超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

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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(guó)的直徑大于14m的盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)及在越江跨海和城市地下道路工程中的應(yīng)用過(guò)程。近6年來(lái)，我國(guó)上海在越江道路隧道工程中采用φ14.89m盾構(gòu)施工2條雙層4來(lái)4去8車(chē)道的超大斷面隧道；又在長(zhǎng)江底下采用2臺(tái)φ15.43m盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)2條長(zhǎng)7.5km的3來(lái)3去6車(chē)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(lái)3去的車(chē)行隧道。論文展望了國(guó)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。 關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道 超大直徑

2、工程技術(shù) 1． 超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)在近20年來(lái)向大深度、大斷面、長(zhǎng)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底道路隧道工程[1]。長(zhǎng)9.4km的隧道采用8臺(tái)φ14.14m泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工,于1996年竣工，見(jiàn)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(cè)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65cm，結(jié)構(gòu)計(jì)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(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(yíng)團(tuán)地鐵7號(hào)線麻布站工程[2] ，采用1臺(tái)Φ14.18m母子式泥水盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)一條長(zhǎng)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Φ9.70m的盾構(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φ14.14m泥水盾構(gòu) 圖2易北河第4隧道φ14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu) 1997年開(kāi)工的德國(guó)漢堡易北河第4隧道工程[1],長(zhǎng)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(fù)合型泥水盾構(gòu),見(jiàn)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(pán), 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(cè)量系統(tǒng)，稱(chēng)為“聲波軟土測(cè)探系統(tǒng)”（SSP），可為整條隧道推進(jìn)過(guò)程采集數(shù)據(jù)測(cè)量，提供盾構(gòu)前20-30m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(pán)更換設(shè)施。盾構(gòu)技術(shù)體現(xiàn)了國(guó)際先進(jìn)水平。 易北河第4隧道工程于2003年竣工。該φ14.2m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(zhǎng)

5、度2.5km，為單管3車(chē)道隧道；以后又在莫斯科西部掘進(jìn)2條2.2km的道路隧道。φ14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu)總共掘進(jìn)4條道路隧道，總長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)NFM廠制造的外徑14.87m泥水氣平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，見(jiàn)圖3所示。掘進(jìn)施工相當(dāng)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(lái)3去隧道各長(zhǎng)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(guó)海瑞克制作的Φ15.2m世界最大雙子星

6、土壓盾構(gòu)，于2005年11月盾構(gòu)始發(fā)施工，2007年3月北隧道建成通車(chē)。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3664 m，創(chuàng)日進(jìn)度46米的紀(jì)錄。 圖3 荷蘭綠色心臟隧道φ14.87m盾構(gòu) 圖4 馬德里M30地下道路隧道Φ15.2m雙子星土壓盾構(gòu) 國(guó)外直徑超過(guò)14m的盾構(gòu)隧道工程完成7項(xiàng)，掘進(jìn)長(zhǎng)度約43.7km。采用盾構(gòu)13臺(tái)，其中11臺(tái)為泥水平衡盾構(gòu)，僅2臺(tái)為土壓盾構(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，見(jiàn)表1。 表1 國(guó)外超大直徑盾構(gòu)隧道工程一覽表 工程名稱(chēng) 盾構(gòu)直徑、機(jī)型 隧道長(zhǎng)度（

7、km） 埋深（m） 建設(shè)時(shí)間 東京灣道路隧道 8臺(tái)14.14m泥水盾構(gòu) 9.42 60 1989-1996 東京地鐵7號(hào)線 14.18m母子泥水盾構(gòu) 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(gòu) 2.56 2.5+2.22 41 1995-2003 2003-2009 綠色心臟隧道 14.9m泥水盾構(gòu) 7 35 2001-2006 馬德里M30環(huán)線隧道 2臺(tái)15.01m土壓盾構(gòu) 3.672 2004-2007 總計(jì) 13臺(tái) 43.7 2． 我國(guó)的超大直徑盾構(gòu)隧道工程建

