水下隧道主要施工方法探讨_马军庆

水下隧道主要施工方法探讨

马军庆

(武警工程学院建筑工程系　西安　710086)

摘　要　目前水下隧道已成为跨越江河、湖海的主要方式。总结了新奥法、T BM法、盾构法、沉管法、围堰明挖法和悬浮隧道的概念、适用条件及优缺点,并对水下隧道需要考虑的问题进行了探讨。

关键词　水下隧道　施工方法　探讨

水下隧道[1]作为穿越江河湖海下的交通工程之一,不受外界环境的影响,没有通航净空、航道宽度等限制。对于水上交通繁忙的主航道来说,水下隧道不存在今后因船舶大型化和水上交通流量的增加、缩减,桥梁无法适应带来的忧虑。

目前水下隧道主要有以下几种施工方法:新奥法,掘进机法,盾构法,沉管法,围堰明挖法。此外,在深海或水底岩体难以开挖时,悬浮隧道也是一个可选方案。

1　新奥法

新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称(NA TM)。它是奥地利土木工程师L.V.Rab-cew ice等在长期从事隧道施工实践中,于20世纪60年代从岩石力学的观点出发并在总结隧道建设实践经验的基础上创立的[2]。它以喷射混凝土、锚杆加固和量测技术为三大支柱,能及时掌握围岩和支护变形动态,保持围岩变形与限制变形、围岩压力与结构抗力动态平衡,使施工方法具有很好的实用性和经济性。

新奥法不仅在硬岩、软岩的隧道施工中运用,而且能够在具有膨胀性地层、湿陷性土层以及软弱砂土地层的隧道施工中运用,此外在偏压地带和高应力地区也可以使用新奥法。

其优点是能充分发挥围岩的自稳能力,降低施工成本;通过监控量测可以提高工效、降低成本、保证施工安全。其缺点是新奥法理论尚需进一步完善,在进行结构计算时,围岩的力学参数很难准确确定。

2　T BM法

全断面岩石掘进机是国家统一规定的标准名称,又叫隧道掘进机或隧洞掘进机(TBM是Tunnel Boring M achine的简写),简称掘进机。掘进机是一种由电动机驱动主轴旋转、对刀盘施加一定压力、使其贴近岩壁、通过刀盘上装设的盘形滚刀破碎岩石、使巷道断面一次成型的大型工程机械,也是目前掘进岩石巷道最有发展潜力的机械之一。采用掘进机施工的方法称为掘进机法。

掘进机法的优点:

(1)安全:减少周围岩层松动、冒顶的可能性。

(2)快速:在均质岩层中,掘进速度一般可达:软岩层2m/h,中硬岩层1m/h,硬岩层0.5m/h。

(3)经济:通常不需要临时支护(硬岩),或可用喷锚、钢圈梁、钢丝网等简易支护(软岩或中硬岩)。而且,超挖量能控制在几厘米之内。

(4)排渣容易:机械法破碎的土屑和岩渣多成中块或粉状,粒度均匀,可由皮带运输机直接排出。

(5)由于集中控制操作,有实现远距离操作和自动化操作的可能性。

掘进机法的缺点:一次性投资大;对岩层适应性差;实际利用率低;掘进机的使用常受洞长和洞径的限制。

3　盾构法

盾构法是指使用盾构机一边控制开挖面及围岩,使围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣并在盾构机内拼装管片形成衬砌,实施壁后注浆,从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的施工方法。

盾构法一般适用于第四纪冲积层、洪积层,第三纪地层(从极软弱到无侧限抗压强度数千kPa),特别适用于城市地下隧道、海底和河底隧道以及穿越沙层、流沙土层和地下有重要建筑物或建筑群体的地下隧道[3],在地下水位高于洞顶、岩石破碎、穿越断层的隧道中施工有独特的优越性。

盾构法施工的优点:

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(1)安全:盾构施工方法属于地下暗挖施工,不受地面、交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件影响,能较经济合理地保证隧道安全施工,可在盾构支护下安全地进行开挖衬砌等。

