维普资讯 http://www.cqvip.com ・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．西南交通大学土木工程学院，成都６１００３１；２．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 施工技术进步。 表１ 国内大直径盾构工法应用情况 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 隧道名称 上海打浦路隧道 上海延安东路隧道 要 １０．０ １ ３２４ １１．０ １ ３１０ 盾构形式 １台网格式盾构 １台网格式盾构 １台泥水盾构 １９６６ １９８８ １９９４ 上海延安东路复线隧道 １１．０约１ ３００ 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ 上海大连路隧道 上海复兴东路隧道 上海翔殷路隧道 １１．０ １ ２５８ １１．０ １ ２１４ １１．３６ １ ４９８ ２台泥水盾构 ２台泥水盾构 ２台泥水盾构 ２００３ ２００４ ２００５ 文章编号：１００４—２９５４（２００８）０８—００８４—０４ 上海上中路隧道 １４．５ １ ２５０ １５．０ ７ ４７０ １４．５ ３ ０２２ １台泥水盾构 ２台泥水盾构 ２台泥水盾构 在建 在建 在建 １ 概述 武汉长江隧道 上海长江隧道 南京长江隧道 １１．０ ２ ５５０ ２台复合式泥水盾构已贯通 １．１ 国内外大直径盾构的发展概况 １８１８年，英国的布鲁诺（Ｍ．Ｉ．Ｂｒｕｎｅ１）提出盾构工 广深港客运专线狮子洋隧道１０．８ ９ ３４０ ４台复合式泥水盾构 在建 杭州庆春路过江隧道 １１．３ １ ７６６ ２台泥水盾构 在建 法并申请了专利，１８２５～１８４３年，他利用矩形 （６．８ ｍ×１１．４ ｍ）盾构，在伦敦泰晤士河下几经挫折 杭州钱江隧道 １５．０ ３ ２５０ ２台泥水盾构 在建 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２．２１ ｍ的铸铁管片）在泰晤 １．２ 国内几座代表性大直径盾构隧道的环境条件 特点 士河下成功修建了第二条盾构隧道。随后，盾构工法 相继传人美国、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 （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 造技术的发展，不同类型盾构机相继出现，可实施的盾 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 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（ ４．１６ ｍ的普 含量高达６５％。在江中段每座隧道底部切人基岩长 度约４００ ｍ，切人基岩的最大深度约２．５ ｍ，基岩最大 抗压强度达４０ ＭＰａ。 盾构段最大水压力达０．５７ ＭＰａ。江中段及两岸 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、 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５×１０～ｃｍ／ｓ，垂直渗透系数约 ５×１０一ｃｍ／ｓ。隧道覆土厚度最大４０．５ ｍ，最小７．２ ｍ，土压变化大；长江水位洪水期与枯水期差别大，年 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 内变幅可达１５ ｍ左右，历史最高最低水位相差１８ ｍ。 该隧道位于武汉市中心城区，地面建筑密集，受盾 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 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６ ｍ。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 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（１９７Ｏ一），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。 细砂、砾砂、圆砾、强风化钙质泥岩，其中，盾构切人泥 铁道标准设计 儿ＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００８（８） ８４ 维普资讯 http://www.cqvip.com 肖明清一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３５０ ｍ，最大切人深度约３．９ ｍ，泥岩抗压 抗压强度为８２．８ ＭＰａ，基岩层的渗透系数达６．４× 强度小于１．０ ＭＰａ。盾构机开挖地层大部分为粉细 １０～ｍ／ｓ，基岩的石英含量最高达５５．２％，岩石地层的 砂、砾砂、圆砾地层，其比例占全隧道的８５％。 黏粉粒（≤７５ ｍ）含量为２６．１％～５５．３％。 盾构段最大水压力达０．６５ ＭＰａ。江中段粉细砂 地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层 地层垂直渗透系数２．２×１０～ｃｍ／ｓ，水平渗透系数 的裂隙水，具承压性，地下水补给充足。 １．２×１０一ｃｍ／ｓ。隧道覆土厚度最大３１ ｍ，最小５．５ 隧道在现状河床下覆盖厚度最大４５ ｍ，最小１０ ｍ，土压变化大；长江水位洪水期与枯水期差别大，年 ｍ。隧道最大水压力６７ ｍ，为目前国内水压力最大的 内变幅可达９ ｍ左右，历史最高最低水位相差１０．１ ｍ。 盾构隧道。盾构需穿越多道海堤和虎门港码头桩基。 盾构需穿越两道长江防洪大堤，受水下以及两岸 （５）环境条件的主要特点 地形限制，江中约１３０ ｍ处于浅埋段，覆土厚度为０．７ 由上可见，国内几座大直径盾构隧道的工程用途 ～１．０Ｄ（Ｄ为隧道直径）。 涵盖了城市道路、城市快速路、高速公路和高速铁路， （３）上海长江隧道的环境条件 盾构穿越的地层包含了极软土、粉细砂、中粗砂、卵砾 上海长江隧道为高速公路与地铁合建的隧道，盾 石、软岩、中硬岩等多种地层，地层渗透性变化范围大， 构段穿越的主要地层为淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、 水土压力高，水压力大，地面环境亦十分复杂，如此复 黏土、砂质粉土，局部地层中夹薄层粉砂和黏质粉土透 杂的环境条件也促进工程设计技术的进步。 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 ２设计计算方法的进步 浅部土层潜水与长江水有密切水力联系，砂性土中地 ２．１ 盾构隧道结构计算理论概况 下水具承压性，粉质黏土中有微承压水。 