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大直径隧道知多少?

盾构是建造穿越江河、海峡水下隧道的主要工法之一, 在城市道路隧道运用较多,其工程技术的现代发展趋势主要针对隧道大断面、高地下水头和长掘进距离等3大方面。国外盾构法隧道工程技术在近30年来向大深度、大断面、长距离的方向发展并建成一批超大直径的海(江)底隧道和城市道路隧道。

超大直径盾构隧道一般应用于公路或公路与轨道交通合建项目,其边界很难界定,20年前,直径10~11m的盾构被认为是最大的,可以满足单层2车道需求;而近10多年来,随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长,14m及以上直径是当前的主流,可以满足双层4/6车道或单层3车道需求。本文所指超大直径盾构均为直径14m以上。

国际上,1994年首次采用14.4 m盾构进行日本东京湾隧道施工;国内,2004 年在上海上中路隧道引近荷兰绿色心脏14.87 m盾构进行施工。截至2016年6月,直径14m及以上的盾构隧道项目超过40例(含在建项目),其中,国外有15例,国内有20多例。国内外项目的简况如表所示。

 

红色为土压平衡盾构,其余为混合式(泥水)平衡盾构

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国内直径14 m及以上的隧道主要应用于经济发达地区,已建成项目11项,在建项目10项。采用泥水平衡式盾构工法(德国海瑞克公司混合式盾构为主)的17项,采用土压平衡式盾构工法的4项。公路隧道19项,公路隧道与轨道交通隧道合建2项(上海长江隧道和武汉三阳路隧道)。

盾构直径在14.0m以上的隧道工程在近5年得到了迅猛发展,按照5年一周期计算,工程数量和掘进里程均倍增。

 

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目前中国建设了世界上最多的超大直径盾构隧道工程,总共21项工程,接近60%,

 

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① 超大直径盾构隧道工程中,混合式(泥水平衡)盾构使用最多,达到70%;

 

② 超大直径盾构隧道工程中,使用的盾构机直径在14.5~15.0m的工程最多,一方面是成熟的技术,另一方面是盾构机的循环利用。

 

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大直径盾构按照其平衡方式,可分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构、双模式盾构。

 

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15.62m土压平衡盾构(意大利SPARVO隧道)

 

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15.87 m土压平衡盾构(意大利Santa Lucia Tunnel)

 

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双模式盾构

 

 

当前,最大直径的盾构已规划到19m,其中最大泥水平衡盾构17.6m,在建香港屯门海底隧道采用海瑞克制造的盾构机。最大土压平衡盾构则达到17.48m。

 


世界大直径隧道最新排
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大直径盾构重力、总推力、扭矩巨大,以海瑞克15.62m土压平衡盾构(意大利SPARVO隧道)为例,换算后如图所示。
 
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2. 国外超大直径盾构隧道代表性工程

 

在国际上,从日本东京湾的海底隧道开始,相继建成了荷兰绿心隧道、西班牙马德里的M30公路隧道、意大利SPARVO隧道、美国西雅图的Alaskan Way隧道等超大直径的隧道工程。

 

2.1.  日本东京湾的海底道路隧道

 

世界上第一个直径大于φ14 m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程。长9.4Km的隧道采用8台φ14.14 m泥水盾构掘进施工,于1996年竣工。盾构采用先进的自动掘进管理系统、自动测量管理系统和自动拼装系统,8台盾构各掘进约2.6Km并在海底实现了对接,体现了高新技术在盾构法隧道工程中的应用,见图2。隧道最大埋深60 m,在粘土和砂性土中掘进,隧道管片分为11块,厚度65 cm,结构计算采用弹性地基梁模型,接头弹簧系数经管片接头试验取得。

 

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日本东京湾隧道直径14.14m泥水盾构掘进机

 

2.2. 日本东京营团地铁7号线麻布站工程

 

1997年6月,日本东京营团地铁7号线麻布站工程,采用1台φ14.18 m母子式泥水盾构掘进机,掘进一条长364 m的3线地铁隧道后进入通风井,然后从大盾构中推出φ9.70 m的盾构掘进777 m的双线隧道。这是世界是第一台大直径的母子式盾构,体现了盾构技术的新发展。

 

 

2.3.  德国汉堡易北河第4隧道工程

 

1997年开工的德国汉堡易北河第4隧道工程,长度2.6 Km,河底最小覆土仅为7 m(小于0.5 D),采用海瑞克公司制造的φ14.2 m复合型泥水盾构。穿越的地层为坚硬的粘土、砾石,含水丰富,透水系数大,掘进施工十分困难。盾构机中心设有3m直径的先行小刀盘,泥水舱下部设有可破碎直径达φ1200mm巨砾的破碎机;另一项新技术是地质测量系统,称为“声波软土测探系统”(SSP),可为整条隧道推进过程采集数据测量,提供盾构前20-30m的三维反射图象。这台盾构掘进机还设计了在常压状态下的刀盘更换设施。盾构技术体现了国际先进水平。易北河第4隧道工程于2003年竣工。该φ14.2 m复合型泥水盾构经维修保养后于2003年用于俄罗斯莫斯科lefortovo地下道路隧道工程,掘进长度2.5Km,为单管3车道隧道;以后又在莫斯科西部掘进2条2.2 Km的道路隧道。φ14.2 m复合型泥水盾构总共掘进4条道路隧道,总长度9.5 Km。

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易北河第4隧道φ14.2 m复合型泥水盾构

 

2.4.  荷兰格累恩哈特隧道

 

