知名设计院水下隧道设计与施工技术探讨.pptx

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中铁第四勘察设计院集团有限公司,汇报人：

肖明清,1,水下隧道设计与施工技术探讨,2018年6月,一、概述二、水下隧道的特点及建设中存在的问题三、水下隧道工程整体耦合设计方法四、水下隧道整体耦合设计案例五、水下隧道多维度结构安全保障技术六、大直径盾构隧道施工中的主要技术难题与原因分析七、复合地层盾构隧道设计的几个关键技术问题八、复合地层盾构设备研制的几个关键技术问题九、复合地层盾构隧道施工的几个关键技术问题十、展望与建议,2,目录,一、概述,3,水下隧道是穿越水域阻隔的重要手段，是人类克服自然障碍、与自然和谐共处的重大技术发明。

盾构法：

施工安全、质量好、速度快、地质适应性强、洞内作业环境好，适于各种地层不同断面大小的隧道；,矿山法：

造价低、埋深大、质量差、施工风险较大；适于完整基岩中修建隧道；,沉管法：

造价高，对通航影响大，适于多车道、水深较浅、河床冲淤变化幅度小的水域；,围堰明挖法：

适于水深小、无通航且水域宽度不大的情况。

一、概述,

（一）水下隧道的修建方法,一、概述,

（二）盾构法的历史,盾构法起源于19世纪40年代，以往主要适用于单一的软弱地层，且断面较小；随着“复杂地质、大直径、高水压、长距离”隧道建设的需要，上世纪末出现了现代盾构技术。

至今，世界上已修建了大直径盾构隧道（直径大于10m）数百座，国内已在黄浦江、长江、珠江、钱塘江、湘江等河流采用大直径盾构修建了数十条水下隧道。

一、概述,（三）沉管法的历史,1894年美国在波士顿采用沉管法建成了下水管线，但真正意义上的沉管隧道是1910年美国建成的底特律水下铁路隧道（钢壳）。

到目前为止，全球有大约150座交通隧道和45座市政隧道采用沉管法修建，以北美、欧洲和亚洲应用较多。

我国大陆采用沉管法修建的隧道有上十座。

一、概述,（四）钻爆法的历史,钻爆法最早用于山岭隧道，日本在1944年修建了关门海底铁路隧道，1985年建成了著名的青函海底隧道。

世界上采用钻爆法已建成的水下隧道有数百公里。

我国采用钻爆法修建的水下隧道约10座，包括武广高铁浏阳河隧道、长沙市湘江大道浏阳河隧道、厦门东通道翔安海底隧道、长沙市营盘路湘江隧道、青岛胶州湾海底隧道等。

一、概述,（五）围堰明挖法的历史,围堰明挖法是修建水下隧道最古老的方法，但在合适的条件下至今仍是最经济的施工方法。

我国大陆采用该工法已建和在建的水下隧道有10余座，其中水深最大的是澳门大学横琴校区海底隧道，水深最大约9m；长度最长的是武汉东湖隧道，长度超过7km。

一、概述,（六）水下隧道的技术进步与发展趋势,

（1）长距离化英法海峡隧道长49.5km，青函海底隧道长53.9km，广深港高铁狮子洋隧道长10.8km。

长度已难以成为水下隧道修建的制约因素。

（2）大直径化美国西雅图SR99项目，盾构隧道开挖直径17.48m；武汉三阳路公铁合建长江隧道开挖直径15.65m。

荷兰多德雷赫特沉管隧道宽度为48.6m。

武广高铁浏阳河隧道最大开挖面积达170m2。

隧道直径的加大，为隧道工程的推广应用创造了有利条件。

一、概述,（六）水下隧道的技术进步与发展趋势,（3）大埋深与高水压化盾构法水面下最大深度已突破100m（我国苏通GIL特高压网长江隧道为80m），沉管法最大水深为58m（土耳其的Bosphorus隧道），钻爆法水面下最大深度为250m（日本青函海底隧道）。

