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φ14.89m 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φ15.43m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实验取得。
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。
图1b 东京湾道路隧道φ14.14m泥水盾构图2易北河第4隧道φ14.2m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3664 m，创日进度46M的纪录。
图3 荷兰绿色心脏隧道φ14.87m盾构图4马德里M30地下道路隧道Φ15.2m双子星土压盾构国外直径超过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。
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
9.4×2 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 2.56
2.5+2.2×2
41 1995-2003
2003-2009
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
3.67×2 2004-2007
总计13台43.7
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。
图5 上中路隧道双层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