荷兰格累恩哈特隧道,是阿姆斯特丹到布鲁赛尔高速铁路隧道工程,长度7156m,中间设3座工作竖井,穿越地层为砂土,隧道埋深30m,采用法国NFM厂制造的外径φ14.87 m泥水气平衡盾构掘进机。盾构总功率9540 KW,最大推力184300KN,刀盘最大扭矩13600KN·m。掘进施工相当顺利,日掘进速度约10 m,隧道于2005年竣工。

 

2.5.  马德里M30地下道路隧道

 

 

马德里M30地下道路隧道工程一期南环线,2条3来3去隧道各长3.67 Km,穿越地层为坚硬、有裂隙的灰色或绿色泥灰岩质粘土和石膏。北隧道采用德国海瑞克制作的φ15.02 m世界最大双子星土压盾构,分为内外刀盘,内刀盘转速高于外刀盘,能够减小堵仓风险,于2005年11月盾构始发施工,2007年3月北隧道建成通车。南隧道采用日本三菱重工制作的φ15.2 m土压盾构掘进了3 664 m,创日进度46 m的纪录。

 

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Madrid-M30-Highway-Tunnels     φ15.2m双子星土压盾构

 

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Madrid-M30-Highway-Tunnels-三菱重工制造的φ15.2m土压盾构

 

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马德里M30高速公路隧道

 

2.6.  意大利SPARVO隧道

 

意大利SPARVO隧道是连接博洛尼亚(Bologna)和佛罗伦萨(Florence)的A1高速公路的一部分,为双洞双向六车道,南北隧道长度分别为2 600 m和2 564 m,采用德国海瑞克制造的一台直径φ15.62m土压平衡盾构施工。该盾构驱动功率达12000 KW,刀盘最大功率315000 KN,最大扭矩315000 KN,76个滚刀,216个齿刀,24个铲刀,1个中心刀具。2011年8月,北线隧道盾构始发,于2012年7月贯通,盾构调头后施工南线隧道,预计2013年8月贯通,2015年通车。隧道沿线的地质构造主要包括粘土、粘土岩、砂岩和石灰岩,更为艰巨的是,部分洞段存在大量沼气。最高掘进进尺达到了22m/d。

 

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SPARVO隧道的φ15.62m土压平衡盾构

 

2.7.  西雅图SR99公路隧道工程

 

Bertha号盾构是西雅图SR99公路隧道工程中使用的一台土压平衡盾构机,直径17.45m,由日本日立公司制造,在盾构2013年始发时,为当时世界上最大直径的盾构机。(如今已被香港屯门隧道中使用的海瑞克17.6m盾构超越)

Bertha号在2013年始发掘进用于替换阿拉斯加高架桥的西雅图SR99公路隧道后不久,由于主轴承与密封出现故障而不得不停机。随后的两年多时间里,开挖抢修井,更换盾构机部件与维修等一系列事件使得工程的工期延迟了800余天。

 

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西雅图SR99公路隧道工程bertha号土压平衡盾构机(直径17.45m)

 

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2.8.  小结

 

国外直径超过φ14 m的盾构隧道工程完成10项,掘进长度超过80 km,采用盾构14台,其中11台为泥水平衡盾构,仅3台为土压盾构。7项工程中,6项为道路隧道,1项为铁路隧道,1项为地铁隧道。

 

国外超大直径盾构隧道工程(截至2016年6月)

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3.  我国的超大直径盾构隧道代表性工程

 

近年来,随着一批水下隧道的建设,将我国盾构法水下隧道修建技术推进到了新的高度。截至2016年底,我国在黄浦江、长江、珠江、钱塘江、湘江、黄河等水域采用盾构法建成的各种用途、各种直径的水下隧道有70余座。在已建水下隧道中,直径最大的是上海长江隧道(长8740 m,双向6车道) 和杭州钱江隧道(长4250 m,双向6车道),隧道外径均为15.0 m;长度最大和水压力最高的隧道是广深港高铁狮子洋隧道(长10 800 m,双孔单线,设计行车速度350 km /h) ,盾构段长9 340 m,水压力0.67 MPa;在全断面砂层中掘进最长的隧道是南京长江隧道(长3 905 m,双向6车道),直径 14.5 m,盾构段长 3 022 m; 截止 2016年 6月,国内直径 14 m以上的盾构隧道项目有21例(含在建项目)

相关研究如:高水压浅覆土复杂地形地质超大直径长江盾构隧道成套工程技术(2014年获国家科技进步二等奖)开发了适应高磨蚀性密实砂卵石砾石地层刀具配置技术,创新了刀具更换技术与进舱泥膜技术,攻克了高水压高磨蚀地层超大直径盾构长距离连续掘进技术难题,同时还建立了高水压强渗透浅覆土地形陡变条件下超大直径泥水盾构安全掘进体系。高铁狮子洋隧道、南京纬三路过江通道等关键技术问题的解决,国家重点基础研究发展计划(“九七三”计划)《高水压越江海长大盾构隧道的安全基础研究》将对高水压长大盾构越江海隧道的盾构机土相互作用、安全掘进、刀具磨损等问题进行进一步的研究。

 

3.1.  直径14.5 m的上海上中路隧道工程

 

2004年,上海上中路越江隧道工程引进当时世界最大直径的φ14.87m泥水加压盾构(曾用于荷兰绿心隧道工程掘进7.15 Km),在黄浦江下掘进施工2条隧道,掘进长度1250m,隧道结构为双管双层双向8车道。上、下两层车道宽度3.25 m×2+3.5 m×2,通行净高≥4.5 m设计车速80 Km/h。隧道衬砌采用单层衬砌,为通用环楔形管片,采用全圆周错缝拼装工艺。圆形隧道的下层车道板结构采用预制构件和现浇钢筋混凝土相结合的形式。隧道穿越地层为饱和含水的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土,隧道最大埋深45m,最浅覆土8.6 m。2009年建成通车。

