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第117期 超大直径盾构隧道综合技术现状与发展

2021-3-4 14:45
原作者: 季玉国 来自: 52监测 收藏 分享 邀请

【52监测网】第117期 超大直径盾构隧道综合技术现状与发展

第115期 驭势而智 人悦其行

52监测网专家报告分享-第117期
《超大直径盾构隧道综合技术现状与发展》
季玉国

目录

超大直径盾构隧道发展现状
国外超大直径盾构隧道典型工程
国内超大直径盾构隧道典型工程
国内大直径TBM掘进典型工程
国内超大直径盾构隧道施工装备与技术创新
超大直径盾构隧道关键技术
超大直径盾构隧道建设问题与思考
超大直径盾构隧道的发展与展望

一、超大直径盾构隧道发展现状

◇ 盾构是建造穿越江河、海峡水下隧道的主要工法之一,在城市道路隧道运用较多,其工程技术的现代发展趋势主要针对隧道大断面、高地下水头和长掘进距离等3大方面。国外盾构法隧道工程技术在近30年来向大深度、大断面、长距离的方向发展并建成一批超大直径的海(江)底隧道和城市道路隧道。

◇ 超大直径盾构隧道一般应用于公路或公路与轨道交通合建项目,其边界很难界定,20年前,直径10~11m的盾构被认为是最大的,可以满足单层2车道需求;而近10多年来,随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长,14m及以上直径是当前的主流,可以满足双层4/6车道或单层3车道需求。本文所指超大直径盾构均为直径14m以上。

国际上,1994年首次采用直径14.14m盾构进行日本东京湾隧道施工;国内2004年在上海上中路隧道引进荷兮绿色心脏直径14. 87m盾构进行施工。

截至 2019年12月,直径14m及以上的盾构隧道项目有52 例(含在建项目),其中,国外有17例,国内有35例。

目前, 世界上最大直径(18.1m)的盾构工程(沈海高速公路深圳机场至荷坳段改扩建工程)正在筹建中。

(红色为土压平衡盾构,其余为混合式(泥水)平衡盾构)

国内直径14m及以上的隧道主要应用于经济发达地区。截至2016年6月统计数据表明,采用泥水平衡式盾构工法(德国海瑞克公司混合式盾构为主)的17项,采用土压平衡式盾构工法的4项。公路隧道19项,公路隧道与轨道交通隧道合建2项(上海长江隧道和武汉三阳路隧道)。


盾构直径在14.0m以上的隧道工程得到了迅猛发展,按照5年一周期计算,工程数量和掘进里程均倍增。( 截至2016年6月统计数据)


目前中国建设了世界上最多的超大直径盾构隧道工程,总共21项工程,接近60%。(截至2016年6月统计数据)

① 超大直径盾构隧道工程中,混合式(泥水平衡)盾构使用最多,达到70%;
② 超大直径盾构隧道工程中,使用的盾构机直径在14.5~15.0m的工程最多,一方面是成熟的技术,另一方面是盾构机的循环利用。


国内大盾构隧道施工现状




大直径盾构按照其平衡方式分类:土压平衡盾构、泥水平衡盾构、双模式盾构。
大直径盾构特点:重力大、总推力大、扭矩大。


二、国外超大直径盾构隧道典型工程

日本东京湾的海底道路隧道、日本东京营团地铁7号线麻布站工程、德国汉堡易北河第4隧道工程、荷兰格累恩哈特隧道、马德里M30地下道路隧道、意大利SPARVO隧道、西雅图SR99公路隧道工程……


(1)日本东京湾的海底道路隧道
世界上第一个直径大于φ14m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程。长9.4Km的隧道采用8台φ14.14m泥水盾构掘进施工,于1996年竣工。盾构采用先进的自动掘进管理系统、自动测量管理系统和自动拼装系统,8台盾构各掘进约2.6Km并在海底实现了对接,体现了高新技术在盾构法隧道工程中的应用,见图2。隧道最大埋深60m,在粘土和砂性土中掘进,隧道管片分为11块,厚度65cm,结构计算采用弹性地基梁模型,接头弹簧系数经管片接头试验取得。

日本东京湾隧道直径14.14m泥水盾构掘进机

(2)日本东京营团地铁7号线麻布站工程
1997年6月,日本东京营团地铁7号线麻布站工程,采用1台φ14.18m母子式泥水盾构掘进机,掘进一条长364m的3线地铁隧道后进入通风井,然后从大盾构中推出φ9.70m的盾构掘进777m的双线隧道。这是世界上第一台大直径的母子式盾构,体现了盾构技术的新发展。

