“水下隧道”的四種建造方法,中國鐵建十大創新技術之一

一、水下隧道的修建方法

水下隧道是穿越水域阻隔的重要手段,是人類克服自然障礙、與自然和諧共處的重大技術發明。


“水下隧道”的四種建造方法,中國鐵建十大創新技術之一

二、盾構法的歷史

盾構法起源於19世紀40年代,以往主要適用於單一的軟弱地層,且斷面較小;隨著“複雜地質、大直徑、高水壓、長距離”隧道建設的需要,上世紀末出現了現代盾構技術。

至今,世界上已修建了大直徑盾構隧道(直徑大於10m)數百座,國內已在黃浦江、長江、珠江、錢塘江、湘江等河流採用大直徑盾構修建了數十條水下隧道。


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三、沉管法的歷史

1894年美國在波士頓採用沉管法建成了下水管線,但真正意義上的沉管隧道是1910年美國建成的底特律水下鐵路隧道(鋼殼)。

到目前為止,全球有大約150座交通隧道和45座市政隧道採用沉管法修建,以北美、歐洲和亞洲應用較多。我國大陸採用沉管法修建的隧道有上十座。


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四、鑽爆法的歷史

鑽爆法最早用於山嶺隧道,日本在1944年修建了關門海底鐵路隧道,1985年建成了著名的青函海底隧道。世界上採用鑽爆法已建成的水下隧道有數百公里。

我國採用鑽爆法修建的水下隧道約10座,包括武廣高鐵瀏陽河隧道、長沙市湘江大道瀏陽河隧道、廈門東通道翔安海底隧道、長沙市營盤路湘江隧道、青島膠州灣海底隧道等。


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五、圍堰明挖法的歷史

圍堰明挖法是修建水下隧道最古老的方法,但在合適的條件下至今仍是最經濟的施工方法。

我國大陸採用該工法已建和在建的水下隧道有10餘座,其中水深最大的是澳門大學橫琴校區海底隧道,水深最大約9m;長度最長的是武漢東湖隧道,長度超過7km。


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六、水下隧道的技術進步與發展趨勢

(1)長距離化

英法海峽隧道長49.5km,青函海底隧道長53.9km,廣深港高鐵獅子洋隧道長10.8km。長度已難以成為水下隧道修建的制約因素。

(2)大直徑化

美國西雅圖SR99項目,盾構隧道開挖直徑17.48m;武漢三陽路公鐵合建長江隧道開挖直徑15.65m。荷蘭多德雷赫特沉管隧道寬度為48.6m。武廣高鐵瀏陽河隧道最大開挖面積達170m2。隧道直徑的加大,為隧道工程的推廣應用創造了有利條件。


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(3)大埋深與高水壓化

盾構法水面下最大深度已突破100m(我國蘇通GIL特高壓網長江隧道為80m),沉管法最大水深為58m(土耳其的Bosphorus隧道),鑽爆法水面下最大深度為250m(日本青函海底隧道)。水下隧道克服大埋深高水壓能力的提高,為向更大水深發展奠定了堅實基礎。


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(4)地質條件複雜化

盾構法已有很多大直徑隧道穿越各種複雜地質,包括土巖複合地層、斷層、岩溶等。沉管法採用樁基礎處理軟土已是成熟技術。鑽爆法穿越水下斷層、全強風化層也較為常見。各種工法對地質適應性的增強,可以突破越來越多的“地質禁區”,大幅拓展了水下隧道的應用範圍。


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(5)隧道多功能化

隧道由以往單一交通功能向多功能方向發展。如武漢三陽路長江隧道為城市道路與地鐵合建的盾構隧道,丹麥-瑞典的Oresund隧道、廣州珠江隧道等均為公鐵合建的沉管隧道。


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(6)斷面佈置多樣化

盾構隧道由以往單一的單層結構向雙層結構發展,可以減少土地佔用,也便於兩岸通道資源的利用,如武漢三陽路公鐵合建長江隧道、揚州瘦西湖隧道、美國西雅圖SR99隧道均為雙層佈置。


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(7)施工裝備現代化

盾構設備由以往單一功能的土壓盾構、泥水盾構等向雙模式盾構發展,如德國斯圖加特菲爾德斯塔特隧道採用直徑10.82m 的雙模式盾構機;巴塞羅那地鐵9號線採用直徑11.9m雙模式TBM。

