1、1超大直径盾构隧道工程技术的发展傅德明 周文波上海市土木工程学会摘要：论文介绍了日本、德国的直径大于 14m 的盾构法隧道工程技术的开发及在越江跨海和城市地下道路工程中的应用过程。近 6 年来，我国上海在越江道路隧道工程中采用 14.89m盾构施工 2 条双层 4 来 4 去 8 车道的超大断面隧道；又在长江底下采用 2 台 15.43m 盾构连续掘进 2 条长 7.5km 的 3 来 3 去 6 车道的超大断面隧道；还在市中心外滩道路下掘进了 1 条双层 3 来 3 去的车行隧道。论文展望了国内外超大断面盾构隧道工程技术的发展和应用前景。关键词：盾构隧道 超大直径 工程技术1 超大直径盾构隧
2、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 14.14m 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 65cm，结构计算采用弹性地基梁模型，接头
3、弹簧系数经管片接头试验取得。图 1a 东京湾道路隧道工程平、剖面图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 14.18m 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 9.70m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。2图 1b 东京湾道路隧道 14.14m 泥水盾构 图 2 易北河第 4 隧道 14.2m 复合型泥水盾构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
4、14.2m 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 14.2m 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
5、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。14.2m 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
6、道采用德国海瑞克制作的 15.2m 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 3664 m，创日进度 46 米的纪录。图 3 荷兰绿色心脏隧道 14.87m 盾构 图 4 马德里 M30 地下道路隧道 15.2m 双子星土压盾3构国外直径超过 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 11 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。表 1 国外超大直径盾构隧道
7、工程一览表工程名称 盾构直径、机型 隧道长度（km）埋深（m）建设时间东京湾道路隧道 8 台 14.14m 泥水盾构9.42 60 1989-1996东京地铁 7 号线 14.18m 母子泥水盾构 1.1 42 1997-1999易北河第 4 隧道莫斯科地下道路隧道14.2m 泥水盾构 2.562.5+2.2241 1995-20032003-2009绿色心脏隧道 14.9m 泥水盾构 7 35 2001-2006马德里 M30 环线隧道 2 台 15.01m 土压盾构 3.6722004-2007总计 13 台 43.72 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
8、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 14.87m 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 3.25m2+3.5m2，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。图 5 上
9、中路隧道双层 4 车道结构和盾构始发2008 年，上海中环线军工路隧道，再次采用该台 14.87m 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 14.87m 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4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/h4。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
10、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。图 5 隧道衬
11、砌结构和示意图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。图 6 上海长江隧道 15.43m 泥水盾构和隧道通车2.3 南京长江
12、隧道工程5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。图 7 南京长江隧道示意图和盾构掘进施
13、工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 14.27m 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。图 8 外滩道路隧道示意图和穿越建筑物施工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
14、6 车道) 开工建设，又一次采用 14.27m 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。表 2 我国超大直径盾构隧道工程一览表工程名称 盾构直径、机型 隧道长度 埋深 建设时间6（km） （m）上海上中路隧道军工路隧道1 台 14.89
15、m 泥水盾构1.2521.525223-43 2005-20092008-2010上海长江隧道 2 台 15.43m 泥水盾构 7.472 23-55 2005-2009南京长江隧道 2 台 14.9m 泥水盾构 3.8352 56 2005-2010上海外滩道路隧道迎宾三路隧道1 台 14.27m 土压盾构1.0981.6822007-20102009-2011杭州钱江隧道 1 台 15.43m 泥水盾构 3.0222008-2011总计 6 台 37.53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
16、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 15.55m 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 17.52m 土压盾构掘进施工。图 9 西雅图地下道路隧道剖面图俄罗斯圣
17、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 19.25m 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 3586km，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。7随着盾构隧道断面的增大，单管双层隧道结构已成为
18、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 178m，而直径 19m 的隧道断面积为 283m，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
19、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 15.43m 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
20、段长 3995m） ，北线隧道长 4990m（盾构段长 3688m） 。隧道外径 14.5m，采用 2 台14.9m 泥水盾构掘进施工，见图 10 所示。图 10 南京纬三路过江通道工程示意图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
21、 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8世界隧道工程史上的又一次新的挑战。参考文献：1 张凤祥.傅德明.杨国祥.盾构隧道施工技术手册.北京 ：人民交通出版社 ，2005：6576832 江中孚.傅德明.日本盾构隧道新技术资料汇编 .上海隧道工程股份有限公司技术中心，2006：11173 王德中.傅德明. 大直径隧道与城市轨道交通工程技术.上海：同济大学出版社，2005：67734 余暄平.沈永东. 大直径隧道与城市轨道交通工程技术.上海：同济大学出版社，2005：12245 靳世鹤.地下工程施工与风险防范技术.上海：同济大学出版社，2007：5558 6 周文波.丁志诚.地下工程建设与环境和谐发展. 上海：同济大学出版社，2009：317 . . .