水下隧道克服大埋深高水压能力的提高，为向更大水深发展奠定了坚实基础。

（4）地质条件复杂化盾构法已有很多大直径隧道穿越各种复杂地质，包括土岩复合地层、断层、岩溶等。

沉管法采用桩基础处理软土已是成熟技术。

钻爆法穿越水下断层、全强风化层也较为常见。

各种工法对地质适应性的增强，可以突破越来越多的“地质禁区”，大幅拓展了水下隧道的应用范围。

一、概述,（六）水下隧道的技术进步与发展趋势,（5）隧道多功能化隧道由以往单一交通功能向多功能方向发展。

如武汉三阳路长江隧道为城市道路与地铁合建的盾构隧道，丹麦-瑞典的Oresund隧道、广州珠江隧道等均为公铁合建的沉管隧道。

（6）断面布置多样化盾构隧道由以往单一的单层结构向双层结构发展，可以减少土地占用，也便于两岸通道资源的利用，如武汉三阳路公铁合建长江隧道、扬州瘦西湖隧道、美国西雅图SR99隧道均为双层布置。

一、概述,（六）水下隧道的技术进步与发展趋势,（7）施工装备现代化盾构设备由以往单一功能的土压盾构、泥水盾构等向双模式盾构发展，如德国斯图加特菲尔德斯塔特隧道采用直径10.82m的双模式盾构机；巴塞罗那地铁9号线采用直径11.9m双模式TBM。

沉管法和钻爆法均已形成了机械化作业线，装备也越来越现代化。

（8）工程技术交叉化如盾构隧道采用超前注浆技术，沉管隧道采用预应力技术，钻爆法隧道采用抗水压衬砌技术，盾构法与沉管法隧道采用复合地基技术等，均体现了大土木、大岩土的特点，也推进了水下隧道的技术进步。

（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,1.由单一软土地层向复杂地层发展,我国上海市于1966年和1984年分别修建了外径10.22m的打浦路越江隧道和外径11.3m的延安东路越江隧道，由此开启了我国大直径水下隧道建设历史。

上世纪90年代又先后修建了外径11.0m的延安东路南线隧道、大连路隧道、复兴东路隧道三条越江道路隧道。

武汉长江隧道：

2004年11月开工，开启了我国在复杂地层修建大直径盾构隧道的历史。

南京长江隧道：

2005年8月开工，开启了我国在复杂地层修建超大直径盾构隧道的历史。

广深港高铁狮子洋隧道：

2006年5月开工，开启了我国在土岩复合地层修建大直径盾构隧道的历史。

武汉三阳路长江隧道：

2014年12月开工，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。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,2.由大直径向超大直径发展,已建的超大直径盾构隧道有：

（1）上海上中路隧道：

隧道外径14.5m；

（2）上海长江隧道：

隧道外径15.0m；（3）南京长江隧道：

隧道外径14.5m；（4）杭州钱江隧道：

隧道外径15.0m；（5）扬州瘦西湖隧道：

隧道外径14.5m。

在建的超大直径盾构隧道有：

武汉三阳路长江隧道（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）等。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,3.由中等水压向高水压和超高水压发展,武汉长江隧道之前，在上海黄浦江修建的大直径盾构最大水压力不超过45m。

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南京纬三路长江隧道75m佛莞城际铁路狮子洋隧道78m苏通GIL特高压网长江隧道80m广佛城际铁路东环隧道125m（非水下）。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,4.由一般地质地层向不良地质地层发展,

（1）扬州瘦西湖隧道：

穿越Q3老粘土地层，具有膨胀性；

（2）南京和燕路长江隧道（14.5m）：

穿越岩溶地层和水下断层；（3）苏通GIL特高压网长江隧道（11.6m）：

穿越沼气地层；（4）杭州望江路钱塘江隧道（11.3m）：

穿越沼气地层；（5）武汉黄鹤楼隧道（15.4m）：

穿越岩溶地层。

（6）穿越水下断层的隧道还有：

广深港高铁狮子洋隧道、佛莞城际铁路狮子洋隧道、芜湖城南长江隧道等。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,5.由中等烈度地震区向高烈度地震区发展,汕头苏埃海底隧道、汕汕高铁汕头湾海底隧道、北京地下直径线、天津地下直径线、京张高铁清华园隧道等均位于8度地震区。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,6.由单模式盾构向双模式盾构发展,佛莞城际铁路狮子洋隧道：

原设计采用土压泥水双模式盾构，后施工单位改为可常压换刀的复合式泥水平衡盾构。

广佛城际东环隧道：

2个区间采用了土压单护盾TBM双模式盾构。

一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,7.由单一工法向多工法组合发展,深茂铁路珠江口隧道和汕汕高铁汕头湾海底隧道：

