超大直径盾构隧道工程技术的发展

超大直径盾构隧道工程技术的发展摘要：论文介介绍了日本、德德国的直径大大于14m的的盾构法隧道道工程技术的的开发及在越越江跨海和城城市地下道路路工程中的应应用过程。近近6年来，我我国上海在越越江道路隧道道工程中采用用φ14.889m盾构施施工2条双层层4来4去88车道的超大大断面隧道；；又在长江底底下采用2台台φ15.443m盾构连连续掘进2条条长7.5kkm的3来33去6车道的的超大断面隧隧道；还在市市中心外滩道道路下掘进了了1条双层33来3去的车车行隧道。论论文展望了国国内外超大断断面盾构隧道道工程技术的的发展和应用用前景。TThepaaperiintrodducesdevellopmenntoftunneellinggtechhnologgyapppliedonJaapanesseorGermaanTBMMboriingoffdiammeterlargeerthaan14mmanditspprocesssofappliicatioonincrosssriverr/seaanduurbanmotorrwaypprojecctsunndergrround..Nearrly6yearsssincce,φ144.89mTBMddrivenntunnneloffextrralarrgecrross-ssectioonwitthtwiinborreswaasbuiilt,eeachbborewwithttwocaarriaggewayss,douubleddeckoof2llanepperdeeckcoonfiguuratioon,aggainuundertheCChangjjiangriverr,2φ115.43mmTBMss,eacchborredonne7.5kmllongttunnellwithh1caarriaggeway,,3laanecoonfiguuratioonofextraalarggecrooss-seectionn,anddstilllanoothertunneelunddermootorwaayaloongthheBunndindownttownSShanghhai,aadoubbledeeckwiith2carriiagewaays,eeachoof3llanecconfigguratiion.TThisppapertakessanooutloookondevellopmenntofTBMttunnelllingwithextraalarggecrooss-seectionnbothhwithhinthhecouuntryandaabroaddtogeetherwithitsaappliccationnprosspect..1

