超大直径盾构隧道工程技术的发展

1．超大直径盾构隧道工程技术的发展
　　国外盾构法隧道工程技术在近20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底隧道和城市道路隧道。世界上第一个直径大于14m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[1]。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，见图1所示。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台盾构各掘进了约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。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1625px，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。


　　1997年6月，日本东京营团地铁7号线麻布站工程[2]，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。这是世界是第一台大直径的母子式盾构，体现了盾构技术的新发展。




　　1997年开工的德国汉堡易北河第4隧道工程[1],长度2.6km,河底最小覆土仅为7m(小于0.5D),采用海瑞克公司制造的φ14.2m复合型泥水盾构,见图2所示。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1200mm巨砾的破碎机;另一项新技术是地震测量系统，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的三维反射图象。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2.2km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。
　　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7,156m，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14.87m泥水气平衡盾构掘进机，见图3所示。掘进施工相当顺利，日掘进速度约10m，隧道于2005年竣工。
　　马德里M30地下道路隧道工程一期南环线,2条3来3去隧道各长3.67km，穿越地层为坚硬、有裂隙的灰色或绿色泥灰岩质粘土和石膏。北隧道采用德国海瑞克制作的Φ15.2m世界最大双子星土压盾构，于2005年11月盾构始发施工，2007年3月北隧道建成通车。南隧道采用日本三菱重工制作的15.2m土压盾构掘进了3664m，创日进度46米的纪录。




　　国外直径超过14m的盾构隧道工程完成7项，掘进长度约43.7km。采用盾构13台，其中311台为泥水平衡盾构，仅2台为土压盾构。7项工程中，5项为道路隧道，1项为铁路隧道，1项为地铁隧道，见表1。


　　2．我国的超大直径盾构隧道工程建设

　　2.1　直径14.5m的上海上中路隧道工程
　　2004年，上海上中路越江隧道工程引进当时世界最大直径的φ14.87m泥水加压盾构（曾用于荷兰绿心隧道工程掘进7.15km），在黄浦江下掘进施工2条隧道，掘进长度1250m,隧道结构为双管双层双向8车道[3]，见图5所示。上、下两层车道宽度3.25m×2+3.5m×2，通行净高≥4.5m设计车速80km/h。隧道衬砌采用单层衬砌，为通用环楔形管片,采用全圆周错缝拼装工艺。圆形隧道的下层车道板结构采用预制构件和现浇钢筋混凝土相结合的形式。隧道穿越地层为饱和含水的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，隧道最大埋深45m，最浅覆土8.6m。2009年建成通车。


　　2008年，上海中环线军工路隧道，再次采用该台φ14.87m泥水加压盾构掘进2条越江道路隧道，掘进长度1525m，2010年建成通车。1台二手的φ14.87m泥水加压盾构经维修保养后在4年内用于2项工程4条隧道5550m的掘进施工。如加上荷兰绿心隧道7156m，该台盾构共计掘进长度达12.7km。
　　2.2　直径15m的上海长江隧道工程
　　2005年,上海长江隧桥工程开工,其中隧道段长8.95km，设计车速80km/h[4]。全线道路为双向6车道，见图5所示。隧道最大埋深55m，穿越地层为软弱的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、砂质粉土。圆隧道衬砌环外径15000mm，环宽2000mm，壁厚650mm。采4用装配式钢筋混凝土通用楔形管片错缝拼装，混凝土强度等级C60，抗渗等级S12。衬砌圆环共分为10块,根据埋深不同，分浅埋、中埋、深埋和超深埋管片。管片环、纵向采用斜螺栓连接。环间采用38根T30纵向螺栓连接，块与块间以2根T39的环向螺栓相连。衬砌管片接缝采用压缩永久变形小、应力松弛小、耐老化性能佳的三元乙丙橡胶条与遇水膨胀橡胶条组成两道防水线。在浅覆土地段、地层变化位置和连接通道处衬砌环间增设了剪力销，以提高特殊区段衬砌环间的抗剪能力，减少环间高差。


　　隧道采用世界最大直径15.43m泥水气平衡盾构施工,掘进长度7470m，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。长江隧桥工程于2009年11月建成通车，见图6所示。


　　2.3　南京长江隧道工程
　　南京长江隧道位于南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区—江心洲—浦口区。工程通道总长约6.2km，按6车道城市快速通道规模建设，设计车速80km/h，采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案。左汊盾构隧道长度3835m，隧道外径14.5m，为双管3来3去6车道，采用2台14.9m泥水盾构施工[5]。盾构于2007年12月始发推进，隧道最大埋深56m，穿越地层复杂，有软弱的淤泥质粉质粘土、细砂、粉细砂，也有砾砂、粘土混卵石。盾构掘进砾砂和卵石地层时，对刀具的磨损较大。南京长江隧道于2010年5月建成通车。


　　2.4　上海外滩地下道路隧道工程
　　2007年，上海外滩道路隧道(3来3去6车道)开工建设，其北段1098m为盾构隧道，采用φ14.27m土压平衡盾构施工[6]，为国内首次采用大直径土压平衡盾构在城市密集区施工，成功完成“1桥2隧33栋”等建构筑物的穿越施工，浦江饭店桩基与盾构边线仅1.7m，见图8所示。隧道的最小覆土厚度仅为8.52m，约为0.6D，属于浅覆土施工。外滩隧道于2010年3月28日建成运营，缓解了交通拥堵，改善了外滩景观。


