大直径盾构隧道的技术进展

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
σv＝全部覆土重 σh＝λσv（λ＝0.5） σv＝全部覆土重或按泰沙基土压力公式 σh＝λσv（λ取经验值） 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） 不计粘聚力的泰沙基公式 σv＝全部覆土重 σh＝σv（1+λ）/2 σv＝全部覆土重 σh＝λσv+水压力，λ＝（0.4～0.5）
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 设计计算方法的进步
2.2 我国大直径盾构隧道的结构计算方法
2.2.3 大型结构试验与现场实测
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。
工程设计技术的进步。
2 设计计算方法的进步
2.1 盾构隧道结构计算理论概况 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。
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
2 设计计算方法的进步
2.2 我国大直径盾构隧道的结构计算方法
2.2.3 大型结构试验与现场实测
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。
3 隧道结构与防水新技术
3.1 衬砌结构的多样化
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
2 设计计算方法的进步
2.1 盾构隧道结构计算理论概况 世界各国盾构隧道衬砌设计荷载计算方法见下表：
国家 澳大利亚 设计模型 全周弹簧模型 设计水土压力 （σv为垂直水土压力；σh为水平水土压力） σv＝全部覆土重 σh＝λσv+静水压力
奥地利
全周弹簧模型 覆土深≤2D：局部弹簧模型； 覆土深≥2D：全周弹簧模型
1 概述
1.1 国内大直径盾构的发展概况
国内大直径盾构工法应用情况
序号 1 2 3 4 隧道名称 上海打浦路隧道 上海延安东路隧道 上海延安东路复线隧道 上海大连路隧道 隧道外径 10.0m 11.0m 11.0m 11.0m 盾构段长度 1324m 1310m 约1.3km 1258m 盾构型式 1台网格式盾构 1台网格式盾构 1台泥水盾构 2台泥水盾构 建设时间 1966年 1988年 1994年 2003年
东京湾隧道
英法海峡隧道
绿色心脏隧道
1 概述
1.1 国内大直径盾构的发展概况
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 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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％。
15.0m
14.5m 10.8m 11.3m 15.0m
7470m
3022m 9340m 1766m 3250m
2台泥水盾构
2台泥水盾构 4台复合式泥水盾构 2台泥水盾构 2台泥水盾构
在建
在建 在建 在建 在建
1 概述
1.1 国内大直径盾构的发展概况
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
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。
武汉长江隧道
3 隧道结构与防水新技术
3.1 衬砌结构的多样化
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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
西德
法国
日本 西班牙
全周弹簧模型或有限元法
惯用设计法 或梁——弹簧模型 考虑围岩和衬砌相互作用的Buqera方法
英国
美国
全周弹簧模型或Moir Wood法
弹性地基圆环法
2 设计计算方法的进步
2.2 我国大直径盾构隧道的结构计算方法
2.2.1 隧道横向计算 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。
汉口引 道起点 中山 大道 汉口 工作井 武昌 工作井 友谊 江南引 大道 道终点
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
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 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
内 衬 厚30cm
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
管片
建筑限界
隧 道 中 线
线 路 中 线
能力，亦准备采用管片＋内
衬的结构方案。
内衬
救 援 通 道 内轨顶面
电力电缆槽
3 隧道结构与防水新技术
3.2 通用楔形环的采用
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，
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
B环(目标环) A环 C环 接缝回转弹簧K1 径向剪切弹簧K2
O ~
切向剪切弹簧K3
M=Ki O
2 设计计算方法的进步
2.2 我国大直径盾构隧道的结构计算方法
2.2.2 隧道纵向计算 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
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
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 概述
1.1 国内大直径盾构的发展概况
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。
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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%。
汉口引 道起点 中山 大道 汉口 工作井 武昌 工作井 友谊 江南引 大道 道终点
1 概述
1.2 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件特点
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。
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 铁路黄浦江隧道为通行双层
5
6 7 8
上海复兴东路隧道
上海翔殷路隧道 上海上中路隧道 武汉长江隧道
11.0m
11.36m 14.5m 11.0m
1214m
1498m 1250m 2550m
2台泥水盾构
2台泥水盾构 1台泥水盾构 2台复合式泥水盾构
2004年
2005年 在建 已通车
9
ຫໍສະໝຸດ Baidu10 11 12 13
上海长江隧道
南京长江隧道 广深港客专狮子洋隧道 杭州庆春路过江隧道 杭州钱江隧道