φ14.18m母子式泥水盾构掘进机

(3)德国汉堡易北河第4隧道工程
1997年开工的德国汉堡易北河第4隧道工程,长度2.6Km,河底最小覆土仅为7m(小于0.5 D),采用海瑞克公司制造的φ14.2m复合型泥水盾构。穿越的地层为坚硬的粘土、砾石,含水丰富,透水系数大,掘进施工十分困难。盾构机中心设有3m直径的先行小刀盘,泥水舱下部设有可破碎直径达φ1200mm巨砾的破碎机;另一项新技术是地质测量系统,称为“声波软土测探系统”(SSP),可为整条隧道推进过程采集数据测量,提供盾构前20-30m的三维反射图像。这台盾构掘进机还设计了在常压状态下的刀盘更换设施。盾构技术体现了国际先进水平。易北河第4隧道工程于2003年竣工。该φ14.2m复合型泥水盾构经维修保养后于2003年用于俄罗斯莫斯科lefortovo地下道路隧道工程,掘进长度2.5Km,为单管3车道隧道;以后又在莫斯科西部掘进2条2.2 Km的道路隧道。φ14.2m复合型泥水盾构总共掘进4条道路隧道,总长度9.5Km。

易北河第4隧道φ14.2m复合型泥水盾构

(4)荷兰格累恩哈特隧道
荷兰格累恩哈特隧道,是阿姆斯特丹到布鲁赛尔高速铁路隧道工程, 长度7156m,中间设3座工作竖井,穿越地层为砂土,隧道埋深30m,采用法国NFM厂制造的外径φ14.87m泥水平衡盾构掘进机。盾构总功率9540KW,最大推力184300KN,刀盘最大扭矩13600KN·m。掘进施工相当顺利,日掘进速度约10m,隧道于2005年竣工。

荷兰绿色心脏隧道φ14.87m泥水盾构

三、国内超大直径盾构隧道典型工程

典型工程案例

南京扬子江隧道、上海长江隧道工程、汕头苏埃通道、香港屯门海底隧道、南京长江隧道、广深港高铁狮子洋隧道、武汉三阳路公铁合建长江隧道、佛山—东莞城际铁路狮子洋隧道、苏州—南通特高压输变电工程长江隧道、汕头—汕尾高铁汕头湾海底隧道、深圳春风隧道……


(1)上海长江隧道工程
隧道单线全长7500m,穿越上海长江水域,是上海长江桥隧的一部分,采用德国生产的S-317、S-318两台盾构机,盾构直径15.43m,隧道外径15.0m,是我国第第一条设计的公铁两用长江水下隧道。这个名列当今世界隧道规模前茅的超大型隧道位于上海市东北部,连接上海市陆域和长兴岛,是长江隧桥工程重要的组成部分,隧道穿越南港水域,长约8.9公里。隧道内径13.70米,外径15.0米,分上下层。上层为双管双向六车道高速公路,下层为轨道交通9号线预留空间,以配合“三岛联动”开发计划。


隧道采用世界最大直径φ15.43m泥水气平衡盾构施工(当时),盾构最大推力为225800KN,刀盘最大扭矩58000KN,刀盘转速为0-0.3rad,最大推进速度4.5cm/min。盾构掘进7500m花了20个月,平均推进速度12.5m/d。


◇ 该工程特点带来的技术难点表现为:
• 超大断面盾构衬砌结构设计、开挖面稳定、隧道抗浮、管片制作与拼装等;
• 7.47Km的一次掘进中其关键部件的检修、三维轴线控制、隧道通风与降温、公路与轨道交通共用隧道火灾控制与救援疏散、施工等;
• 高水压下软土复杂地质条件,需要考虑隧道防水、耐久性等难题;
• 多工序隧道内部结构阶梯流水同步施工、施工风险防范与控制、全寿命周期隧道建养一体化管理等问题。

(2)广深港高铁狮子洋隧道
狮子洋隧道是世界首座高速铁路水下盾构隧道,也是我国建成的最长水下隧道和首座铁路水下隧道.全长10.8km,外径10.8m,双孔单线,是广深港高速铁路关键控制性工程,穿越地质与环境条件极为复杂的珠江入海口——狮子洋,其建设面临行车速度高(设计时速350km,是水下隧道世界最高速度)、掘进距离长(盾构段长9340m、国内最长水下掘进距离)、地层复杂多变(国内首次大直径盾构连续穿越软弱地层、土岩复合地层、基岩及其破碎带)、水压力大(0.67 MPa,是建设期国内最大水压力)、安全标准严(高速、高密度、大运量、水下)等技术难题。


