盾构法水下隧道工程技术的发展
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通过向压力舱注入添加剂并搅拌舱内土体,以改 良其流塑特性,土压平衡盾构也可以扩大其适用范围, 但对粗颗粒砂土为主的地层(如渗透系数大于0.ool m/s)则土压平衡盾构不甚适用。同样,对细颗粒粉土
为主的地层,如采用泥水平衡盾构,则地面泥水分离系 统的成本将大大提高,泥水平衡盾构不甚适用。
针对水下隧道大断面、高水头和长距离的发展趋 势,盾构工法的技术发展主要集中在1)高水压和波动 水压下及时和精确控制工作面的支护压力;2)开挖刀 具磨损程度的监测、刀具维护和更换;3)复杂地层和 地下障碍物的超前预报。
DeVelopment of Underwater Shield-bored TunneIs
W.W.Yang (^缸u船eff AECD肘。.sk凡如en 518001,GⅡang幽昭,∞i眦)
Abstract:Shield tunneling is a maior constmction method to cross undemeath seas and rivers.The development of this mechanized tunneling technique is prima“ly fbcusing on la唱e tunnel cross—sections,high gmund water pI.essuI℃and long bo—ng distance. The pIDgress in shield tunneling technique is presented in this paper by discussing the typical shield— bored tunnels built all over the world-including the Channel Tunnel,Tokyo Bay Sub—sea Tunnel, Elbe Tunnel:4th Tube,Westerschelde Tunnel and Chongming Tunnel. Key wordS:shield/TBM;underwatertunnel;tunneling technique
Fig.4
图4 混合空气和泥水加压型盾构机
Structure of slu丌y pressure balance shield machine
2 英法海底隧道(1987—1993)
英法海底隧道从最狭窄的海峡处连接英国多佛尔 和法国加来,海峡水面宽度约37 km,最大水深约40 m。2条长50km、直径7.3 m的铁路隧道穿越英吉利 海峡海底岩石地层,平行主隧道相距约30 m,在其中 间设置1条直径4.5m的辅助隧道,纵向每隔375m设 置横通道与两侧主隧道连通,供隧道通风、维修使用, 并作为故障应急通道。
nel compl烈
3 日本东京湾公路盾构隧道工程(1987一 1997)
日本东京湾高速公路工程横跨东京湾连接东京都 与干页县,采用桥梁和隧道跨越东京湾,海上部分由3 段组成:长约9.1 km的海底盾构隧道穿越川崎侧的繁 忙航道;长约4.4 km的海上桥梁跨越水深较浅的木更 津侧;川崎侧岸边浮岛的引道。51。为了缩短盾构机掘 进海底软土地层的距离和满足隧道运营通风的要求, 在海中建造了川崎人工岛并建造永久通风塔,由川崎 人工岛中出发井各2台盾构机分别向东、西方向掘进; 在隧道西端建造了木更津人工岛作为海中桥隧转换人 工岛,由岛卜出发井2台盾构机向西掘进,与由川崎人 工岛向东掘进的2台盾构在东侧海底地层对接;在隧 道东端的岸侧浮岛上出发井2台盾构机向东掘进,与
主要工程方法,其发展趋势主要集中在如下3个方面: 1)大断面,适应不断增长的交通流量;2)高水头,穿越 更深的江河和海峡地层;3)长距离,实现更宽阔河口 和海峡的隧道通道。
以上3Байду номын сангаас面的工程发展要求,给盾构工法和沉管 隧道工法带来了多方面的技术挑战。
对盾构工法,技术发展集中在1)大断面在高水头 下开挖工作面的稳定性;2)高水头压力下盾构机装备 止水的可靠性;3)一次性长距离钻挖,刀具的可维护 性和可更换性。近几十年来建成的多座大型海峡通道 盾构隧道工程,极大地丰富和发展了水下隧道工程的 技术。结合多项标志性的隧道工程,阐述水下盾构隧 道-T程技术的发展水平和面临的挑战。
Ⅳf爰。 一一!
