1、1 1水下隧道水下隧道设计与施工技术探讨设计与施工技术探讨2一、概述一、概述二、水下隧道的特点及建设中存在的问题二、水下隧道的特点及建设中存在的问题三、水下隧道三、水下隧道工程整体耦合设计工程整体耦合设计方法方法四、水下隧道四、水下隧道整体耦合设计整体耦合设计案例案例五、水下隧道五、水下隧道多维度结构安全保障多维度结构安全保障技术技术六、大六、大直径盾构隧道施工中的主要技术难题与原因直径盾构隧道施工中的主要技术难题与原因分析分析七、复合地层盾构隧道设计的七、复合地层盾构隧道设计的几个关键技术问题几个关键技术问题八、复合地层盾构设备研制的几个关键技术问题八、复合地层盾构设备研制的几个关键技术问题
2、九、复合地层盾构隧道施工的几个关键技术问题九、复合地层盾构隧道施工的几个关键技术问题十、展望与建议十、展望与建议2目 录3一、概述一、概述34 水下隧道水下隧道是穿越水域阻隔的重要手段，是人类克服自然是穿越水域阻隔的重要手段，是人类克服自然障碍、与自然和谐共处的重大技术发明。障碍、与自然和谐共处的重大技术发明。盾构法盾构法：施工安全、质量好、速度快、地质适应性施工安全、质量好、速度快、地质适应性强、洞内作业环境好，适于各种地层不同断面大小强、洞内作业环境好，适于各种地层不同断面大小的隧道；的隧道；矿山法：矿山法：造价造价低、埋深大、质量差、施工低、埋深大、质量差、施工风险较大风险较大；适于完整
3、基岩中修建适于完整基岩中修建隧道隧道；沉管法：沉管法：造价造价高，对高，对通航影响大，适于多车道、通航影响大，适于多车道、水深水深较浅、河床冲淤变化幅度小的水域；较浅、河床冲淤变化幅度小的水域；围堰明挖法：围堰明挖法：适于适于水深小、无通航且水域水深小、无通航且水域宽度不大宽度不大的情况的情况 。水下隧道主要施工方水下隧道主要施工方法法一、概述一、概述（一（一）水下隧道的修建方法）水下隧道的修建方法5一、概述一、概述（二）盾构法的历史（二）盾构法的历史 盾构法起源于盾构法起源于19世纪世纪40年代年代，以往主要，以往主要适用于单一的软弱地层，适用于单一的软弱地层，且断面较小；随着且断面较小；随
4、着“复杂地质、大直径、高水压、长距离复杂地质、大直径、高水压、长距离”隧道建隧道建设的需要，上世纪末出现了设的需要，上世纪末出现了现代盾构技术现代盾构技术。至今，世界至今，世界上已修建了大直径盾构隧道（直径大于上已修建了大直径盾构隧道（直径大于10m）数百数百座座，国内，国内已在黄浦江、长江、珠江、钱塘江、湘江等河流采用大直已在黄浦江、长江、珠江、钱塘江、湘江等河流采用大直径盾构修建了径盾构修建了数十条数十条水下隧道。水下隧道。6一、概述一、概述（三）沉管法的历史（三）沉管法的历史 1894年美国在年美国在波士顿采用沉管法建成了下水管线，但波士顿采用沉管法建成了下水管线，但真正意义上的真正意义
5、上的沉管隧道是沉管隧道是1910年美国建成的底特律年美国建成的底特律水下铁路隧道水下铁路隧道（钢壳（钢壳）。）。到到目前为止，全球有大约目前为止，全球有大约150座座交通隧道和交通隧道和45座市政隧道采用沉管座市政隧道采用沉管法修建，以北美、欧洲和亚洲应用法修建，以北美、欧洲和亚洲应用较多较多。我国大陆采用沉管法修建的。我国大陆采用沉管法修建的隧道有隧道有上十座上十座。7一、概述一、概述（四）钻爆法的历史（四）钻爆法的历史 钻爆法最早钻爆法最早用于用于山岭隧道，日本在山岭隧道，日本在1944年修建年修建了关门海底铁路隧了关门海底铁路隧道道，1985年建成了著名的青函年建成了著名的青函海底隧道。
6、世界海底隧道。世界上采用钻爆法已建成的上采用钻爆法已建成的水下隧道有水下隧道有数百公里数百公里。我国我国采用钻爆法修建的采用钻爆法修建的水下隧道约水下隧道约10座座，包括武，包括武广高铁浏阳河隧广高铁浏阳河隧道、长沙市湘江大道浏阳河隧道、厦门东通道翔安海底隧道、长沙市道、长沙市湘江大道浏阳河隧道、厦门东通道翔安海底隧道、长沙市营盘路湘江隧道、青岛胶州湾营盘路湘江隧道、青岛胶州湾海底隧道等。海底隧道等。8一、概述一、概述（五）围堰明挖法的历史（五）围堰明挖法的历史 围堰围堰明挖法是修建水下隧道最古老明挖法是修建水下隧道最古老的方法的方法，但在合适的条件下至，但在合适的条件下至今仍是最经济的施工方