沉管法和鑽爆法均已形成了機械化作業線,裝備也越來越現代化。


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(8)工程技術交叉化

如盾構隧道採用超前注漿技術,沉管隧道採用預應力技術,鑽爆法隧道採用抗水壓襯砌技術,盾構法與沉管法隧道採用複合地基技術等,均體現了大土木、大岩土的特點,也推進了水下隧道的技術進步。


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七、我國大直徑盾構隧道技術發展歷程與趨勢

1. 由單一軟土地層向複雜地層發展

我國上海市於1966年和1984年分別修建了外徑10.22m的打浦路越江隧道和外徑11.3m的延安東路越江隧道,由此開啟了我國大直徑水下隧道建設歷史。上世紀90年代又先後修建了外徑11.0m的延安東路南線隧道、大連路隧道、復興東路隧道三條越江道路隧道。

武漢長江隧道:2004年11月開工,開啟了我國在複雜地層修建大直徑盾構隧道的歷史。

南京長江隧道:2005年8月開工,開啟了我國在複雜地層修建超大直徑盾構隧道的歷史。

廣深港高鐵獅子洋隧道:2006年5月開工,開啟了我國在土巖複合地層修建大直徑盾構隧道的歷史。

武漢三陽路長江隧道:2014年12月開工,開啟了我國在土巖複合地層修建超大直徑盾構隧道的歷史。

2. 由大直徑向超大直徑發展

已建的超大直徑盾構隧道有:

( 1)上海上中路隧道:隧道外徑14.5m;

( 2)上海長江隧道:隧道外徑15.0m;

( 3)南京長江隧道:隧道外徑14.5m;

( 4)杭州錢江隧道:隧道外徑15.0m;

( 5)揚州瘦西湖隧道:隧道外徑14.5m。

在建的超大直徑盾構隧道有:

武漢三陽路長江隧道(15.2m)、上海虹梅路隧道(15.0m)、上海沿江快速路長江隧道(15.0m)、汕頭蘇埃海底隧道(14.5m)、南京長江五橋夾江隧道(15.0m)等。

3. 由中等水壓向高水壓和超高水壓發展

武漢長江隧道之前,在上海黃浦江修建的大直徑盾構最大水壓力不超過45m。

武漢長江隧道57m→南京長江隧道65m→廣深港高鐵獅子洋隧道67m→南京緯三路長江隧道75m→佛莞城際鐵路獅子洋隧道78m→蘇通GIL特高壓網長江隧道80m→廣佛城際鐵路東環隧道125m(非水下)。

4. 由一般地質地層向不良地質地層發展

( 1)揚州瘦西湖隧道:穿越Q3老粘土地層,具有膨脹性;

( 2)南京和燕路長江隧道(14.5m):穿越岩溶地層和水下斷層;

( 3)蘇通GIL特高壓網長江隧道(11.6m):穿越沼氣地層;

( 4)杭州望江路錢塘江隧道(11.3m):穿越沼氣地層;

( 5)武漢黃鶴樓隧道(15.4m):穿越岩溶地層。

(6)穿越水下斷層的隧道還有:廣深港高鐵獅子洋隧道、佛莞城際鐵路獅子洋隧道、蕪湖城南長江隧道等。

5. 由中等烈度地震區向高烈度地震區發展

汕頭蘇埃海底隧道、汕汕高鐵汕頭灣海底隧道、北京地下直徑線、天津地下直徑線、京張高鐵清華園隧道等均位於8度地震區。

6. 由單模式盾構向雙模式盾構發展

佛莞城際鐵路獅子洋隧道:原設計採用土壓—泥水雙模式盾構,後施工單位改為可常壓換刀的複合式泥水平衡盾構。

廣佛城際東環隧道:2個區間採用了土壓—單護盾TBM雙模式盾構。


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7. 由單一工法向多工法組合發展

深茂鐵路珠江口隧道和汕汕高鐵汕頭灣海底隧道:採用鑽爆法+盾構法


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8. 由公路、地鐵隧道向鐵路隧道發展

( 1)廣深港高鐵獅子洋隧道:隧道外徑10.8m;

( 2)北京地下直徑線隧道:隧道外徑11.6m;

( 3)天津地下直徑線隧道:隧道外徑11.6m;

( 4)廣深港高鐵益田路隧道和深港隧道:隧道外徑12.8m;

( 5)佛莞城際鐵路獅子洋隧道:隧道外徑13.1m;

( 6)滬通鐵路二期吳淞口長江隧道:隧道外徑10.3m,首座在軟土地層修建的客貨共線鐵路隧道。




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