武汉长江公路隧道号称万里长江第一隧，是连接汉口与武昌的重要通道，是长江上第一条采用盾构法施工的大直径公路隧道工程，该工程由中铁隧道集团有限公司施工，通过国际招标选用了2台北方重工制造的直径11.38m大直径泥水盾构（也是北方重工在法国NFM的技术支持下，首次制造的2台盾构）。

武汉长江公路隧道管片外径mm，内径mm，厚mm，环宽2m，采用9块等分分块形式，管片为双面通用楔型管片，楔型量为55mm，错缝拼装，封顶块拼装方式采用径向搭接3/4推上，然后纵向插入。

盾构隧道左线m，右线.2m。隧道最小水平曲线半径为m，最小竖曲线半径为2m。线路纵坡大致为U形，线路最大下坡坡度为4.35%，最大上坡坡度为4.4%。隧道最大埋深40.5m，最小埋深7.2m，断面最大水压为0.57MPa。隧道切入基岩最大深度约3.5m，其中切入微风化带深度0.3m，切入基岩总长度约m，其中切入微风化带长度18m。岩石的单轴抗压强度为MPa。

武汉长江隧道及周边50m范围内5层及以上的建筑物有54幢，其中高于8层的高层建筑10幢。隧道及周边文物和保护建筑物主要分布于江北。长江隧道通过地段的文物保护建筑物主要为鲁兹故居。

隧址区长江段水下地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂，中粗砂组成。中部由第四系全新统中密～密实粉细砂组成，下部基岩为志留系泥质粉砂岩夹砂岩、页岩；江南及江北两岸地层除地表有呈松散状态的人工填土（杂填土或素填土）和局部分布有第四系湖积层外，上部由第四系全新统冲积软～可塑粉质粘土，中部由第四系全新统中密～密实粉细砂组成，下部基岩为志留系泥质粉砂岩夹砂岩、页岩。

武汉长江公路隧道地质剖面图

1、盾构施工难点

（1）长距离掘进

盾构隧道左线m，右线.2m。为了实现长距离掘进，盾构设计制造必须满足下列要求：

①保证切削刀具的耐磨性和耐久性；

②具有刀具磨损自动监测系统；

③具备带压进舱的功能；

④精确的导向系统。

（2）超大断面

①盾构开挖直径为11.38m；

②刀盘设计要有有效解决中心区域由于线速度慢而造成的结泥饼现象的措施；

③宜采用间接控制型泥水模式；

④泥水分离系统应有足够的处理能力，并与盾构掘进速度相匹配；

⑤盾构主机的重量要满足既不上浮，也不下沉的要求；

⑥大直径盾构必须采用盾尾间隙测量系统。

（3）高水压

盾构在0.57MPa的高水压下施工时，隧道防水是盾构法施工的关键。

①在盾构设计时应确保刀盘主轴承和盾尾密封的性能；

②盾尾止水采用4道钢丝刷密封，并设计一道紧急止水密封；

③确保管片自身的防水效果；

④盾构配备的同步注浆系统的性能应能满足高水压的要求；

⑤防止高水压下的隧道变形；

（4）软硬不均复合地层

刀盘应具有足够的刚度、强度和耐疲劳性，并能适应武汉的复杂地质。在盾构的泥水舱内配备破碎机，对较大粒径的岩块进行破碎，有效防止排泥管堵塞。推进油缸在圆周方向进行合理的分组，每组可以单独调整推进力和行程，通过分组调整推进油缸的推力和行程来控制盾构的三维姿态。

（5）建（构）筑物及地下管线众多

盾构设计必须满足下列要求：

①满足能处置掘进线路上存在不明障碍物的功能；

②刀盘转速可调，在不同地层采用不同的刀盘转速；

③稳定的推进速度，减少对土体的扰动；

④准确迅速的泥水压力调节功能，严格控制泥水压力的波动范围，减少对正面土体的扰动，避免导致正面土体的流失；

⑤准确快速地拼装管片，减少停机时间；

⑥及时进行同步注浆。

（6）管片结构

管片宽度2m，采用较大环宽，对盾构提出了更高的要求：

①单块管片更重，要求更大的管片拼装举升能力。

②需要行程更长的推进油缸，更长的盾尾。

③对推进油缸的方向控制也更严格，尤其是在转弯时，要求油缸快速回收。

④要求更精确、及时的导向系统及其与盾构操作的有效合理配合。

⑤因为管片更宽更重，对管片运输与起吊设备的能力也相应增加。

2、盾构主要参数及特点

（1）技术参数

武汉长江公路隧道泥水盾构始发（年9月29日）

武汉长江公路隧道直径11.38m泥水盾构主要技术参数

刀盘直径

mm

盾尾直径

mm

盾构主机长度

mm

刀盘型式

8辐条面板式

刀盘驱动型式

变频驱动

刀盘转速

0rpm～2.3rpm

刀盘最大扭矩

kNm

脱困扭矩

kNm

刀盘驱动功率

kW

开口率

30%

中心刀

8把切刀

切刀数量

把

滚刀

39把

周边刮刀

32把

仿形刀

1把

切刀磨损检测装置

4把

最大推力

kN

推进油缸数量

36

推进油缸行程

mm

推进系统功率

kW

最大推进速度

40mm/min

送泥泵流量

m3/h

排泥泵流量

m3/h

送排泥管内径

14

排泥泵通过的最大粒径

mm

泥浆泵最大扬程

76m

盾尾间隙

40mm

盾尾密封

3排钢丝刷+1排钢板束

注浆能力

3×12m3/h

管片安装机额定起重能力

kN

（2）主要技术特点

①刀盘

刀盘结构由8块辐条及8块幅板组成。刀盘的中心部分有较大的开口（开口率约为50%），便于粘土从刀盘开口顺利进入到泥水舱，有效地解决了刀盘中心部位容易粘结泥饼的问题。刀盘进行了耐磨性设计，刀盘面板用特殊耐磨材料焊接成格栅状，刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板，刀盘开口部位的表面进行了硬化，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能。