◇ 建设技术难题
1、行车速度高(设计时速350 km,是水下隧道世界最高速度);
2、掘进距离长(盾构段长9340m、国内最长水下掘进距离);
3、地层复杂多变(国内首次大直径盾构连续穿越软弱地层、土岩复合地层、基岩及其破碎带);
4、水压力大(0.67MPa,是建设期国内最大水压力);
5、安全标准严(高速、高密度、大运量、水下)。

◇ 主要技术进步
1、建立了高速铁路水下盾构隧道结构体系及设计方法,解决了高速铁路水下盾构隧道结构安全保障、轨道平顺性控制难题。
2、开发了盾构地中对接技术,解决了深水、宽海域下隧道修建难题;攻克了大直径盾构长距离连续穿越软土、砂层、岩层及其破碎带的技术难题。
3、提出了时速350 km特长双孔隧道净空标 准和动车组火灾热释放功率标准,建立了双孔隧道水下紧急救援站,保证了高速铁路水下隧道运营舒适与疏散安全。

(3)深圳春风隧道
春风隧道工程是目前国内直径最大(刀盘直径为15.80m)的泥水盾构隧道,也是深圳市首条采用盾构技术施工的机动车隧道及首条单洞双层构造的机动车隧道。工程地处滨海区域,水文环境复杂,且隧道穿越长距离的软硬不均、硬岩地层及多条破碎带,建设地点为深圳市老城区,施工场地狭窄,周边环境复杂,建筑物、管线众多,交通流量大,其 工程综合难度和风险目前在世界同类型工程中最高。



春风隧道工程采用上下叠层形式,双向4车道,各加1条应急带,线路全长约5078m,盾构段长3603m,西侧明挖段长456m,东侧明挖段长740m。进出口明挖隧道采用连续墙和钻孔桩围护结构,基坑最大深度为32.3m,中间盾构段采用泥水盾构法施工。其中盾构段设计为单洞隧道:隧道内径为13.9m,外径为15.2m,内设疏散楼梯、 电缆管廊、排水沟及通风烟道。


◇ 工程主要特点与难点
1、。采用直径15.80m的泥水盾构,是目前国内开挖直径最大的盾构隧道。
2、。本工程所用盾构一次性连续穿越3603m,穿越地层为上软下硬、软硬不均以及全断面硬岩等复合地层;土石方开挖量大,运距长; 隧道埋深变化大,曲线半径(750m)小,水压大,技术标准高,给盾构施工造成了一系列困难。
3、。隧道在城市主城区繁华地段施工,沿线下穿深圳海关和边检等单位的25栋建筑物和5座桥梁,在隧道影响范围内的还包括187栋建筑物,工程设计时必须对地面沉降严格控制,以保证建筑物安全。此外,本工程将下穿地铁9号线、1号线、深圳火车站站房、广深铁路股道和春风高架桥等重要交通设施


四、国内大直径TBM掘进典型工程

盾构、TBM掘进机长期以来依赖国外引进,但近年来以中铁装备为代表的中国厂家已实现了中国盾构和TBM的自主制造,占据了中国大部分市场,在地铁工程中广泛应用,并于2014年成功实现了超前地质预报装备的搭载。在大量工程实践中,不断创新了单护盾TBM和敞开式TBM技术,解决了TBM在软弱地层掘进脱困与市区沉降控制技术中的难题,形成了超浅埋、大宽度、小净距矩形顶管技术与盾构始发、到达零覆土技术,在甘肃引洮7号隧洞、重庆轨道交通6号线等工程中成功应用,创造了多项世界纪录。

(1)国产首台铁路大直径土压/TBM双模掘进机
2018年4月18日,我国自主研制的国产首台铁路大直径在线式土压 /TBM双模掘进机在长沙验收下线,该设备将用于珠三角城际轨道交通广佛环线,具有完全自主知识产权,填补了我国国产铁路大直径双模掘进机系列当中土压 /TBM 双模掘进机的空白。该设备开挖直径为9.15m,整机长度为115m,质量约1350t,装机功率为5700kW,既能满足软土地层和极端上软下硬地层掘进,又能满足长距离超硬岩地层掘进的多功能性需求。使土压平衡盾构模式与硬岩TBM模式相互转换更便捷可靠,仅需72h即可完成模式转换。


