大直径盾构隧道的技术进展

国内大直径盾构隧道设计技术进展王子成教授北京交通大学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。2.1盾构隧道结构计算理论概况2设计计算方法的进步盾构隧道结构计算经历了刚性结构法、弹性结构法、假定抗力法、弹性地基梁法、连续介质法几个阶段，几种地下结构计算理论的发展在时间上没有截然的前后之分，后期提出的计算方法也没有否定前期的成果，且每一种计算理论中，又可根据假定条件的不同细分为多种具体的计算方法。在目前设计和研究中，假定抗力法、弹性地基梁法和连续介质模型计算法都有应用。由于可用于盾构隧道结构计算的方法很多，相应的计算结果的差距也较为明显。2.1盾构隧道结构计算理论概况2设计计算方法的进步世界各国盾构隧道衬砌设计荷载计算方法见下表：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我国大直径盾构隧道的结构计算方法2设计计算方法的进步我国大直径盾构的结构一般采用修正惯用设计法或梁——弹簧模型进行计算，但根据工程的具体条件也有采用其它计算方法的实例，如狮子洋隧道由于大部分地段位于基岩中，采用了有限元法进行计算。由于我国盾构隧道的直径在逐步加大，而且很多隧道在当地均是首次建设，缺少经验，因此，一般同时采用两种计算方法进行相互校核，并取其内力包络进行结构设计。2.2.1隧道横向计算OiM=K~O接缝回转弹簧K1切向剪切弹簧K3径向剪切弹簧K2C环B环(目标环)A环2.2我国大直径盾构隧道的结构计算方法2设计计算方法的进步随着对盾构隧道研究的深入，结合对已经运营的盾构隧道的监测数据分析，盾构隧道的纵向变形问题开始受到关注，并提出了纵向设计的概念。目前纵向计算多采用弹性地基梁的方法，对曲线半径较小的地段同时也采用三维有限元的方法对施工过程进行模拟计算。2.2.2隧道纵向计算2.2我国大直径盾构隧道的结构计算方法2设计计算方法的进步为验证结构设计的安全性与合理性，南京长江隧道、上海长江隧道、狮子洋隧道均进行了原型结构试验和现场实测，这些研究成果对改进结构设计方法将起到很好的指导作用。2.2.3大型结构试验与现场实测2.2我国大直径盾构隧道的结构计算方法2设计计算方法的进步为验证结构设计的安全性与合理性，南京长江隧道、上海长江隧道、狮子洋隧道均进行了原型结构试验和现场实测，这些研究成果对改进结构设计方法将起到很好的指导作用。2.2.3大型结构试验与现场实测武汉长江隧道3.1衬砌结构的多样化3隧道结构与防水新技术工程实践经验证明，盾构法隧道采用单层管片衬砌完全可以满足变形、接缝张开量及混凝土裂缝控制等的设计要求，同时通过同步注浆和二次注浆，可以进一步加强管片稳定与防水效果。又由于单层管片衬砌具有工艺简单、工期短、投资节省的优点，因此盾构隧道一般采用单层管片衬砌。3.1衬砌结构的多样化3隧道结构与防水新技术随着盾构隧道工程用途的推广，国内铁路盾构隧道开始尝试设置二次衬砌的新结构。如狮子洋隧道拟在软弱地层地段和防灾救援定点地段加设内衬。这主要是由于高速列车通过隧道时，隧道内气压变化幅度大、频率高，防火涂层由于耐久性和粘结力的原因可能产生掉块，而二次衬砌无论是在耐久性还是防火性能方面均有明显的优势。拟建的沪通线路中线建筑限界内衬救援通道内轨顶面隧道中线厚30cm电力电缆槽管片内衬铁路黄浦江隧道为通行双层集装箱列车和油罐车的水下盾构隧道，为加强防火性能和提高抵抗列车脱轨撞击的能力，亦准备采用管片＋内衬的结构方案。3.2通用楔形环的采用3隧道结构与防水新技术我国上个世纪修建的盾构隧道均同时采用几种衬砌环类型，即左转弯环、右转弯环和直线环。该种设计方式有以下缺点：①衬砌环类型多，需要更多的管片制造模具，增加了造价；②由于各种衬砌在外观尺寸上差别很小，增加了施工管理难度；③管片本身无法拟合竖曲线，在竖曲线地段需在环面加设不等厚的垫片，这在强透水和高水压地层中对防水不利；④由于施工中不可避免会产生掘进方向的误差，因而在一环掘进完成前无法预知该采用何种衬砌环，不利于管片提前组织运输，因而施工速度较慢，当掘进长度较长时尤为不利。3.2通用楔形环的采用3隧道结构与防水新技术为克服上述缺点，武汉长江隧道工程在国内大直径盾构隧道中率先采用通用楔形环衬砌。该种类型衬砌环只需一种类型模具，通过衬砌环的旋转可以实现直线、平曲线、竖曲线的拟合和纠偏需要，且拟合精度高。通用楔形环的缺点在于管片空间旋转位置不固定，为找出结构最不利受力状态，需进行高达几十种甚至上百种拼装组合状态的计算，计算工作量大。3.3新材料的应用3隧道结构与防水新技术为提高管片