8、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φ14.87m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(zhǎng)度1250m, 隧道結(jié)構(gòu)為雙管雙層雙向8車(chē)道[3]，見(jiàn)圖5所示。上、下兩層車(chē)道寬度3.25m2+3.5m2，通行凈高≥4.5m設(shè)計(jì)車(chē)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)縫拼裝工藝。圓形隧道的下層車(chē)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

9、年建成通車(chē)。 圖5 上中路隧道雙層4車(chē)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)φ14.87m泥水加壓盾構(gòu)掘進(jìn)2條越江道路隧道，掘進(jìn)長(zhǎng)度1525m，2010年建成通車(chē)。1臺(tái)二手的φ14.87m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(zhǎng)度達(dá)12.7km。 2.2 直徑15m的上海長(zhǎng)江隧道工程 2005年,上海長(zhǎng)江隧橋工程開(kāi)工, 其中隧道段長(zhǎng)8.95km，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h[4]。全線道路為雙向6車(chē)道，見(jiàn)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(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、地層變化位置和連接通道處襯砌環(huán)間增設(shè)了剪力銷(xiāo)，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(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(zhǎng)度7470m，該工程特點(diǎn)帶來(lái)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(kāi)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(wèn)題。長(zhǎng)江隧橋工程于2009年11月建成通車(chē)，見(jiàn)圖6所示。 圖6 上海長(zhǎng)江隧

12、道15.43m泥水盾構(gòu)和隧道通車(chē) 2.3 南京長(zhǎng)江隧道工程 南京長(zhǎng)江隧道位于南京長(zhǎng)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(zhǎng)約6.2km，按6車(chē)道城市快速通道規(guī)模建設(shè)，設(shè)計(jì)車(chē)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(zhǎng)度3835m，隧道外徑14.5m，為雙管3來(lái)3去6車(chē)道，采用2臺(tái)14.9m泥水盾構(gòu)施工[5]。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(zhǎng)江隧道于2010年5月建成通車(chē)。

13、 圖7 南京長(zhǎng)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(lái)3去6車(chē)道)開(kāi)工建設(shè)，其北段1098m為盾構(gòu)隧道，采用φ14.27m土壓平衡盾構(gòu)施工[6]，為國(guó)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，見(jiàn)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(yùn)營(yíng)，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(lái)3去6車(chē)道)開(kāi)工建設(shè)，又一次采用φ14.27m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(chǎng)滑行道、機(jī)場(chǎng)主跑道、機(jī)場(chǎng)航油管、停機(jī)坪、101鐵路及歷史保護(hù)建筑物，掘進(jìn)長(zhǎng)度1862m。迎賓三路隧道于2011年3月22日全線貫通。 近6年來(lái)，我國(guó)超大直徑盾構(gòu)隧道建成通車(chē)運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)度達(dá)37km，見(jiàn)表2。接近了國(guó)外20年來(lái)超大直徑隧道工程的總長(zhǎng)度43.7km。 表2 我國(guó)超大直徑盾構(gòu)隧道工程一覽表 工程名稱(chēng) 盾構(gòu)直徑、機(jī)型 隧道長(zhǎng)度（km） 埋深（m） 建設(shè)時(shí)間 上海上中路

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

16、 目前正在施工的超大直徑盾構(gòu)隧道還有上海的長(zhǎng)江西路越江隧道和虹梅南路越江隧道工程，南京緯三路過(guò)江通道工程。 3． 超大直徑盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展趨勢(shì) 3.1 國(guó)外超大直徑盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展趨勢(shì) 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(zhǎng)2.5km，為2條3車(chē)道的隧道工程，采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克制造的φ15.55m土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，2011年始發(fā)，計(jì)劃2015年建成通車(chē)。 美國(guó)西雅圖金郡擬修建一條長(zhǎng)3.5km的大直徑地下道路隧道（SR99），預(yù)計(jì)2011開(kāi)始施工，2015年通車(chē)，盾構(gòu)隧道直徑為16.5m，為上下雙層二來(lái)二去四車(chē)道隧道