(2)国内最大直径敞开式TBM——“云岭号”
滇中引水香炉山隧洞,具有“一快两长一超级,三多三高两活跃”的特点及难点,“一快”即围岩地质变化快,“两长”即长距离独头施工、长距离连续浅埋暗挖,“一超级”即超级长距离独头通风,“三多”即不良地质多、工艺工法多、技术难题多,“三高”即高地应力、高外水压力、高地震烈度,“两活跃”即活跃的地下水环境、活动的大断裂。尤其香炉山隧洞具有大断层、软弱围岩大变形、突泥涌水、岩爆、溶洞等复杂地质。

“云岭号”敞开式TBM掘进直径9.83米,总长度235米,总重量约达2050吨,集刀盘、运渣皮带机、支护、信息传感、物料运输等于一体。


五、国内超大直径盾构隧道施工装备与技术创新

设备制造现状



掘进控制技术

◇ 保头护尾/动态平衡控制技术——保头
保头:保护盾构机头部切削能力,即刀盘刀具问题。此处从施工角度出发,以广州地铁9号线3标为工程背景,根据实际施工过程中的刀具损坏、消耗情况,提出刀具优化配置、改进的建议措施。


◇ 保头护尾/动态平衡控制技术——护尾
护尾:保护盾尾密封效果。富水岩溶区(尤其上覆砂层),对盾尾密封效果要求高。

同步注浆:
控制好浆液质量、初凝时间;
控制好注浆量及注浆压力;
针对地下水丰富地段,可采用双液浆;
针对淤泥、砂层/岩溶复合地层,加强二次补浆。

盾尾油脂:
加强油脂仓检查,建议50~100环检查一次油脂仓的填充情况;
控制油脂注入频率,使其与掘进速度匹配;
岩溶区1环进行一次油脂补注,单孔注油脂时间约为36秒。

◇ 保头护尾/动态平衡控制技术——动态平衡
盾构掘进动态平衡:盾构切削下来的渣土能顺利进入密封仓内,再由排土系统顺利排出。富水岩溶发育复合地层中影响盾构掘进动态平衡的主要因素是渣土的和易性,表现出来的症状是泥饼、滞排、喷涌

预防措施:
加强盾构机破岩能力;加强渣土改良;
自稳性好的泥岩、页岩/岩溶复合地层:欠土压掘进、辅助气压掘进(1996年提出,广州地铁21号线大规模实践,现推广至全国);
泥水盾构:控制泥浆粘度、加强泥浆循环流量、加强冲刷。

处理措施:
泥饼:分散剂;自锁式泥饼冲刷装置冲刷;
滞排:泥水盾构可采用逆冲洗,注意避免击穿开挖面导致地面塌陷;人工清除等。

常压刀盘换刀技术

带压进仓作业风险大、耗时较长。即使采用饱和潜水作业,进仓作业准备也需要很长时间,而且地面上需要配置大量的辅助设备。

常压刀盘是把刀盘钢结构设计成类似人闸的结构形式,工作人员可以在刀盘内常压下更换滚刀和部分切刀。利用刀座油缸缓慢拉出刀座至安全螺母处,然后关闭闸门,打开球阀1排出压力后关闭,将刀具装置抽出进行刀具更换,然后按作业程序进行安装。

可更换滚刀结构

刀具检测技术

为了更对刀具状态进行监控,海瑞克和中铁装备公司已开发出针对常压刀盘刀具磨损自动监测系统,能够对刀具转动、温度、磨损量进行检测。通过安装在刀箱上的电涡流传感器和磁开关传感器分别测量滚刀实际磨损量、滚刀的转动及温度。在刀盘回转中心处放置有传感器集线器,负责向传感器供电,并将传感器信号转换为通讯信号,集线器电源及通讯总线通过电滑环和盾构控制系统相连。

刀具检测传感器布置图

刀盘摆动和伸缩摆动技术

为有效解决刀盘刀具尤其是边缘滚刀的更换,以及解决刀盘卡死脱困问题,刀盘主驱动轴承采用球铰结构,并实现刀盘前后伸缩和上下左右摆动,一方面实现超挖满足新刀具更换时的更换空间,大幅缩短刀具更换时间;另一方面可以在刀盘卡死时,通过缩回来脱离卡死的困境,遇孤石或刀盘卡住时可缩回,解决了突遇刀盘卡住时的难题。在南京纬三路工程在283环起穿越近百米的枯木施工时,有效地解决了树木区域、泥岩区域刀盘卡住无法施工的难题。