超大直径径盾构隧道工工程技术的发发展国外盾构法隧道道工程技术在在近20年来向大大深度、大断断面、长距离离的方向发展展并建成一批批超大直径的的海底隧道和和城市道路隧隧道。世界上上第一个直径径大于14mm的超大直径径盾构隧道工工程是日本东东京湾的海底底道路隧道工工程[1]。长9.4kkm的隧道采采用8台φ14.114m泥水盾盾构掘进施工工,于1996年竣竣工，见图11所示。盾构构采用先进的的自动掘进管管理系统、自自动测量管理理系统和自动动拼装系统,,8台盾构各各掘进了约22.6km并并在海底实现现了对接,体现了高新新技术在盾构构法隧道工程程中的应用。隧隧道最大埋深深60m，在粘粘土和砂性土土中掘进，隧隧道管片分为为11块，厚度度1625ppx，结构计计算采用弹性性地基梁模型型，接头弹簧簧系数经管片片接头试验取取得。图1a东京湾湾道路隧道工工程平、剖面面图1997年6月月，日本东京京营团地铁77号线麻布站站工程，采用用1台Φ14.118m母子式式泥水盾构掘掘进机，掘进进一条长3664m的3线地铁隧道道后进入通风风井，然后从从大盾构中推推出Φ9.770m的盾构构掘进7777m的双线隧隧道。这是世世界是第一台台大直径的母母子式盾构，体体现了盾构技技术的新发展展。图1b东京湾湾道路隧道φφ14.144m泥水盾构构图2易北河第第4隧道φ14..2m复合型型泥水盾构1997年开工工的德国汉堡堡易北河第44隧道工程[11],长度2.6kkm,河底最最小覆土仅为为7m(小于0.5DD),采用海海瑞克公司制制造的φ144.2m复合合型泥水盾构构,见图2所示。穿越越的地层为坚坚硬的粘土、砾砾石,含水丰富,透水系数大大,掘进施工十十分困难。盾盾构机中心设设有3m直径的先先行小刀盘,,泥水舱下部部设有可破碎碎直径达12200mm巨巨砾的破碎机机;另一项新技技术是地震测测量系统，称称为“声波软土测测探系统”（SSP），可可为整条隧道道推进过程采采集数据测量量，提供盾构构前20-330m的三维维反射图象。这这台盾构掘进进机还设计了了在常压状态态下的刀盘更更换设施。盾盾构技术体现现了国际先进进水平。易北北河第4隧道工程于于2003年竣竣工。该φ114.2m复复合型泥水盾盾构经维修保保养后于20003年用于于俄罗斯莫斯斯科lefoortovoo地下道路隧隧道工程，掘掘进长度2..5km，为为单管3车道隧道；；以后又在莫莫斯科西部掘掘进2条2.2kmm的道路隧道道。φ14..2m复合型型泥水盾构总总共掘进4条道路隧道道，总长度99.5km。荷兰格累恩哈特特隧道,是阿姆斯特特丹到布鲁赛赛尔高速铁路路隧道工程，长长度7,1556m，中间间设3座工作竖井井,穿越地层为为砂土，隧道道埋深30mm，采用法国国NFM厂制造造的外径144.87m泥泥水气平衡盾盾构掘进机，见见图3所示。掘进进施工相当顺顺利，日掘进进速度约100m，隧道于于2005年竣竣工。马德里M30地地下道路隧道道工程一期南南环线,2条3来3去隧道各长长3.67kkm，穿越地地层为坚硬、有有裂隙的灰色色或绿色泥灰灰岩质粘土和和石膏。北隧隧道采用德国国海瑞克制作作的Φ15..2m世界最最大双子星土土压盾构，((图4)于2005年11月盾构始始发施工，22007年3月北隧道建建成通车。南南隧道采用日日本三菱重工工制作的155.2m土压压盾构掘进了了3664mm，创日进度度46米的纪录录。图3荷兰绿色色心脏隧道φφ14.877m盾构图4马德里MM30地下道道路隧道Φ115.2m双双子星土压盾盾构国外直径超过114m的盾构构隧道工程完完成7项，掘进长长度约43..7km。采采用盾构133台，其中3111台为泥水水平衡盾构，仅仅2台为土压盾盾构。7项工程中，55项为道路隧隧道，1项为铁路隧隧道，1项为地铁隧隧道，如表11所示。表1国外超大大直径盾构隧隧道工程一览览表

