国内大直径盾构隧道的设计技术进展_肖明清

#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:U 455143 文献标识码:A 文章编号:1004-2954(2008) 08-0084-04

表1 国内大直径盾构工法应用情况

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上海长江隧道南京长江隧道杭州庆春路过江隧道

杭州钱江隧道

隧道外盾构段径/m长度/m[***********][***********]511131510

[***********][***********]3250

盾构形式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2台泥水盾构2台泥水盾构1台泥水盾构2台泥水盾构2台泥水盾构2台泥水盾构2台泥水盾构

建设时间/年[***********]042005在建在建在建在建在建在建

施工技术进步。

1110约1300

1 概述

111 国内外大直径盾构的发展概况

1818年, 英国的布鲁诺(M1I 1B r une l) 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, Barlo w 和G rea t 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(

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:2008-04-30

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。

25502台复合式泥水盾构已贯通

广深港客运专线狮子洋隧道101893404台复合式泥水盾构

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40M Pa 。

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

c m /s, 垂直渗透系数约

c m /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

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岩的长度约350m, 最大切入深度约319m, 泥岩抗压强度小于110M Pa 。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 。江中段粉细砂地层垂直渗透系数212@10c m /s, 水平渗透系数

-4

112@10c m /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, 局部地层中夹薄层粉砂和黏质粉土透镜体。主要不良地质现象有浅层气、砂土液化、流砂、管涌、淤泥质黏土灵敏度高, 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

-4

抗压强度为8218M Pa , 基岩层的渗透系数达614@

-4

10m /s, 基岩的石英含量最高达5512%, 岩石地层的黏粉粒([75L m ) 含量为2611%~5513%。

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。

(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工程设计技术的进步。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型全周弹簧模型覆土深[2D :局部弹簧模型

覆土深\2D :全周弹簧模型全周弹簧模型或有限元法惯用设计法或梁考虑围岩和衬砌相互作用的B uqera 方法

全周弹簧模型或M oirW ood 法

弹性地基圆环法

设计水土压力

v =全部覆土重; R h =K R v +静水压力

浅埋隧道:R v =全部覆土重; R h =K R v +静水压力; 深埋隧道:按泰沙基土压力公式R v =全部覆土重; R h =K R v (K =015)

R v =全部覆土重或按泰沙基土压力公式; R h =K R v (K 取经验值)

R v =全部覆土重或按泰沙基土压力公式计算; R h =K R v (砂性土分算、黏性土合算) 不计黏聚力的泰沙基公式

R v =全部覆土重; R h =R v (1+K ) /2

R v =全部覆土重; R h =K R v +水压力, K =014~015

注:D 为隧道直径; R v 为垂直水土压力; R h 为水平水土压力

212 我国大直径盾构隧道的结构计算方法

(1) 隧道横向计算

我国大直径盾构的结构计算方法基本沿用日本的方法, 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他计算方法的实例, 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。由于我国大直径盾构隧道的直

AY ARD DES IGN (8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。

(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概念。目前, 纵向计算

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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。

(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311 衬砌结构的多样化

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。

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能力, 亦准备采用管片+内衬的结构方案。312 通用楔形环的采用

为满足隧道两端的接线要求, 盾构隧道一般需要设置平曲线和竖曲线, 为使管片拼装能较好地拟合设计曲线, 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, 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不利; (4) 由于施工中不可避免会产生掘进方向的误差, 因而在一环掘进完成前无法预知该采用何种衬砌环, 不利于管片提前组织运输, 因而施工速度较慢, 当掘进长度较长时尤为不利。为克服上述缺点, 武汉长江隧道工程在国内大直径盾构隧道中率先采用通用楔形环衬砌。该种类型衬砌环只需一种类型模具, 通过衬砌环沿圆心的旋转可以实现直线、平曲线、竖曲线和纠偏的拟合需要, 且拟合精度高。通用楔形环的缺点在于管片空间旋转位置不固定, 为找出结构最不利受力状态, 需进行高达几十种甚至上百种拼装组合状态的计算, 计算工作量大。

313 新材料的应用

(1) 混凝土结构新材料的应用

为提高管片衬砌的防火性能并减少管片制作过程中的表面收缩裂缝, 不少隧道开始采用合成纤维混凝土管片。合成纤维应选择耐碱性强、弹性模量高、熔点低的材料, 掺量控制在115kg /m左右。

在上软下硬的复合地层中掘进时, 千斤顶推力变化较大, 容易造成管片局部开裂, 同时在该种地层中荷载分布及结构支撑状态均明显比单一地层中更不利, 因此, 武汉长江隧道和狮子洋隧道均采用了钢筋钢纤维混凝土管片。通过利用钢纤维混凝土材料抗拉、抗裂性能好、韧性好的优点, 抵抗不可预见的局部高应力。

此外, 高性能混凝土的应用提高了工程的耐久性。(2) 盾构接缝防水新材料的应用

目前盾构隧道接缝防水的常用材料为三元乙丙橡胶(EPDM ) 和普通遇水膨胀橡胶, EPD M 橡胶的耐久性好, 可以满足100年的使用要求, 但普通遇水膨胀橡胶在长期或反复浸水前后质量损失较大、膨胀倍率下降, 耐久性相对较差。最近南京长江隧道、上海长江隧道引进了日本的聚醚聚氨酯遇水膨胀橡胶作为接缝的辅助防水材料。该种橡胶材质为含亲水性单元的线型聚醚聚氨酯弹性体, 聚醚分子在聚氨酯遇水膨胀胶中以化学链结合, 且材料本身也是全部以化学链结合的热固性结构, 没有无机填充物和有机增塑剂。所以, 即使在有机溶剂中也无可抽出物, 更不溶于水, 即使在流动水中长期浸泡下其质量和膨胀倍率也能基本保持不变, 因而其耐久性较好。4 性能化设计的加强411 工程风险评估