刀具检测传感器布置图

另一方面,通过刀盘的可伸缩油缸,测试刀盘前方有效的支撑压力和开挖荷载,可根据掘进接触压力,识别前方地质条件,对于复杂地质条件,便于实时调整掘进参数。

地质条件感知识别

冷冻刀盘(盾尾冻结)

冷冻刀盘技术将冷冻工法与盾构设备融为一体,在刀盘周围形成“冻结圆盘”,充分隔绝地下水,增加土体强度和稳定性,如同创造一道冻土屏障。盾构机换刀作业在冻土屏障的保护下进行,提高了盾构施工的安全可靠性。该技术能有效解决盾构下穿建筑物、铁路、管线、江河湖海等特殊地段沉降控制的施工难题,扩展了盾构的使用范围。

刀盘冷冻系统原理示意图

超前地质预报

SSP采用软土声波探测和隧道三维地震波法超前探测。其中海瑞克公司采用SSP软土声波探测器进行超前探测,可实现探测距离40m范围内,不同地质密度形成反差界面来判断地质变化,尤其是地层中存在的孤石。该系统在德国莱比锡城市隧道、科隆地铁西线泥水盾构等项目上使用。

SSP探测是一种物质探测方法,发射单元和接收单元直接安装在刀盘上,特殊编码的声波传输信号在掘进过程中由SSP (Sonic soft ground probing)发射器自刀盘通过支撑介质发射至前方土体,通过连续、快速地分析测得声波传输时间,换算出反射区域的几何位置。


掘进控制技术

◇ MJS技术
广州地铁9号线下穿武广高铁采用MJS加固技术,国内首次在浅覆土砂层/岩溶复合地层中应用,水平加固长度达60m,最终盾构下穿加固后的铁路最大沉降量为4.62mm(控制值5mm)。


改进技术:
• 砂层/岩溶复合地层:改进新型纠偏钻头;
• 黏土/岩溶复合地层:调整喷嘴泥浆;
• 特殊岩溶地层(溶土洞):采用牙轮钻,关注参数若存在溶土洞,将削孔嘴位置留在溶土洞处持续注入填充物
• 调整施工顺序:先进行最接近地面排隔离桩施工,再从下往上进行其他水平桩施工。

六、超大直径盾构隧道关键技术

盾构始发和到达特殊施工工艺
为简化盾构到达施工工艺,省去人工凿除洞门环节、加快施工效率、减小到达过程中工作井两侧水土压力失衡的风险,采用盾构水中到达的方式。为配合该施工工艺,盾构到达施工前,对洞口土体进行加固,在预留洞圈位置对地下连续墙进行特殊处理,采用玻璃纤维强化塑料筋(GFRP)代替普通钢筋,盾构直接切削围护墙体进入工作井。盾构一旦进入接收井,随着盾构周围摩擦力的消失以及正面水压力的降低,导致原来处于压紧状态的管片在止水橡胶条膨胀作用及盾尾的拉扯下易出现松动,因此,最后10环需进行特殊管片拼装。特殊管片构造包括剪力销和预应力螺栓。

大直径隧道内部结构施工
超大直径盾构隧道内部结构通常有 2 种布置形式,以通行车辆的结构层为标准划分为双层和单层,如图所示。图中虚线标识的部分,施工中称为口字件或口型件,通常采用预制构件,建成后一般用作管线空间、 预留轨道交通和救援车辆通道等。隧道内部一般采取纵向通风方式,根据隧道长度、 通行车辆规格等要求,某些隧道顶部设置烟道板形成独立排烟通道。


在盾构推进过程中采取预制和现浇相结合的方式组织内部结构施工。采用盾构车架上的专用吊具将口字型构件就位,形成隧道内部运输通道,两侧结构压重块和牛腿通过植筋与管片连接,现浇成型,牛腿完成后,进行两侧车道结构现浇作业,完成后实现多车道运输。充分利用超大直径盾构横断面空间,结合长距离运输,确保口字件上方通道到达盾构施工工作面,实现盾构推进和内部结构制作同时施工,以及隧道内部汽车水平运输,优化物流运输方式,提高物流运输效率。

也有部分地铁隧道通过设置中隔墙的方法将隧道分隔成2条区间以实现单管双线运营,通过预制中隔墙板的安装就位。


近距离穿越建(构)筑物
超大直径盾构在城市密集区域内近距离施工对周边建(构)筑物会产生影响,为确保隧道施工及周边建(构)筑物的安全,盾构在穿越施工过程中,根据被保护对象与隧道相对位置关系及建筑物现状特点,采用分类分区域保护技术保护建(构)筑物。对距离<5m的被保护对象采用类似FCEC(全回转套筒施工工法)隔离桩或MJS(全方位高压喷射施工工法)隔离桩保护; 对5m<距离<10m的被保护对象采用常规手段进行保护;对距离>10m的被保护对象采用控制盾构施工参数进行保护。

