超大直徑盾構隧道工程技術的發(fā)展 畢業(yè)論文設計

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1、 超大直徑盾構隧道工程技術的發(fā)展 摘要：論文介紹了日本、德國的直徑大于14m的盾構法隧道工程技術的開發(fā)及在越江跨海和城市地下道路工程中的應用過程。近6年來，我國上海在越江道路隧道工程中采用φ14.89m盾構施工2條雙層4來4去8車道的超大斷面隧道；又在長江底下采用2臺φ15.43m盾構連續(xù)掘進2條長7.5km的3來3去6車道的超大斷面隧道；還在市中心外灘道路下掘進了1條雙層3來3去的車行隧道。論文展望了國內(nèi)外超大斷面盾構隧道工程技術的發(fā)展和應用前景。 關鍵詞：盾構隧道 超大直徑

2、工程技術 1． 超大直徑盾構隧道工程技術的發(fā)展 國外盾構法隧道工程技術在近20年來向大深度、大斷面、長距離的方向發(fā)展并建成一批超大直徑的海底隧道和城市道路隧道。世界上第一個直徑大于14m的超大直徑盾構隧道工程是日本東京灣的海底道路隧道工程[1]。長9.4km的隧道采用8臺φ14.14m泥水盾構掘進施工,于1996年竣工，見圖1所示。盾構采用先進的自動掘進管理系統(tǒng)、自動測量管理系統(tǒng)和自動拼裝系統(tǒng),8臺盾構各掘進了約2.6km并在海底實現(xiàn)了對接,體現(xiàn)了高新技術在盾構法隧道工程中的應用。 隧道最大埋深60m，在粘土和砂性土中掘進，隧道管片分為11塊，厚度65cm，結(jié)構計算采用彈性地基梁模型，接頭

3、彈簧系數(shù)經(jīng)管片接頭試驗取得。 圖1a 東京灣道路隧道工程平、剖面圖 1997年6月，日本東京營團地鐵7號線麻布站工程[2] ，采用1臺Φ14.18m母子式泥水盾構掘進機，掘進一條長364m的3線地鐵隧道后進入通風井，然后從大盾構中推出Φ9.70m的盾構掘進777m的雙線隧道。這是世界是第一臺大直徑的母子式盾構，體現(xiàn)了盾構技術的新發(fā)展。 圖1b 東京灣道路隧道φ14.14m泥水盾構 圖2易北河第4隧道φ14.2m復合型泥水盾構 1997年開工的德國漢堡易北河第4隧道工程[1],長度2.6km,河底最小覆土僅為7m(

4、小于0.5D),采用海瑞克公司制造的φ14.2m復合型泥水盾構,見圖2所示。穿越的地層為堅硬的粘土、礫石, 含水豐富,透水系數(shù)大,掘進施工十分困難。盾構機中心設有3m直徑的先行小刀盤, 泥水艙下部設有可破碎直徑達1200mm巨礫的破碎機;另一項新技術是地震測量系統(tǒng)，稱為“聲波軟土測探系統(tǒng)”（SSP），可為整條隧道推進過程采集數(shù)據(jù)測量，提供盾構前20-30m的三維反射圖象。這臺盾構掘進機還設計了在常壓狀態(tài)下的刀盤更換設施。盾構技術體現(xiàn)了國際先進水平。 易北河第4隧道工程于2003年竣工。該φ14.2m復合型泥水盾構經(jīng)維修保養(yǎng)后于2003年用于俄羅斯莫斯科lefortovo地下道路隧道工程，掘進長

5、度2.5km，為單管3車道隧道；以后又在莫斯科西部掘進2條2.2km的道路隧道。φ14.2m復合型泥水盾構總共掘進4條道路隧道，總長度9.5km。 荷蘭格累恩哈特隧道,是阿姆斯特丹到布魯賽爾高速鐵路隧道工程，長度7,156m，中間設3座工作豎井,穿越地層為砂土，隧道埋深30m，采用法國NFM廠制造的外徑14.87m泥水氣平衡盾構掘進機，見圖3所示。掘進施工相當順利，日掘進速度約10m，隧道于2005年竣工。 馬德里M30地下道路隧道工程一期南環(huán)線, 2條3來3去隧道各長3.67km，穿越地層為堅硬、有裂隙的灰色或綠色泥灰?guī)r質(zhì)粘土和石膏。北隧道采用德國海瑞克制作的Φ15.2m世界最大雙子星

