选修2-2-1水下隧道技术

水下隧道技术2019年11月29日星期五目录一、水下隧道施工方法二、我国水下隧道技术现状三、国内外典型水下隧道工程四、水下隧道技术展望什么是水下隧道？一、水下隧道施工方法除个别水下隧道可采用围堰明挖法外，在江、河、海下一般采用暗挖法（钻爆法、TBM和盾构法）以及沉管法。南京长江隧道厦门翔安隧道一、水下隧道施工方法钻爆法水下隧道钻爆法与陆地隧道无根本区别，主要的关键技术是设计埋深须满足最小覆盖层基岩的要求，以预防坍塌，遏止高压涌水。为此，要千方百计做好工程地质和水文地质的勘察调查，突水涌水的超前地质预报，在完全可靠的注浆固结封闭的条件下钻爆开挖。一、水下隧道施工方法•所需设备投资较低；•对不同地质条件、开挖工艺、方法和断面形状的适应性好，转换场地、移动位置机动、灵活；•动力能源消耗少、要求低；•设备维修少，利用率高，在不发生事故前提下施工进度稳定；钻爆法的优点钻爆法的不足•开挖速度提高有困难，工期长如：日本青函隧道，因津轻海峡有九个断层破碎带，发生三次涌水停工，主隧道历时14年贯通。一、水下隧道施工方法TBM法和盾构法TBM（隧道全断面掘进机）法，是利用刀盘刀具破碎岩石和在软土中开挖，边开挖边出渣、土并进行锚喷支护衬砌和管片支护等连续作业。一、水下隧道施工方法TBM法和盾构法•TBM掘进速度快，在中、硬岩石中的月掘进速度在600米左右；最适合长隧道施工。盾构法在软土中平均掘进速度200-300m/月。•TBM掘进的隧道具有较平整的临空面，超欠挖极少，围岩松动范围一般都在20-50cm以内，因受到破坏很小并及时支护，故围岩稳定，施工安全；•施工安全性大大提高，最大限度减少施工人员的伤亡；•施工机械化程度达到95%以上；降低劳动强度，改善了劳动环境；•施工中对海底地质不产生任何不利影响，不影响和不干扰水面航行；•综合效益显著。优点一、水下隧道施工方法TBM法和盾构法•TBM和盾构机的设备费用较高，设备摊销费用较高；•遇到复杂多变的地层时，掘进比较困难；•同一隧道内截面形状变化困难；不足一、水下隧道施工方法沉管法10在干坞内（船坞或造船厂车间）将隧道整体分段制作好，两端用临时钢封门密封，船坞放水使隧道管段上浮，采用拖运和定位等设备，使管段准确浮运至设计位置；经管段灌水压载，下沉至已开挖好的水底基槽，再依次在水下利用水力压接将管段连接起来，接口使用可靠的密封止水，最后是抛石回填，抽出管段内压载水，开启各段间钢封门，在管段内进行设备安装和装修后，即成水底沉管隧道。一、水下隧道施工方法沉管法•所需覆土小，有利于减小隧道长度；•要求地层承载力不大；•隧道各管段可在干坞或工厂车间内预先制备、质量有保证；•管段预制和水底开槽可同时进行，工期短；优点在水下开槽、管节浮运、沉放、各水下对接以及沉管基础处理的各工艺流程中出现失误的概率，相对地比其他隧道技术要多。这是因为沉管隧道是埋置于水下的大型人工构筑物，受河、海地貌、地质、水文等影响。浮运及沉放时对航运有一定影响。不足一、水下隧道施工方法方法内容暗挖法沉管法钻爆法掘进机法盾构法地质条件对地质条件的适应面较宽，灵活性大，进度稳定，水底地质条件差时，需采用辅助工法对地质条件的适应面较窄灵活性小，水底地质为多变化的岩体时，不易发挥掘进机优势遇到砂质土层时，需采用土压平衡或泥水加压平衡（气压）施工不怕流砂，基本上不受地质条件限制水流速度无关无关无关水流很急时，须用水中作业平台辅助施工水面交通无关无关无关对繁忙航道，在浮运就位时需采取短期局部航道管理措施隧道埋深一般设置在水下基岩2.0倍开挖跨度的深度水底基岩下厚度掘进机外径水底覆盖层≥盾构外径沉管顶面可放置在水底标高处。