大直径隧道工程穿越重要建(构)筑物,尤以长江西路隧道工程和外滩隧道工程为代表。长江西路隧道施工为近距离叠次穿越逸仙路高架和3号线高架,盾构先南线依次近距离穿越高架桩基,在浦西工作井内调头施工后, 随后北线依次近距离穿越高架桩基, 最近距离仅1.05m。穿越时对高架桩基采用MJS隔离桩保护,同时在管片端面设置剪力销, 最终南线盾构顺利穿越逸仙路高架和3号线高架,隧道轴线、3号线高架和逸仙路高架累计沉降均控制在设计要求及标准范围内,其中立柱最大沉降值为9.3mm。

长江西路下穿轨道交通三号线

外滩隧道施工连续近距离穿越浦江饭店、和平饭店和海关大楼等多个历史保护建筑物。位于出洞段的浦江饭店与隧道边最小净距为 1.7~4.5m,与隧道顶净距为 14.5~17.6m,穿越时采用FCEC 隔离桩保护,最终盾构成功穿越浦江饭店,浦江饭店的最大沉降为6mm;上海大厦与隧道距离5.2~5.9m,穿越时采用常规的注浆隔离加固法保护,最终盾构成功穿越上海大厦,上海大厦的部分测点最终变形表现为隆起,最大变形为5.3mm;苏州河南岸距离隧道>10m的历史建筑物群(如上海海关距离11m,友邦大厦15m,中国银行22m等),施工时主要采用过程控制的措施对其进行保护,最终盾构成功穿越历史建筑群,历史建筑群的最大沉降小于10 mm。

七、超大直径盾构隧道建设问题与思考

地质勘察方面问题
我国水下盾构隧道勘探手段和方法相对单一,以钻探和水面物探为 主,缺少直接从河(海)床面进行物探的手段,导致在岩溶、花岗岩不均匀风化地层或水深较大的隧道中的地质勘察准确性欠佳,需要进一步改进和创新勘察方法,同时也缺少施工阶段的快速超前地质预报技术。

另外一个深层次的原因,是勘察施工与总承包设计之间的体制问题, 表现出勘察分包、转包,导致价格层层剥离,价格逐渐降低,是导致勘察成果准确性的重要原因,必须改正。

设计方面问题
1、基岩地层盾构隧道的合理埋置深度方面,虽然在广深港高铁狮子洋隧道中进行了一定的研究,但尚未形成可以实用的计算公式;
2、软弱地层目前主要借鉴太沙基土压力公式,还缺少土岩复合地层的荷载计算方法;
3、结构分析理论方面,目前主要针对运营阶段进行结构分析,虽然也考虑了施工荷载的影响,并未对结构的施工状态与运营状态采用不同的安全要求,导致在黏土地层中结构配筋量明显偏大;
4、结构防火方面,目前道路交通隧道根据所通行的车辆类型分别采用不同的升温曲线,来判别结构的耐火极限并采取相应的防火保护措施,既不考虑火灾规模、结构净空尺寸的影响。
5、个别工程隧道现行不够优化,另外存在对国内盾构制造水平和施工技术管理水平不够了解,设计和施工脱离等问题。
6、深埋高水压隧道的密封问题经验不足.
7、长距离深埋高水压隧道二次注浆孔的设置问题与启用封堵措施,可否保证100年的隧道寿命安全耐久问题。
8、盾构工作井的逆作法和嵌岩必要性问题
9、盾构工作井和隧道明挖段水下开挖方案合理性问题。

施工管理方面问题
1、因工期压力、造价压力、质量意识、技术水平等方面引起的施工质量问题时有发生, 如管片错台量过大、结构变形过大、局部开裂等,导致对工程耐久性产生了较为严重的影响。
2、需要进一步加强施工组织技术、精细化施工技术、标准化管理等方面的研究。
3、虽国内经过将近30年的施工技术经验,但隧道设备和地质条件变化,技术管理水平仍需提高。
4、国内中国铁建、中国中铁、中国交建、上海隧道及其他大型企业由于行业的原因,各企业系统技术水平差异较大,应相互弥补。
5、由于建设单位和设计方面的原因,超大直径盾构绝大部门为单一工程,规格不一,大盾构的闲置量较大,不能重复使用,设备占用资金浪费。

