国内大直径盾构隧道设计技术进展

国内大直径盾构隧道设计技术进展

肖明清中铁第四勘察设计院集团有限公司1.概述2.设计计算方法的进步3.隧道结构与防水新技术4.性能化设计的加强5.施工组织设计技术创新6.结语汇报内容1.1国内大直径盾构的发展概况

1概述

采用盾构法修建隧道的历史已有近170年。从二十世纪60年代以来，随着机械制造技术的发展，不同类型盾构机相继出现，可实施的盾构隧道直径也逐渐增大，掘进长度与开挖深度也在不断增加，建成了英法海峡隧道、东京湾海底隧道、荷兰绿色心脏隧道等一批著名工程。

英法海峡隧道

东京湾隧道绿色心脏隧道1.1国内大直径盾构的发展概况

1概述

自从上世纪90年代以来，随着中国地下空间的开发利用和交通、能源等基础设施建设的大规模快速发展，盾构法隧道技术也得到了迅速的发展。尤其是在越江交通隧道领域，不同地质条件下的中等直径和大直径盾构相继开始使用，国内部分大直径越江隧道工程见表1（下页）。1.1国内大直径盾构的发展概况

1概述国内大直径盾构工法应用情况序号隧道名称隧道外径盾构段长度盾构型式建设时间1上海打浦路隧道10.0m1324m1台网格式盾构1966年2上海延安东路隧道11.0m1310m1台网格式盾构1988年3上海延安东路复线隧道11.0m约1.3km1台泥水盾构1994年4上海大连路隧道11.0m1258m2台泥水盾构2003年5上海复兴东路隧道11.0m1214m2台泥水盾构2004年6上海翔殷路隧道11.36m1498m2台泥水盾构2005年7上海上中路隧道14.5m1250m1台泥水盾构在建8武汉长江隧道11.0m2550m2台复合式泥水盾构已通车9上海长江隧道15.0m7470m2台泥水盾构在建10南京长江隧道14.5m3022m2台泥水盾构在建11广深港客专狮子洋隧道10.8m9340m4台复合式泥水盾构在建12杭州庆春路过江隧道11.3m1766m2台泥水盾构在建13杭州钱江隧道15.0m3250m2台泥水盾构在建1.1国内大直径盾构的发展概况

1概述

近年来，以武汉、南京、上海越长江隧道和广深港客运专线狮子洋隧道为代表的大直径越江隧道的建设，无论是在工程建设规模还是建设难度方面，均堪称世界级工程，极大地促进了我国盾构法隧道的设计和施工技术进步。1.2国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点1概述

1.2.1武汉长江隧道武汉长江隧道为城市道路隧道，盾构通过的地层主要有：粘土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、卵石、泥质粉砂岩夹砂页岩等，其中盾构机开挖粉细砂、中粗砂、卵石地层的比例占全隧道的80％，砂地层中石英含量高达65％。在江中段每条隧道底部切入基岩长度约400m，切入基岩的最大深度约2.5m，基岩最大抗压强度达40MPa。汉口引道起点中山大道汉口工作井武昌工作井友谊大道江南引道终点1.2国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点1概述

1.2.1武汉长江隧道盾构段最大水压力达0.57MPa。江中段及两岸边大部分地段，盾构段均位于富含承压水的粉细砂地层，其水平渗透系数约5×10－3cm/s，垂直渗透系数约5×10－4cm/s。隧道覆土厚度最大40.5m，最小7.2m，土压变化大；长江水位洪水期与枯水期差别大，年内变幅可达15m左右，历史最高最低水位相差18m。汉口引道起点中山大道汉口工作井武昌工作井友谊大道江南引道终点1.2国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点1概述

1.2.1武汉长江隧道由于隧道位于武汉市中心城区，地面建筑密集，受盾构施工影响的地面建筑物多达50余幢，最高的建筑物为8层，其中下穿鲁慈故居（省级文物）处的覆土厚度仅6m。此外，隧道穿越多条城市道路，其地下管线众多，同时还需穿越武九铁路、长江防洪堤等。1.2国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点1概述

