构施工带来相当的风险。
　　（5）单条隧道掘进将4次穿越钱塘江两岸新、老防洪堤，穿越过程中引起的地面沉降会对大堤产生一定的影响。
　　（6）盾构施工过程中需要大量的合格泥浆，同时又产生大量的废浆和弃土。为了不给周边地区带来严重的环境影响，必须采用国际上先进的三级泥水处理系统（二级漩流器和三级离心机），并对弃土进行科学的固化处理，力争处理后的泥土达到可以利用的状态。
　　（7）工期紧迫，必须采用立体化、多工种同步施工方法：盾构掘进、预制口字形构件安装就位→压重块及预制构件内沟槽施工→牛腿、车道板模板支撑、钢筋绑扎，浇混凝土→牛腿、车道板养护，水平运输管理→牛腿、车道板拆模，车辆通行→隧道稳定后，防撞侧石、铺装层现浇施工→烟道板施工→部分机电安装、内装饰。
　　（8）因本工程采用1台盾构掘进施工，在完成东线隧道掘进进入江北工作井后，需在接收井内原地平移及调头，调头后再开始西线隧道的掘进施工。因此，必须制定一系列技术措施，以保证盾构安全、高速调头。
4　工程面对的关键技术问题
　　钱江隧道的地层条件特殊、环境复杂、规模宏大、施工工期紧、涉及领域多、综合性强、工程质量要求高、工程结构复杂、施工技术难度大，给设计和施工提出了相当大的挑战。其显著的工程特点和难点表现为：一是首次在钱塘江流域采用盾构法修建如此超大规模的江底隧道，钱江流域地质、水文条件具有特殊性，在砂性粉土中掘进超大直径隧道，同时钱塘江水系的高承压水性、高盐度性、潮汐特征，极易诱发流砂、管涌、震陷，给盾构机选型、开挖面稳定性和长距离掘进提出了巨大挑战；二是钱江流域对环境保护要求的特殊性，给弃土的处理和利用提出了新的难题；三是钱江隧道整体施工工期短与钱江隧道作为交通工程所具有的运管功能特殊性也给钱江隧道的建设提出了新的技术要求。因此，须对钱江隧道建设过程中的关键技术问题进行系统研究，通过在钱塘江流域超前探索超大、超长盾构隧道施工工艺，掌握具有自主知识产权的超大、超长隧道设计、施工、管理新技术体系，为钱江流域复杂砂性土环境下超大特长盾构隧道的安全快速施工提供技术保障，提升我国在世界大隧道修建领域的设计和施工技术水平。
　　4.1　钱江流域大型隧道工程施工综合技术及风险控制
　　钱江隧道采用一台超大型的泥水盾构进行施工，对施工中的综合风险控制显得尤为关键，主要体现在：
　　（1）已掘进段隧道施工期空间的合理化利用；（2）多工种立体化交叉同步施工的风险控制；（3）减小各工种间消除相互影响及资源利用最大化；（4）立体化同步施工的综合风险管理，包括隧道工程施工潜在风险源及风险事故辨识与分析；隧道工程施工现场监测数据分析与动态风险管理；多工种立体施工的风险排序和风险管理。
　　4.2　钱江流域盾构推进开挖面稳定的关键技术
　　盾构处于高水压下时，地下水的涌出及泥砂等被带出会造成开挖面坍塌、地表沉降。当盾构穿过高水压砂性土层时，由于盾构机施工的扰动、纠偏力度过大或者盾构隧道回填注浆的不密实，隧道周围土体易发生坍塌，也会造成地表沉降。超大泥水盾构施工面对的关键技术问题包括：
　　（1）盾构进出洞施工关键技术及风险的控制
　　大直径盾构出洞洞口土体加固处理方案及盾构进出洞止水密封装置是关键之一；可通过盾构进出洞加固土体的真三轴力学试验，确立加固体（搅拌桩/旋喷桩）的应力-应变关系以及加固体（搅拌桩/旋喷桩）失效或稳定性力学评判指标，确立盾构进出洞不同土性的失稳破坏模型、计算方法和强度破坏准则；然后基于加固体稳定性指标，建立评判、预测稳定性模型，有效控制盾构进出工作井地面沉降、土体的变形。
　　（2）钱江隧道泥水平衡盾构开挖面稳定性控制技术
　　首先需要弄清盾构隧道开挖面破坏的机理，分析局部破坏和整体破坏中超大直径泥水平衡盾构的破坏模式与普通中小直径盾构隧道的不同之处，针对开挖面的不同地层情况和钱江潮差等复杂环境，深入研究超大直径盾构开挖面的土拱效应，建立区分超大直径与普通中小直径盾构隧道的临界直径的方法；此外，可通过数值仿真（PFC仿真模拟和FLAC数值仿真）和相关试验结果的对比分析，模拟超高涌潮差等复杂条件下超大直径泥水平衡盾构的破坏的整个发展过程。即在满足局部破坏的基本条件（D＜Dm）的基础上，随着开挖面支撑压力的增大和减小可能出现的整体破坏形式；在拱顶出现无支护区时，出现表面剥落的塌陷破坏形式。在软硬不均的复合土层中，还可能在上硬下软的土层中出现侧向流动形式的冒顶破坏形式；针对盾构机掘进控制技术和盾构机背填控制技术，通过数值仿真和理论分析进行必要参数的调整，如掘进速度、泥浆压力等，搞清钱江流域复杂环境下大直径盾构通过泥浆维持开挖面稳定的力学机理，可建立钱江流域复杂环境条件下的泥水压力值和临界泥浆压力与地表沉降、分层沉降及埋深之间的关系，建立反映工作面稳定状况的水土压力—泥浆压力动态平衡方程；
