国内大直径盾构隧道的设计技术进展

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.疗2国内江几座舅代表颗性大亏直径序盾构路隧道每的环夏境条死件特皆点1概述1.烦2.关5环境席条件央的主层要特电点由上抽可见僵，国咱内几余座大纷直径布盾构搁隧道贸的工劝程用驾途涵要盖了旬城市娃道路尝、城饿市快搅速路圣、高腔速公障路和刑高速浇铁路天，盾朱构穿斧越的矿地层课包含压了极涌软土缴、粉红细砂孤、中物粗砂搬、卵欢砾石夏、软吊岩、熔中硬双岩等誉多种光地层牧，地亩层渗素透性哨变化絮范围匹大，偶水土朽压力村高，耍水压流力大胀，地锈面环拦境亦转十分译复杂鹅，如主此复蜻杂的竞环境察条件矛也促炼进了蒜工程大设计瓜技术规的进些步。2.东1盾构废隧道皱结构块计算鼻理论睬概况2设计猴计算减方法匠的进旧步盾构矮隧道冰结构咐计算款经历咽了刚亭性结荒构法电、弹险性结倦构法止、假盯定抗驰力法半、弹贞性地前基梁奖法、慎连续灵介质第法几齐个阶夸段，街几种兽地下臂结构否计算卧理论泥的发叨展在酿时间鹊上没它有截翁然的激前后察之分盈，后揉期提纸出的男计算龄方法疾也没坑有否朋定前虫期的担成果归，且软每一捕种计珠算理振论中捐，又国可根稿据假乏定条塘件的惜不同国细分笋为多揉种具里体的庆计算币方法瓣。在留目前骑设计管和研秤究中扭，假伤定抗株力法惊、弹驰性地涌基梁妹法和目连续踩介质婆模型能计算陕法都截有应傻用。喜由于谢可用亭于盾轰构隧待道结早构计真算的耳方法访很多羽，相延应的济计算下结果械的差桌距也却较为窑明显采。2.传1盾构炎隧道衣结构响计算攻理论鸽概况2设计信计算士方法翻的进莲步世界巩各国躁盾构悔隧道存衬砌膨设计孔荷载猪计算码方法布见下己表：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.腰2我国帜大直李径盾闻构隧蜜道的身结构励计算并方法2设计扯计算未方法叶的进肯步我国毙大直岸径盾持构的傲结构循一般素采用成修正既惯用蚀设计锅法或外梁——弹簧阴模型暗进行借计算堂，但资根据洗工程佣的具喂体条悟件也枝有采球用其融它计欠算方拒法的排实例廊，如取狮子词洋隧幻玉道由绍于大体部分灿地段罢位于桂基岩葬中，迈采用膜了有吧限元虫法进低行计戚算。属由于纷我国优盾构脏隧道共的直堵径在拣逐步新加大混，而嫩且很杀多隧肝道在牧当地枝均是特首次呜建设通，缺傻少经掠验，说因此娃，一峰般同击时采描用两誓种计免算方冈法进蜘行相追互校唤核，久并取烫其内郊力包衰络进港行结窄构设遥计。2.循2.蓬1隧道嫁横向洒计算2.倚2我国今大直置径盾说构隧澡道的劳结构爸计算犹方法2设计演计算掩方法婆的进岔步随着越对盾邮构隧部道研跑究的仔深入烘，结燃合对格已经鸽运营置的盾测构隧惹道的罢监测茂数据条分析将，盾捎构隧滨道的血纵向渐变形涝问题算开始垃受到熄关注讯，并辟提出迈了纵近向设比计的徐概念秀。目异前纵欧向计带算多旨采用珍弹性穴地基临梁的梢方法插，对红曲线血半径横较小户的地命段同醉时也尘采用泻三维前有限梁元的爹方法蜜对施构工过饺程进珠行模割拟计颗算。2.鲁2.拉2隧道渡纵向急计算2.哪2我国符大直限径盾图构隧招道的好结构仁计算策方法2设计费计算恼方法往的进笼步为验捐证结广构设纠计的股安全蠢性与亦合理乱性，去南京煌长江艳隧道对、上型海长兆江隧钓道、家狮子岸洋隧闪道均探进行字了原挽型结串构试吹验和啦现场固实测尽，这殃些研跌究成塌果对胳改进孤结构吸设计深方法吸将起面到很篮好的迷指导你作用苦。2.浩2.坊3大型病结构殖试验税与现芳场实安测2.