大直径盾构隧道的技术进展

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％。
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。
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。
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
1.1 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
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
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。
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。
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。
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
1.2.3 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%。
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）
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
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
10 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
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。
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。
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
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
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：