1.2.2南京长江隧道南京长江隧道为城市快速路隧道，盾构通过的地层主要有：淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土、粉土、粉细砂、砾砂、圆砾、强风化钙质泥岩，其中盾构切入泥岩的长度约350m，最大切入深度约3.9m，泥岩抗压强度小于1.0MPa。盾构机开挖地层大部分为粉细砂、砾砂、圆砾地层，比例占全隧道的85％。1.2国内几座代表性性大直径盾构隧隧道的环境条件件特点1概述1.2.2南京长江隧道盾构段最大水压压力达0.65MPa。江中段粉细砂砂地层垂直渗透透系数2.2×10-4cm/s，水平渗透系数数1.2×10-4cm/s。隧道覆土厚度度最大31m，最小5.5m，土压变化大；；长江水位洪水水期与枯水期差差别大，年内变变幅可达9m左右，历史最高高最低水位相差差10.1m。1.2国内几座代表性性大直径盾构隧隧道的环境条件件特点1概述1.2.2南京长江隧道盾构需穿越两道道长江防洪大堤堤，受水下以及及两岸地形限制制，江中约130m处于浅埋段，覆覆土厚度为0.7～1.0D(D为隧道直径)。1.2国内几座代表性性大直径盾构隧隧道的环境条件件特点1概述1.2.3上海长江隧道上海长江隧道为为高速公路与地地铁合建的隧道道，盾构段穿越越的主要地层为为淤泥质粘土、、淤泥质粉质粘粘土、粘土、砂砂质粉土，局部部地层中夹薄层层粉砂和粘质粉粉土透镜体。主主要不良地质现现象有：浅层气气、砂土液化、、流砂、管涌、、淤泥质粘土灵灵敏度高，易产产生触变与蠕变变。工程浅部土土层潜水与长江江水有密切水力力联系，砂性土土中地下水具承承压性，粉质粘粘土中有微承压压水。1.2国内几座代表性性大直径盾构隧隧道的环境条件件特点1概述1.2.3上海长江隧道隧道在在现状状河床床下覆覆土厚厚度最最大29m，最小小14m。隧道道最大大水压压力约约55m。工程程沿线线除长长江防防洪堤堤外，，基本本无其其它建建筑物物。1.2国内几几座代代表性性大直直径盾盾构隧隧道的的环境境条件件特点点1概述1.2.4狮子洋洋隧道道狮子洋洋隧道道为高高速铁铁路隧隧道，，盾构构段穿穿越地地层为为淤泥泥质土土、粉粉质粘粘土、、粉细细砂、、中粗粗砂、、全风风化-弱风化化泥质质粉砂砂岩、、粉砂砂岩、、细砂砂岩、、砂砾砾岩。。盾构构穿越越弱风风化基基岩、、半岩岩半土土、第第四系系覆盖盖物地地层的的长度度分别别占掘掘进长长度的的73.3％、13.3％、13.4％。基基岩的的最大大单轴轴抗压压强度度为82.8MPa，基岩岩层的的渗透透系数数达6.4×10-4m/s，基岩岩的石石英含含量最最高达达55.2%，岩石石地层层的粘粘粉粒粒（≤≤75μμm）含量量为26.1～55.3%。1.2国内几几座代代表性性大直直径盾盾构隧隧道的的环境境条件件特点点1概述1.2.4狮子洋洋隧道道地下水水主要要为第第四系系地层层的孔孔隙水水和白白垩系系岩层层的裂裂隙水水，具具承压压性，，地下下水补补给充充足。。隧道在在现状状河床床下覆覆盖厚厚度最最大45m，最小小10m。隧道道最大大水压压力67m，为目目前国国内水水压力力最大大的盾盾构隧隧道。。盾构构需穿穿越多多道海海堤和和虎门门港码码头桩桩基。。1.2国内几几座代代表性性大直直径盾盾构隧隧道的的环境境条件件特点点1概述1.2.5环境条件的的主要特点点由上可见，，国内几座座大直径盾盾构隧道的的工程用途途涵盖了城城市道路、、城市快速速路、高速速公路和高高速铁路，，盾构穿越越的地层包包含了极软软土、粉细细砂、中粗粗砂、卵砾砾石、软岩岩、中硬岩岩等多种地地层，地层层渗透性变变化范围大大，水土压压力高，水水压力大，，地面环境境亦十分复复杂，如此此复杂的环环境条件也也促进了工工程设计技技术的进步步。