国内大直径盾构隧道设计技术进展三

国内大直径盾构隧道

设计技术进展

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南京长江隧道盾构段最大水压力达0.65MPa。江中段粉细砂地层垂直渗透系数2.2×10-4cm/s，水平渗透系数1.2×10-4cm/s。隧道覆土厚度最大31m，最小5.5m，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9m左右，历史最高最低水位相差10.1m。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南京长江隧道盾构需穿越两道长江防洪大堤，受水下以及两岸地形限制，江中约130m处于浅埋段，覆土厚度为0.7～1.0D(D为隧道直径)。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

1.2.3上海长江隧道上海长江隧道为高速公路与地铁合建的隧道，盾构段穿越的主要地层为淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂质粉土，局部地层中夹薄层粉砂和粘质粉土透镜体。主要不良地质现象有：浅层气、砂土液化、流砂、管涌、淤泥质粘土灵敏度高，易产生触变与蠕变。工程浅部土层潜水与长江水有密切水力联系，砂性土中地下水具承压性，粉质粘土中有微承压水。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

1.2.3上海长江隧道隧道在现状河床下覆土厚度最大29m，最小14m。隧道最大水压力约55m。工程沿线除长江防洪堤外，基本无其它建筑物。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

1.2.4狮子洋隧道狮子洋隧道为高速铁路隧道，盾构段穿越地层为淤泥质土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、全风化-弱风化泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、砂砾岩。盾构穿越弱风化基岩、半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别占掘进长度的73.3％、13.3％、13.4％。基岩的最大单轴抗压强度为82.8MPa，基岩层的渗透系数达6.4×10-4m/s，基岩的石英含量最高达55.2%，岩石地层的粘粉粒（≤75μm）含量为26.1～55.3%。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

1.2.4狮子洋隧道地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，具承压性，地下水补给充足。隧道在现状河床下覆盖厚度最大45m，最小10m。隧道最大水压力67m，为目前国内水压力最大的盾构隧道。盾构需穿越多道海堤和虎门港码头桩基。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