2008年,上海中环线军工路隧道,再次采用该台φ14.87 m泥水加压盾构掘进2条越江道路隧道,掘进长度1525m,2010年建成通车。1台二手的φ14.87 m泥水加压盾构经维修保养后在4年内用于2项工程4条隧道5 550 m的掘进施工。如加上荷兰绿心隧道7 156 m,该台盾构共计掘进长度达12.7Km。

 

3.2.  直径15m的上海长江隧道工程

 

2005年,上海长江隧桥工程开工,其中隧道段长8.95 Km,设计车速80 Km/h。全线道路为双向6车道。隧道最大埋深55 m,穿越地层为软弱的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、砂质粉土。圆隧道衬砌环外径φ15 000 mm,环宽2000 mm,壁厚650 mm。采用装配式钢筋混凝土通用楔形管片错缝拼装,混凝土强度等级C60,抗渗等级S12。衬砌圆环共分为10块,根据埋深不同,分浅埋、中埋、深埋和超深埋管片。管片环、纵向采用斜螺栓连接。环间采用38根T30纵向螺栓连接,块与块间以2根T39的环向螺栓相连。衬砌管片接缝采用压缩永久变形小、应力松弛小、耐老化性能佳的三元乙丙橡胶条与遇水膨胀橡胶条组成两道防水线。在浅覆土地段、地层变化位置和连接通道处衬砌环间增设了剪力销,以提高特殊区段衬砌环间的抗剪能力,减少环间高差。

 

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长江路隧道

隧道采用世界最大直径φ15.43 m泥水气平衡盾构施工(当时),盾构最大推力为225 800 KN,刀盘最大扭矩58 000 KN,刀盘转速为0-0.3 rad,最大推进速度4.5 cm/min。盾构掘进7500 m花了20个月,平均推进速度12.5 m/d。该工程特点带来的技术难点表现为:超大断面盾构衬砌结构设计、开挖面稳定、隧道抗浮、管片制作与拼装等;7.47 Km的一次掘进中其关键部件的检修、三维轴线控制、隧道通风与降温、公路与轨道交通共用隧道火灾控制与救援疏散、施工等;高水压下软土复杂地质条件,需要考虑隧道防水、耐久性等难题;多工序隧道内部结构阶梯流水同步施工、施工风险防范与控制、全寿命周期隧道建养一体化管理等问题。长江隧桥工程于2009年12月建成通车。

 

3.3.  上海外滩地下道路隧道工程

 

2007年,上海外滩道路隧道(3来3去6车道)开工建设,其北段1 098 m为盾构隧道,采用φ14.27m土压平衡盾构施工,为国内首次采用大直径土压平衡盾构在城市密集区施工,成功完成“1桥2隧33栋”等建构筑物的穿越施工,浦江饭店桩基与盾构边线仅1.7 m。隧道的最小覆土厚度仅为8.52 m,约为0.6 D,属于浅覆土施工。外滩隧道于2010年3月28日建成运营,缓解了交通拥堵,改善了外滩景观。

 

3.4.  香港屯门海底隧道

 

2015年香港屯门至赤蜡角的连接线隧道工程已经开始掘进,工程使用了一台直径达17.6m的盾构机,该盾构超过了西雅图SR99工程中直径为17.45m的Bertha号,成为目前世界直径最大的盾构机。

 

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直径17.6m盾构机开始掘进香港屯门—赤蜡角跨海隧道

 

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直径达17.6m盾构机

 

该盾构直径为17.6m,超过了世界上所有的盾构,并且盾构机掘进的长达5km海底隧道的深度可达50m,水压达5bar。为了应对如此大规模的工程,该项目共计雇佣员工多达800名。此外,这条隧道将穿越香港所有地质层,从较硬的花岗岩到较软的次固结海相沉积岩;从透水性强的沉积砂砾层到透水性弱的粘土变质沉积岩。

因此,这台盾构机将使用诸多为此工程专门开发的新技术与新系统。“莫比迪克”系统是一个内置于刀盘内的传感系统,可以实时监测刀头的磨损情况与开挖时岩壁的情况。机械蛇型臂的结构与人类手臂类似,驱动它们强健“肌肉”的其实是安装在其背部和连接“肌肉”及“关节”的“肌腱”上,钢索作为“肌腱”,用来控制机械臂的驱动器均位于机械臂的基部。机械臂末端可以选装各种设备,如摄像机、照明设备、切割设备或高压水枪等,可以清理刀盘,消除堵塞。除此之外,开挖仓配备了视频系统,在工人进入时可以提供实时监控画面,并且对部分系统进行操作

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3.5.  南京长江隧道

 

南京长江隧道是世界上在强渗透高磨蚀地层中修建的直径最大、水压最高、覆跨比最小的水下盾构隧道。隧道断面见图 1 和图 2,全长 3 905 m,其中盾构段长3 022 m,双向6车道,行车速度为 80 km /h,于2005年9月开工,2010年5月通车。工程建设面临超大直径(14.93 m) 、高水压(0.65 MPa)、地层强渗透性( 85% 的地段穿越粉细砂、砾砂、卵石地层,最大渗透系数为 43.2 m /d)、地层高磨蚀性(最大石英含量为60%,卵石最大粒径约30 cm,最大标贯击数>50)、长距离掘进(一次掘进长度 3 022 m)、超浅覆土( 江中覆土最薄处 10.9 m)、地形陡变(次深槽紧邻防洪堤坡脚)等一系列技术挑战,是当时国内建设难度最大的水下隧道。

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3.6.  广深港高铁狮子洋隧道

 

