国内大直径盾构隧道的设计技术进展

大直径盾构

隧道/地下工程

国内大直径盾构隧道的设计技术进展

肖明清

1,2

(11西南交通大学土木工程学院,成都　610031;21中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉　430063)

摘　要:自上世纪90年代以来,我国大直径盾构隧道的建设得到较大的发展,特别是近期建设的武汉、南京和上海越长江隧道以及广深港客运专线狮子洋隧道,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,也代表了当前国内盾构隧道的设计水平。对目前国内几座有代表性的大直径盾构隧道的概况进行介绍,对设计技术的进步进行总结。关键词:大直径盾构;隧道;设计;技术进展中图分类号:U455143　　文献标识码:A文章编号:100422954(2008)0820084204

施工技术进步。

表1　国内大直径盾构工法应用情况

隧道名称

隧道外盾构段

径/m长度/m

盾构形式

建设时间/年

1　概述

111　1818年,英国的布鲁诺(M1I1Brunel)提出盾构工

法并申请了专利,1825～1843年,他利用矩形(618m×1114m)盾构,在伦敦泰晤士河下几经挫折修建了世界上第一条盾构隧道。1869年,Barlow和Great采用圆形盾构(外径2121m的铸铁管片)在泰晤士河下成功修建了第二条盾构隧道。随后,盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联以及我国,并得到逐步发展,尤其从20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,陆续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。

我国盾构隧道的应用时间相对较短,较为全面的试验是1962年在上海塘桥的试验隧道(<4116m的普通敞胸盾构)工程。1966年,上海用盾构法建造了国内第一条水底公路隧道———打浦路隧道。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。

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

收稿日期:2008204230

作者简介:肖明清(1970—),男,教授级高级工程师,国家一级注册结构工程师,1992年毕业于西南交通大学地下工程及隧道工程专业,工学硕士。

上海打浦路隧道101013241台网格式盾构1966上海延安东路隧道111011台网格式盾构1988011台泥水盾构1994

1012台泥水盾构2003112142台泥水盾构20041113614982台泥水盾构2005141512501台泥水盾构在建武汉长江隧道111025502台复合式泥水盾构已贯通上海长江隧道151074702台泥水盾构在建南京长江隧道141530222台泥水盾构在建广深港客运专线狮子洋隧道101893404台复合式泥水盾构在建杭州庆春路过江隧道111317662台泥水盾构在建杭州钱江隧道151032502台泥水盾构在建

112　国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件

特点

　　(1)武汉长江隧道的环境条件

武汉长江隧道为城市道路隧道,盾构通过的地层主要有黏土、粉土、粉质黏土、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%。在江中段每座隧道底部切入基岩长度约400m,切入基岩的最大深度约215m,基岩最大抗压强度达40MPa。

盾构段最大水压力达0157MPa。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5×105×10

-4

-3

cm/s,垂直渗透系数约

cm/s。隧道覆土厚度最大4015m,最小712

m,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。

该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)南京长江隧道的环境条件

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黏土、粉质黏土夹粉土、粉土、粉细砂、砾砂、圆砾、强风化钙质泥岩,其中,盾构切入泥

铁道标准设计　RAILWAY　STANDARD　DESIGN　2008(8)

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大直径盾构

肖明清—国内大直径盾构隧道的设计技术进展

隧道/地下工程

岩的长度约350m,最大切入深度约319m,泥岩抗压强度小于110MPa。盾构机开挖地层大部分为粉细

砂、砾砂、圆砾地层,其比例占全隧道的85%。

盾构段最大水压力达0165MPa。江中段粉细砂

-4

地层垂直渗透系数212×10cm/s,水平渗透系数

-4

112×10cm/s。隧道覆土厚度最大31m,最小515m,土压变化大;长江水位洪水期与枯水期差别大,年

抗压强度为8218MPa,基岩层的渗透系数达614×10m/s,基岩的石英含量最高达5512%,岩石地层的

黏粉粒(≤75μm)含量为2611%～5513%。

-4

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

内变幅可达9m左右,历史最高最低水位相差1011m。

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017～110D(D为隧道直径)。

(3)上海长江隧道的环境条件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黏土、淤泥质粉质黏土黏土、砂质粉土,镜体。、管涌、。工程,砂性土中地下水具承压性,粉质黏土中有微承压水。

隧道在现状河床下覆土最大厚度29m,最小14m。隧道最大水压力约55m。工程沿线除长江防洪堤外,基本无其他建筑物。

(4)狮子洋隧道的环境条件

狮子洋隧道为高速铁路隧道,盾构段穿越地层为淤泥质土、粉质黏土、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7313%、1313%、1314%。基岩的最大单轴

盾构隧道。盾构需穿越多道海堤和虎门港码头桩基。

(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,粉细砂、中粗砂、卵砾石,,如此复。2　设计计算方法的进步

211　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、联系介质法几个阶段,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。世界各国盾构隧道衬砌设计荷载计算方法见表2。

表2　各国盾构隧道衬砌设计模型及荷载计算方法

国家

澳大利亚奥地利西德法国日本西班牙英国美国

设计模型全周弹簧模 …… 此处隐藏：6746字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……