7、法今仍是最经济的施工方法。我国我国大陆采用该工法已建和在建的水下隧道大陆采用该工法已建和在建的水下隧道有有10余余座座，其中水深其中水深最大的是澳门大学横琴校区海底隧道最大的是澳门大学横琴校区海底隧道，水深最大，水深最大约约9m；长度最长的是；长度最长的是武汉东武汉东湖隧道湖隧道，长度超过，长度超过7km。9一、概述一、概述（六）水下隧道的技术进步与发展趋势六）水下隧道的技术进步与发展趋势（1）长距离）长距离化化 英法海峡隧道英法海峡隧道长长49.5km，青青函函海底隧道海底隧道长长53.9km，广深港高铁狮子洋广深港高铁狮子洋隧道长隧道长10.8km。长度长度已难以成为水下隧道修建的制约因素
8、已难以成为水下隧道修建的制约因素。（2）大）大直径化直径化 美国美国西雅图西雅图SR99项目，盾构隧道开挖项目，盾构隧道开挖直径直径17.48m；武汉；武汉三阳路公铁合三阳路公铁合建长江隧道开挖直径建长江隧道开挖直径15.65m。荷兰多德雷赫特。荷兰多德雷赫特沉管沉管隧道宽度隧道宽度为为48.6m。武。武广高铁浏阳河隧道最大开挖面积达广高铁浏阳河隧道最大开挖面积达170m2。隧道直径的加大，为隧道工程隧道直径的加大，为隧道工程的推广应用创造的推广应用创造了了有利有利条件。条件。10一、概述一、概述（六）水下隧道的技术进步与发展趋势六）水下隧道的技术进步与发展趋势（3）大）大埋埋深深与与高高水压
9、化水压化盾构法水面下最大深度已突破盾构法水面下最大深度已突破100m（我国苏通（我国苏通GIL特高压网长江特高压网长江隧道隧道为为80m），），沉管沉管法最大水深为法最大水深为58m（土耳其土耳其的的Bosphorus隧道隧道），钻爆法，钻爆法水面水面下最大深度下最大深度为为250m（日本日本青函青函海底隧道海底隧道）。水下隧道。水下隧道克服大埋深高水压能克服大埋深高水压能力的提高，力的提高，为为向向更更大大水深水深发展发展奠定奠定了坚实基础。了坚实基础。（4）地质条件复杂化）地质条件复杂化盾构法已盾构法已有很多大有很多大直径隧道直径隧道穿越各种复杂地质，包括土岩复合地层、断穿越各种复杂地质，
10、包括土岩复合地层、断层、岩溶等。层、岩溶等。沉管沉管法法采用采用桩基础处理软土桩基础处理软土已已是成熟技术。是成熟技术。钻爆法穿越钻爆法穿越水下水下断层、全强风化层也较为常见。各种工法对地质适应性的增强，可以突破断层、全强风化层也较为常见。各种工法对地质适应性的增强，可以突破越来越多的越来越多的“地质禁区地质禁区”，大幅拓展大幅拓展了了水下隧道水下隧道的应用范围的应用范围。11一、概述一、概述（六）水下隧道的技术进步与发展趋势六）水下隧道的技术进步与发展趋势（5）隧道多功能化）隧道多功能化隧道隧道由以往单一交通功能向多功能方向发展。如武汉三阳路长江隧由以往单一交通功能向多功能方向发展。如武汉三
11、阳路长江隧道为城市道路与地铁合建的盾构道为城市道路与地铁合建的盾构隧道隧道，丹麦丹麦-瑞典的瑞典的Oresund隧道、广隧道、广州珠江隧道州珠江隧道等等均为公铁合建的沉管隧道均为公铁合建的沉管隧道。（6）断面布置多样化）断面布置多样化 盾构盾构隧道由以往单一的单层结构向双层结构发展，可以减少土地隧道由以往单一的单层结构向双层结构发展，可以减少土地占用，也便于两岸通道资源的利用，如武汉三阳路公铁合建长江隧道、占用，也便于两岸通道资源的利用，如武汉三阳路公铁合建长江隧道、扬州瘦西湖隧道、美国西雅图扬州瘦西湖隧道、美国西雅图SR99隧道均为双层布置隧道均为双层布置。12一、概述一、概述（六）水下隧道