狮子洋隧道是世界首座高速铁路水下盾构隧道,也是我国建成的最长水下隧道和首座铁路水下隧道.全长10.8 km,外径10.8m,双孔单线,是广深港高速铁路关键控制性工程,穿越地质与环境条件极为复杂的珠江入海口——狮子洋,其建设面临行车速度高(设计时速350 km,是水下隧道世界最高速度)、掘进距离长(盾构段长9 340 m、国内最长水下掘进距离)、地层复杂多变(国内首次大直径盾构连续穿越软弱地层、土岩复合地层、基岩及其破碎带)、水压力大(0.67 MPa,是建设期国内最大水压力)、安全标准严(高速、高密度、大运量、水下)等技术难题。

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广深港高铁狮子洋隧道概略图

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广深港高铁狮子洋隧道横断面

 

3.7.  武汉三阳路公铁合建长江隧道

 

该隧道是城市道路与地铁共用的过江隧道,于2014年12月开工。道路隧道总长 4.65 km,其中公铁合建盾构段长 2.59 km,隧道外径15.2 m。隧道主要穿越粉细砂层,江中长约1.2 km 的地段切入基岩(粉砂质泥岩、弱胶结砾岩),切入最大深度为9m。最大水压约 0.64 MPa。

盾构隧道断面分3层布置:上层为道路隧道排烟道;中间为道路行车层,每孔隧道布置3条车道;下层布置地铁行车孔以及疏散通道、电缆廊道和地铁排烟道。

工程主要特点与难点

1) 是世界首例公铁合建盾构隧道。

2) 是我国大陆在建的直径最大的盾构隧道。

3) 是国内 15 m 以上超大直径盾构首次穿越土岩复合地层隧道。

4) 是国内超大直径盾构首次采用超小净距布线方式,北岸岸边段净距仅 5.0 m。

 

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三阳路公铁合建长江隧道横断面


2018年6月9日上午,在武汉长江江畔 30 m 深处,直径 15.76 m 的超大盾构“开泰号”从工作井中探出了头,宣告武汉三阳路长江隧道全线贯通!

 

3.8.  佛山—东莞城际铁路狮子洋隧道

 

该隧道全长6.15 km,盾构段长4.9 km,水域宽度约1.8 km,设计行车速度为200 km /h。于2015年1月开工建设。岸边段淤泥及砂层厚约达30 m; 水下段淤泥及砂层厚10~30m,下伏基岩以泥质砂岩、砂岩和泥岩为主。隧道穿越基岩段的长度占总掘进长度的70%,并穿越3处破碎带和2处断层。最大水压力0.78MPa。隧道内径12.0 m,外径13.1 m,分2层布置,上层为行车道,下层为疏散通道及管线廊道。

 

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佛莞城际铁路狮子洋隧道横断面


工程主要特点与难点

1) 是国内在建的直径最大的铁路盾构隧道。

2) 是国内在建的水压最大的水下盾构隧道之一。

3) 需要穿越总长 425 m 的断层及破碎带。

4) 在土岩复合地层长距离掘进( 4 900 m) 。

 

3.9.  苏州—南通特高压输变电工程长江隧道

 

该隧道是淮南—南京—上海1 000 kV 交流特高压输变电工程的控制工程,采用盾构法施工,盾构段长5468 m,最大水压力0.8 MPa,于2016年8月开工。

隧道穿越地层主要有粉砂、 粉质黏土混粉土、 粉土、 粉细砂、 细砂和中粗砂。其中细砂和中粗砂的标贯击数超过50,俗称“铁板砂”。隧道外径11.6 m,内径10.5 m,采用2层布置,上层布置两回路GIL管道及其运输安装和检修维护通道,下层两侧预留两回路500 kV电缆廊道,中间设置巡检通道。

工程主要特点与难点

1) 是世界上首条大直径特高压电力隧道。

2) 是国内首座水下输电隧道。

3) 是国内在建的水压最高的水下盾构隧道。

4) 是国内在高磨蚀、强渗透地层中独头掘进距离最长的隧道。

 

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苏通 1 000 kV 电力长江隧道横断面

 

3.10.  汕头—汕尾高铁汕头湾海底隧道

 

该隧道下穿汕头海湾,设计行车速度为350 km /h。隧道全长9 500 m,采用“盾构法+ 矿山法”施工,其中盾构段长2 190 m,穿越软土、花岗岩及3处断层;矿山法隧道在海底穿越 5条断层,其中F12为活动断层。盾构隧道内径13.3 m,外径14.5 m,分2层布置,上层为行车道,下层为疏散通道及管线廊道。

 

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汕汕高铁汕头湾海底隧道横断面


工程主要特点与难点

1) 是国内首座时速 350 km 海底双线铁路隧道。随着行车速度的提高,对轨面的平顺性要求也越高,相应对隧道最大沉降与不均匀沉降的控制难度也越大。

2) 是国内直径最大的海底铁路隧道。在国内已建成的水下铁路隧道中, 直径最大的是广深港高铁狮子洋隧道,其直径为 10.8 m,本项目隧道直径远大于狮子洋隧道。随着隧道直径的加大,穿越土岩软硬不均地层的长度也相应增加,施工难度与隧道变形控制的难度进一步加大

3) 是国内首次穿越活动断层海底隧道。穿越活动断层的隧道需要同时考虑抗震和抗断 2 方面的问题,对于水下隧道,除要求结构具有良好的抗震性能和抗断能力外,还必须考虑在地层错动后的防水性能,不能由此引起“水淹隧道” 的次生灾害。

4) 是国内首座位于 8 度地震区的海底铁路隧道。尽管以往在 8 度地震区修建的隧道案例较多,但对于水下铁路隧道尚属首次。由于高速铁路隧道一旦中断交通,产生的社会影响极大,而高速铁路隧道可供维护的时间短( 一般只有夜间约 4 h 的时间),因而需要隧道具有卓越的抗震性能。