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压缩空气
泥水
(a)空气加压型盾构
(b)泥水加压型盾构
图2 现代机械式盾构机类型
f。ig.2 Modem mechanical shield ma(.hine
开挖出的泥土 (c)土压平衡盾构
图3 土压平衡盾构和泥水平衡盾构的适用范围
Fig.3
Appli。。ti。。。。。pe of eanh pressu陀balanc。。hield machi。。 蛐d slurry pressure balance shield machine
进距离等3大方面。文章就已建成的几大标志性盾构法水下隧道工程(英法海峡隧道、日本东京湾公路隧道、荷兰西斯凯尔特河隧
道、德国易北河第四通道隧道、上海崇明长江通道隧道)就其上程规模和技术特点,讨论水下隧道盾构工法的技术发展。
关键词:盾构;水下隧道;隧道技术
中图分类号:U 455
文献标志码:A
文章编号:1672—74l x(2009)02一0145一07
穿越江河或海峡水下地层时,盾构机开挖工作面 的地下水压力将受上覆水道的波浪压力变化的影响, 钻挖推进时需及时和精确地调整压力舱的压力以维 持工作面的稳定。混合空气和泥水加压型盾构机, 利用双压力舱和压力空气气囊技术,可以比较精确 地调节气囊压力,控制压力精度可达0.05 bar,及时 控制压力舱的泥水压力。图4为混合盾构双压力舱 简图。
Fig.8
图8 东京湾海底隧道8台盾构机掘进方向(单位:km) Boring difPctit)ns()f 8 TBMs used fbr‘I’okyo Bay Sub—sea Tunnel (dimension jn“km”)
藏
结苊囤
放射式 冻结管
图9 盾构机在海底地层对接
Fig.9 Docking of TBMs undPr seabed
万方数据
第2期
杨文武: 盾构法水下隧道工程技术的发展
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针对连续掘进复杂变化地层的需要,复合盾构 机可以在钻挖过程中转换运行模式。基于模块化 施工概念和配置隧道内可转换泥水平衡、土压平衡 或半开放模式的装备选项,现代复合盾构技术有能 力克服高地下水位条件复合砂土和岩石等艰难地 店臼【3] o
①泥水压力舱分隔墙;o开挖泥水压力舱;⑨泥水压力调竹舱;④压缩 气囊舱;⑤压力舱端壁。
2)英国侧盾构机掘进距交会点一定的距离处,作 小角度姿态调整,向下掘进直至于停在法国侧盾构机 的下方,混凝土封灌盾构机;
3)采用小型的隧道挖掘机,开挖1条高2 m、宽l m的施工通道连接到法国侧盾构机工作面;
4)采用隧道挖掘机,从英国侧向法国侧开挖并连
通隧道。 英法隧道工程是当时规模最大、最宏伟的海底铁
为主的砂砾地层,切削下来的土体具有高透水性和低 流塑性的特性,适宜应用泥水平衡盾构技术。
l—铸铁架;2一分块挡{:板;3一螺旋式千斤顶;4一铁护盾;5一砖衬砌; 6一铸铁架支撑;7一顶进千斤顶。
图l M.I.Brunel于1818年发明的盾构机
Fig.1 Shield machjne invented by M.I.BIVnel in 1818
1)法国侧盾构机掘进并停止到预定的位置,拆解 盾构机;
Fig.5
图5 英法海底隧道纵剖面(单位:km) kngiIudi眦l pmfile“Ch锄nel Tunnel (dimension in“km”)
图6 英法海底隧道ll台盾构机掘进方向(单位:km)
Fig.6 Boring direc“ons of l l TBMs used for Channel Tunnel (dimension in“km’’)
动工修建连接泰晤士河两岸的人行隧道,开挖时因无 法克服泥水涌入隧道而被迫停工。直到1825年,在 M.I.Bmnel指导下,首次采用盾构法施工,终于于 1843年建成第一条泰晤士河隧道,揭开了水下隧道建 设的序幕,更开创了盾构工法的历史。