2.1盾构隧道结结构计算理理论概况2设计计算方方法的进步步盾构隧道结结构计算经经历了刚性性结构法、、弹性结构构法、假定定抗力法、、弹性地基基梁法、连连续介质法法几个阶段段，几种地地下结构计计算理论的的发展在时时间上没有有截然的前前后之分，，后期提出出的计算方方法也没有有否定前期期的成果，，且每一种种计算理论论中，又可可根据假定定条件的不不同细分为为多种具体体的计算方方法。在目目前设计和和研究中，，假定抗力力法、弹性性地基梁法法和连续介介质模型计计算法都有有应用。由由于可用于于盾构隧道道结构计算算的方法很很多，相应应的计算结结果的差距距也较为明明显。2.1盾构隧道结结构计算理理论概况2设计计算方方法的进步步世界各国盾盾构隧道衬衬砌设计荷荷载计算方方法见下表表：国家设计模型设计水土压力（σv为垂直水土压力；σh为水平水土压力）澳大利亚全周弹簧模型σv＝全部覆土重σh＝λσv+静水压力奥地利全周弹簧模型浅埋隧道：σv＝全部覆土重σh＝λσv+静水压力深埋隧道：按泰沙基土压力公式西德覆土深≤2D：局部弹簧模型；覆土深≥2D：全周弹簧模型σv＝全部覆土重σh＝λσv（λ＝0.5）法国全周弹簧模型或有限元法σv＝全部覆土重或按泰沙基土压力公式σh＝λσv（λ取经验值）日本惯用设计法或梁——弹簧模型σv＝全部覆土重或按泰沙基土压力公式计算σh＝λσv（砂性土分算、粘性土合算）西班牙考虑围岩和衬砌相互作用的Buqera方法不计粘聚力的泰沙基公式英国全周弹簧模型或MoirWood法σv＝全部覆土重σh＝σv（1+λ）/2美国弹性地基圆环法σv＝全部覆土重σh＝λσv+水压力，λ＝（0.4～0.5）2.2我国大直径径盾构隧道道的结构计计算方法2设计计算方方法的进步步我国大直径径盾构的结结构一般采采用修正惯惯用设计法法或梁——弹簧模型进进行计算，，但根据工工程的具体体条件也有有采用其它它计算方法法的实例，，如狮子洋洋隧道由于于大部分地地段位于基基岩中，采采用了有限限元法进行行计算。由由于我国盾盾构隧道的的直径在逐逐步加大，，而且很多多隧道在当当地均是首首次建设，，缺少经验验，因此，，一般同时时采用两种种计算方法法进行相互互校核，并并取其内力力包络进行行结构设计计。2.2.1隧道横向计计算2.2我国大直径径盾构隧道道的结构计计算方法2设计计算方方法的进步步随着对盾构构隧道研究究的深入，，结合对已已经运营的的盾构隧道道的监测数数据分析，，盾构隧道道的纵向变变形问题开开始受到关关注，并提提出了纵向向设计的概概念。目前前纵向计算算多采用弹弹性地基梁梁的方法，，对曲线半半径较小的的地段同时时也采用三三维有限元元的方法对对施工过程程进行模拟拟计算。2.2.2隧道纵向计计算2.2我国大直径径盾构隧道道的结构计计算方法2设计计算方方法的进步步为验证结构构设计的安安全性与合合理性，南南京长江隧隧道、上海海长江隧道道、狮子洋洋隧道均进进行了原型型结构试验验和现场实实测，这些些研究成果果对改进结结构设计方方法将起到到很好的指指导作用。。2.2.3大型结构试试验与现场场实测2.2我国大直径径盾构隧道道的结构计计算方法2设计计算方方法的进步步为验证结构构设计的安安全性与合合理性，南南京长江隧隧道、上海海长江隧道道、狮子洋洋隧道均进进行了原型型结构试验验和现场实实测，这些些研究成果果对改进结结构设计方方法将起到到很好的指指导作用。。2.2.3大型结构试试验与现场场实测武汉长江隧隧道3.1衬砌结构的的多样化3隧道结构与与防水新技技术工程实践经经验证明，，盾构法隧隧道采用单单层管片衬衬砌完全可可以满足变变形、接缝缝张开量及及混凝土裂裂缝控制等等的设计要要求，同时时通过同步步注浆和二二次注浆，，可以进一一步加强管管片稳定与与防水效果果。