1.2.5环境条件的主要特点

由上可见，国内几座大直径盾构隧道的工程用途涵盖了城市道路、城市快速路、高速公路和高速铁路，盾构穿越的地层包含了极软土、粉细砂、中粗砂、卵砾石、软岩、中硬岩等多种地层，地层渗透性变化范围大，水土压力高，水压力大，地面环境亦十分复杂，如此复杂的环境条件也促进了工程设计技术的进步。2.漏1盾构隧辅道结构舞计算理孕论概况2设计银计算架方法睁的进甜步盾构替隧道却结构颜计算堤经历旁了刚帖性结氏构法抵、弹斑性结套构法毯、假娘定抗麦力法助、弹同性地壳基梁郑法、区连续递介质盛法几柳个阶罗段，速几种迫地下落结构啊计算冲理论磨的发颜展在昨时间颗上没固有截心然的沫前后撞之分苗，后竟期提凳出的河计算欣方法犁也没霞有否守定前青期的妻成果茄，且何每一所种计深算理艰论中甚，又绣可根惠据假欲定条魂件的炕不同准细分夏为多辫种具什体的江计算本方法国。在宋目前谅设计茫和研倘究中喝，假启定抗筒力法罚、弹栋性地倦基梁条法和藏连续盼介质名模型迎计算屯法都某有应垄用。量由于材可用恢于盾不构隧围道结捏构计苹算的除方法袄很多营，相吃应的暴计算知结果论的差瓶距也脑较为慈明显畜。2.机1盾构碑隧道蚀结构纽奉计算拥理论迟概况2设计参计算疑方法恶的进娇步世界筛各国赤盾构具隧道笛衬砌厌设计颤荷载坟计算描方法湿见下普表：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.王2我国史大直姿径盾君构隧旗道的帖结构鄙计算饿方法2设计榜计算宣方法络的进洪步我国炸大直村径盾各构的赏结构垂一般该采用曾修正明惯用嫂设计袜法或拨梁——弹簧未模型提进行周计算纲，但服根据章工程弟的具存体条仰件也奸有采渔用其堪它计芬算方旨法的胀实例杨，如撇狮子雪洋隧错道由询于大评部分时地段拿位于望基岩伞中，活采用纷了有较限元盖法进傍行计恼算。房诚由于唐我国谜盾构柳隧道丹的直其径在子逐步兵加大净，而宪且很午多隧辞道在坑当地反均是识首次性建设纹，缺肢少经拼验，闪因此母，一陡般同贿时采况用两艇种计劣算方烟法进至行相塌互校姑核，著并取饱其内矿力包害络进苦行结共构设尝计。2.杂2.斜1隧道横别向计算2.2我国钩大直诸径盾惠构隧活道的缠结构体计算侵方法2设计欠计算边方法疯的进方步随着竭对盾招构隧毕道研葛究的福深入棕，结侍合对录已经兴运营哗的盾狗构隧篮道的惊监测咐数据但分析荐，盾眠构隧感道的仪纵向接变形早问题杯开始税受到床关注齐，并航提出误了纵摊向设涨计的祝概念银。目绸前纵嘉向计盆算多边采用厨弹性径地基饭梁的社方法乡丰，对耍曲线后半径汉较小辣的地抓段同肢时也双采用详三维亏有限夹元的胡方法哄对施朗工过掩程进市行模晕拟计急算。2.2毫.2隧道壶纵向越计算2.2我国聚大直凉径盾幻玉构隧钞道的膨结构赵计算板方法2设计计温算方法棍的进步为验证晋结构设望计的安恒全性与笼合理性胁，南京炮长江隧直道、上盆海长江艘隧道、凯狮子洋苹隧道均药进行了化原型结届构试验弦和现场登实测，辜这些研捧究成果菊对改进代结构设捧计方法坝将起到扫很好的惧指导作携用。2.舱2.胞3大型结求构试验挂与现场后实测2.2我国衡大直膨径盾帅构隧殖道的伯结构肤计算屋方法2设计舞计算醒方法锹的进番步为验证鞋结构设退计的安枕全性与霉合理性递，南京距长江隧固道、上劝海长江探隧道、胆狮子洋狗隧道均腥进行了离原型结购构试验所和现场坊实测，蛙这些研若究成果枪对改进层结构设越计方法爆将起到贩很好的浮指导作卖用。2.2厘.3大型皱结构裹试验捏与现奖场实萝测武汉天长江坚隧道3.1衬砌免结构照的多豆样化3隧道结织构与防朝水新技唱术工程箭实践计经验理证明检，盾挨构法承隧道缺采用热单层恶管片查衬砌厦完全牌可以游满足循变形窑、接落缝张看开量全及混鸡凝土度裂缝停控制轻等的带设计睛要求色，同减时通拼过同朵步注落浆和躁二次扎注浆矩，可镜以进血一步搭加强健管片惊稳定另与防有水效律果。很又由兔于单触层管良片衬跌砌具凶有工港艺简霉单、通工期饰短、妇投资卫节省缴的优睬点，羡因此俩盾构圆隧道锁一般帝采用谣单层衡管片项衬砌量。3.1衬砌轮结构捞的多技样化3隧道结绩构与防悟水新技则术随着盾还构隧道猾工程用眉途的推添广，国榆内铁路楚盾构隧柿道开始榨尝试设贵置二次养衬砌的淡新结构氏。如狮雁子洋隧届道拟在苗软弱地灭层地段著和防灾衬救援定氏点地段堂加设内夺衬。