多2我国境大直虑径盾席构隧顶道的科结构咏计算移方法2设计拐计算括方法元的进紫步为验屑证结仿构设窄计的蓄安全拐性与演合理转性，涉南京晃长江溜隧道选、上垫海长卖江隧游道、捎狮子肥洋隧钞道均秃进行挨了原导型结坡构试棚验和全现场头实测注，这煌些研丛究成稳果对晶改进贡结构脸设计路方法度将起孙到很益好的辛指导呢作用馒。2.颈2.灿3大型裂结构数试验往与现竖场实陪测武汉堡长江剑隧道3.因1衬砌申结构妙的多市样化3隧道围结构插与防盆水新睁技术工程盛实践亭经验鱼证明凳，盾日构法非隧道慢采用喉单层狂管片追衬砌号完全稻可以吃满足驳变形纲、接遇缝张府开量通及混绵凝土堂裂缝河控制川等的写设计盏要求食，同搏时通缴过同失步注羡浆和恋二次法注浆闭，可慎以进被一步语加强乱管片幼稳定婚与防冤水效鹿果。记又由套于单巷层管错片衬兴砌具案有工冲艺简谋单、各工期笨短、勺投资馋节省谅的优伍点，顾因此萄盾构波隧道艇一般项采用产单层图管片搏衬砌融。3.吼1衬砌肆结构悉的多穗样化3隧道混结构些与防呢水新疯技术随着冲盾构设隧道歉工程菊用途向的推舅广，驾国内农铁路故盾构键隧道镇开始啦尝试苹设置摧二次侵衬砌购的新览结构或。如创狮子燃洋隧气道拟俊在软命弱地旨层地冰段和置防灾国救援丝式定点削地段握加设艳内衬妇。这先主要赵是由载于高伐速列屈车通猴过隧馆道时估，隧些道内起气压纳变化浆幅度行大、油频率赖高，离防火屯涂层报由于以耐久史性和塌粘结荒力的嫌原因陵可能剩产生斑掉块亮，而灶二次浊衬砌纸无论售是在验耐久拐性还婶是防姥火性傻能方码面均奔有明赛显的竞优势钱。拟摧建的胶沪通管片内衬铁路魔黄浦央江隧拔道为谋通行杠双层御集装慕箱列浆车和休油罐焰车的村水下闸盾构禽隧道狡，为读加强道防火广性能薄和提你高抵友抗列甜车脱贫轨撞搜击的辩能力应，亦搁准备园采用粮管片橡＋内敌衬的摔结构宜方案素。3.扔2通用廉楔形忍环的恋采用3隧道押结构眉与防俊水新租技术我国尽上个诵世纪暂修建访的盾协构隧补道均反同时汁采用指几种李衬砌滚环类乐型，慎即左劝转弯奇环、幅右转天弯环衣和直教线环挥。该街种设征计方桨式有欠以下殃缺点亭：①顺衬砌咐环类逗型多汽，需惹要更供多的桥管片适制造地模具下，增崭加了该造价挽；②占由于财各种锄衬砌炸在外水观尺闹寸上牺差别搜很小死，增葱加了捉施工躲管理摸难度东；③旁管片艳本身傲无法誓拟合断竖曲脚线，秧在竖遇曲线授地段饺需在优环面枯加设洒不等狡厚的怖垫片精，这刺在强他透水哨和高恩水压铅地层导中对门防水絮不利党；④烦由于摆施工渠中不咏可避耽免会已产生剂掘进蝇方向诊的误慢差，箩因而鸡在一们环掘懂进完萄成前篇无法疗预知匪该采证用何侍种衬获砌环碌，不包利于鸣管片好提前城组织哗运输没，因呜而施殃工速革度较陡慢，遵当掘现进长丛度较龄长时碗尤为挂不利写。3.慕2通用于楔形氏环的已采用3隧道谨结构西与防偏水新避技术为克匪服上诉述缺乏点，武汉切长江蛮隧道度工程轿在国吓内大雪直径沿盾构须隧道梳中率拍先采盈用通氧用楔幕形环浴衬砌闷。该倾种类碍型衬吐砌环枕只需渣一种娘类型确模具绳，通焰过衬闭砌环搞的旋胀转可萄以实韵现直伯线、白平曲察线、裳竖曲枝线的咐拟合用和纠爽偏需乱要，光且拟碍合精催度高宪。通保用楔够形环拖的缺绸点在洽于管灭片空乱间旋墓转位涂置不拜固定奸，为水找出浙结构里最不正利受掀力状怕态，沟需进现行高移达几铅十种型甚至苏上百秘种拼探装组迷合状识态的字计算歌，计租算工亏作量是大。3.党3新材担料的偏应用3隧道乱结构佳与防跳水新慨技术为提呈高管甲片衬鞭砌的锣防火躺性能固并减辩少管狂片制骨作过桂程中盖的表膨面收欧缩裂禾缝，挂不少挠隧道虹开始假采用湾合成狗纤维逗混凝俘土管洽片。珍合成肃纤维颠应选剪择耐拳碱性姜强、尊弹性都模量袜高、莫熔点痒低的义材料，掺量云控制丑在1.删5k渔g/取m3左右描。3.帜3.絮1混凝丙土结殿构新蚂材料喝的应券用3.乘3新材咽料的质应用3隧道未结构叶与防美水新晴技术3.瓶3.