选修2-2-1水下隧道技术

1、.,水下隧道技术,2020年7月1日星期三,.,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。,.

2、,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

3、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

4、,.,10,一、水下隧道施工方法,沉管法,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

5、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,水下隧道主要施工方法比较,.,一、水下隧道施工方法,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

6、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

7、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

8、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

9、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(Chalk Marl)，厚度约30m，抗压强度69MPa，渗透系数(12)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2540m。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

10、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

11、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

12、,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

13、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

14、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15m，内径为13.7m，内设三条（23.75+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15.43m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,

15、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,隧道规模：4250米，盾构段3250米,横断

16、面：双管单线，隧道外径15.0米,施工工法：盾构法,该项目为高速公路钱江通道及接线工程的控制性工程，在海宁盐官镇西2.5公里处，以隧道形式穿越钱塘江。 2007年12月试验段动工；2008年隧道全面开工，2010年3月盾构始发，2013年底建成通车。,.,三、国内外典型水下隧道工程,钱江隧道,江南施工期卫星照片,江北施工期卫星照片,.,三、国内外典型水下隧道工程,钱江隧道,钱江隧道管理中心中控室,.,三、国内外典型水下隧道工程,厦门翔安海底隧道,.,三、国内外典型水下隧道工程,厦门翔安海底隧道,.,三、国内外典型水下隧道工程,厦门翔安海底隧道,工程于2005年9月6日开工建设，2010年4月2

17、6日开通运营。 投资32.8亿,.,三、国内外典型水下隧道工程,厦门翔安海底隧道,.,三、国内外典型水下隧道工程,厦门翔安海底隧道,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,港珠澳大桥跨越伶仃洋，东接香港特别行政区，西接广东省珠海市和澳门特别行政区，是“一国两制”框架下、粤港澳三地首次合作建设的超大型跨海交通工程。 海中桥隧主体工程长约29.6公里，采用桥隧组合方案，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段约6.7公里采用隧道方案，其余路段约22.9公里采用桥梁方案。,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,为实现桥隧转换和设置通风井，主体工程隧道两端各设置一个海中人工岛，岛隧工程是大

18、桥工程的施工控制性工程,由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。全长7440.546米，其中隧道部分长5.9km，沉管段长5.6km，每座人工岛长度625m。岛隧工程概算价约140亿元。,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,本工程沉管段隧道采用180m长的超大管节，每个180m长的标准管节重达7.4万吨，由8个节段组成，每节长22.5米、宽37.95米、高11.4米。为了保证工程质量、提高施工效率，在桂山牛头岛修建了管节预制厂房，每个节段均在厂房内绑扎钢筋、固定台座上浇筑、养护72小时后，向前顶推22.5m，空出浇筑台座，下一节段

19、与刚顶出的节段相邻匹配预制。如此逐段预制逐段顶推，直至完成全部8个节段的浇筑。整体顶推至浅坞，通过预应力钢索张拉形成整体，完成一次舾装。然后关闭浅坞与预制工厂之间的滑动坞门，浅坞灌水，管节浮起移至深坞，最后打开深坞门浮运至设计的沉放现场。,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,采用大圆筒围护结构快速成岛,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,沉管隧道管节工厂化制造,.,三、国内外典型水下隧道工程,港珠澳大桥岛隧工程,沉管隧道管节工厂化制造,.,三、国内外典型水下隧道工程,武汉市三阳路越江隧道,武汉市三阳路过江隧道是城市道路和轨道交通7号线共用过江通道，隧道外径达到15.2，是国内最大直径盾构隧道。两岸工作井及地铁车站处明挖基坑深度均超过30m，最大深度达到42m。,工程类别：城市主干道+地铁隧道 设计速度：道路60km/h，地铁100km/h 车道规模：双向六车道+双