6、土壓盾構，于2005年11月盾構始發(fā)施工，2007年3月北隧道建成通車。南隧道采用日本三菱重工制作的15.2m土壓盾構掘進了3664 m，創(chuàng)日進度46米的紀錄。 圖3 荷蘭綠色心臟隧道φ14.87m盾構 圖4 馬德里M30地下道路隧道Φ15.2m雙子星土壓盾構 國外直徑超過14m的盾構隧道工程完成7項，掘進長度約43.7km。采用盾構13臺，其中11臺為泥水平衡盾構，僅2臺為土壓盾構。7項工程中，5項為道路隧道，1項為鐵路隧道，1項為地鐵隧道，見表1。 表1 國外超大直徑盾構隧道工程一覽表 工程名稱 盾構直徑、機型 隧道長度（

7、km） 埋深（m） 建設時間 東京灣道路隧道 8臺14.14m泥水盾構 9.42 60 1989-1996 東京地鐵7號線 14.18m母子泥水盾構 1.1 42 1997-1999 易北河第4隧道 莫斯科地下道路隧道 14.2m泥水盾構 2.56 2.5+2.22 41 1995-2003 2003-2009 綠色心臟隧道 14.9m泥水盾構 7 35 2001-2006 馬德里M30環(huán)線隧道 2臺15.01m土壓盾構 3.672 2004-2007 總計 13臺 43.7 2． 我國的超大直徑盾構隧道工程建

8、設 2.1 直徑14.5m的上海上中路隧道工程 2004年，上海上中路越江隧道工程引進當時世界最大直徑的φ14.87m泥水加壓盾構（曾用于荷蘭綠心隧道工程掘進7.15km），在黃浦江下掘進施工2條隧道，掘進長度1250m, 隧道結(jié)構為雙管雙層雙向8車道[3]，見圖5所示。上、下兩層車道寬度3.25m2+3.5m2，通行凈高≥4.5m設計車速80km/h。隧道襯砌采用單層襯砌，為通用環(huán)楔形管片,采用全圓周錯縫拼裝工藝。圓形隧道的下層車道板結(jié)構采用預制構件和現(xiàn)澆鋼筋混凝土相結(jié)合的形式。隧道穿越地層為飽和含水的淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、，隧道最大埋深45m，最淺覆土8.6m。2009

9、年建成通車。 圖5 上中路隧道雙層4車道結(jié)構和盾構始發(fā) 2008年，上海中環(huán)線軍工路隧道，再次采用該臺φ14.87m泥水加壓盾構掘進2條越江道路隧道，掘進長度1525m，2010年建成通車。1臺二手的φ14.87m泥水加壓盾構經(jīng)維修保養(yǎng)后在4年內(nèi)用于2項工程4條隧道5550m的掘進施工。如加上荷蘭綠心隧道7156m，該臺盾構共計掘進長度達12.7km。 2.2 直徑15m的上海長江隧道工程 2005年,上海長江隧橋工程開工, 其中隧道段長8.95km，設計車速80km/h[4]。全線道路為雙向6車道，見圖5所示。隧道最大埋深55m，穿越地層為軟弱的淤泥

10、質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土。圓隧道襯砌環(huán)外徑15000mm，環(huán)寬2000mm，壁厚650mm。采用裝配式鋼筋混凝土通用楔形管片錯縫拼裝，混凝土強度等級C60，抗?jié)B等級S12。襯砌圓環(huán)共分為10塊, 根據(jù)埋深不同，分淺埋、中埋、深埋和超深埋管片。管片環(huán)、縱向采用斜螺栓連接。環(huán)間采用38根T30縱向螺栓連接，塊與塊間以2根T39的環(huán)向螺栓相連。襯砌管片接縫采用壓縮永久變形小、應力松弛小、耐老化性能佳的三元乙丙橡膠條與遇水膨脹橡膠條組成兩道防水線。在淺覆土地段、地層變化位置和連接通道處襯砌環(huán)間增設了剪力銷，以提高特殊區(qū)段襯砌環(huán)間的抗剪能力，減少環(huán)間高差。

11、 圖5 隧道襯砌結(jié)構和示意圖 隧道采用世界最大直徑15.43m泥水氣平衡盾構施工,掘進長度7470m，該工程特點帶來的技術難點表現(xiàn)為：超大斷面盾構襯砌結(jié)構設計、開挖面穩(wěn)定、隧道抗浮、管片制作與拼裝等；7.47km的一次掘進中其關鍵部件的檢修、三維軸線控制、隧道通風與降溫、公路與軌道交通共用隧道火災控制與救援疏散、施工等；高水壓下軟土復雜地質(zhì)條件，需要考慮隧道防水、耐久性等難題;多工序隧道內(nèi)部結(jié)構階梯流水同步施工、施工風險防范與控制、全壽命周期隧道建養(yǎng)一體化管理等問題。長江隧橋工程于2009年11月建成通車，見圖6所示。 圖6 上海長江隧