(2)效率高:盾构的推进、出土、拼装、衬砌等可全部机械化、自动化作业,施工劳动强度低,掘进速度比较快。

(3)危害小:施工中没有噪声、振动,对周围环境没有影响,而且不影响河道正常航运和行洪。

(4)经济性:在松软含水地层中,修筑埋置深度较大的长大隧道,具有经济、技术、安全等方面的优越性。

盾构法施工的缺点:准备时间长,重复使用率低;施工复杂;适用性受限;地表变形不易控制。

4　沉管法

沉管法是在干船坞内或大型驳船上先预制钢筋混凝土管段或钢管段,将其两头密封,然后浮运到指定地水域,再进水沉埋到设计位置固定,建成需要的过江管道或大型水下空间。如广州珠江水底隧道、宁波甬江水底隧道。

沉管法对地基要求不严,一般适用于水深小于60m、流速小于3m/s的下游河段、河口及港湾等地,尤其是软基、河床或海床等平坦、宽阔、易于用水下疏浚设施进行基槽开挖的工程地点[2]。

沉管法施工的优点:施工质量有保证;对地质、水文条件适应性强;施工工期相对较短;沉埋隧道造价低;防水性好;易建成大断面多车道。

沉管法施工的缺点:沉管法施工受当地气象、水文条件的制约;沉管法施工对河道环境、河道行洪和航运影响比较大;管段制作过程中对防水要求较高,需采用严格的技术措施。

5　围堰明挖法

围堰明挖法是一种较为简易的施工方法,主要适用于水深不大或有枯水期出现的江河。围堰明挖法是先修筑围堰,抽干河水后从地表面向下开挖基坑至设计标高,然后在基坑内的预定位置由下而上的修筑衬砌、建造主体结构及其防水措施,最后回填土并恢复路面[4]。

围堰明挖法具有隧道埋深线路短、照明通风代价小、工程造价和营运费用低、使用效益好、施工方法简单等优点;但同时存在受外界气象条件影响较大、对施工条件要求高、对环境扰动大等缺点[5],一般很难找到符合条件的地址。

6　悬浮隧道

所谓悬浮隧道,其沉管体并非埋于河床或海床下,而是支撑于水底桥台上或锚定在河(海)床上,形成类似于水下桥梁的一种结构体。它与沉管隧道最大的差别在于,悬浮隧道是完全被水包围,而沉管隧道是沉放在水底基槽内。悬浮隧道适应所有需在水中穿越的交通,包括经海峡、河流、湖泊、峡湾、海湾等的交通联系;可通行火车、汽车、小型机动车和行人,还可用作穿行各种管道和电缆的服务隧道。悬浮隧道理想的适用范围是宽度大于1000m、水深超过50m的水域。

虽然目前研究的浮式隧道有浮筒式、锚索式和支撑式几种结构型式,但在管节两端各用两根锚索系于海底的沉石上,以抵抗浮力、水流力等外力,保证浮式隧道的安全运行的这种结构,在技术上最为成熟[1]。

悬浮隧道结构与桥梁方案以及其他施工方法相比,在技术上具有以下特点:

(1)对结构物周围的环境影响很小。

(2)全天候工作,即它不受大江或海峡的风浪、大雾的限制。

(3)与桥梁方案相比,汽车能量的消耗较小,这是因为悬浮隧道一般的坡度可以较桥梁方案为平缓。

(4)可以方便铺设跨江海峡的各种供水、电力管线。对于长度超过1000m及水深超过50m的连接工程,采用悬浮隧道技术比其它的解决方案如桥梁方案可能更具有竞争力。

由于悬浮隧道和沉管隧道在许多方面具有相似性,因此悬浮隧道可以借鉴沉管隧道的经验,如管节的制作、浮运、沉放、搭接,隧道的防水、通风、照明等。

7　结　语

由于围堰明挖法适用条件受到限制,TBM法主要用于岩石隧道,悬浮隧道还需要进一步完善,因此目前水下隧道主要采用新奥法、盾构法、沉管法施工。在水下隧道可行性分析中应考虑如下方面:

(1)覆盖层厚度。就矩形钢筋混凝土沉管隧道而言,顶层覆盖层厚度只要0.5-1m即可,也可为零厚度,甚至凸出河床;而盾构隧道覆盖层至少也得大于盾构直径;新奥法施工的隧道对覆盖层要求更高;因

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