 

3.11.   上海北横通道

 

在建中的北横通道未来将成上海东西向大动脉。建设中使用的“纵横号”直径15.56米、长120米、总重量近3000吨。密集穿越建筑群及运营轨道交通线。

 

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北横通道位置图

 

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3.12.  深圳春风隧道

 

春风隧道工程按城市快速路技术标准设计,采用上下叠层形式,双向4车道,各加1条应急带,设计行车速度为60 km /h。

盾构隧道区间覆土厚度为 6.1~46.2 m,最小覆土位于西侧盾构始发端头。隧道最低点位于罗湖火车站下方,覆土厚度为46.2 m。隧道紧邻深圳河和布吉河,盾构段隧道最底处最大水土压力为 0.6 MPa。盾构段设计为单洞隧道; 隧道内径为 13.9m,外径为15.2 m,内设疏散楼梯、电缆管廊、排水沟及通风烟道。

春风隧道采用刀盘直径为15.80 m的泥水盾构隧道,是深圳市首条采用盾构技术施工的机动车隧道及首条单洞双层构造的机动车隧道。工程地处滨海区域,水文环境复杂,且隧道穿越长距离的软硬不均、硬岩地层及多条破碎带,建设地点为深圳市老城区,施工场地狭窄,周边环境复杂,建筑物、管线众多,交通流量大,其工程综合难度和风险目前在世界同类型工程中最高。

 

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春风盾构隧道横断面图

 

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春风隧道盾构机刀盘

 

3.13.  拟建深圳—茂名铁路珠江口隧道

 

该隧道位于虎门大桥下游约5 km,设计行车速度为 250 km /h。隧道全长13.756km,其中盾构段长7225 m,矿山法段长4925 m,最低点轨面标高为-108.m。盾构隧道外径14.0 m,内径12.8 m,横断面分2层布置,上层为行车道,下层为疏散通道及管线廊道。

 

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深茂铁路珠江口隧道纵断面


是国内水压最大的水下盾构隧道。在国内已建成的水下隧道中,水压力最大的是南京扬子江隧道(直径14.5 m,最大水压 0.75 MPa) ,而本项目最大水压约1.0 MPa。随着水压力的加大,对盾构密封、管片结构自防水、接缝密封垫防水等都提出了更高要求,也加大了施工中对刀盘、刀具检查的风险与难度。

 

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深茂铁路珠江口隧道横断面

 

3.14.  小结

 

近年来,我国超大直径盾构隧道统计如下,大多数工程集中于中国最发达的长三角和珠三角区域。

 

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4.    国内大直径TBM掘进代表性工程

 

盾构、TBM掘进机长期以来依赖国外引进,但近年来以中铁装备为代表的中国厂家已实现了中国盾构和TBM的自主制造,占据了中国大部分市场,在地铁工程中广泛应用,并于2014年成功实现了超前地质预报装备的搭载。在大量工程实践中,不断创新了单护盾TBM和敞开式TBM技术,解决了TBM在软弱地层掘进脱困与市区沉降控制技术中的难题,形成了超浅埋、大宽度、小净距矩形顶管技术与盾构始发、到达零覆土技术,在甘肃引洮7号隧洞、重庆轨道交通6号线等工程中成功应用,创造了多项世界纪录。

 

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国产首台大直径敞开式岩石隧道掘进机(tbm)

 

4.1.  国产首台铁路大直径土压/TBM双模掘进机下线

 

2018年4月18日,我国自主研制的国产首台铁路大直径在线式土压 /TBM 双模掘进机在长沙验收下线,该设备将用于珠三角城际轨道交通广佛环线,具有完全自主知识产权,填补了我国国产铁路大直径双模掘进机系列当中土压 /TBM 双模掘进机的空白。该设备开挖直径为9.15 m,整机长度为115 m,质量约1350t,装机功率为5700kW,既能满足软土地层和极端上软下硬地层掘进,又能满足长距离超硬岩地层掘进的多功能性需求。使土压平衡盾构模式与硬岩 TBM 模式相互转换更便捷可靠,仅需 72 h 即可完成模式转换。

 

4.2.  我国自主研制的最大直径TBM在铁路隧道施工中首次成功应用

 

高黎贡山隧道是大瑞铁路重点控制性工程,全长34.538 km,是亚洲最长的山岭铁路隧道,也是中国第一铁路长隧。隧道最大埋深达1155 m,平均埋深800 m,进口段穿越18种岩性、12条断层; 出口段穿越 8 种岩性、7 条断层,其中2条为活动断层。“三高四活跃”的地理特征让高黎贡山地质条件极为复杂,几乎囊括了隧道施工的所有不良地质和重大风险, 被行业内称为“世界上最难修的铁路”。

中国中铁隧道局集团有限公司承担高黎贡山隧道 29.307 km 的施工任务,采用 TBM 施工,其中出口正洞 14 km 采用2台TBM施工,同时设1条斜井、2座竖井辅助施工。高黎贡山隧道的建设,创造了多项国内第一:隧道规划了24条线路,是中国铁路选线最多的隧道; 隧道长34.538 km,是中国第一铁路长隧; 1 号竖井深 764.74 m,是中国铁路最深竖井; 1号斜井长3870 m,是中国铁路隧道最长斜井。

在高黎贡山隧道施工中,中铁隧道局集团有限公司采用的“彩云号”TBM 是中国自主研制的国内最大直径 TBM。该设备于2017年8月1日在昆明中铁电建总装车间下线,整机长度约230 m,质量 1900 t,刀盘开挖直径达到 9.03 m,填补了国内9 m以上大直径岩石掘进机的空白。

