超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展

1、超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展摘 要：論文介紹了日本、德國的直徑大于14m的盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)的開發(fā)及在越江跨海和城市地下道路工程中的應(yīng)用過程。近6年來，我國上海在越江道路隧道工程中采用14.89m盾構(gòu)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(tái)15.43m盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)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(jìn)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(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。 The paper introduces development of tunnelling technology applied on Japane

2、se or German TBM boring of diameter larger than 14m and its process of application in crossriver/sea and urban motorway projects underground. Nearly 6 years since,14.89m TBM driven tunnel of extra large cross-section with twin bores was built, each bore with two carriageways, double deck of 2 lane p

3、er deck configuration, again under the Changjiang river, 215.43m TBMs, each bored one 7. 5km long tunnel with 1 carriageway, 3 lane configuration of extra large cross-section, and still another tunnel under motorway along the Bund in downtown Shanghai, a double deck with 2 carriageways, each of 3 la

4、ne configuration. This paper takes an outlook on development of TBM tunnelling with extra large cross-section both within the country and abroad together with its application prospect.1  超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展國外盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)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(gè)直徑大于14m的超大直徑盾構(gòu)隧道工程是日本東京灣的海

5、底道路隧道工程1。長9.4km的隧道采用8臺(tái)14.14m泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工,于1996年竣工，見圖1所示。盾構(gòu)采用先進(jìn)的自動(dòng)掘進(jìn)管理系統(tǒng)、自動(dòng)測量管理系統(tǒng)和自動(dòng)拼裝系統(tǒng),8臺(tái)盾構(gòu)各掘進(jìn)了約2.6km并在海底實(shí)現(xiàn)了對(duì)接,體現(xiàn)了高新技術(shù)在盾構(gòu)法隧道工程中的應(yīng)用。隧道最大埋深60m，在粘土和砂性土中掘進(jìn)，隧道管片分為11塊，厚度1625px，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用彈性地基梁模型，接頭彈簧系數(shù)經(jīng)管片接頭試驗(yàn)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(tuán)地鐵7號(hào)線麻布站工程，采用1臺(tái)14.18m母子式泥水盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)一條長364m的3線地鐵隧道后進(jìn)入通風(fēng)井，然后從大盾構(gòu)中推出9.70m的盾

6、構(gòu)掘進(jìn)777m的雙線隧道。這是世界是第一臺(tái)大直徑的母子式盾構(gòu)，體現(xiàn)了盾構(gòu)技術(shù)的新發(fā)展。圖1b東京灣道路隧道14.14m泥水盾構(gòu)圖2易北河第4隧道14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu)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(小于0.5D),采用海瑞克公司制造的14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu),見圖2所示。穿越的地層為堅(jiān)硬的粘土、礫石,含水豐富,透水系數(shù)大,掘進(jìn)施工十分困難。盾構(gòu)機(jī)中心設(shè)有3m直徑的先行小刀盤,泥水艙下部設(shè)有可破碎直徑達(dá)1200mm巨礫的破碎機(jī);另一項(xiàng)新技術(shù)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(jìn)過程采集數(shù)據(jù)測量，提供盾構(gòu)前20-3

7、0m的三維反射圖象。這臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)還設(shè)計(jì)了在常壓狀態(tài)下的刀盤更換設(shè)施。盾構(gòu)技術(shù)體現(xiàn)了國際先進(jìn)水平。易北河第4隧道工程于2003年竣工。該14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu)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(jìn)長度2.5km，為單管3車道隧道；以后又在莫斯科西部掘進(jìn)2條2.2km的道路隧道。14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu)總共掘進(jìn)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(shè)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)，見圖3所示。掘進(jìn)施工相當(dāng)

8、順利，日掘進(jìn)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(jiān)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15.2m世界最大雙子星土壓盾構(gòu)，(圖4)于2005年11月盾構(gòu)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(gòu)掘進(jìn)了3664m，創(chuàng)日進(jìn)度46米的紀(jì)錄。圖3荷蘭綠色心臟隧道14.87m盾構(gòu)圖4馬德里M30地下道路隧道15.2m雙子星土壓盾構(gòu)國外直徑超過14m的盾構(gòu)隧道工程完成7項(xiàng)，掘進(jìn)長度約43.7km。采用盾構(gòu)13臺(tái)，其中311臺(tái)為泥水平衡盾構(gòu)，僅2臺(tái)為土

9、壓盾構(gòu)。7項(xiàng)工程中，5項(xiàng)為道路隧道，1項(xiàng)為鐵路隧道，1項(xiàng)為地鐵隧道，如表1所示。表1國外超大直徑盾構(gòu)隧道工程一覽表 2  我國的超大直徑盾構(gòu)隧道工程建設(shè)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(jìn)當(dāng)時(shí)世界最大直徑的14.87m泥水加壓盾構(gòu)（曾用于荷蘭綠心隧道工程掘進(jìn)7.15km），在黃浦江下掘進(jìn)施工2條隧道，掘進(jìn)長度1250m,隧道結(jié)構(gòu)為雙管雙層雙向8車道3，如圖5所示。上、下兩層車道寬度3.25m×2+3.5m×2，通行凈高4.5m設(shè)計(jì)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(cuò)縫拼

10、裝工藝。圓形隧道的下層車道板結(jié)構(gòu)采用預(yù)制構(gòu)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年建成通車。圖5上中路隧道雙層4車道結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)始發(fā)2008年，上海中環(huán)線軍工路隧道，再次采用該臺(tái)14.87m泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)2條越江道路隧道，掘進(jìn)長度1525m，2010年建成通車。1臺(tái)二手的14.87m泥水加壓盾構(gòu)經(jīng)維修保養(yǎng)后在4年內(nèi)用于2項(xiàng)工程4條隧道5550m的掘進(jìn)施工。如加上荷蘭綠心隧道7156m，該臺(tái)盾構(gòu)共計(jì)掘進(jìn)長度達(dá)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.