2004年国际隧协发布了5隧道风险管理指南6, 英国、日本等国家的隧道协会或保险业协会也发布了类似的风险评估与管理的规范或指南; 我国铁道部于2007年也发布实施了5铁路隧道风险评估与管理暂行规定6, 上述大直径盾构隧道均进行了风险评估专题研究。通过风险评估对工程设计方案进行评价与优化的办法, 可以说是隧道设计技术的一项进步。

在盾构法隧道设计的风险评估中, 经常出现的关键问题有:隧道长距离掘进是否可行, 长隧道究竟该采取怎样的综合防灾与救灾措施, 其中, 并行隧道之间的横通道设置更是焦点问题。对于长距离掘进的争论主要是由于国际上长距离掘进的工程实例还相对较少, 工程经验不多, 特别是带压换刀难度大, 对工期影响大。目前, 武汉长江隧道在高石英含量的砂层中掘进2550m , 期间没有换刀, 盾构到达后刀具磨损不大, 预

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计可以再掘进2~3km 。至于对综合防灾与救灾措施方面的争论, 原因是多方面的, 一方面是由于国内对隧道火灾概率、火灾规模等的基础理论研究还很不够, 不同专家的评价结果不同; 另一方面经济能力也是主要的制约因素, 如欧洲, 各种防灾设备一应俱全, 唯恐/遗漏0, 而国内选择变动的余地较大; 再有, 消防主管部门与隧道技术专家的认识角度不同, 隧道技术专家多从横通道修建的技术难度与风险方面进行考虑, 而消防部门则更多的关注设备的先进性与救灾的及时性。因此, 国内在建隧道的横通道设置标准并不统一, 地域不同, 方式也不同。尽管如此, 随着工程经验的积累和风险评估结果精度的提高, 在该方面的设计将越来越趋于科学。412 耐久性设计

工程结构的耐久性对国民经济可持续发展的作用是毋容置疑的, 中国土木工程学会发布的5混凝土结构

耐久性设计与施工指南6对提高广大工程技术人员对耐久性的认识和对提高工程耐久性质量起到了很大的作用。盾构法隧道由于管片是采用工厂化方法制作, 在耐久性方面的质量控制更容易保证。与以往结构设计主要考虑荷载作用下承载能力安全性和适用性相比, 目前的设计和施工在耐久性方面采取了严格的构造和工艺措施。但应该看到, 我国对耐久性的研究深度与规模还远远不够, 特别是地下工程的耐久性研究差距更大。目前, 在建的几座大直径盾构隧道均进行了耐久性的专题研究与试验, 如南京长江隧道, 对混凝土耐久性进行了受力状态下的室内试验、现场取样分析, 对管片制作提出了耐久性方面的过程控制参数, 这些探索对盾构隧道耐久性设计与施工将起到积极的作用。

413 防火设计

在公路隧道方面, 2006年以前, 国内对公路隧道的防火设计没有统一的标准, 多是根据隧道的交通功能及车辆类型参考国外有关标准设计。2006年12月, 国家发布了5建筑设计防火规范6(GB50016) 2006), 对城市道路隧道根据车辆类型、隧道长度进行了分类, 并提出了应满足的标准升温曲线。这对统一防火设计标准起到了良好的促进作用。在铁路隧道方面, 虽然有5铁路工程设计防火规范6(TB10063) 2007), 但没有提出隧道标准升温曲线。目前国内有关设计单位采用的标准为:客运专线隧道按RABT 标准升温曲线采用, 火源功率10~20MW; 客货共线隧道按RW S 标准升温曲线采用, 火源功率300MW 。

与岩石隧道不同, 由于盾构法隧道一般位于软弱地层中, 如结构在火灾中损伤较大, 则可能造成结构倒塌, 其风险后果远大于山岭隧道, 因此盾构隧道的防火保护措施应加强。国内大直径盾构隧道一般均根据高

AY ARD DES IGN (8温对混凝土和钢筋材料性能的影响曲线, 对灾后结构承载能力进行了分析。南京长江隧道、上海长江隧道、狮子洋隧道还对管片的耐火性能进行了室内试验。5 施工组织设计技术创新511 盾构地中对接技术

狮子洋隧道盾构段长度为9340m, 且工期紧, 必须采用4台盾构施工。设计中对多个施工组织方案进行了研究比较, 推荐采用地中对接方案(图1) 。该方案是国内首次进行地中对接施工, 根据地质条件, 对接

施工的辅助工程措施为长管棚超前注浆。

图1 狮子洋隧道地中对接施工组织方案示意

512 盾构直接切削围护墙始发技术

目前, 国内盾构始发时一般采用人工凿除掘进范围的围护墙后, 再进行盾构推进的方式。该方式对围护墙背后地层加固和止水的要求较高, 且存在一定的施工风险, 对工期也有一定影响。武汉长江隧道盾构始发后20m 即进入5层高的教学楼下, 为降低工程风险, 盾构开挖范围内的工作井围护墙采用GFRP(玻璃纤维) 筋代替钢筋, 盾构始发时直接切削围护墙进入土层, 该种方式在国内大直径盾构始发工艺中系首次采用。6 结语

目前我国大直径盾构隧道的修建尚处于起步阶段, 随着我国综合国力的加强, 在今后较长一段时期内地下工程将得到较大的发展。由于我国地域辽阔, 地质条件复杂, 今后很多工程将遇到复杂的技术难题。笔者对目前国内大直径盾构隧道的设计技术进步进行了粗浅的总结, 希望能对类似工程的建设有微薄的参考价值, 也希望得到专家的批评与指导。参考文献:

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