又由于于单层管片片衬砌具有有工艺简单单、工期短短、投资节节省的优点点，因此盾盾构隧道一一般采用单单层管片衬衬砌。3.1衬砌结构的多样样化3隧道结构与防水水新技术随着盾构隧道工工程用途的推广广，国内铁路盾盾构隧道开始尝尝试设置二次衬衬砌的新结构。。如狮子洋隧道道拟在软弱地层层地段和防灾救救援定点地段加加设内衬。这主主要是由于高速速列车通过隧道道时，隧道内气气压变化幅度大大、频率高，防防火涂层由于耐耐久性和粘结力力的原因可能产产生掉块，而二二次衬砌无论是是在耐久性还是是防火性能方面面均有明显的优优势。拟建的沪沪通管片内衬铁路黄浦江隧隧道为通行双双层集装箱列列车和油罐车车的水下盾构构隧道，为加加强防火性能能和提高抵抗抗列车脱轨撞撞击的能力，，亦准备采用用管片＋内衬衬的结构方案案。3.2通用楔形环的的采用3隧道结构与防防水新技术我国上个世纪纪修建的盾构构隧道均同时时采用几种衬衬砌环类型，，即左转弯环环、右转弯环环和直线环。。该种设计方方式有以下缺缺点：①衬砌砌环类型多，，需要更多的的管片制造模模具，增加了了造价；②由由于各种衬砌砌在外观尺寸寸上差别很小小，增加了施施工管理难度度；③管片本本身无法拟合合竖曲线，在在竖曲线地段段需在环面加加设不等厚的的垫片，这在在强透水和高高水压地层中中对防水不利利；④由于施施工中不可避避免会产生掘掘进方向的误误差，因而在在一环掘进完完成前无法预预知该采用何何种衬砌环，，不利于管片片提前组织运运输，因而施施工速度较慢慢，当掘进长长度较长时尤尤为不利。3.2通用楔形环的的采用3隧道结构与防防水新技术为克服上述缺缺点，武汉长江隧道道工程在国内内大直径盾构构隧道中率先先采用通用楔楔形环衬砌。。该种类型衬衬砌环只需一一种类型模具具，通过衬砌砌环的旋转可可以实现直线线、平曲线、、竖曲线的拟拟合和纠偏需需要，且拟合合精度高。通通用楔形环的的缺点在于管管片空间旋转转位置不固定定，为找出结结构最不利受受力状态，需需进行高达几几十种甚至上上百种拼装组组合状态的计计算，计算工工作量大。3.3新材料的应用用3隧道结构与防防水新技术为提高管片衬砌的的防火性能并减少少管片制作过程中中的表面收缩裂缝缝，不少隧道开始始采用合成纤维混混凝土管片。合成成纤维应选择耐碱碱性强、弹性模量量高、熔点低的材材料，掺量控制在1.5kg/m3左右。3.3.1混凝土结构新材料料的应用3.3新材料的应用3隧道结构与防水新新技术3.3.1混凝土结构新材料料的应用在上软下硬的复合合地层中掘进时，，千斤顶推力变化化较大，容易造成成管片局部开裂，，同时在该种地层层中荷载分布及结结构支撑状态均明明显比单一地层中中更不利，因此武武汉长江隧道和狮狮子洋隧道均采用用了钢筋－钢纤维维混凝土管片。通通过利用钢纤维混混凝土材料抗拉、、抗裂性能好、韧韧性好的优点，抵抵抗不可预见的局局部高应力。3.3新材料的应用3隧道结构与防水新新技术目前盾构隧道接缝缝防水的常用材料料为三元乙丙橡胶胶（EPDM）和普通遇水膨胀胀橡胶，EPDM橡胶的耐久性好，，但普通遇水膨胀胀橡胶在长期或反反复浸水前后质量量损失较大、膨胀胀倍率下降，耐久久性相对较差。最最近南京长江隧道道、上海长江隧道道引进了聚醚聚氨氨酯遇水膨胀橡胶胶作为接缝的辅助助防水材料。该种种橡胶材质为含亲亲水性单元的线型型聚醚聚氨酯弹性性体，聚醚分子在在聚氨酯遇水膨胀胀胶中以化学链结结合，且材料本身身也是全部以化学学链结合的热固性性结构，没有无机机填充物和有机增增塑剂，所以即使使在有机溶剂中也也无可抽出物，更更不溶于水，即使使在流动水中长期期浸泡下其质量和和膨胀倍率也能基基本保持不变，因因而其耐久性较好好。