水下盾构隧道长距离施工关键技术

中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下0洪开荣2012年11月水下盾构隧道长距离掘进关键技术中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下11内容提纲一、时代的呼唤二、水下隧道的前景三、盾构及TBM的特性四、水下盾构隧道面临的挑战五、台山核电取水隧洞工程六、广深港高铁狮子洋隧道中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下22一时代的呼唤1我国面临的四大挑战我国21世纪面临着人口、粮食、资源和环境的四大挑战。人口：增1200万人/年，且密度不均：西藏、新疆、青海人口2150万占1.7%，占地1/3；北京3万/km2，中关村6万/km2。上海4万/km2，日本5600人/km2。中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下33一时代的呼唤城镇化是工业化和现代化的必然趋势，是完成落后农业国向发达工业国跨越的必由之路。土地：砂化240Km2/年，已砂化320万Km2土地，人均耕地越来越少（为美国1/9.5），我国城市化率2011年以达到50%以上，城市生存空间拥挤，80亿亩红线受到威胁。1我国面临的四大挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下44能源现状：（1）煤：按19亿吨开采40年就进入干涸区，煤储存在昆仑山—秦岭、大别山以北占94%，二其以南南仅6%，形成北煤南运，西煤（89%）东运格局。（2）石油，我国经济总量目前占世界第二位，石油消耗很大，而我国1吨石油的产值是发达国家1/2～1/4，是日本的4.5倍，美国的2.5倍，比印度还高。南中国海蕴藏着230～300亿吨石油和16万亿m3天然气，相当于我国全部油气资源的三分之一。一时代的呼唤1我国面临的四大挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下55（3）天然气：储存在西北部能满足65年的用量，资源与供应量是有很大差距的。（4）铀235：贫铀国，储量不足20年～30年；原子能发电不是方向。（5）水资源，50%水量在南方，水资源集中在大西南，占50～70%。水位差2000～3000m，是世界可再生能源的金库，30%的电量由水电供给；但水的分布极不平衡，47%土地处于干旱、半干旱。世界规定＜10000m3/人年为缺水国家，中国居110位，平均2400m3/人年，美国是10000多m3/人年。一时代的呼唤一时代的呼唤1我国面临的四大挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下66城镇化又会带来城市人口急剧膨胀，由此产生了生存空间拥挤、交通阻塞、环境恶化等问题的凸显。一时代的呼唤1我国面临的四大挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下77南水北调的一段明渠工程2工程造成土地资源浪费与环境恶化一时代的呼唤中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下88一时代的呼唤2工程造成土地资源浪费与环境恶化中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下99一时代的呼唤2工程造成土地资源浪费与环境恶化中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1010我们土木工程应顺潮流而检讨自己，大量的土建工程拔地而起，人们进入城市，大量的交通、房屋要建，我们每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代。能否把地面沃土多留点给农业和环境，把地下岩土多开发点给交通道路、工厂和仓库，从而使地下空间成为人类在地球上安全舒适生活的第二个空间。一时代的呼唤3路在何方中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1111可持性发展进入21世纪我们开始了自我反思，反思在20世纪活动中的得和失。发展的理念：就是符合当代人类利益，又不损害未来人类利益的发展。只有这样发展才可能持续；才可能保障人类在地球上世世代代休养生息下来。“可持续发展”作为国策提出来了，摆在每个学科、每个产业的面前，谁违背了四大难题的挑战，谁就会被淘汰。一时代的呼唤3路在何方中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1212隧道及地下工程就是应对四大挑战的起点。20世纪80年代为真正的起点，全面开始应用新原理、新方法、新设备、新材料、新工艺、新技术、新仪器，当时是以大瑶山铁路双线隧道为契机与范例，掀起了地下空间开发的序幕。3路在何方一时代的呼唤中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1313地下工程是最符合可持续发展要求的，城市道路需要地下化。一时代的呼唤3路在何方中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1414城市共同沟的修建，地下铁道、地下停车场、地下仓库、地下商业街、娱乐场所等都在进行设计施工，但很少统筹。城市地下设施很多，谁占什么标高，也需要技术立法,以人为本的思想应贯穿在当前地下工程的设计中。3路在何方一时代的呼唤中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下1515综观当今世界，有识之士已把对地下空间开发利用作为解决资源与环境危机的重要措施，是解决我国可持续性发展的重要途径。可以预测21世纪末将有1/3的世界人口工作、生活在地下空间中。一时代的呼唤3路在何方中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下16161616我国陆地海岸线长达1.8万公里,海岛海岸线长达1.4万km，我国大部分经济特区都处于东南部的沿海地区，但点面结合、区域发展，受海岸海湾区域交通环境的影响，协同提升受到了极大的制约。1、海湾经济发展的需要胶州湾海底隧道二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下171717172、胶州湾“一桥一隧”工程胶州湾“环湾保护、拥湾发展”战略，推动“蓝色经济区”发展，建设了胶州湾海底隧道、跨海大桥工程。胶州湾海底隧道实现了青岛与黄岛全天侯安全交通，彻底终结了“青黄不接”，其交通距离仅为绕湾距离的九分之一。二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下18181818我国拥有面积超过500m2岛屿6536个，其中有人居住的450个；海岛对国家的重要性不言而喻，其海域不但蕴藏巨大的油气与矿物资源，更是国家安全战略的保障，完善大陆与海岛连接已上升到国家重大发展课题。3、岛屿经济发展的需要台湾海峡二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下191919194、厦门翔安海底隧道厦门翔安隧道是我国第一条钻爆法海底隧道，是连接厦门本岛与大陆的全天候通道，并将原来厦门本岛到翔安的时间由原来的1个多小时缩短到10分钟。