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我国的超超大直径盾构构隧道工程建建设2.1直径114.5m的的上海上中路路隧道工程2004年，上上海上中路越越江隧道工程程引进当时世世界最大直径径的φ14..87m泥水水加压盾构（曾曾用于荷兰绿绿心隧道工程程掘进7.115km），在在黄浦江下掘掘进施工2条隧道，掘掘进长度12250m,隧隧道结构为双双管双层双向向8车道[3]，如图图5所示。上、下下两层车道宽宽度3.255m×2+33.5m×22，通行净高高≥4.5mm设计车速800km/h。隧隧道衬砌采用用单层衬砌，为为通用环楔形形管片,采用全圆周周错缝拼装工工艺。圆形隧隧道的下层车车道板结构采采用预制构件件和现浇钢筋筋混凝土相结结合的形式。隧隧道穿越地层层为饱和含水水的淤泥质粘粘土、淤泥质质粉质粘土，隧隧道最大埋深深45m，最浅浅覆土8.66m。2009年建建成通车。图5上中路隧隧道双层4车道结构和和盾构始发2008年，上上海中环线军军工路隧道，再再次采用该台台φ14.887m泥水加加压盾构掘进进2条越江道路路隧道，掘进进长度15225m，2010年建建成通车。11台二手的φ114.87mm泥水加压盾盾构经维修保保养后在4年内用于2项工程4条隧道55550m的掘进进施工。如加加上荷兰绿心心隧道71556m，该台台盾构共计掘掘进长度达112.7kmm。2.2直径115m的上海海长江隧道工工程2005年,上上海长江隧桥桥工程开工,,其中隧道段段长8.955km，设计计车速80kkm/h[44]。全线道道路为双向66车道，如图图6所示。隧道道最大埋深555m，穿越越地层为软弱弱的淤泥质粘粘土、淤泥质质粉质粘土、粘粘质粉土、砂砂质粉土。圆圆隧道衬砌环环外径150000mm，环环宽20000mm，壁厚厚650mmm。采4用装配式钢钢筋混凝土通通用楔形管片片错缝拼装，混混凝土强度等等级C60，抗渗渗等级S122。衬砌圆环环共分为100块,根据埋深不不同，分浅埋埋、中埋、深深埋和超深埋埋管片。管片片环、纵向采采用斜螺栓连连接。环间采采用38根T30纵向螺螺栓连接，块块与块间以22根T39的环向向螺栓相连。衬衬砌管片接缝缝采用压缩永永久变形小、应应力松弛小、耐耐老化性能佳佳的三元乙丙丙橡胶条与遇遇水膨胀橡胶胶条组成两道道防水线。在在浅覆土地段段、地层变化化位置和连接接通道处衬砌砌环间增设了了剪力销，以以提高特殊区区段衬砌环间间的抗剪能力力，减少环间间高差。图6隧道衬砌砌结构和示意意图隧道采用世界最最大直径155.43m泥泥水气平衡盾盾构施工,掘进长度74470m，该该工程特点带带来的技术难难点表现为：：超大断面盾盾构衬砌结构构设计、开挖挖面稳定、隧隧道抗浮、管管片制作与拼拼装等；7..47km的的一次掘进中中其关键部件件的检修、三三维轴线控制制、隧道通风风与降温、公公路与轨道交交通共用隧道道火灾控制与与救援疏散、施施工等；高水水压下软土复复杂地质条件件，需要考虑虑隧道防水、耐耐久性等难题题;多工序隧道道内部结构阶阶梯流水同步步施工、施工工风险防范与与控制、全寿寿命周期隧道道建养一体化化管理等问题题。长江隧桥桥工程于20009年11月建成通通车，如图77所示。图7

上海长长江隧道155.43m泥泥水盾构和隧隧道通车2.3南京长长江隧道工程程南京长江隧道位位于南京长江江大桥与三桥桥之间，连接接河西新城区区—江心洲—浦口区。工工程通道总长长约6.2kkm，按6车道城市快快速通道规模模建设，设计计车速80kkm/h，采采用“左汊盾构隧隧道+右汊桥梁”方案。左汊汊盾构隧道长长度38355m，隧道外外径14.55m，为双管管3来3去6车道，采用用2台14.9mm泥水盾构施施工。盾构于于2007年12月始发推推进，隧道最最大埋深566m，穿越地地层复杂，有有软弱的淤泥泥质粉质粘土土、细砂、粉粉细砂，也有有砾砂、粘土土混卵石。盾盾构掘进砾砂砂和卵石地层层时，对刀具具的磨损较大大。南京长江江隧道于20010年5月建成通车车，如图8所示。图8

南京长长江隧道示意意图和盾构掘掘进施工2.4上海外外滩地下道路路隧道工程2007年，上上海外滩道路路隧道(3来3去6车道)开工建设，其其北段10998m为盾构构隧道，采用用φ14.227m土压平平衡盾构施工工，为国内首首次采用大直直径土压平衡衡盾构在城市市密集区施工工，成功完成成“1桥2隧33栋”等建构筑物物的穿越施工工，浦江饭店店桩基与盾构构边线仅1..7m，如图图9所示。隧道道的最小覆土土厚度仅为88.52m，约约为0.6DD，属于浅覆覆土施工。外外滩隧道于22010年3月28日建成运运营，缓解了了交通拥堵，改改善了外滩景景观。图9外滩道路路隧道示意图图和穿越建筑筑物施工2009年，上上海虹桥综合合交通枢纽迎迎宾三路隧道道工程(双层3来3去6车道)开工建设，又又一次采用φφ14.277m土压平衡衡盾构，盾构构成功穿越七七莘路高架、北北横泾、机场场滑行道、机机场主跑道、机机场航油管、停停机坪、1001铁路及历历史保护建筑筑物，掘进长长度18622m。迎宾三三路隧道于22011年3月22日全线贯贯通。近6年来，我国国超大直径盾盾构隧道建成成通车运营55项，其中上上海4项，南京1项，采用盾盾构掘进机66台，掘进长长度达37kkm，如表2所示。接近近了国外200年来超大直直径隧道工程程的总长度443.7kmm。表2我国超大大直径盾构隧隧道工程一览览表目前正在施工的的超大直径盾盾构隧道还有有上海的长江江西路越江隧隧道和虹梅南南路越江隧道道工程，南京京纬三路过江江通道工程。3