装备制造方面问题
1、盾构装备方面的原因导致了掘进困难、刀盘开裂、刀具消耗量过大等问题,应在盾构设备配置与地质适应性分析、刀具及刀具更换技术、长距离掘进设备耐久性技术、多模式盾构技术等方面进一步加强研究。
2、目前,盾构主轴承密封和盾尾密封尚无检测平台装置,只是根据经验而已,对深埋隧道应建立检测装置 系统。
3、国内对盾构滚刀材质、结构尺寸形式及切削机理研究方面加大力度,保证刀具的适应性。
4、硬岩复合地层掘进效率较低,一般100—120m/月,严重制约工程进度。
5、老黏土、硬黏土及膨胀性黏土的泥水分离技术尚无完全解决 。
6、过江跨海大盾构发生主轴承密封失效和盾尾密封失效案例多起;盾构刀盘“结泥饼”现象严重;泥水仓 和刀盘冲刷及滞排问题严重,未得到根本解决,盾构制造仍存在着不确定因素,需认真对待,防范机械事故的 发生。
7、常压刀盘和刀盘伸缩系统、换刀系统的可靠性、耐久性有待提高。

材料防水耐久性与技术规范问题
1、接缝防水密封垫方面:个别工程采用低价中标,密封垫等防水材料采用再生材料制作或降低材料性能,导致防水质量和耐久性堪忧,使用寿命低;
2、结构材料方面:目前以单一的钢筋混凝土为主,纤维混凝土管片应用很少,兼具结构功能与防灾功能的新型混凝土材料也 需加强研究。

除GB 50446—2017《盾构法隧道施工 及验收规范》和GB 18173.4—2010《高分 子防水材料盾构法隧道管片用橡胶密封垫》 等少数施工规范外,目前国内尚缺少系统的、全面的盾构法隧道设计规范,没有专门针对水下盾构法隧道的技术规范,导致设计方案的安全性与经济性差别较大,即使是位于同一地区的类似工程,不同设计单位得出的隧道管片配筋量和成本差别大,规范有待完善。

建议
前期充分准备,设备功能配置合理, 精细施工技术管理,严防意外事故发生。


1、地质是基础(充分认知地质条件和水文条件)
2、设计很重要 (隧道轴线的合理性十分重要)
3、盾构是关键(盾构设计制造完善性制约施工)
4、人和技术管理是根本(解决问题的根本)

盾构机选型
纵观国内外超大型隧道工程,绝大多数采用泥水平衡盾构施工,因为泥水平衡盾构具有施工质量好、安全可靠性高、噪声低等优点。但是,泥水平衡盾构泥水处理系统需要占用较大的面积,设备费用较高,不适合在城市中心区域使用,尤其是泥水平衡盾构在浅覆土施工时容易出现冒顶现象,对于周边环境保护上存在极大的风险。土压平衡盾构则能够在一定程度上规避这些风险,因而在环境变形保护要求极高的条件下不失为一种优良的选择。


泥饼和滞排问题


盾构机械斱面:针对软塑~硬塑易结泥饼地层,加大刀盘开口率(缩小中心封闭匙域范围)、刀具多层次布置,强化切削功能,降低碾磨,尽可能使渣土成块排出;增加增强冲刷刀盘中间结泥饼的系统,创新内循环冲刷。
盾构斲工斱面:加强加大泥浆循环,尤其是拼装管片停止掘进期间,要保持泥浆循环。
辅助技术斱面:创新发明和应用破除泥饼的技术,例如分散剂(双氧水)等;在气密性好的围岩下,应用辅助气压作业。

刀具问题(设计、制造、监测、更换,急需攻关)
全面、准确掌握刀具损坏情况:(温度、旋转、磨损等全斱 位检测;利用“蛇形臂”冲刷+视频监控刀盘刀具损坏实况;结合斲工速度、 扭矩等变化和岩芯、渣样分析)

刀盘保护是应用超大直径盾构至高原则。
刀具保护不更换:1)加强刀盘刀具预保护;2)研究如何保持稳定的破岩轨迹线;3)刀具抽检、更换不施工工组织的匹配性。
刀具选型:1)针对开挖面凹凸丌平、强度<60Mpa的岩层,考虑带齿滚刀;2)针对高强度硬岩,研究缩小刀间距的设计(尤其常压刀盘)。
提高刀盖抗侧向挤压强度