12、的技术进步与发展趋势六）水下隧道的技术进步与发展趋势（7）施工装备现代化）施工装备现代化盾构盾构设备由以往单一功能的土压盾构、泥水盾构等向双模式盾构发展，设备由以往单一功能的土压盾构、泥水盾构等向双模式盾构发展，如德国如德国斯图加特菲尔德斯塔特隧道斯图加特菲尔德斯塔特隧道采用采用直径直径10.82m 的双模的双模式盾构机；巴式盾构机；巴塞罗那地铁塞罗那地铁9号号线采用线采用直径直径11.9m双模双模式式TBM。沉管沉管法和钻爆法均法和钻爆法均已已形成了机械化作业形成了机械化作业线线，装备装备也越来越也越来越现代化。现代化。（8）工程技术交叉化）工程技术交叉化 如如盾构隧道采用盾构隧道采用超前超
13、前注浆注浆技术，技术，沉管隧道采用沉管隧道采用预应力技术，预应力技术，钻爆法隧钻爆法隧道采用道采用抗抗水压衬砌水压衬砌技术，技术，盾构法与沉管法隧道采用盾构法与沉管法隧道采用复合复合地基地基技术等技术等，均体，均体现了大土木、大岩土的特点，现了大土木、大岩土的特点，也推进也推进了水下隧道的技术进步。了水下隧道的技术进步。13（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势1.由单一软土地层向复杂地层发展由单一软土地层向复杂地层发展我国上海市于我国上海市于1966年和年和1984年分别修建了外径年分别修建了外径10.22m的打浦路越江隧道的打浦路越江隧道和外径
14、和外径11.3m的延安东路越江隧道，的延安东路越江隧道，由此开启了由此开启了我国我国大直径水下隧道建设大直径水下隧道建设历史历史。上世纪。上世纪90年代又先后修建了年代又先后修建了外径外径11.0m的延安东路南线隧道、大连的延安东路南线隧道、大连路隧道、复兴东路隧道三条越江道路路隧道、复兴东路隧道三条越江道路隧道隧道。武汉长江隧道武汉长江隧道：2004年年11月开工，开启月开工，开启了了我国在我国在复杂地层修建复杂地层修建大直径大直径盾盾构隧道的构隧道的历史历史。南京长江隧道南京长江隧道：2005年年8月开工，开启月开工，开启了了我国在我国在复杂地层复杂地层修建修建超大超大直径直径盾构隧道的盾
15、构隧道的历史历史。广深港高铁狮子洋隧道广深港高铁狮子洋隧道：2006年年5月开工，开启月开工，开启了了我国在我国在土岩复合地层土岩复合地层修建修建大大直径直径盾构隧道的盾构隧道的历史历史。武汉三阳路长江隧道武汉三阳路长江隧道：2014年年12月开工，开启月开工，开启了了我国在我国在土岩复合地层土岩复合地层修修建建超大超大直径直径盾构隧道的盾构隧道的历史历史。一、概述一、概述14（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势2.由大直径向超大直径发展由大直径向超大直径发展已建的超大直径盾构隧道有：已建的超大直径盾构隧道有：（1）上海上中路隧道：隧道外径）上海
16、上中路隧道：隧道外径14.5m；（2）上海长江隧道：隧道外径上海长江隧道：隧道外径15.0m；（3）南京长江）南京长江隧道：隧道外径隧道：隧道外径14.5m；（4）杭州钱江隧道）杭州钱江隧道：隧道外径：隧道外径15.0m；（5）扬州瘦西湖隧道）扬州瘦西湖隧道：隧道外径：隧道外径14.5m。在在建的超大直径盾构隧道有：建的超大直径盾构隧道有：武汉三阳路长江隧道（武汉三阳路长江隧道（15.2m）、上海虹梅路隧道（）、上海虹梅路隧道（15.0m）、上海）、上海沿江快速路沿江快速路长江隧道（长江隧道（15.0m）、）、汕头苏汕头苏埃海底隧道（埃海底隧道（14.5m）、）、南京南京长江五桥长江五桥夹江隧
17、道（夹江隧道（15.0m）等）等。一、概述一、概述15（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势3.由中等水压向高水压和超高水压发展由中等水压向高水压和超高水压发展 武汉长江隧道之前，在上海黄浦江修建的大直径盾构最大水压力武汉长江隧道之前，在上海黄浦江修建的大直径盾构最大水压力不超过不超过45m。武汉长江隧道武汉长江隧道57m南京长江隧道南京长江隧道65m广深港高铁狮子洋隧道广深港高铁狮子洋隧道67m南京纬三路长江隧道南京纬三路长江隧道75m佛莞城际铁路狮子洋隧道佛莞城际铁路狮子洋隧道78m苏苏通通GIL特高压网长江隧道特高压网长江隧道80m广佛城际铁