超大直径径盾构隧道工工程的发展趋趋势3.1国外超超大直径盾构构隧道工程的的发展趋势在超大直径盾构构隧道建造方方面，意大利利连接佛罗伦伦萨和博洛尼尼亚A1高速公路路的sparrvo隧道，长长2.5kmm，为2条3车道的隧道道工程，采用用1台德国海瑞瑞克制造的φφ15.555m土压盾构构掘进施工，2011年始发，计划2015年建成通车。美国西雅图金郡郡拟修建一条条长3.5kkm的大直径径地下道路隧隧道（SR999），预计计2011开始始施工，20015年通车车，盾构隧道道直径为166.5m，为为上下双层二二来二去四车车道隧道，如如图10所示。隧隧道工程采用用日本日立造造船公司制造造的φ17..52m土压压盾构掘进施施工。图10

西雅雅图地下道路路隧道剖面图图俄罗斯圣彼得堡堡穿越涅瓦河河的奥洛夫斯斯基隧道，设设计为双层三三来三去六车车道隧道，将将采用德国海海瑞克公司制制造的世界最最大直径的φφ19.255m混合型盾盾构掘进施工工。盾构将在在2013年春春季始发，计计划于20116年建成运运营。拟建的白令海峡峡海底隧道长长103kmm，可以从俄俄罗斯的西伯伯利亚连接美美国的阿拉斯斯加。白令海海峡长约600km，宽35～86km，平平均水深422m，最大水水深52m。海底底隧道将包括括一条高速铁铁路和一条高高速公路、多多条输油管道道，海底隧道道将由俄罗斯斯和美国、加加拿大共同修修建，拟采用用19.2mm盾构掘进机机施工。隧道道建成后将形形成从伦敦到到纽约跨越四四分之三个地地球的终极铁铁路。随着盾构隧道断断面的增大，单单管双层隧道道结构已成为为发展趋势。西西雅图的地下下道路为双层层二来二去四四车道，外径径16.5mm；奥洛夫斯斯基隧道为双双层三来三去去六车道隧道道，外径188.7m。双双层车行隧道道具有断面有有效利用率高高、工程成本本低的优点，成成为发展方向向。盾构制造造技术的发展展，为超大直直径隧道提供供了基础。从从14m直径到到15m，经历历了10年，从15mm发展到16mm、17m、19m，仅不不到5年时间。直直径15m的隧道道断面积为1178m2，而直径199m的隧道断断面积为2883m2，增大了1..5倍。3.2我国城城市超大直径径盾构隧道工工程的发展趋趋势上海正在建设的的越江道路隧隧道有长江西西路隧道、虹虹梅南路隧道道，均为双管管3来3去6车道隧道，各各采用1台超大直径径盾构掘进施施工。在建的的地下道路隧隧道有位于虹虹桥机场地区区的迎宾三路路隧道，为33来3去单孔隧道道。拟建的南南北通道全长长16km，双双向6车道，大部部分为地下道道7路，北起位位于东北的中中环线大柏树树立交，沿曲曲阳路下穿公公平路、黄浦浦江、浦东南南路、浦三路路、杨高路后后，再出地面面接中环线杨杨高南路立交交。地下道路路采用