 

5.    大直径隧道施工装备与技术创新

 

5.1.  常压刀盘换刀技术

 

带压进仓作业风险大、耗时较长。即使采用饱和潜水作业,进仓作业准备也需要很长时间,而且地面上需要配置大量的辅助设备。

常压刀盘是把刀盘钢结构设计成类似人闸的结构形式,工作人员可以在刀盘内常压下更换滚刀和部分切刀。可更换滚刀结构如图2,利用刀座油缸缓慢拉出刀座至安全螺母处,然后关闭闸门,打开球阀1排出压力后关闭,将刀具装置抽出进行刀具更换,然后按作业程序进行安装。

 

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可更换滚刀结构

 

5.2.  刀具检测技术

 

为了更对刀具状态进行监控,海瑞克和中铁装备公司已开发出针对常压刀盘刀具磨损自动监测系统,能够对刀具转动、温度、磨损量进行检测。通过安装在刀箱上的电涡流传感器和磁开关传感器分别测量滚刀实际磨损量、滚刀的转动及温度。在刀盘回转中心处放置有传感器集线器,负责向传感器供电,并将传感器信号转换为通讯信号,集线器电源及通讯总线通过电滑环和盾构控制系统相连。

 

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刀具检测传感器布置图

 

5.3.  刀盘摆动和伸缩摆动技术

 

为有效解决刀盘刀具尤其是边缘滚刀的更换,以及解决刀盘卡死脱困问题,刀盘主驱动轴承采用球铰结构,并实现刀盘前后伸缩和上下左右摆动,一方面实现超挖满足新刀具更换时的更换空间,大幅缩短刀具更换时间;另一方面可以在刀盘卡死时,通过缩回来脱离卡死的困境,遇孤石或刀盘卡住时可缩回,解决了突遇刀盘卡住时的难题。在南京纬三路工程在283环起穿越近百米的枯木施工时,有效地解决了树木区域、泥岩区域刀盘卡住无法施工的难题。

 

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刀盘伸缩和摆动示意图

 

另一方面,通过刀盘的可伸缩油缸,测试刀盘前方有效的支撑压力和开挖荷载,可根据掘进接触压力,识别前方地质条件,对于复杂地质条件,便于实时调整掘进参数。

 

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地质条件感知识别

 

5.4.  冷冻刀盘

 

冷冻刀盘技术将冷冻工法与盾构设备融为一体,在刀盘周围形成“冻结圆盘”,充分隔绝地下水,增加土体强度和稳定性,如同创造一道冻土屏障。盾构机换刀作业在冻土屏障的保护下进行,提高了盾构施工的安全可靠性。该技术能有效解决盾构下穿建筑物、铁路、管线、江河湖海等特殊地段沉降控制的施工难题,扩展了盾构的使用范围。

 

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刀盘冷冻系统原理示意图

 

5.5.  超前地质预报

 

SSP采用软土声波探测和隧道三维地震波法超前探测。其中海瑞克公司采用SSP软土声波探测器进行超前探测,可实现探测距离40m范围内,不同地质密度形成反差界面来判断地质变化,尤其是地层中存在的孤石。该系统在德国莱比锡城市隧道、科隆地铁西线泥水盾构等项目上使用。

SSP探测是一种物质探测方法,发射单元和接收单元直接安装在刀盘上,特殊编码的声波传输信号在掘进过程中由SSP (Sonic soft ground probing)发射器自刀盘通过支撑介质发射至前方土体,通过连续、快速地分析测得声波传输时间,换算出反射区域的几何位置。

 

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SSP测量系统

 

6.    大直径隧道结构设计关键问题

 

目前,国内大直径盾构隧道的设计计算理论研究相对滞后。盾构隧道的大断面化和地质条件复杂化给衬砌结构设计中的荷载计算和衬砌结构模型计算带来了一定的问题。①国内外盾构隧道管片结构设计主要采用“典型横断面”设计,衬砌结构设计时仍假设隧道周边土层为单一均质地层,其中存在的主要问题是没有考虑地层分布不均匀性和土体参数变异对衬砌结构力学变形性态的影响。而在工程实际当中,对于高水压复杂地质条件下的盾构隧道,地层复杂性使隧道周边产生复杂的应力分布,导致结构内力的不均匀,由此可能导致结构的细部破坏甚而影响整体性能。

②大直径盾构隧道的埋深增大,上覆土荷载取值难以计算;③管片厚度与直径的比值减小,管片的变形与小直径盾构隧道不同,地层抗力的分布模式也不再仅仅是三角形的分布模式;④由于大直径盾构隧道衬砌结构的分块数量增加,错缝拼装和环间传力等对衬砌结构的内力影响规律与小直径盾构不同。

⑤以往实测资料表明,在施工阶段管片容易发生轴线偏移、管片错台与破损、环间螺栓剪断、渗漏水等安全事故的发生,严重影响着隧道施工与运营的安全。施工经验表明,管片直径越大,拼装时发生质量问题的可能性就越大。既有设计较少考虑施工的影响。

因此,对大直径盾构隧道结构特性的合理设计理论模型研究是非常有必要的。

 

7.    大直径隧道建设问题探讨

 

随着城市化建设的发展,现代隧道工程除具备大长深的趋势之外,在城市密集区狭小空间内进行超大型隧道施工已成为当前隧道发展新趋势,由此带来隧道周围环境保护问题更加突出。如穿越上海外滩核心地区的上海外滩通道工程和穿越上海虹桥机场的迎宾三路隧道。两个工程均采用国内直径最大(14. 27m)的土压平衡盾构施工,外滩通道工程隧道在黄浦江与万国历史建筑群之间的夹缝中穿行而过,沿线重要构建筑物众多,如百年外白渡桥、地铁2 号线、和平饭店等。迎宾三路隧道横穿整个上海虹桥机场核心区域,主要构建筑物有机场跑道、滑行道、航空输油管等,沉降要求苛刻(<1mm)。