18、路东环隧道广佛城际铁路东环隧道125m（非水（非水下）。下）。一、概述一、概述16（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势4.由一般地质地层向不良地质地层发展由一般地质地层向不良地质地层发展 （1）扬州瘦西湖隧道：穿越）扬州瘦西湖隧道：穿越Q3老粘土地层，具有老粘土地层，具有膨胀性膨胀性；（2）南京和燕路长江隧道（）南京和燕路长江隧道（14.5m）：穿越）：穿越岩溶地层和水下断层岩溶地层和水下断层；（3）苏通）苏通GIL特高压网长江隧道（特高压网长江隧道（11.6m）：穿越）：穿越沼气沼气地层；地层；（4）杭州望江路钱塘江隧道（）杭州望江路钱塘江隧道
19、（11.3m）：穿越）：穿越沼气沼气地层；地层；（5）武汉黄鹤楼隧道（）武汉黄鹤楼隧道（15.4m）：穿越）：穿越岩溶岩溶地层。地层。（6）穿越）穿越水下断层水下断层的隧道还有：广深港高铁狮子洋隧道、佛莞城际的隧道还有：广深港高铁狮子洋隧道、佛莞城际铁路狮子洋隧道、芜湖城南长江隧道等。铁路狮子洋隧道、芜湖城南长江隧道等。一、概述一、概述17（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势5.由中等烈度地震区向高烈度地震区发展由中等烈度地震区向高烈度地震区发展 汕头苏埃海底隧道、汕汕高铁汕头湾海底隧道、北京地下直径线、汕头苏埃海底隧道、汕汕高铁汕头湾海底隧道、
20、北京地下直径线、天津地下直径线、京张高铁清华园隧道等均位于天津地下直径线、京张高铁清华园隧道等均位于8度地震区。度地震区。一、概述一、概述18（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势6.由单模式盾构向双模式盾构发展由单模式盾构向双模式盾构发展 佛莞城际铁路狮子洋隧道：原设计采用土压佛莞城际铁路狮子洋隧道：原设计采用土压泥水双模式盾构，后施工泥水双模式盾构，后施工单位改为可常压换刀的复合式泥水平衡盾构单位改为可常压换刀的复合式泥水平衡盾构。广广佛城际东环隧道：佛城际东环隧道：2个区间采用了土压个区间采用了土压单护盾单护盾TBM双模式盾构。双模式盾构。一
21、、概述一、概述19（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势7.由单一工法向多工法组合发展由单一工法向多工法组合发展深茂铁路珠江深茂铁路珠江口隧道和口隧道和汕汕汕高汕高铁汕头湾海底隧铁汕头湾海底隧道道：采用钻爆法：采用钻爆法+盾构法盾构法一、概述一、概述20（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势（七）我国大直径盾构隧道技术发展历程与趋势8.由公路、地铁隧道向铁路隧道发展由公路、地铁隧道向铁路隧道发展已建和即将修建的大直径盾构法铁路隧道较多，代表性项目有：已建和即将修建的大直径盾构法铁路隧道较多，代表性项目有：（1）广深港高铁狮子洋隧道：隧道外径）广
22、深港高铁狮子洋隧道：隧道外径10.8m；（2）北京地下直径线隧道：）北京地下直径线隧道：隧道外径隧道外径11.6m；（3）天津地下）天津地下直径线隧道：隧道外径直径线隧道：隧道外径11.6m；（4）广深港高铁益田路隧道和深港隧道）广深港高铁益田路隧道和深港隧道：隧道外径：隧道外径12.8m；（5）佛莞城际铁路狮子洋隧道：）佛莞城际铁路狮子洋隧道：隧道外径隧道外径13.1m；（6）沪通铁路二期吴淞口长江隧道）沪通铁路二期吴淞口长江隧道：隧道外径：隧道外径10.3m，首座在软土，首座在软土地层修建的客货共线铁路隧道。地层修建的客货共线铁路隧道。一、概述一、概述21二二、水下隧道的特点及建设中、水下