采用钻爆法+盾构法,一、概述,（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势,8.由公路、地铁隧道向铁路隧道发展,已建和即将修建的大直径盾构法铁路隧道较多，代表性项目有：

（1）广深港高铁狮子洋隧道：

隧道外径10.8m；

（2）北京地下直径线隧道：

隧道外径11.6m；（3）天津地下直径线隧道：

隧道外径11.6m；（4）广深港高铁益田路隧道和深港隧道：

隧道外径12.8m；（5）佛莞城际铁路狮子洋隧道：

隧道外径13.1m；（6）沪通铁路二期吴淞口长江隧道：

隧道外径10.3m，首座在软土地层修建的客货共线铁路隧道。

一、概述,二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,21,二、水下隧道的特点及设计中存在的问题,

（一）水下隧道的特点,水下隧道与一般陆地隧道相比，有其自身的显著特点：

（1）建设难度大，施工风险高施工不仅要承受较大水土压力，而且受埋深和地表水影响，围岩稳定性一般较差，同时水域环境也限制了各种预处理措施的实施。

（2）水域环境复杂，对设计方案与施工实施的制约因素多如河流的水位、流速变化，通航要求，河道疏浚与船舶抛锚、防洪等，这些因素对隧道埋深和施工方案选择会产生很大影响与制约。

二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,

（一）水下隧道的特点,（3）岸边段结构和工法类型复杂受城市道路、地面建筑等影响，需采用合适的施工方法和结构类型。

（4）需慎重考虑隧道结构、防水、耐久性、防灾疏散、运营维护等关键技术的设计、施工及效果评估。

（5）水下隧道一般较长，需考虑合理的施工组织及施工装备因素。

（6）环境评价、风险评估等相关问题在水下隧道的建设中特别突出火灾、爆炸、地震等灾害可能产生比陆地隧道严重得多的次生灾害，且灾后的修复难度更大，需要有更可靠的结构安全保障措施。

二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,

（二）水下隧道设计中存在的问题,水下隧道是集结构、岩土、环保、工程材料、施工装备、施工技术、运营安全与防灾技术、运营维护技术于一体的系统工程，修建时间长，参与部门和专业多。

目前我国水下隧道设计主要存在以下问题：

（1）传统的设计流程为单线条，缺乏整体优化考量各专业设计参数之间都存在着千丝万缕的联系，施工装备与施工技术也是水下隧道技术的重要组成部分，必须综合考量。

二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,

（二）水下隧道设计中存在的问题,

（2）某些水下隧道结构安全性受到挑战，值得深思,盾构隧道出现管片衬砌环错台、开裂、局部渗漏水、混凝土腐蚀等病害现象；一些沉管隧道发生持续性沉降，导致结构开裂或接头变形超限；隧道还受到车辆撞击、火灾、恐怖袭击的威胁。

二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,

（二）水下隧道设计中存在的问题,（3）一些新问题所带来的新挑战，在设计时如何妥当处理值得深思,如高速列车振动问题、软弱地层中隧道沉降问题、隧道内的爆炸问题等。

二、水下隧道的特点及建设中存在的问题,（三）水下隧道施工中存在的问题,

（1）盾构机适应性与设备性能配置，还需要进一步加强研究,因盾构机配置与性能不合理给施工带来困难的案例不少。

（2）工期压力、质量意识等方面引起的施工质量问题时有存在,对影响运营安全的关键部位和工序，存在认识不清的现象。

（3）全面优化施工组织，精细化施工，以技术换效益的认识不足,对影响施工成本的关键因素认识不到位，即使认识到了，改进措施也十分缺乏。

（4）对技术难题研究不深入，很多方面流于表面定性认识,以注浆为例，经常听到的是注浆后土体明显改善，但改善后的具体指标是多少，没有进一步的研究。

三、水下隧道工程整体耦合设计方法,28,三、水下隧道工程整体耦合设计方法,

（一）工程整体耦合设计方法的概念,所谓工程整体耦合，就是将工程的各专业、各系统、各阶段（施工阶段和运营阶段）作为一个整体考虑对象，并找寻其内在联系，使之在整体上相互耦合，成为一个有机联合体。

水下隧道工程整体耦合设计方法，就是综合考虑建设条件、技术标准、使用功能、防灾救援、施工装备与施工技术、风险等因素，初步确定若干个可行的整体