　　2009年，上海虹桥综合交通枢纽迎宾三路隧道工程(双层3来3去6车道)开工建设，又一次采用φ14.27m土压平衡盾构，盾构成功穿越七莘路高架、北横泾、机场滑行道、机场主跑道、机场航油管、停机坪、101铁路及历史保护建筑物，掘进长度1862m。迎宾三路隧道于2011年3月22日全线贯通。
　　近6年来，我国超大直径盾构隧道建成通车运营5项，其中上海4项，南京1项，采用盾构掘进机6台，掘进长度达37km，见表2。接近了国外20年来超大直径隧道工程的总长度43.7km。



　　目前正在施工的超大直径盾构隧道还有上海的长江西路越江隧道和虹梅南路越江隧道工程，南京纬三路过江通道工程。
　　3．超大直径盾构隧道工程的发展趋势
　　3.1　国外超大直径盾构隧道工程的发展趋势
　　在超大直径盾构隧道建造方面，意大利连接佛罗伦萨和博洛尼亚A1高速公路的sparvo隧道，长2.5km，为2条3车道的隧道工程，采用1台德国海瑞克制造的φ15.55m土压盾构掘进施工，2011年始发，计划2015年建成通车。
　　美国西雅图金郡拟修建一条长3.5km的大直径地下道路隧道（SR99），预计2011开始施工，2015年通车，盾构隧道直径为16.5m，为上下双层二来二去四车道隧道，见图9所示。隧道工程采用日本日立造船公司制造的φ17.52m土压盾构掘进施工。


　　俄罗斯圣彼得堡穿越涅瓦河的奥洛夫斯基隧道，设计为双层三来三去六车道隧道，将采用德国海瑞克公司制造的世界最大直径的φ19.25m混合型盾构掘进施工。盾构将在2013年春季始发，计划于2016年建成运营。
　　拟建的白令海峡海底隧道长103km，可以从俄罗斯的西伯利亚连接美国的阿拉斯加。白令海峡长约60km，宽35～86km，平均水深42m，最大水深52m。海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道，海底隧道将由俄罗斯和美国、加拿大共同修建，拟采用19.2m盾构掘进机施工。隧道建成后将形成从伦敦到纽约跨越四分之三个地球的终极铁路。
　　随着盾构隧道断面的增大，单管双层隧道结构已成为发展趋势。西雅图的地下道路为双层二来二去四车道，外径16.5m；奥洛夫斯基隧道为双层三来三去六车道隧道，外径18.7m。双层车行隧道具有断面有效利用率高、工程成本低的优点，成为发展方向。盾构制造技术的发展，为超大直径隧道提供了基础。从14m直径到15m，经历了10年，从15m发展到16m、17m、19m，仅不到5年时间。直径15m的隧道断面积为178m2，而直径19m的隧道断面积为2832m，增大了1.5倍。
　　3.2　我国城市超大直径盾构隧道工程的发展趋势
　　上海正在建设的越江道路隧道有长江西路隧道、虹梅南路隧道，均为双管3来3去6车道隧道，各采用1台超大直径盾构掘进施工。在建的地下道路隧道有位于虹桥机场地区的迎宾三路隧道，为3来3去单孔隧道。拟建的南北通道全长16km，双向6车道，大部分为地下道7路，北起位于东北的中环线大柏树立交，沿曲阳路下穿公平路、黄浦江、浦东南路、浦三路、杨高路后，再出地面接中环线杨高南路立交。地下道路采用超大直径隧道、单孔双层三来三去6车道布置。
　　正在建设施工的杭州钱江隧道为双管3来3去6车道，全长4.45km，主隧道外径15m，采用1台Φ15.43m泥水盾构施工，掘进长度3245m。
　　南京的纬三路过江通道工程为穿越长江的双向双层8车道隧道，南线隧道长5290m（盾构段长3995m），北线隧道长4990m（盾构段长3688m）。隧道外径14.5m，采用2台Φ14.9m泥水盾构掘进施工，见图10所示。


　　北京的道路交通拥堵已严重影响城市的发展，修建地下道路将是解决交通拥堵有效方案。北京将开建西二环、东二环、首体南路、学院南路、台基厂大街、北辰东路等6条地下道路，总长度约30km。超大直径盾构隧道将是地下道路工程建设的首选。
　　4　结语
　　超大直径盾构隧道自东京湾道路隧道于1996年建成以来，已建成工程12项，总长度80km，采用盾构18台，其中15台为泥水平衡盾构，3台为土压平衡盾构。12项工程中，道路隧道占10项，铁路隧道1项，地铁工程1项。在12项道路隧道工程中，水底隧道7项，长度约50km，占超大直径盾构隧道总长度的60%。
　　从发展趋势来看，超大直径的城市道路隧道采用双层结构因断面利用率高而成为发展方向。单孔双层4车道和6车道已在国内外多项隧道工程中成功地得到应用。拟建中的白令海峡隧道工程将采用19.2m盾构掘进机施工103km，在超大直径和超长距离盾构技术领域成为世界隧道工程史上的又一次新的挑战。