12、道15.43m泥水盾構和隧道通車 2.3 南京長江隧道工程 南京長江隧道位于南京長江大橋與三橋之間，連接河西新城區(qū)—江心洲—浦口區(qū)。 工程通道總長約6.2km，按6車道城市快速通道規(guī)模建設，設計車速80km/h，采用“左汊盾構隧道+右汊橋梁”方案。左汊盾構隧道長度3835m，隧道外徑14.5m，為雙管3來3去6車道，采用2臺14.9m泥水盾構施工[5]。盾構于2007年12月始發(fā)推進，隧道最大埋深56m，穿越地層復雜，有軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細砂、粉細砂，也有礫砂、粘土混卵石。盾構掘進礫砂和卵石地層時，對刀具的磨損較大。南京長江隧道于2010年5月建成通車。

13、 圖7 南京長江隧道示意圖和盾構掘進施工 2.4 上海外灘地下道路隧道工程 2007年，上海外灘道路隧道(3來3去6車道)開工建設，其北段1098m為盾構隧道，采用φ14.27m土壓平衡盾構施工[6]，為國內(nèi)首次采用大直徑土壓平衡盾構在城市密集區(qū)施工，成功完成“1橋2隧33棟”等建構筑物的穿越施工，浦江飯店樁基與盾構邊線僅1.7m，見圖8所示。隧道的最小覆土厚度僅為8.52m，約為0.6D，屬于淺覆土施工。外灘隧道于2010年3月28日建成運營，緩解了交通擁堵，改善了外灘景觀。 圖8 外灘道路隧道示意圖和穿越建筑物施工 2009年，上海虹

14、橋綜合交通樞紐迎賓三路隧道工程(雙層3來3去6車道)開工建設，又一次采用φ14.27m土壓平衡盾構，盾構成功穿越七莘路高架、北橫涇、機場滑行道、機場主跑道、機場航油管、停機坪、101鐵路及歷史保護建筑物，掘進長度1862m。迎賓三路隧道于2011年3月22日全線貫通。 近6年來，我國超大直徑盾構隧道建成通車運營5項，其中上海4項，南京1項，采用盾構掘進機6臺，掘進長度達37km，見表2。接近了國外20年來超大直徑隧道工程的總長度43.7km。 表2 我國超大直徑盾構隧道工程一覽表 工程名稱 盾構直徑、機型 隧道長度（km） 埋深（m） 建設時間 上海上中路

15、隧道 軍工路隧道 1臺14.89m泥水盾構 1.252 1.5252 23-43 2005-2009 2008-2010 上海長江隧道 2臺15.43m泥水盾構 7.472 23-55 2005-2009 南京長江隧道 2臺14.9m泥水盾構 3.8352 56 2005-2010 上海外灘道路隧道 迎賓三路隧道 1臺14.27m土壓盾構 1.098 1.682 2007-2010 2009-2011 杭州錢江隧道 1臺15.43m泥水盾構 3.022 2008-2011 總計 6臺 37.53

16、 目前正在施工的超大直徑盾構隧道還有上海的長江西路越江隧道和虹梅南路越江隧道工程，南京緯三路過江通道工程。 3． 超大直徑盾構隧道工程的發(fā)展趨勢 3.1 國外超大直徑盾構隧道工程的發(fā)展趨勢 在超大直徑盾構隧道建造方面，意大利連接佛羅倫薩和博洛尼亞A1高速公路的sparvo隧道，長2.5km，為2條3車道的隧道工程，采用1臺德國海瑞克制造的φ15.55m土壓盾構掘進施工，2011年始發(fā)，計劃2015年建成通車。 美國西雅圖金郡擬修建一條長3.5km的大直徑地下道路隧道（SR99），預計2011開始施工，2015年通車，盾構隧道直徑為16.5m，為上下雙層二來二去四車道隧道

17、，見圖9所示。隧道工程采用日本日立造船公司制造的φ17.52m土壓盾構掘進施工。 圖9 西雅圖地下道路隧道剖面圖 俄羅斯圣彼得堡穿越涅瓦河的奧洛夫斯基隧道，設計為雙層三來三去六車道隧道，將采用德國海瑞克公司制造的世界最大直徑的φ19.25m混合型盾構掘進施工。盾構將在2013年春季始發(fā)，計劃于2016年建成運營。 擬建的白令海峽海底隧道長103km，可以從俄羅斯的西伯利亞連接美國的阿拉斯加。白令海峽長約60km，寬35～86km，平均水深42m，最大水深52m。海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速公路、多條輸油管道，海底隧道將由俄