可与河、海底面齐平，最深记录已达水下41米通行车道数量根据水下基岩情况，可做成多车道隧道TBM当前主要使用两车道、多车道时要增建隧道（直径12m）目前已有三车道（15.4m）的超大型盾构，特大型盾构正在规划中一个断面内可设置多条车道，目前已有两个8车道的记录水下隧道主要施工方法比较一、水下隧道施工方法方法内容暗挖法沉管法钻爆法掘进机法盾构法渗漏情况做到不渗不漏难度较大能做到不渗不漏能做到不渗不漏能实现滴水不漏工程总量埋深大、引道段长，工程量大两岸引道较长，工程量较大两岸引道较长，工程量较大可做到隧道长度最短，工程总量最少施工工期机械化程度不高，可组织快速施工，工期仍较长机械化程度较高，开挖速度快，工期较有保证机械化程度较高，开挖速度快，工期较有保证基地开槽和管段预制分开同时进行，管段沉放时间较短，总的工期短施工安全水下钻爆施工要严格施工措施，安全施工是个重要问题施工作业全部掘进机中进行，安全性好施工作业全部在盾壳掩护下进行，安全性好大量作业在水上，水下作业主要是由潜水员完成，安全性较好水下隧道主要施工方法比较二、水下隧道技术现状世界发达国家自20世纪30年代起，就开始修建跨海峡的海底隧道。迄今修建水下隧道的国家主要包括日本、英国、法国、美国、挪威、澳大利亚、丹麦、冰岛、中国等。日本于1942年建成的关门海底隧道（6.3km）拉开了人类历史上修建水下隧道的序幕。日本青函铁路跨海隧道全长53.85公里，海底部分长23.0公里，该隧道以钻爆法为主开挖持续20年，克服了4次海水淹没带来的困难，于1985年8月竣工。由两条行车主洞和一条服务隧道构成的英法海峡隧道，海底段长38公里，采用先进技术，通过充分的地质工作找到理想的岩层，设计安全，较好地解决了某些特殊的工程技术问题。挪威有较长的海岸线及大量的狭湾与岛屿，大多数人生活在海岸附近，因此修建了较多的海底隧道。二、水下隧道技术现状中国在水下隧道的建设上起步较晚，但发展势头很快。据不完全统计，截至2014年底，我国大陆地区已建和在建的水下隧道已经超过了100条（铁路3条；城市轨道交通15条；市政道路隧道及公路隧道46条；水利及市政给排水、电力等领域36条）。上述工程90%以上是上世纪90年代年之后开始建设的，其中约70%采用了盾构法施工，其余矿山法、沉管法、围堰明挖法约各占10%。其中具有代表性的工程有武汉长江隧道、厦门翔安海底隧道、南京长江隧道、上海崇明长江隧道、广深港客专狮子洋隧道、青岛胶州湾海底隧道、港珠澳跨海隧道等。三、国内外典型水下隧道工程英法海峡隧道英法海峡隧道：为横跨英吉利海峡，连接英国和法国的铁路海底隧道。隧道西起英国的福克斯通，东到法国的加来，全长51km，由两孔运输隧道和1孔服务隧道组成。工程类别：跨国铁路海底隧道设计车速：160km/h车道规模：2孔运输隧道+1孔服务隧道隧道规模：51000米，海中段38000米横断面：两管/一管，内径7.6米/4.8米总投资：100亿英镑施工工法：盾构法三、国内外典型水下隧道工程英法海峡隧道是首次针对不同地质、水文条件，隧道采用了多台不同类型、不同直径的盾构机；是综合考虑运输、供电照明、给排水、通风、通讯、防火、疏散救援等安全系统；英法海峡隧道主要工程特点是采用卸压管解决了隧道空气动力学问题、减振轨道结构降低列车振动作用；是扎实的地质勘察为海底线路方案奠定基础，减少隧道渗漏水；是综合应用成熟先进技术解决复杂的工程；是高水压、高风险、环保要求高的隧道。三、国内外典型水下隧道工程英法海峡隧道地质钻探工作从1958年做到1987年，重要的钻孔达94个。浅层勘探在海底以下150m之内，考虑隧道布置的范围；深层勘探在海底以下800m之内，主要为评价地震风险提供数据。海底钻探曾采用大型北海石油钻机，每个钻孔平均费用约为50万英镑。勘探发现海底有一层泥灰质白垩岩(ChalkMarl)，厚度约30m，抗压强度6~9MPa，渗透系数(1~2)×10-7m/s。该岩层抗渗性好，硬度不大，裂隙也较少，易于掘进，隧道线路就布置在它的下部，距海底25~40m。由于岩层的起伏，而隧道要求一定的运行坡度，所以隧道轴线在平面和立面上均呈W形。三、国内外典型水下隧道工程日本东京湾海底隧道东京湾海底隧道是横贯东京湾公路的一部分，全长为15.1km，其海上部分由三大段组成：一为船舶航行较多的川崎侧，长为9.6km的海底隧道；二为处在水深较浅的木更津侧，长为4.4km的海上桥梁；三为川崎侧岸边引道部分。