盾构隧道结构计算经历了刚性结构法、弹性结构 隧道在现状河床下覆土最大厚度２９ ｍ，最小１４ 法、假定抗力法、弹性地基梁法、联系介质法几个阶段， ｍ。隧道最大水压力约５５ ｍ。工程沿线除长江防洪堤 几种地下结构计算理论的发展在时间上没有截然的前 外，基本无其他建筑物。 后之分，后期提出的计算方法也没有否定前期的成果， （４）狮子洋隧道的环境条件 且每一种计算理论中，又可根据假定条件的不同细分 狮子洋隧道为高速铁路隧道，盾构段穿越地层为 为多种具体的计算方法。在目前设计和研究中，假定 淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、全风化一弱风化 抗力法、弹性地基梁法和连续介质模型计算法都有应 泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、砂砾岩。盾构穿越弱风 用。由于可用于盾构隧道结构计算的方法很多，相应 化基岩、半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别占掘 的计算结果的差距也较为明显。世界各国盾构隧道衬 进长度的７３．３％、１３．３％、１３．４％。基岩的最大单轴 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 注：Ｄ为隧道百径； 为垂直水土压力； ｈ为水平水土压力 ２．２ 我国大直径盾构隧道的结构计算方法 径在逐步加大，而且很多隧道在当地均是首次建设，缺 （１）隧道横向计算 少经验，因此，一般同时采用两种计算方法进行相互校 我国大直径盾构的结构计算方法基本沿用日本的 核，并取其内力包络进行结构设计。 方法，一般采用修正惯用设计法或梁一弹簧模型进行计 （２）隧道纵向计算 算，但根据工程的具体条件也有采用其他计算方法的 随着对盾构隧道研究的深入，结合对已经运营的盾 实例，如狮子洋隧道由于大部分地段位于基岩中，采用 构隧道的监测数据分析，盾构隧道的纵向变形问题开始 了有限元法进行计算。由于我国大直径盾构隧道的直 受到关注，并提出了纵向设计的概念。目前，纵向计算 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００８（８） 维普资讯 http://www.cqvip.com 隧道／地下工程・ 肖明清一国内大直径盾构隧道的设计技术进展 ・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 ３．１ 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。 ３．２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 ８６ 工作量大。 ３．３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１．５ ｋｇ／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一钢纤维 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，ＥＰＤＭ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 ４．１ 工程风险评估 ２００４年国际隧协发布了《隧道风险管理指南》，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《铁路隧道风险评估与管理暂行 规定》，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 ２ ５５０ ｍ，期间没有换刀，盾构到达后刀具磨损不大，预 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ，，ＤＥＳＩＧＮ ２００８（８） 维普资讯 http://www.cqvip.com 肖明清一国内大直径盾构隧道的设计技术进展 计可以再掘进２～３ ｋｍ。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”，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。 ４．２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《混凝土结构 耐久性设计与施工指南》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。 ４．３ 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《建筑设计防火规范》（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《铁路工程设计防火规范》（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１Ｏ～２０ ＭＷ；客货共线隧道 按ＲＷＳ标准升温曲线采用，火源功率３００ ＭＷ。 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 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２＇００８（８） ・隧道／地下工程・ 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 ５．１ 盾构地中对接技术 狮子洋隧道盾构段长度为９ ３４０ ｍ，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。 盾构 ｔ－－冈——＃［］ 二 —一同 ———＝＝＝—［＝＝］ 二）＜ 巴 图１ 狮子洋隧道地中对接施工组织方案示意 ５．２ 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２０ ｍ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： ［１］刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，１９９１． ［２］ 铁道第四勘察设计院．武汉长江隧道工程施工设计［Ｚ］．武 汉：２００５． ［３］ 铁道第四勘察设计院．南京长江隧道工程施工设计［Ｚ］．南 京：２００６． ［４］ 余暄平，沈永东，等．超大直径超长距离隧道盾构施工技术粗探 ［Ｃ］／／大直径隧道与城市轨道交通工程技术・２００５上海国际隧 道工程研讨会文集．上海：同济大学出版社，２００５． ［５］ 铁道第四勘察设计院．广深港客运专线狮子洋隧道施工设计 ［Ｚ］．武汉：２００６． ［６］ 赵 勇．隧道施工安全事故的原因分析及对策建议［Ｊ］．铁道标准 设计，２００７（ｚ１）：１—８． ８７