泰晤士河人行隧道全长406 m,采用了法国工程 师M.I.Bmnel发明的盾构机,采用人工开挖工法和 砖石衬砌结构。Brunel于1818年发明的盾构机见图
收稿日期:2009一Ol—14;修回日期:2009—03—02 作者简介:杨文武(1964一),男,广东人,1996年毕业于香港科技大学土木及结构工程专业,博士,英国皇家特许工程师,香港注册工程师,从事岩土 工程、隧道工程、桥梁工程设计和研究,茂盛工程顾问有限公司经理。
万方数据
隧道建设
第29卷
1盾构隧道工法 近代水底隧道始建于英国。1807年英国在伦敦
路隧道工程,充分展示了现代盾构工法在建造大型跨 海隧道工程的巨大成功,并使隧道施工技术水平和盾 构装备能力得到迅速提升,把盾构机的适用范围推向 一个新阶段。
万方数据
隧道建设
第29卷
图7 盾构机在海中岩石地层交会、解体和隧道连通
Fig.7
D("king and disassembly of TBMs untler sea}'Pd anfl tun—
由川崎人工岛向西掘进的2台盾构在两侧海底地层对 接。共投入了8台直径为14.14 m的大型泥水平衡式 盾构在海底地层钻挖和对接,见图8,一次最大掘进距
离为2.85 km。 东京湾隧道丁程成功地应用了一系列盾构新技术
自从18世纪40年代首次采用盾构工法人工开挖 建成穿越伦敦泰晤士河的第一条水下人行隧道以来, 世界各国已经修建了数百座的水下交通隧道,成为交 通工程基础设施网络的重要组成部分一j。根据水文 地质条件,水底隧道的主要施工方法包括围堤明挖法、 钻爆法、气压沉箱法、盾构法和沉管法等。现代化的机 械盾构工法和沉管隧道工法,是现代水下隧道建设的
标志着水下隧道盾构工法技术发展的丁程,包括 1)英法海峡盾构隧道工程(1987一1993);2)日本东 京湾公路盾构隧道工程(1987一1997);3)荷兰西斯凯 尔特河盾构隧道工程(1997—2002);4)德国易北河第 四通道盾构隧道(1997—2003);5)上海崇明长江通道 盾构隧道工程(2005—2008)。
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现代机械式盾构机按压力舱的压力形式,分为空 气压力型盾构、泥水压力型盾构和土压平衡盾构2|, 如图2所示。
土压平衡盾构和泥水平衡盾构的适用范围主要取 决于地层的水文地质条件,图3所示为土砂砾颗粒分 布特性与盾构适用范围的关系。一般而言,土压平衡 盾构适合挖掘细颗粒粉黏土为主的地层,切削下来的 土体流塑性好、透水性低,充满在压力舱土体压力可以 平衡工作面的压力并维持其稳定性;而对粗颗粒成分
0 引言 随着活动范嗣的扩大和经济发展的驱动,人类不
断地征服江河和海峡等天然水道屏障,开辟跨越水道 实现联系陆地区域的通道,包括轮渡通航和桥梁、隧道 固定交通通道。水下隧道穿越江河或海峡的水下地 层,是跨越江河、海湾、海峡的安全可靠固定通道。具 有诸多优点:1)不侵占航道的净空和不影响海湾、港 口的航运;2)稳定畅通无阻的通行能力,保证全天候 越江河、海峡通行;3)具有很强的抵御自然灾害和战 争破坏的能力;4)受到四周岩土介质的约束,具有较 大的超载能力和较好的结构耐久性。
第29卷第2期 2009年4月
隧道建设
v。1.29 N。.2
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Apr.
2009
盾构法水下隧道工程技术的发展
杨文武
(AEcOM茂盛亚洲工程顾问有限公司,广东深圳518001)
摘要:盾构是建造穿越江河、海峡水下隧道的主要工法之一,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
隧道穿越的海底地层为透水性低的白垩纪泥 灰岩层,隧道顶的岩石覆盖层厚超过20 mHl,如图 5所示。
采用11台土压平衡盾构机在3年内完成了海底 隧道开挖和衬砌。如图6所示为盾构机从位于岸侧的 两蛏井出发,向海中掘进的盾构机在岩石地层交会和 解体。图7示意了英国侧盾构机和法国侧盾构机交 会、解体和隧道连接的步骤。