23、隧道的特点及建设中存在的问题存在的问题2122二、水下隧道的特点及设计中存在的问题二、水下隧道的特点及设计中存在的问题（一）（一）水下隧道水下隧道的特点的特点水下隧道水下隧道与一般陆地隧道相比与一般陆地隧道相比，有，有其自身的显著特点：其自身的显著特点：（1）建设难度大，施工风险）建设难度大，施工风险高高施工不仅施工不仅要承受较大水土压力，而且受埋要承受较大水土压力，而且受埋深和地表水影响深和地表水影响，围岩稳，围岩稳定性一般较差，同时水域环境也限制了各种预处理措施的定性一般较差，同时水域环境也限制了各种预处理措施的实施。实施。（2）水域环境复杂，对设计方案与施工实施的制约因素）水域环境复杂，
24、对设计方案与施工实施的制约因素多多如如河流河流的水位、的水位、流速流速变化，通航要求，变化，通航要求，河道疏浚河道疏浚与与船舶抛锚船舶抛锚、防洪、防洪等，等，这些因素对隧道埋深和施工方案选择会产生很大影响与制约。这些因素对隧道埋深和施工方案选择会产生很大影响与制约。23二、水下隧道的特点二、水下隧道的特点及及建设建设中中存在的问题存在的问题（一）（一）水下隧道水下隧道的特点的特点（3）岸边段结构和工法类型复杂）岸边段结构和工法类型复杂受城市道路受城市道路、地面建筑、地面建筑等影响，等影响，需需采用合适的采用合适的施工方法和结构施工方法和结构类型。类型。（4）需）需慎重考虑慎重考虑隧道结构、防水
25、、隧道结构、防水、耐久性耐久性、防灾疏散、防灾疏散、运营维护等运营维护等关键技术的设计、施工及效果评估。关键技术的设计、施工及效果评估。（5）水下隧道）水下隧道一般较长，需考虑合理的施工一般较长，需考虑合理的施工组织及组织及施工装备施工装备因素。因素。（6）环境评价、风险评估等相关问题在水下隧道的建设中特别）环境评价、风险评估等相关问题在水下隧道的建设中特别突出突出 火灾火灾、爆炸、地震等灾害可能产生比陆地隧道严重得多的次生灾害，、爆炸、地震等灾害可能产生比陆地隧道严重得多的次生灾害，且灾后的修复难度更大且灾后的修复难度更大，需要，需要有更可靠的结构安全有更可靠的结构安全保障措施保障措施。24
26、二、水下隧道的特点二、水下隧道的特点及及建设建设中中存在的问题存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题水下隧道是集结构、岩土、环保、水下隧道是集结构、岩土、环保、工程材料、施工装备、施工技术、运工程材料、施工装备、施工技术、运营安全与防灾技术、运营维护技术于营安全与防灾技术、运营维护技术于一体的系统工程一体的系统工程，修建时间长，参与，修建时间长，参与部门和专业多。目前我国水下隧道设部门和专业多。目前我国水下隧道设计主要计主要存在以下问题存在以下问题：（1）传统的设计流程为单线条，）传统的设计流程为单线条，缺乏整体优化缺乏整体优化考量考量各各专业设计参数之间都存在
27、着千专业设计参数之间都存在着千丝万缕的联系丝万缕的联系，施工，施工装备与施工技装备与施工技术也是水下隧道技术的重要组成部术也是水下隧道技术的重要组成部分分，必须综合考量。，必须综合考量。25二、水下隧道的特点二、水下隧道的特点及及建设建设中中存在的问题存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题（2）某些）某些水下隧道结构安全性受到挑战，值得深思水下隧道结构安全性受到挑战，值得深思 盾构隧道出现管片衬砌盾构隧道出现管片衬砌环错台环错台、开裂、局部、开裂、局部渗漏水、混凝土渗漏水、混凝土腐腐蚀等蚀等病害病害现象；现象；一些一些沉管隧沉管隧道发生持续性沉降道发生持续性沉降