18、羅斯和美國、加拿大共同修建，擬采用19.2m 盾構掘進機施工。隧道建成后將形成從倫敦到紐約跨越四分之三個地球的終極鐵路。 隨著盾構隧道斷面的增大，單管雙層隧道結(jié)構已成為發(fā)展趨勢。西雅圖的地下道路為雙層二來二去四車道，外徑16.5m；奧洛夫斯基隧道為雙層三來三去六車道隧道，外徑18.7m。雙層車行隧道具有斷面有效利用率高、工程成本低的優(yōu)點，成為發(fā)展方向。盾構制造技術的發(fā)展，為超大直徑隧道提供了基礎。從14m直徑到15m，經(jīng)歷了10年，從15m發(fā)展到16m、17m、19m，僅不到5年時間。直徑15m的隧道斷面積為178m，而直徑19m的隧道斷面積為283m，增大了1.5倍。 3.2 我

19、國城市超大直徑盾構隧道工程的發(fā)展趨勢 上海正在建設的越江道路隧道有長江西路隧道、虹梅南路隧道，均為雙管3來3去6車道隧道，各采用1臺超大直徑盾構掘進施工。在建的地下道路隧道有位于虹橋機場地區(qū)的迎賓三路隧道，為3來3去單孔隧道。擬建的南北通道全長16km，雙向6車道，大部分為地下道路，北起位于東北的中環(huán)線大柏樹立交，沿曲陽路下穿公平路、黃浦江、浦東南路、浦三路、楊高路后，再出地面接中環(huán)線楊高南路立交。地下道路采用超大直徑隧道、單孔雙層三來三去6車道布置。 正在建設施工的杭州錢江隧道為雙管3來3去6車道，全長4.45km，主隧道外徑15m，采用1臺Φ15.43m泥水盾構施工，掘進長度3245

20、m。 南京的緯三路過江通道工程為穿越長江的雙向雙層8車道隧道，南線隧道長5290m（盾構段長3995m），北線隧道長4990m（盾構段長3688m）。隧道外徑14.5m，采用2臺Φ14.9m泥水盾構掘進施工，見圖10所示。 圖10 南京緯三路過江通道工程示意圖 北京的道路交通擁堵已嚴重影響城市的發(fā)展，修建地下道路將是解決交通擁堵有效方案。北京將開建西二環(huán)、東二環(huán)、首體南路、學院南路、臺基廠大街、北辰東路等6條地下道路，總長度約30km。超大直徑盾構隧道將是地下道路工程建設的首選。 4 結(jié)語 超大直徑盾構隧道自東京灣道路隧道于1996年建成以來，已建成工程1

21、2項，總長度80km，采用盾構18臺，其中15臺為泥水平衡盾構，3臺為土壓平衡盾構。12項工程中，道路隧道占10項，鐵路隧道1項，地鐵工程1項。在12項道路隧道工程中，水底隧道7項，長度約50km，占超大直徑盾構隧道總長度的60%。 從發(fā)展趨勢來看，超大直徑的城市道路隧道采用雙層結(jié)構因斷面利用率高而成為發(fā)展方向。單孔雙層4車道和6車道已在國內(nèi)外多項隧道工程中成功地得到應用。擬建中的白令海峽隧道工程將采用19.2m 盾構掘進機施工103km，在超大直徑和超長距離盾構技術領域成為世界隧道工程史上的又一次新的挑戰(zhàn)。 參考文獻： [1] 張鳳祥.傅德明.楊國祥.盾構隧道施工技術手

22、冊.北京 ：人民交通出版社 ，2005：657～683 [2] 江中孚.傅德明.日本盾構隧道新技術資料匯編 .上海隧道工程股份有限公司技術中心，2006：11～17 [3] 王德中.傅德明. 大直徑隧道與城市軌道交通工程技術.上海：同濟大學出版社，2005：67～73 [4] 余暄平.沈永東. 大直徑隧道與城市軌道交通工程技術.上海：同濟大學出版社，2005：12～24 [5] 靳世鶴.地下工程施工與風險防范技術.上海：同濟大學出版社，2007：55～58 [6] 周文波.丁志誠.地下工程建設與環(huán)境和諧發(fā)展. 上海：同濟大學出版社，2009：3～17 . . . 13