海底隧道翔安区厦门岛二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下202020205、城市化发展的需要我国沿江而建的大城市众多,47个特大城市就有36个是沿江而建。城市化的发展，带来城市人口急剧膨胀，凸显生存空间拥挤、灾害频繁、交通堵塞、环境恶化等问题。依托江河两岸发展城市空间成为必然。二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下21212121浦东浦西根据我国大多沿江城市单边发展的现状，依托两岸拓展城市发展空间是必由之路。上海跨越黄浦江的通道建设助推了浦东新区的开发，其发展模式已成为我国城市拓展发展空间的典范。6、上海黄浦江通道建设的意义二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下22227我国大陆已建与在建水下隧道二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下2323238在建与规划中的重大跨海越江通道港珠澳沉管隧道南京第二长江隧道琼州海峡隧道渤海湾隧道台湾海峡隧道琼州海峡渤海湾二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下242424跨海越江隧道可以不受气候的影响，抗震性能好，且国防安全性好，具有环境友好型、资源节约型的特点，已成为我国可持续发展的重大需求，而水下隧道盾构与TBM法施工又占主导地位。9跨江越海通道地下化趋势二水下隧道的前景中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下251818年提出盾构设想，并于1825年开始应用于实际工程；据相关统计资料，目前世界上城市地铁区间隧道应用盾构施工的大约占70%左右。1882年两位英国皇家工程师设计出了一种全新的隧道掘进机，并在英国海峡成功修建了一座无衬砌隧道。1简要回顾三盾构与TBM的特性中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下262盾构的基本原理动画来源于海瑞克公司宣传片三盾构与TBM的特性中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下273TBM的基本原理动画来源于海瑞克公司宣传片三盾构与TBM的特性中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下284盾构与TBM的主要差异稳定工作面的能力掘进推力的提供方式稳定洞室围岩的方法三盾构与TBM的特性中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下29自1953年我国开展盾构技术研究和应用以来，到现在基本上普及到了各个领域的地下工程中，特别是在城市交通（地铁与地下市政道路）、跨越大江大河隧道、管廊等工程绝大部分采用了盾构技术。5盾构技术的应用市政管廊交通领域水利水电能源领域三盾构与TBM的特性中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下3030盾构负载变化频繁刀具磨损大、更换难四水下盾构隧道面临的挑战1软硬不均复合地层问题中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下31预处理技术人工清除（钻爆法施工）洞内弱化处理（超前钻蜂窝孔）地面破碎处理（地面冲孔、爆破）直接掘进重型滚刀破岩带压更换刀具1软硬不均地层的处理方法需爆破岩石隧道底面地面堵塞炸药超深堵塞炸药四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下3232强度差异大，刀具失效快孤石漂移，破碎困难2球状风化地层四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下33预处理技术人工清除（竖井清除）洞内处理（爆破或胀裂）地面处理（冲消或爆破）直接掘进大刀具、全覆盖人工进仓搬运2孤石的处理方法装药孔空孔钻孔超深线隧道底面线地面孤石爆破示意图四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下3434刀具磨耗速度快强胶结时易损刀盘3卵砾石地层的问题四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下35主要技术措施加大刀盘开口率采用耐磨撕裂刀切割采用带式螺旋输送机采用针对性的冲浮设计3卵砾石地层的处理方法四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下36大直径卵砾石地层的施工（台湾经验）3卵砾石地层的处理方法以上图片来源于台北王锦洋先生等论文四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下37374工作面稳定问题四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下385关键部件的寿命考验四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下407减压限排技术在高水压条件下换刀具有很大的技术难度，为此我们提出了“减压限排换刀技术”,该技术的主要目的是尽可能地降低带压换刀的气压，保障换刀人员的健康与安全，提高工作效率。四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下41主要技术措施采用试验与三维渗流场分析评估环境、限量排水降低水压、利用水幕原理建立气压，该技术在狮子洋隧道的施工中获得了明显的效果，减压率达到了34.4%。7减压限排技术四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下4242泥水处理8废弃浆液的处理四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下9地铁四号线涌砂事故2003年7月轨道交通4号线浦东南路站—南浦大桥站区间的中间风井位置发生透水涌沙事故，造成292m隧道毁灭性破坏，并经历近四年时间原地修复。四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下10联络通道施工顶管方式在特殊地层（如水下软弱地层、环境复杂的富水软弱地层等）、且具有通用性的项目或工程中，采用顶管法施工联络通道，安全可靠、经济合理。四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下4511风险评估的特性风险(Risk)是指某一行为所承担或冒着的危险程度。风险事件发生与否，一般遵循“概率规律”。风险具有二个特性：一是客观存在性，二是不确定性。在风险方面投入是可以权衡的。风险管理是对某一行为回报的判释与决策，属于决策范畴，是控制投资的重要手段。风险管理的目的主要是在投资的收入与损失之间找到可以接受的平衡点。因此“风险依赖投入，必须有备无患”。四水下盾构隧道面临的挑战中铁隧道集团有限公司隧贯山河道通天下4612安全管理的特性安全(Safety)是指某一事物处于无危险的状态。安全事故发生与否，必定遵循“墨菲定律”。安