这团主要是臣由于高赌速列车盗通过隧瓦道时，吴隧道内额气压变拢化幅度球大、频蛾率高，浅防火涂弟层由于善耐久性扇和粘结叹力的原抚因可能聚产生掉泛块，而层二次衬勺砌无论沉是在耐衫久性还临是防火浆性能方盗面均有乘明显的父优势。似拟建的组沪通管片内衬铁路承黄浦败江隧见道为壶通行山双层波集装孤箱列堆车和犁油罐概车的数水下绸盾构挤隧道闸，为关加强携防火单性能碑和提通高抵右抗列旨车脱件轨撞议击的渡能力跪，亦太准备提采用缝管片稠＋内者衬的稻结构液方案追。3.2通用楔俭形环的度采用3隧道编结构散与防谷水新朽技术我国上勿个世纪脱修建的绵盾构隧栋道均同饱时采用井几种衬叔砌环类范型，即乏左转弯苏环、右由转弯环诉和直线缺环。该侵种设计有方式有田以下缺使点：①烂衬砌环陷类型多但，需要勉更多的符管片制脸造模具玩，增加次了造价掌；②由丹于各种禁衬砌在湖外观尺封寸上差床别很小不，增加劝了施工事管理难喝度；③勿管片本待身无法恳拟合竖顿曲线，司在竖曲批线地段规需在环他面加设砍不等厚汇的垫片览，这在战强透水卷和高水伐压地层肚中对防民水不利较；④由牛于施工偿中不可脱避免会直产生掘于进方向草的误差亩，因而紧在一环劈燕掘进完钟成前无保法预知铅该采用樱何种衬户砌环，豆不利于肝管片提聋前组织只运输，耻因而施袭工速度遮较慢，泰当掘进分长度较那长时尤舱为不利近。3.艳2通用允楔形凯环的困采用3隧道结速构与防晚水新技筑术为克黎服上小述缺拖点，武汉长旺江隧道屋工程在增国内大目直径盾叠构隧道窄中率先谷采用通忽用楔形磨环衬砌渠。该种翁类型衬肌砌环只核需一种祥类型模汁具，通弯过衬砌悼环的旋刃转可以舱实现直点线、平邻曲线、告竖曲线安的拟合椒和纠偏冈需要，画且拟合吧精度高换。通用摊楔形环游的缺点散在于管五片空间津旋转位芽置不固削定，为怀找出结分构最不贤利受力戒状态，层需进行望高达几魄十种甚映至上百嗓种拼装稠组合状返态的计狐算，计于算工作音量大。3.3新材役料的言应用3隧道嫩结构挪与防净水新倾技术为提高维管片衬罪砌的防植火性能揭并减少汇管片制紧作过程篮中的表循面收缩滥裂缝，悟不少隧暴道开始会采用合无成纤维尸混凝土睛管片。涝合成纤益维应选毕择耐碱辅性强、梨弹性模怀量高、抖熔点低脉的材料，掺量使控制岭在1.5遗kg/荣m3左右旷。3.3后.1混凝立土结以构新并材料肚的应患用3.吸3新材料箩的应用3隧道结游构与防共水新技斧术3.屋3.袖1混凝骑土结法构新是材料率的应章用在上效软下远硬的烘复合纱地层径中掘胃进时宋，千偿斤顶悠推力饥变化枯较大僵，容羊易造岩成管疲片局兆部开曲裂，峡同时汁在该城种地赶层中摸荷载添分布译及结确构支块撑状垒态均设明显熄比单妨一地赤层中染更不聋利，多因此尊武汉洒长江仗隧道哪和狮算子洋芬隧道拣均采役用了钞钢筋爆－钢晶纤维摘混凝谷土管麻片。衫通过舅利用被钢纤招维混沈凝土射材料家抗拉棕、抗耍裂性虎能好疫、韧乓性好榜的优冬点，葵抵抗怜不可锯预见磁的局皂部高亿应力烂。3.拍3新材红料的面应用3隧道矩结构当与防睬水新慌技术目前盾搅构隧道垃接缝防轨水的常糟用材料凝为三元徐乙丙橡皇胶（EPD蓬M）和砌普通权遇水络膨胀铸橡胶悦，EPD录M橡胶的窗耐久性饭好，但心普通遇殿水膨胀独橡胶在化长期或倍反复浸续水前后饱质量损侍失较大竿、膨胀周倍率下份降，耐版久性相跃对较差塌。最近盯南京长信江隧道负、上海舍长江隧神道引进柜了聚醚勉聚氨酯奖遇水膨块胀橡胶崖作为接追缝的辅传助防水均材料。药该种橡倘胶材质鼠为含亲息水性单浴元的线沙型聚醚沟聚氨酯渗弹性体惯，聚醚尺分子在剃聚氨酯气遇水膨震胀胶中姐以化学购链结合果，且材助料本身院也是全霜部以化圈学链结滴合的热辰固性结兼构，没贯有无机索填充物伴和有机胜增塑剂替，所以室即使在推有机溶跌剂中也恰无可抽残出物，客更不溶熄于水，惊即使在钳流动水替中长期盆浸泡下生其质量隶和膨胀讨倍率也钩能基本拴保持不竞变，因卖而其耐原久性较嫌好。3.德3.如2盾构熔接缝京防水厌新材霸料的本应用4.1工程剩风险想评估4性能化当设计的括加强20恨04年国际载隧协发季布了《隧道风赶险管理义指南》，英淹国、闹日本狠等国承家的便隧道晨协会销或保盖险业谊协会足也发毅布了福类似珠的风贫险评课估与趁管理贴的规向范或着指南算，我潮国铁检道部衔于20块07年也发溉布实施痕了《铁路隧旗道风险常评估与袄管理暂毕行规定》，上述胁大直径停盾构隧栏道均进秋行了风眠险评估街专题研秀究。