超大直径盾构施工不可避免地要面临直径更大、埋深更大、距离更长以及地质条件更复杂等问题。对大直径盾构隧道内部结构施工、盾构始发和到达施工工艺、近距离穿越建(构)筑物简单探讨。

 

7.1. 机型的选择

 

纵观国内外超大型隧道工程,绝大多数采用泥水平衡盾构施工,因为泥水平衡盾构具有施工质量好、安全可靠性高、噪声低等优点。但是,泥水平衡盾构泥水处理系统需要占用较大的面积,设备费用较高,不适合在城市中心区域使用,尤其是泥水平衡盾构在浅覆土施工时容易出现冒顶现象,对于周边环境保护上存在极大的风险。土压平衡盾构则能够在一定程度上规避这些风险,因而在环境变形保护要求极高的条件下不失为一种优良的选择。

 

7.2.  大直径盾构隧道施工阶段管片上浮

 

在水下掘进时,由于隧道直径较大且被水和浆液包裹,盾构掘进姿态及施工荷载不易控制。管片脱出盾尾后,在各种荷载的综合作用下往往会发生上浮现象。

超大直径隧道由于断面大,其上浮力随着直径增大而成倍增加,尤其是在穿越浅覆土时,由于管片环间摩擦力较小而使其抵抗上浮能力差,导致上浮现象更为严重。

 

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隧道外径与所受浮力大小的关系

 

在上海、广州、南京等地越江隧道施工中,都不同程度地出现过管片脱出盾尾后上浮的现象。上海大连路隧道使用的是直径11.22 m 泥水平衡盾构施工,管片在脱出盾尾后即发生上浮,平均上浮量约80mm。上海延安东路南线隧道盾构出洞 10d后隧道呈上浮趋势,上浮速率约为1 mm /d,以后随着浆液凝固,隧道逐渐停止上浮。上海耀华支路隧道采用直径14.88 m泥水平衡盾构施工,盾构出洞后隧道的上浮较为严重,在出洞段(浅覆土9.2 m)隧道的上浮较为明显,最大上浮量达到8.6 cm。第一次上浮为施工中轴线控制偏差引起,第二次上浮一般在管片脱出盾尾后,平均上浮量高达4 cm。

 

7.3.  大直径盾构隧道管片接缝防水

 

可靠的管片接缝防水设计是盾构隧道正常使用的重要保障,解决该课题的主要对策是使用耐久性和止水性非常严格的密封材料。目前,以德国为代表的欧洲采用非膨胀性合成橡胶,主要是利用接缝材料的挤密来达到防水目的,它们一般是用硫化橡胶类材料模压成为一定的形状。与水膨胀材料相比,硫化橡胶类材料必须比较厚而大,因而降低了管片的拼装性能。由于接触面压应力大,管片接缝端部就会损坏(指密封垫沟槽外侧混凝土) , 可以通过改善密封垫的断面形状,在密封垫内开设孔眼以控制接触面应力来确保止水效果。同时这种断面形式还使得弹性密封垫具有更大的压缩性和更高的弹性,即使管片接缝有一定的张开量,它仍能处于一定的压缩状态,可有效地阻挡水的渗漏。而以日本为代表,多数采用水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压应力来止水,其特点是可使密封材料变薄且施工方便。然而,遇水膨胀橡胶密封垫也有其缺点,在长期受压应力作用下,会产生蠕变,老化及应力松弛等现象, 从而使密封垫止水能力下降。我国现在的趋势是把遇水膨胀橡胶和普通非膨胀橡胶密封垫结合起来使用。

近年来,人们对隧道使用要求的不断增加推动着建筑科技的快速发展,隧道所处的地质环境也更为困难。国内已建的武汉、南京、上海穿越长江的典型盾构隧道中承受最大水压力分别为0.57,0.65,0.60MPa,目前,在建的南京市纬三路过江通道承受的最大水压力达 0.72 MPa,隧道直径(外径)为 14.5 m,管片厚度 0.6 m,环宽2.0 m,为国内承受水压力最大的大直径盾构隧道,超高水压强透水层对盾构隧道管片衬砌接缝防水能力提出了诸多新的挑战。

 

7.4.  大直径隧道内部结构施工

 

超大直径盾构隧道内部结构通常有 2 种布置形式,以通行车辆的结构层为标准划分为双层和单层,如图所示。图中虚线标识的部分,施工中称为口字件或口型件,通常采用预制构件,建成后一般用作管线空间、 预留轨道交通和救援车辆通道等。隧道内部一般采取纵向通风方式,根据隧道长度、 通行车辆规格等要求,某些隧道顶部设置烟道板形成独立排烟通道。

 

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隧道内部结构布置


在盾构推进过程中采取预制和现浇相结合的方式组织内部结构施工。采用盾构车架上的专用吊具将口字型构件就位,形成隧道内部运输通道,两侧结构压重块和牛腿通过植筋与管片连接,现浇成型,牛腿完成后,进行两侧车道结构现浇作业,完成后实现多车道运输。充分利用超大直径盾构横断面空间,结合长距离运输,确保口字件上方通道到达盾构施工工作面,实现盾构推进和内部结构制作同时施工,以及隧道内部汽车水平运输,优化物流运输方式,提高物流运输效率。

也有部分地铁隧道通过设置中隔墙的方法将隧道分隔成2条区间以实现单管双线运营,通过预制中隔墙板的安装就位。

 