28、，导致结构开裂或接头变形超，导致结构开裂或接头变形超限；限；隧道还受到隧道还受到车辆车辆撞击、火灾、恐怖袭击的威胁。撞击、火灾、恐怖袭击的威胁。26二、水下隧道的特点二、水下隧道的特点及及建设建设中中存在的问题存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题（二）水下隧道设计中存在的问题（3）一些新问题所带来的新挑战，在设计时如何妥当处理值得深思）一些新问题所带来的新挑战，在设计时如何妥当处理值得深思 如高速列车如高速列车振动振动问题、问题、软弱地层中隧道沉降问题、隧道软弱地层中隧道沉降问题、隧道内的爆炸内的爆炸问题等。问题等。27二、水下隧道的特点二、水下隧道的特点及及建设建设中中存在的问题存在的问
29、题（三）水下隧道施工中存在的问题（三）水下隧道施工中存在的问题（1）盾构机适应性与设备性能配置，还需要进一步加强研究）盾构机适应性与设备性能配置，还需要进一步加强研究 因盾构机配置与性能不合理给施工带来困难的案例不少。因盾构机配置与性能不合理给施工带来困难的案例不少。（2）工期压力、质量意识等方面引起的施工质量问题时有存在）工期压力、质量意识等方面引起的施工质量问题时有存在 对影响运营安全的关键部位和工序，存在认识不清的现象。对影响运营安全的关键部位和工序，存在认识不清的现象。（3）全面优化施工组织，精细化施工，以技术换效益的认识不足）全面优化施工组织，精细化施工，以技术换效益的认识不足 对影
30、响施工成本的关键因素认识不到位，即使认识到了，改进措对影响施工成本的关键因素认识不到位，即使认识到了，改进措施也十分缺乏。施也十分缺乏。（4）对技术难题研究不深入，很多方面流于表面定性认识）对技术难题研究不深入，很多方面流于表面定性认识 以注浆为例，经常听到的是注浆后土体明显改善，但改善后的具以注浆为例，经常听到的是注浆后土体明显改善，但改善后的具体指标是多少，没有进一步的研究。体指标是多少，没有进一步的研究。28三三、水下隧道、水下隧道工程整体工程整体耦合设耦合设计计方法方法2829三三、水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法（一一）工程）工程整体耦合设计方法的概念整体耦
31、合设计方法的概念 所谓所谓工程整体耦合工程整体耦合，就是将工程的各专业、就是将工程的各专业、各系统、各阶段（施工各系统、各阶段（施工阶段和运营阶段）阶段和运营阶段）作为作为一个整体考虑对象一个整体考虑对象，并，并找寻其内在联系，使之找寻其内在联系，使之在整体上相互耦合，在整体上相互耦合，成成为一个有机联合体为一个有机联合体。水下隧道水下隧道工程整体耦合设计方法工程整体耦合设计方法，就是综合，就是综合考虑建设条件考虑建设条件、技术标、技术标准、使用准、使用功能、防灾功能、防灾救援、施工装备与施工技术救援、施工装备与施工技术、风险、风险等因素，初步确等因素，初步确定若干个可行的整体耦合设计方案，然
32、后采用合理的评价体系与定若干个可行的整体耦合设计方案，然后采用合理的评价体系与方法进方法进行行充分比选，提出推荐方案，再对推荐方案进行精细优化，形成实施方充分比选，提出推荐方案，再对推荐方案进行精细优化，形成实施方案，案，使工程在安全可靠性、经济合理性、技术先进性、环境协调性等方使工程在安全可靠性、经济合理性、技术先进性、环境协调性等方面综合最优。面综合最优。30三三、水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法（二）水下隧道（二）水下隧道整体耦合设计的目标与因素整体耦合设计的目标与因素 整体整体耦合设计的目标耦合设计的目标，也即优化，也即优化标准，标准，可以是造价最低、工期最可