通涂过风险饲评估对趣工程设仍计方案郊进行评离价与优斗化的办挽法，可霞以说是泛隧道设首计技术雾的一项铅进步。PqRRR4.1工程完风险角评估4性能化撞设计的悔加强在盾构诸法隧道跪设计的尝风险评管估中，完经常出股现的关舌键问题邀有：隧罗道长距营离掘进笼是否可绞行，长扩隧道究同竟该采快取怎样伸的综合启防灾与抱救灾措积施，其傲中并行今隧道之聚间的横泻通道设盒置更是啄焦点问茂题。对艰于长距第离掘进幼的争论阴主要是煌由于国捐际上长胆距离掘层进的工隆程实例邻还相对我较少，世工程经悄验不多犹，特别是带压个换刀难遗度大，胖对工期隔影响大副。目前武，武汉捆长江隧己道在高躁石英含增量的砂童层中掘挤进255惜0m，期贷间没质有换摩刀，区盾构束到达迁后刀谜具磨笨损不蜻大，颈预计附可以件再掘始进2～3k失m。4.1工程辛风险蔑评估4性能殊化设裹计的天加强至于对贡综合防裕灾与救催灾措施冒方面的但争论，逐原因是武多方面洲的，一箭方面是终由于国纺内对隧闷道火灾色概率、先火灾规比模等的拘基础理槐论研究悬还很不剂够，不猴同专家既的评价什结果不捧同；另崇一方面纤经济能饰力也是什主要的头制约因究素，如扫欧洲，碌各种防烫灾设备拥一应俱绸全，唯贞恐“遗漏”，而国里内选择炮变动的宅余地较煎大；4.宝1工程风红险评估4性能化天设计的垄加强再有矿，消类防主流管部吓门与知隧道简技术亲专家塔的认亚识角薄度不若同，桑隧道牧技术险专家序多从膊横通蚊道修矛建的摊技术好难度堂与风浓险方糊面进渴行考后虑，产而消计防部遥门则摄更多养的关舟注设虎备的况先进寸性与唱救灾大的及朴时性坟。因流此，栏国内版在建泽隧道考的横季通道强设置幕标准阳并不番统一歇，地眠域不箱同，遮方式渡也不佣同。尽管如乳此，随赛着工程熔经验的普积累和便风险评尖估精度覆的提高揪，在该叫方面的掌设计将煤越来越贝趋于科考学。4.愈2耐久到性设重计4性能化蝴设计的隶加强工程结盗构的耐扯久性对球国民经疑济可持狸续发展话的作用负是勿容卫置疑的亩，中国史土木工倡程学会屈发布的《混凝土愧结构耐蚀久性设打计与施艺工指南》对提高影广大工掉程技术博人员对娘耐久性录的认识宣和对提肤高工程桐耐久性滩质量起饿到了很片大的作崭用。盾聚构法隧扭道目前效的设计五和施工元在耐久呈性方面摊采取了刮严格的运构造和扑工艺措万施。但初应该看盐到，我称国对耐屋久性的者研究深负度与规道模还远卫远不够钩，特别盘是地下末工程的政耐久性主研究差骨距更大向。目前瓜在建的养几座大效直径盾添构隧道包均进行坚了耐久悦性的专董题研究身与试验知，如南根京长江缎隧道，害对混凝忘土耐久胶性进行哑了受力韵状态下遥的室内绢试验、昨现场取穴样分析锁，对管臂片制作未提出了波耐久性厉方面的借过程控险制参数繁，这些骗探索对棒盾构隧举道耐久恨性设计勤与施工屿将起到林积极的象作用。4.葵3防火揭设计4性能化短设计的券加强在公路环隧道方亭面，200淹6年以泥前，冰国内和对公孙路隧凯道的妖防火黎设计毁没有谢统一价的标撤准，右多是押根据逃隧道毅的交碗通功侮能及倾车辆偷类型绒参考忍国外敏有关抚标准滴设计愉。200菜6年12月，误国家崇发布下了《建筑设填计防火杰规范》，对城遗市道路删隧道根瞒据车辆白类型、棉隧道长度进烧行了分更类，并迈提出了乞应满足垒的标准首升温曲累线。这莫对统一谨防火设苹计标准礼起到了石良好的提促进作幕用。4.近3防火设设计4性能举化设衡计的止加强在铁路见隧道方付面，虽顷然有《铁路贡工程他设计谢防火芒规范》，但达没有茶提出访隧道赤标准齿升温饶曲线松。目艺前国再内有皱关设摄计单啊位采般用的秋标准娇为：袭客运脑专线央隧道墓按RA药BT标准躬升温荐曲线户采用秧，火毕源功朝率10～20神MW；客堆货共都线隧铺道按RWS标准升矿温曲线隔采用，像火源功乘率300狮MW。4.敏3防火设绝计4性能化尸设计的草加强与岩按石隧捕道不殿同，浅由于磨盾构这法隧显道一趣般位枝于软抖弱地纤层中愁，如桂结构贱在火腹灾中筝损伤景较大次，则奴可能评造成硬结构膜倒塌续，其扁风险缠后果灿原大秀于山浅岭隧响道，亚因此笔盾构巾隧道底的防透火保光护措盯施应跪加强恼。国水内大肌直径丑盾构山隧道