长9.6km的海底隧道是由8台直径为14.14m的超大型泥水平衡盾构在海底地层中穿越贯通。盾构机长为13.5m、重达3200t，是当时世界上最大的盾构机械。三、国内外典型水下隧道工程日本东京湾海底隧道隧道设计速度为80km/h，外径为13.9m，隧道一次衬砌环由11块管片用螺栓联结而成，每块管片厚0.65m，宽1.5m，长约4m，二次衬砌厚0.35m，为钢筋混凝土结构。隧道中部设置一座人工通风竖井，并在桥隧连接段设置一座人工岛。隧道为双管盾构隧道，每管隧道采用四台盾构机两两对向施工，并在隧道中部水下对接。工程于1966年由开始调查，并于1989年着手开始建设，1996年8月全线贯通，1997年12月竣工并投入营运。三、国内外典型水下隧道工程武汉长江隧道武汉长江隧道位于武汉长江大桥、二桥之间。隧道连接汉口的大智路与武昌的沙湖路，被誉为“万里长江第一隧”。工程类别：城市主干道设计车速：50km/h车道规模：双向四车道隧道规模：3600米，盾构段2550米横断面：双管单层，外径11.0米大智路沙湖路施工工法：盾构法三、国内外典型水下隧道工程武汉长江隧道是国内当时水压力最高、一次推进距离最长的大直径盾构隧道；是国内首次采用10m以上大直径复合式泥水平衡盾构；是国内大直径盾构首次全断面在砂层中施工的隧道；是国内首次设置双道防水密封垫的盾构隧道；是国内首次设置排烟专用风道的盾构隧道。是国内第一个立项研究、第一个由国家批准、第一个开工、第一个盾构掘进、第一个建成通车的水下隧道；盾构通过段地面建筑物密集，并且浅覆土下穿省级文物保护建筑，环境保护要求高，技术难度大。武汉长江隧道主要工程特点三、国内外典型水下隧道工程南京长江隧道南京长江隧道位于南京长江大桥与三桥之间的纬七路，连接南京江北的滨江路与江南的清河路。工程采用“左隧右桥”的结构型式，总长5853m。其中隧道3930米，桥梁705米，其他为路基段。工程类别：城市快速路设计车速：80km/h车道规模：双向六车道隧道规模：3930米，盾构段3022米横断面：双管单层，外径14.5米施工工法：盾构法三、国内外典型水下隧道工程南京长江隧道是国内当时水压力最大的盾构隧道，最大水压力为65m；南京长江隧道主要工程特点是国内在砂层中一次推进距离最长的隧道；是国内最长的盾构法城市快速路隧道；国家863计划示范工程；国内首次大规模穿越卵石地层，并成功实现常压换刀的水底隧道。三、国内外典型水下隧道工程南京长江隧道三、国内外典型水下隧道工程上海长江隧道隧道起于浦东新区五好沟，穿越南港水域在长兴岛西南方登陆，全长8.95公里，其中穿越水域部分达7.47公里。隧道整体断面设计为上下行的双管隧道，沿其纵向每隔800米左右设一条横向人行联络通道。单管外径为Φ15m，内径为13.7m，内设三条（2×3.75+3.5m）车道，双向即六车道，设计车速为80公里/小时。两台直径为Φ15.43m泥水加气平衡盾构，从浦东侧工作井由南向北一次掘进至长兴岛侧工作井实现隧道贯通。三、国内外典型水下隧道工程广深港客专狮子洋隧道工程类别：客运专线设计车速：350km/h车道规模：双线隧道规模：10.8公里，盾构段9340米横断面：双管单线，隧道外径10.8米施工工法：盾构法狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站至虎门站之间，穿越珠江入海口的狮子洋，河面宽度6100m。三、国内外典型水下隧道工程广深港客专狮子洋隧道是铁路第一条水下隧道；狮子洋隧道主要工程特点是世界上行车速度目标值最高的水下隧道；是国内已建的最长的水下隧道；是国内水压力最大的水下隧道，最大水压力为67m；是国内第一条进行地中对接施工的盾构隧道。是国内第一次使用内衬的盾构法隧道三、国内外典型水下隧道工程钱江隧道工程类别：高速公路设计车速：80km/h车道规模：双向六车道隧