主驱动密封质量问题


八、超大直径盾构隧道的发展与展望

国内盾构隧道发展历程
• 1965年—2000年,起源阶段,例如:上海打浦路隧道;
• 2000年—2010年,初始阶段,例如:上中路越江隧道,上海长江隧道,军工路隧道;
• 2010年—2020年,快速发展阶段,例如:汕头海湾苏埃隧道,深圳春风路隧道;
• 2020年—未来,高质量发展阶段,例如:沈海高速公路深圳机场至荷坳段改扩建工程;

由单一软土地层向土砂复合岩石地层发展
我国以往大直径盾构隧道均修建于上海的软土地层中。
1、2004年11月开工的武汉长江隧道,开启了我国在土砂复合地层修建大直径盾构隧道的历史;
2、2005年8月开工的南京长江隧道,开启了我国在土砂复合地层修建超大直径盾构隧道的历史;
3、2006年5月开工的广深港高铁狮子洋隧道,开启了我国在土岩复合地层修建大直径盾构隧道的历史;
4、2010年5月开工的南京扬子江隧道和2014年12月开工的武汉三阳路公铁合建长江隧道,开启了我国在土岩复合地层修建超大直径盾构隧道的历史。

由大直径向超大直径发展
上海上中路隧道,14.5m;
上海长江隧道,15.0m;
南京长江隧道,14.5m;
南京扬子江隧道,14.5m;
杭州钱江隧道,15.0m;
扬州瘦西湖隧道,14.5m;
武汉三阳路公铁合建长江隧道,15.2m
上海虹梅路隧道,15.0m
上海沿江快速路长江隧道,15.0m
汕头苏埃海底隧道,14.5m
南京长江五桥夹江隧道,15.0m
南京和燕路长江隧道,15.0m
芜湖长江隧道,15.0m
济南黄河公铁隧道,15.0m

沈海高速公路深圳机场至荷坳段改扩建工程,直径18.1m,正在筹建
宁波-舟山北仑至金塘段海底高速铁路隧道,25km,超大盾构隧道

由中等水压向高水压和超高水压发展
武汉长江隧道之前,我国大直径盾构隧道最大水头不超过45m,此后:武汉长江隧道57m,南京长江隧道65m, 广深港高铁狮子洋隧道67m,南京扬子江隧道75m,佛莞城际铁路狮子洋隧道78m,苏通特高压输变电工程长江隧道80m,拟建的深茂铁路珠江口隧道100m。

由常规岩土向特殊岩土和不良地质发展
代表案例:扬州瘦西湖隧道穿越具有膨胀性的Q3老黏土地层,南京和燕路长江隧道穿越岩溶地层和水下断层,苏通特高压输变电工程长江隧道穿越沼气地层。

穿越水下断层的隧道有:广深港高铁狮子洋隧道,佛莞城际铁路狮子洋隧道等,拟建的汕汕高铁汕头湾海底隧道穿越水下活动断层。

由中等烈度地震区向高烈度地震区建设
1、在建的汕头苏埃海底公路隧道和拟建的汕汕高铁汕头湾海底隧道均位于8 度地震区。
2、在建的南京和燕路隧道位于断层和溶洞的地区。
3、在建的大连湾海底隧道处于海湾溶洞地层。

由单一工法向多工法组合应用
1、拟建的深茂铁路珠江口隧道和汕汕高铁汕头湾海底隧道均采用“钻爆法隧道+盾构法圆形隧道施工。
2、在建的大连湾海底隧道采取先海上注浆填充溶洞+盾构法穿越施工技术。
3、汕头海湾通道采用海上爆破处理孤石技术+盾构法穿越施工组合技术。

两个新趋势
常压刀盘向小直径方向发展:中俄输气南管道南段穿江隧道:隧道长10.235Km,直径φ8m
盾构一次性掘进距离向长距离发展:宁波-舟山北仑至金塘段海底隧道:采用隧道形式过海。根据前期规划,这条隧道全长16.2公里,其中海底盾构段长10.87公里,将是国内设计最长、承受水压最高的水下高铁盾构隧道。

总结

超大规模隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、开发和应用。盾构法隧道在大直径、大深度、长距离和复杂地层掘进的应用技术在国内得到了长足发展。多条超大直径隧道工程的成功建成标志着我国在超大直径隧道建设领域内的技术已达到国际先进水平。

我国大直径盾构隧道建设已取得了辉煌的成就,极大推进了我国乃至世界水下隧道技术的进步。今后较长时期内,我国水下隧道仍将处于高速发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难题将越来越多,需要在规范、标准、设计、施工、装备、材料、管理等方面不断完善和创新。(点击

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