蚕1混凝鲁土结疲构新犬材料添的应植用在上巡寿软下狠硬的羊复合脾地层捕中掘油进时讨，千丙斤顶歇推力拉变化捉较大柳，容尝易造闭成管亮片局遇部开溜裂，钻同时告在该塑种地吃层中延荷载予分布脖及结搁构支梳撑状险态均织明显搜比单辈一地叫层中均更不圾利，余因此循武汉村长江晃隧道贼和狮开子洋垫隧道丢均采扮用了避钢筋岸－钢垄纤维柜混凝垦土管锈片。久通过项利用瞒钢纤葛维混宝凝土赔材料芬抗拉分、抗茶裂性标能好凤、韧鉴性好鼓的优陶点，即抵抗只不可坚预见果的局析部高驰应力呼。3.察3新材赴料的懒应用3隧道愚结构扔与防储水新尚技术目前滔盾构住隧道呼接缝鹅防水砖的常相用材纯料为搬三元狐乙丙超橡胶胆（EP默DM）和颠普通铸遇水威膨胀突橡胶译，EP专DM橡胶早的耐借久性血好，匙但普杆通遇直水膨平胀橡烫胶在勾长期抢或反床复浸础水前礼后质辜量损辟失较祖大、锹膨胀棚倍率程下降共，耐射久性丘相对否较差赶。最备近南男京长察江隧隐道、输上海炭长江宝隧道迈引进非了聚忘醚聚宾氨酯裤遇水爬膨胀殊橡胶竟作为片接缝神的辅鲜助防雕水材没料。践该种揉橡胶睬材质帐为含台亲水抹性单纯元的代线型贯聚醚圆聚氨甘酯弹户性体径，聚顾醚分驴子在壁聚氨鱼酯遇责水膨惠胀胶捞中以喂化学迈链结助合，脾且材寺料本末身也杀是全直部以氏化学揪链结莫合的萝热固永性结鞋构，喜没有债无机侧填充黄物和旁有机姻增塑冰剂，招所以睁即使添在有抄机溶贼剂中耍也无棵可抽冶出物窑，更递不溶村于水虫，即沸使在贴流动宽水中测长期勿浸泡百下其六质量岁和膨镜胀倍仆率也容能基厅本保迫持不趣变，线因而番其耐梢久性氧较好爽。3.志3.多2盾构裕接缝绘防水届新材治料的厘应用4.株1工程历风险萍评估4性能魂化设扛计的寒加强20撑04年国牌际隧瓣协发揭布了《隧道吨风险半管理终指南》，英乒国、搞日本婆等国杂家的咐隧道弟协会糕或保自险业绍协会炕也发万布了苍类似宣的风肿险评洋估与数管理华的规乱范或孝指南抵，我砖国铁漂道部仗于20睡07年也禽发布象实施腿了《铁路戏隧道那风险尊评估拍与管缴理暂锻行规牙定》，上宗述大罗直径饮盾构依隧道传均进瓶行了谦风险袖评估够专题境研究杂。通究过风肿险评挪估对酬工程塑设计票方案亚进行滤评价周与优勒化的冰办法免，可型以说饲是隧揭道设脸计技寻术的逮一项绪进步字。PqRRR4.反1工程煌风险摸评估4性能扮化设贿计的车加强在盾贵构法俘隧道讲设计怎的风跳险评银估中贯，经例常出宋现的届关键刷问题炊有：吵隧道作长距违离掘准进是编否可亚行，表长隧均道究封竟该循采取捐怎样照的综谦合防迁灾与卖救灾鄙措施突，其词中并叉行隧夹道之竞间的夏横通会道设许置更太是焦台点问先题。恩对于拒长距含离掘灰进的虎争论渣主要潜是由皂于国魄际上猫长距秋离掘帅进的衰工程晨实例就还相茫对较浮少，稳工程武经验羞不多假，特例别是带扁压换饭刀难科度大谁，对灶工期换影响线大。行目前跳，武偏汉长赴江隧蹦道在搞高石冠英含绕量的赵砂层雀中掘晒进25透50数m，期络间没翠有换技刀，老盾构平到达庆后刀顷具磨晶损不泄大，异预计拐可以竖再掘次进2～3k糖m。4.抱1工程趁风险饥评估4性能阿化设虚计的盖加强至于员对综类合防仍灾与刃救灾议措施乌方面设的争侵论，岁原因弦是多枝方面棋的，野一方攻面是梢由于晶国内亏对隧障道火盒灾概虫率、浮火灾唱规模受等的枝基础球理论抄研究纷还很对不够搞，不墙同专焦家的盈评价被结果瞎不同留；另误一方佣面经掀济能狼力也食是主白要的星制约者因素元，如弄欧洲株，各维种防受灾设像备一兆应俱筛全，罪唯恐“遗漏”，而渐国内缴选择劈燕变动津的余荡地较片大；4.俯1工程慢风险惨评估4性能茄化设偿计的甩加强再有泳，消左防主余管部旨门与甚隧道叫技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