3.3.2盾构接缝防水新材材料的应用4.1工程风险评估4性能化设计的加强强2004年国际隧协发布了了《隧道风险管理指南南》，英国、日本等国国家的隧道协会或或保险业协会也发发布了类似的风险险评估与管理的规规范或指南，我国国铁道部于2007年也发布实施了《铁路隧道风险评估估与管理暂行规定定》，上述大直径盾构构隧道均进行了风风险评估专题研究究。通过风险评估估对工程设计方案案进行评价与优化化的办法，可以说说是隧道设计技术术的一项进步。PqRRR4.1工程风险评估4性能化设计的加强强在盾构法隧道设计计的风险评估中，，经常出现的关键键问题有：隧道长长距离掘进是否可可行，长隧道究竟竟该采取怎样的综综合防灾与救灾措措施，其中并行隧隧道之间的横通道道设置更是焦点问问题。对于长距离离掘进的争论主要要是由于国际上长长距离掘进的工程程实例还相对较少少，工程经验不多多，特别是带压换刀难度大大，对工期影响大大。目前，武汉长长江隧道在高石英英含量的砂层中掘掘进2550m，期间没没有换刀刀，盾构构到达后后刀具磨磨损不大大，预计计可以再再掘进2～3km。4.1工程风险险评估4性能化设设计的加加强至于对综综合防灾灾与救灾灾措施方方面的争争论，原原因是多多方面的的，一方方面是由由于国内内对隧道道火灾概概率、火火灾规模模等的基基础理论论研究还还很不够够，不同同专家的的评价结结果不同同；另一一方面经经济能力力也是主主要的制制约因素素，如欧欧洲，各各种防灾灾设备一一应俱全全，唯恐恐“遗漏”，而国内内选择变变动的余余地较大大；4.1工程风险险评估4性能化设设计的加加强再有，消消防主管管部门与与隧道技技术专家家的认识识角度不不同，隧隧道技术术专家多多从横通通道修建建的技术术难度与与风险方方面进行行考虑，，而消防防部门则则更多的的关注设设备的先先进性与与救灾的的及时性性。因此此，国内内在建隧隧道的横横通道设设置标准准并不统统一，地地域不同同，方式式也不同同。尽管如此此，随着着工程经经验的积积累和风风险评估估精度的的提高，，在该方方面的设设计将越越来越趋趋于科学学。4.2耐久性设设计4性能化化设计计的加加强工程结结构的的耐久久性对对国民民经济济可持持续发发展的的作用用是勿勿容置置疑的的，中中国土土木工工程学学会发发布的的《混凝土土结构构耐久久性设设计与与施工工指南南》对提高高广大大工程程技术术人员员对耐耐久性性的认认识和和对提提高工工程耐耐久性性质量量起到到了很很大的的作用用。盾盾构法法隧道道目前前的设设计和和施工工在耐耐久性性方面面采取取了严严格的的构造造和工工艺措措施。。但应应该看看到，，我国国对耐耐久性性的研研究深深度与与规模模还远远远不不够，，特别别是地地下工工程的的耐久久性研研究差差距更更大。。目前前在建建的几几座大大直径径盾构构隧道道均进进行了了耐久久性的的专题题研究究与试试验，，如南南京长长江隧隧道，，对混混凝土土耐久久性进进行了了受力力状态态下的的室内内试验验、现现场取取样分分析，，对管管片制制作提提出了了耐久久性方方面的的过程程控制制参数数，这这些探探索对对盾构构隧道道耐久久性设设计与与施工工将起起到积积极的的作用用。4.3防火设设计4性能化化设计计的加加强在公路路隧道道方面面，2006年以前前，国国内对对公路路隧道道的防防火设设计没没有统统一的的标准准，多多是根根据隧隧道的的交通通功能能及车车辆类类型参参考国国外有有关标标准设设计。。2006年12月，国国家发发布了了《建筑设设计防防火规规范》，对城城市道道路隧隧道根根据车车辆类类型、、隧道道长度进行了分类类，并提出了应应满足的标准升升温曲线。这对对统一防火设计计标准起到了良良好的促进作用用。4.3防火设计4性能化设计的加加强在铁路隧道方面面，虽然有《铁路工程设计防防火规范》，但没有提出隧隧道