　　总之，针对钱江隧道开挖面的不同地层情况，深入探讨超大直径盾构开挖面埋深较深时的土拱效应，可建立区分超大直径与普通中小直径盾构隧道的临界直径的方法；此外，利用数值仿真（PFC仿真模拟和FLAC数值仿真）和相关试验结果的对比分析，可模拟超大直径泥水平衡盾构的破坏机理和整个发展过程。并研究钱江流域环境中超大直径开挖面稳定理论方法和计算公式的可行性。
　　4.3　钱江流域大直径盾构泥水处理及环境保护技术
　　针对钱江隧道工程所面对的泥水开挖环境问题，涉及到的关键技术主要包括：粉土及粉砂层内盾构掘进泥水配比设定及调整技术；盾构施工废浆固化处理技术；泥水及弃土的资源化利用及相关环境处理技术。具体的技术处理措施包括：
　　（1）泥浆余水的循环利用处理
　　（2）脱水干化后泥土的特性分析及资源化处理处置途径
　　（3）隧道施工过程中噪声、光污染对周边环境的影响评价及控制措施。技术处理框架如图1所示。

                               
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图1　泥水处理及环境保护技术

4.4　钱江流域特殊水文地质条件下隧道结构设计及防灾技术
　　钱江流域地质条件下的混凝土耐久性，钱江高潮差对隧道结构及施工的影响，隧道地震响应分析及抗减震措施，隧道结构服役性能设计和维护技术也是本工程要面对的挑战，主要包括：钱江隧道服役性能劣化机理；钱江隧道劣化类型及成因；结构材料性能退化机理。隧道结构施工质量控制技术包括；钱江隧道结构服役性能监控体系；在线监测数据的服役状态识别；隧道结构服役状态预警体系及控制措施。
　　此外，钱江高潮差对隧道结构及施工的影响也是钱江工程面对的一个挑战。钱江隧道由于涌潮造成的水土压力变化及振动对隧道施工及结构长期运营均有不利影响，丁坝的存在更使得涌潮对局部区域冲刷过大，影响隧道的埋深，从而可能使得位于冲刷严重区域的隧道部分所受上浮力增大，威胁隧道结构安全。因此，对涌潮造成丁坝前后局部冲刷对隧道结构纵向变形的影响进行深入分析可确保钱江隧道的长期稳定性。
　　4.5　钱江流域大型隧道数字化监控和安全运营管理综合技术
　　实现盾构隧道的数字化监控与安全管理首先需要从整个系统的角度建立数字化平台，为工程全生命周期数据管理提供开放的信息组织方法和信息发布框架，实现工程的可视化展示以及信息的可视化管理，为工程数据的加工处理与分析应用提供基础。由于实际工程参与人员较多且地点分散，为了能够满足工程实际应用的需要，盾构隧道数字化平台采用基于因特网的客户端–服务器架构，以使用户通过因特网就能够对工程数据进行录入、浏览、查询与分析。主要包括：隧道全数字化监控平台技术；即三维展示技术、引入高清视频技术，交通监控系统的指挥技术、运营模式一键切换技术等。
5　结语　
　　钱江隧道是钱江隧道及接线工程项目的控制性工程和关键工程。其地层条件特殊、环境复杂、规模宏大、施工工期紧、涉及领域多、综合性强、工程质量要求高、工程结构复杂、施工技术难度大，给设计和施工提出了相当大的挑战。钱江隧道的初步设计直径为15.43m，和目前世界上最大的江底隧道——上海长江隧道相同。隧道设计采用外径为15.43m的盾构法技术施工，建成后实现双管六车道通车，与上海长江隧道并成为世界最大直径的盾构法隧道。隧道设计行车速度80km/h，隧道全长4450m，其中江中盾构段长3200m。建设工期预计4年。其显著的工程特点和难点表现为：
　　一是首次在钱塘江流域采用盾构法修建如此超大规模的江底隧道，钱江流域地质、水文条件具有特殊性，在砂性粉土中掘进超大直径隧道，同时钱塘江水系的高承压水性、高盐度性、潮汐特征，极易诱发流砂、管涌、震陷，给盾构机选型、开挖面稳定性和长距离掘进提出了巨大挑战；
　　二是钱江流域对环境保护要求的特殊性，给弃土的处理和利用提出了新的难题；
　　三是钱江隧道整体施工工期短与钱江隧道作为交通工程所具有的运管功能特殊性也给钱江隧道的建设提出了新的技术要求。
　　因此，须对钱江隧道建设过程中的关键技术问题进行系统研究，通过在钱塘江流域超前探索超大、超长盾构隧道施工工艺，掌握具有自主知识产权的超大、超长隧道设计、施工、管理新技术体系，为钱江流域复杂砂性土环境下超大特长盾构隧道的安全快速施工提供技术保障，提升我国在世界大隧道修建领域的设计和施工技术水平。