11、95km，設(shè)計(jì)車速80km/h4。全線道路為雙向6車道，如圖6所示。隧道最大埋深55m，穿越地層為軟弱的淤泥質(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4用裝配式鋼筋混凝土通用楔形管片錯(cuò)縫拼裝，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，抗?jié)B等級(jí)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(yīng)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

12、接通道處襯砌環(huán)間增設(shè)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。圖6隧道襯砌結(jié)構(gòu)和示意圖隧道采用世界最大直徑15.43m泥水氣平衡盾構(gòu)施工,掘進(jìn)長度7470m，該工程特點(diǎn)帶來的技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)為：超大斷面盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jìn)中其關(guān)鍵部件的檢修、三維軸線控制、隧道通風(fēng)與降溫、公路與軌道交通共用隧道火災(zāi)控制與救援疏散、施工等；高水壓下軟土復(fù)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(gòu)階梯流水同步施工、施工風(fēng)險(xiǎn)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，如圖7所示。圖7

13、  上海長江隧道15.43m泥水盾構(gòu)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(shè)，設(shè)計(jì)車速80km/h，采用“左汊盾構(gòu)隧道+右汊橋梁”方案。左汊盾構(gòu)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(tái)14.9m泥水盾構(gòu)施工。盾構(gòu)于2007年12月始發(fā)推進(jìn)，隧道最大埋深56m，穿越地層復(fù)雜，有軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉細(xì)砂，也有礫砂、粘土混卵石。盾構(gòu)掘進(jìn)礫砂和卵石地層時(shí)，對(duì)刀具的磨損較大。南京長江隧道于2010年5月建成通車，如圖8所示。圖8&#

14、160; 南京長江隧道示意圖和盾構(gòu)掘進(jìn)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(shè)，其北段1098m為盾構(gòu)隧道，采用14.27m土壓平衡盾構(gòu)施工，為國內(nèi)首次采用大直徑土壓平衡盾構(gòu)在城市密集區(qū)施工，成功完成“1橋2隧33棟”等建構(gòu)筑物的穿越施工，浦江飯店樁基與盾構(gòu)邊線僅1.7m，如圖9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(yùn)營，緩解了交通擁堵，改善了外灘景觀。圖9外灘道路隧道示意圖和穿越建筑物施工2009年，上海虹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(shè)，又

15、一次采用14.27m土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)成功穿越七莘路高架、北橫涇、機(jī)場滑行道、機(jī)場主跑道、機(jī)場航油管、停機(jī)坪、101鐵路及歷史保護(hù)建筑物，掘進(jìn)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(gòu)隧道建成通車運(yùn)營5項(xiàng)，其中上海4項(xiàng)，南京1項(xiàng)，采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)6臺(tái)，掘進(jìn)長度達(dá)37km，如表2所示。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(gòu)隧道工程一覽表目前正在施工的超大直徑盾構(gòu)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(gòu)隧道工程的發(fā)展趨勢3.1國外超大直徑盾構(gòu)隧

16、道工程的發(fā)展趨勢在超大直徑盾構(gòu)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(tái)德國海瑞克制造的15.55m土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，2011年始發(fā)，計(jì)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(yù)計(jì)2011開始施工，2015年通車，盾構(gòu)隧道直徑為16.5m，為上下雙層二來二去四車道隧道，如圖10所示。隧道工程采用日本日立造船公司制造的17.52m土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工。圖10  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(shè)計(jì)為雙層三來三去六車道隧道，將采用

17、德國海瑞克公司制造的世界最大直徑的19.25m混合型盾構(gòu)掘進(jìn)施工。盾構(gòu)將在2013年春季始發(fā)，計(jì)劃于2016年建成運(yùn)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3586km，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，海底隧道將由俄羅斯和美國、加拿大共同修建，擬采用19.2m盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工。隧道建成后將形成從倫敦到紐約跨越四分之三個(gè)地球的終極鐵路。隨著盾構(gòu)隧道斷面的增大，單管雙層隧道結(jié)構(gòu)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

18、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(diǎn)，成為發(fā)展方向。盾構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展，為超大直徑隧道提供了基礎(chǔ)。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(shí)間。直徑15m的隧道斷面積為178m2，而直徑19m的隧道斷面積為283m2，增大了1.5倍。3.2我國城市超大直徑盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展趨勢上海正在建設(shè)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(tái)超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工。在建的地下道路隧道有位于虹橋機(jī)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7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