33、以是造价最低、工期最短、风险最低、运营管理最方便短、风险最低、运营管理最方便等，等，或将多个准则进行或将多个准则进行综合。综合。Y为综合总目标函数，为综合总目标函数，X为影响因素变量集合，为影响因素变量集合，yi为各子目标函数，为各子目标函数，xj为各影响因素，为各影响因素，wi为权重为权重因子因子。31三三、水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法（三）水下隧道整体耦合设计的思路三）水下隧道整体耦合设计的思路 1）列出关键）列出关键参数或参数或控制变量控制变量xj，分析，分析其取值范围组成样品集其取值范围组成样品集X；2）列出）列出子目标子目标yi并综合成并综合成总总目标函
34、数目标函数Y，分析子目标，分析子目标yi与控制与控制变量变量xj关系以及控制变量关系以及控制变量xj之间的之间的制约制约关系关系；3）通过）通过一定的数学方法导出一定的数学方法导出控制变量控制变量xj对目标函数对目标函数Y的的影响度影响度，形成函数形成函数Y(X)；4）通过）通过优化分析寻求函数的优化分析寻求函数的最优解最优解，并确定各控制变量，并确定各控制变量xj的取的取值，完成整体耦合设计。值，完成整体耦合设计。32三三、水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法（四）（四）水下隧道整体耦合设计的数学方法水下隧道整体耦合设计的数学方法（1）层次分析法）层次分析法（2）模糊综
35、合评判法）模糊综合评判法（3）专家综合评估法）专家综合评估法（4）线性）线性或非线性规划或非线性规划（5）数值优化方法）数值优化方法33三三、水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法（五）整体耦合设计中若干关键问题五）整体耦合设计中若干关键问题（1）双管隧道合理净）双管隧道合理净距距（2）隧道施工对临近建（构）筑物的影响及合理净）隧道施工对临近建（构）筑物的影响及合理净距距（3）水下段合理埋置）水下段合理埋置深度深度（4）隧道横断面合理）隧道横断面合理布置布置（5）衬砌结构类型）衬砌结构类型选择选择（6）火灾规模与防火保护措施的合理）火灾规模与防火保护措施的合理选择选择（7）
36、水下隧道疏散救援方式）水下隧道疏散救援方式选择选择（8）水下隧道防灾设施与救灾）水下隧道防灾设施与救灾对策对策（9）水下隧道的）水下隧道的施工组织方案与装备施工组织方案与装备（10）其他其他34四四、水下隧道整体耦合设计、水下隧道整体耦合设计案例案例3435 2004年年11月开工的武汉长江隧道，是我国首座在上海地区之外修建的大月开工的武汉长江隧道，是我国首座在上海地区之外修建的大直径盾构隧道，开启了我国在复杂地层修建大直径直径盾构隧道，开启了我国在复杂地层修建大直径盾构隧道的盾构隧道的历史。历史。武汉武汉长江隧道长江隧道被被誉为誉为“万里长江第一隧万里长江第一隧”，全长，全长3630m，其中
37、盾构段长，其中盾构段长2540m，双向四车道，设计车速，双向四车道，设计车速60km/h。采用。采用两台两台11.37m复合式泥水平复合式泥水平衡盾构机施工，盾构隧道内径衡盾构机施工，盾构隧道内径10m，外径，外径11m。工程于。工程于1995年开始方案研究，年开始方案研究，2004年年11月开工建设，月开工建设，2008年年12月通车月通车。（一）盾构法水下隧道（一）盾构法水下隧道 1）工程概况四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例1.武汉长江隧道36（1）河势条件极其复杂河势条件极其复杂：年内最大水位差：年内最大水位差17m，河床冲淤变化，河床冲淤变化幅度达幅度达10m。
38、（2）地层条件十分复杂地层条件十分复杂：盾构穿越粉盾构穿越粉质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂地层质粘土、粉细砂、中粗砂、砾砂地层，在在江中局部地段切入砂岩，切入长度江中局部地段切入砂岩，切入长度250m，切入最大深度，切入最大深度2.5m，岩层最大抗，岩层最大抗压强度压强度24MPa，是国内大直径盾构首次穿越土岩复合地层，是国内大直径盾构首次穿越土岩复合地层。（3）水压）水压力高力高：承受：承受最大水压力最大水压力57m，是当时国内水压最高的隧道，是当时国内水压最高的隧道。2）特点与难点（一）盾构法水下隧道（一）盾构法水下隧道四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例1.武汉长江隧道