17、，見(jiàn)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(gòu)掘進(jìn)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(shè)計(jì)為雙層三來(lái)三去六車(chē)道隧道，將采用德國(guó)海瑞克公司制造的世界最大直徑的φ19.25m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(yíng)。 擬建的白令海峽海底隧道長(zhǎng)103km，可以從俄羅斯的西伯利亞連接美國(guó)的阿拉斯加。白令海峽長(zhǎng)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(guó)、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(shì)。西雅圖的地下道路為雙層二來(lái)二去四車(chē)道，外徑16.5m；奧洛夫斯基隧道為雙層三來(lái)三去六車(chē)道隧道，外徑18.7m。雙層車(chē)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178m，而直徑19m的隧道斷面積為283m，增大了1.5倍。 3.2 我

19、國(guó)城市超大直徑盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展趨勢(shì) 上海正在建設(shè)的越江道路隧道有長(zhǎng)江西路隧道、虹梅南路隧道，均為雙管3來(lái)3去6車(chē)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(chǎng)地區(qū)的迎賓三路隧道，為3來(lái)3去單孔隧道。擬建的南北通道全長(zhǎng)16km，雙向6車(chē)道，大部分為地下道路，北起位于東北的中環(huán)線大柏樹(shù)立交，沿曲陽(yáng)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(lái)三去6車(chē)道布置。 正在建設(shè)施工的杭州錢(qián)江隧道為雙管3來(lái)3去6車(chē)道，全長(zhǎng)4.45km，主隧道外徑15m，采用1臺(tái)Φ15.43m泥水盾構(gòu)施工，掘進(jìn)長(zhǎng)度3245

20、m。 南京的緯三路過(guò)江通道工程為穿越長(zhǎng)江的雙向雙層8車(chē)道隧道，南線隧道長(zhǎng)5290m（盾構(gòu)段長(zhǎng)3995m），北線隧道長(zhǎng)4990m（盾構(gòu)段長(zhǎng)3688m）。隧道外徑14.5m，采用2臺(tái)Φ14.9m泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工，見(jiàn)圖10所示。 圖10 南京緯三路過(guò)江通道工程示意圖 北京的道路交通擁堵已嚴(yán)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(kāi)建西二環(huán)、東二環(huán)、首體南路、學(xué)院南路、臺(tái)基廠大街、北辰東路等6條地下道路，總長(zhǎng)度約30km。超大直徑盾構(gòu)隧道將是地下道路工程建設(shè)的首選。 4 結(jié)語(yǔ) 超大直徑盾構(gòu)隧道自東京灣道路隧道于1996年建成以來(lái)，已建成工程1

21、2項(xiàng)，總長(zhǎng)度80km，采用盾構(gòu)18臺(tái)，其中15臺(tái)為泥水平衡盾構(gòu)，3臺(tái)為土壓平衡盾構(gòu)。12項(xiàng)工程中，道路隧道占10項(xiàng)，鐵路隧道1項(xiàng)，地鐵工程1項(xiàng)。在12項(xiàng)道路隧道工程中，水底隧道7項(xiàng)，長(zhǎng)度約50km，占超大直徑盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)度的60%。 從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超大直徑的城市道路隧道采用雙層結(jié)構(gòu)因斷面利用率高而成為發(fā)展方向。單孔雙層4車(chē)道和6車(chē)道已在國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)隧道工程中成功地得到應(yīng)用。擬建中的白令海峽隧道工程將采用19.2m 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工103km，在超大直徑和超長(zhǎng)距離盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域成為世界隧道工程史上的又一次新的挑戰(zhàn)。 參考文獻(xiàn)： [1] 張鳳祥.傅德明.楊國(guó)祥.盾構(gòu)隧道施工技術(shù)手

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