②刀具布置

武汉长江公路隧道地层中石英含量高达66%，盾构的刀具设计和布置对该地层的高磨损性具有针对性。为了减少过江换刀的风险，避免中途换刀，采用了盘形滚刀与特殊双层碳化钨切刀重叠布置及特殊双层碳化钨切刀刀刃高于盘形滚刀的方法来保护盘形滚刀到达基岩前不被磨损，在盘形滚刀上镶嵌高耐磨性材料（碳化钨圆柱）的方法来适应在到达基岩前粉细砂层的掘进，避免盘形滚刀不转造成弦磨。刀具采用三层立体布置方式，第一层为切刀，第二层为滚刀，第三层为切刀。在掘进第一段砂和粘土时，由超前量较大的第一层碳化钨切刀开挖土壤，并对滚刀起保护作用。当掘进到基岩时，第一层超前量较大的切刀已磨损了约40mm，由布置在第二层的滚刀对基岩进行滚压破岩，切刀只起导碴作用。配置的碳化钨镶嵌型特殊滚刀，具有非常高的耐磨性，滚刀启动力矩值设计为15Nm～16Nm，在软土地层掘进时具有抗停转效应，避免滚刀的偏磨。当盾构达到第二段软土时，滚刀已磨损，由超前量较小的布置在第三层的切刀切削软土，直到掘进结束，这种采用德国维尔特硬岩技术的独特的刀具设计和刀具布置，避免在掘进中途进行刀具更换，不仅提高了施工进度，更降低了换刀成本。

③主轴承密封

过江隧道施工中，隧道防水是盾构法施工的关键，应确保刀盘主轴承密封装置的性能安全可靠。主轴承的内外密封均采用5道唇形密封。比传统的主轴承密封多设计了1道，多设计的这道密封由于密封腔室前后压差小，磨损量极小，一直处于保护状态，当第1道主密封失效时，由这道处于保护状态的密封继续承担密封作用，因此密封可靠，使用寿命延长了一倍。

主轴承采用5道唇型密封，确保主轴承的防水性能。具有自动润滑功能、自动密封功能、自动检测密封的工作状况功能、密封磨损后的继续使用功能。

主轴承密封通过3种注射实现，腔室1注入密封油脂，起密封防水作用；腔室2和3注入润滑油脂，起润滑减摩作用；腔室4使用液压油进行润滑，起冷却和润滑作用，并起密封泄漏检测作用，能检测密封的工作状况和磨损情况；腔室5定期使用液压油进行润滑，起检测泄漏作用。如果密封C出现问题，应停止向腔室4里注油而将油转注入腔室5。

如果密封A出现问题，则停止向腔室2注射油脂，由密封B来承担密封作用。因此具有密封磨损后的应急功能。

高寿命的主轴承密封

具体如下：

腔室1：连续注入HBW型油脂。压力P1比土压P0高0.5bar左右，以避免杂质侵入主轴承。

腔室2：用传统方法注射油脂，压力调整保持在3.0bar～4.0bar。密封A的压差在2.5bar～3.5bar之间变化。由于密封唇上压力低，密封A的磨损也减小。油脂消耗量很低，因为腔室1里的压力比腔室2里的压力高。

腔室3：与腔室2同时采用传统方法注射油脂，但是流速较低。腔室3里的压力和腔室2里的压力相关，注射时的最大压差为0.5bar。如果压力平衡，油脂消耗量就很低，密封磨损也很小，密封B的使用寿命最长，在密封A损坏后由密封B承担密封作用。

腔室4：使用DT46液压油进行润滑，以获得很低压力和5m/min的平均循环速度。密封唇C的压差在3.0bar～4.5bar之间变化。因此，此密封唇的磨损率最大。此密封唇的泄漏会立即通过润滑油中出现油脂而被发现。该高速油循环也用作密封槽的冷却。

腔室5：定期使用液压油进行润滑。从排油量可以检测泄漏。

如果密封C出现问题，应停止向腔室4里注油而将油转注入腔室5。如果密封A出现问题（发现反常高油脂流量或高于最大的压力），应停止向腔室2里注射油脂，以先处于被保护状态的密封B现在来承担密封作用。

④盾尾密封

盾尾密封采用三道钢丝刷密封加一道钢板束密封，同时设计了一道紧急膨胀应急密封。当钢丝刷密封正常时，紧急密封弯曲在盾尾第一排钢丝刷前面的沟槽里，不起密封作用。当钢丝刷密封失效时，通过注水使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封，以防止涌水从盾尾漏入隧道内。

武汉长江公路隧道工程施工演示视频

节选自《中国竞争力-中国盾构》联系人：黄明海；周蓓邮箱：