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中隔墙机械化拼装过程

 

7.5.  盾构始发和到达特殊施工工艺

 

为简化盾构到达施工工艺,省去人工凿除洞门环节、加快施工效率、减小到达过程中工作井两侧水土压力失衡的风险,采用盾构水中到达的方式。为配合该施工工艺,盾构到达施工前,对洞口土体进行加固,在预留洞圈位置对地下连续墙进行特殊处理,采用玻璃纤维强化塑料筋(GFRP) 代替普通钢筋,盾构直接切削围护墙体进入工作井。盾构一旦进入接收井, 随着盾构周围摩擦力的消失以及正面水压力的降低,导致原来处于压紧状态的管片在止水橡胶条膨胀作用及盾尾的拉扯下易出现松动,因此,最后10环需进行特殊管片拼装。特殊管片构造包括剪力销和预应力螺栓。

 

7.6.  近距离穿越建(构)筑物

 

超大直径盾构在城市密集区域内近距离施工对周边建(构)筑物会产生影响,为确保隧道施工及周边建(构)筑物的安全,盾构在穿越施工过程中,根据被保护对象与隧道相对位置关系及建筑物现状特点,采用分类分区域保护技术保护建(构)筑物。对距离<5 m的被保护对象采用类似FCEC(全回转套筒施工工法)隔离桩或MJS(全方位高压喷射施工工法)隔离桩保护; 对5m<距离<10 m的被保护对象采用常规手段进行保护;对距离>10 m的被保护对象采用控制盾构施工参数进行 保护。

大直径隧道工程穿越重要建(构)筑物,尤以长江西路隧道工程和外滩隧道工程为代表。长江西路隧道施工为近距离叠次穿越逸仙路高架和3号线高架,盾构先南线依次近距离穿越高架桩基,在浦西工作井内调头施工后, 随后北线依次近距离穿越高架桩基, 最近距离仅1.05 m。穿越时对高架桩基采用MJS隔离桩保护,同时在管片端面设置剪力销, 最终南线盾构顺利穿越逸仙路高架和3号线高架,隧道轴线、3号线高架和逸仙路高架累计沉降均控制在设计要求及标准范围内,其中立柱最大沉降值为9.3 mm。

 

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长江西路下穿轨道交通三号线

 

外滩隧道施工连续近距离穿越浦江饭店、和平饭店和海关大楼等多个历史保护建筑物。位于出洞段的浦江饭店与隧道边最小净距为 1.7~4.5 m,与隧道顶净距为 14.5~17.6 m,穿越时采用FCEC 隔离桩保护,最终盾构成功穿越浦江饭店,浦江饭店的最大沉降为 6 mm;上海大厦与隧道距离5.2~5.9 m,穿越时采用常规的注浆隔离加固法保护,最终盾构成功穿越上海大厦,上海大厦的部分测点最终变形表现为隆起,最大变形为5.3mm;苏州河南岸距离隧道>10 m的历史建筑物群(如上海海关距离 11 m,友邦大厦15 m,中国银行22 m等),施工时主要采用过程控制的措施对其进行保护,最终盾构成功穿越历史建筑群,历史建筑群的最大沉降小于10 mm。

 

7.7  土压盾构出土量实时量测

 

寻求以盾构机操作室PC端为载体,实时动态显示每环掘进过程中出土量的变化情况,结合注浆量和地表沉降数据,为控制沉降提供最直观的依据。

 

8.  总结

 

 

从国内首条超大直径隧道开始,中国 14 m 以上超大直径盾构数量已超过20台,掘进里程累计超过100 km。超大规模隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、开发和应用。盾构法隧道在大直径、大深度、长距离和复杂地层掘进的应用技术在国内得到了长足发展。多条超大直径隧道工程的成功建成标志着我国在超大直径隧道建设领域内的技术已达到国际先进水平。

超大直径盾构隧道已经获得了长足的发展,尤其在国内软土地区的施工经验更是丰富;但复杂多变的地质条件带来了更多的挑战。地质勘察方面:我国水下隧道勘探手段和方法相对单一, 以钻探和水面物探为主,缺少直接从河( 海) 床面进行物探的手段。设计方面:软弱地层目前主要借鉴太沙基土压力公式,还缺少土岩复合地层的荷载计算方法;结构分析理论主要针对运营阶段进行结构分析,虽然也考虑了施工荷载的影响,但并未对结构的施工状态与运营状态采用不同的安全要求。施工与管理方面:因工期压力、造价压力、质量意识、技术水平等方面引起的施工质量问题时有发生,如管片错台量过大、结构变形过大、局部开裂等,导致对工程耐久性产生了较为严重的影响。装备方面:在盾构设备配置与地质适应性分析、 刀具及刀具更换技术、长距离掘进设备耐久性技术、多模式盾构技术等方面还需进一步加强研究。材料方面:在接缝防水密封垫方面, 个别工程因采用低价中标等原因,密封垫采用再生材料制作或有意降低材料性能,导致防水质量和耐久性堪忧。

我国大直径盾构隧道建设已取得了辉煌的成就,极大推进了我国乃至世界水下隧道技术的进步。今后较长时期内,我国水下隧道仍将处于高速发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难题将越来越多,需要在规范、标准、设计、施工、装备、材料、管理等方面不断完善和创新。

 

 

山东易斯特工程工具有限公司作为一家优秀的盾构刀具厂家,在大直径盾构和地层复杂的项目,有着非常丰富的创新设计能力。助力中国大直径盾构隧道建设,山东易斯特义不容辞,定将知难而上,勇攀高峰。

 

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作者:付朋 时间:2020-06-19 13:45:54

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