39、37（4）地层）地层渗透性强渗透性强：盾构段全断面位于粉细砂、中：盾构段全断面位于粉细砂、中粗砂中粗砂中的的长度长度1930m，是，是国内大直径盾构首次在强渗透地层施工。国内大直径盾构首次在强渗透地层施工。（5）盾构）盾构施工技术新施工技术新：是：是国内首次采用大直径复合式泥水平衡盾构施工。国内首次采用大直径复合式泥水平衡盾构施工。（6）掘进）掘进距离长距离长：盾构段长：盾构段长2540m，是当时国内一次掘进长度最长的隧道。，是当时国内一次掘进长度最长的隧道。（7）地面环境）地面环境复杂复杂：盾构施工影响范围内：盾构施工影响范围内5层以上建筑物有层以上建筑物有54栋，且穿越铁栋，且穿越铁路、多
40、条城市道路、长江防洪大路、多条城市道路、长江防洪大堤。堤。2）特点与难点（一）盾构法水下隧道（一）盾构法水下隧道四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例1.武汉长江隧道38四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（1）采取综合措施确保盾构下穿地面建筑物的安全）采取综合措施确保盾构下穿地面建筑物的安全采用采用气垫式泥水平衡盾构气垫式泥水平衡盾构技术技术：利用利用开挖仓后部的气垫仓内的开挖仓后部的气垫仓内的压缩空气对液面变化的高度敏感压缩空气对液面变化的高度敏感性，实现对开挖面压力的精确控性，实现对开挖面压力的
41、精确控制，泥水压力波动幅度可以控制制，泥水压力波动幅度可以控制在在0.1bar以内。通过对以内。通过对开挖面开挖面压力的精确控制是减少地面沉降压力的精确控制是减少地面沉降的关键措施之一。的关键措施之一。3）整体耦合设计思路39四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（1）采取综合措施确保盾构下穿地面建筑物的安全）采取综合措施确保盾构下穿地面建筑物的安全通过隧道平面位置的优化调整，最大限度避开保护性通过隧道平面位置的优化调整，最大限度避开保护性建筑建筑。采取加强基础、加固墙体方式采取加强基础、加固墙体方式保证盾构下穿文物建筑
42、的安全保证盾构下穿文物建筑的安全。省级省级文物建筑文物建筑鲁兹故居修鲁兹故居修建于建于1896年，盾构年，盾构下穿时的覆土下穿时的覆土厚度仅厚度仅6m，为保证下穿安全，需，为保证下穿安全，需要加强该建筑的整体性：采用筏要加强该建筑的整体性：采用筏板基础替代原有基础，并采用碳板基础替代原有基础，并采用碳纤维布对墙体进行加固。纤维布对墙体进行加固。3）整体耦合设计思路40四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（2）合理确定江中段隧道的埋置深度与纵断面线型合理确定江中段隧道的埋置深度与纵断面线型开展河床冲刷深度的研究与开展河床
43、冲刷深度的研究与试验试验 对对百年一遇、三百年一遇洪水条件下隧道的最大冲刷深度百年一遇、三百年一遇洪水条件下隧道的最大冲刷深度进行研究进行研究与与试验，包括试验，包括：河床演变分析、河工模型试验和冲刷数值模拟研究：河床演变分析、河工模型试验和冲刷数值模拟研究。为为安全起见，安全起见，采用不同研究成果的采用不同研究成果的下包络线作为冲刷深度控制线。下包络线作为冲刷深度控制线。3）整体耦合设计思路41四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（2）合理确定江中段隧道的埋置深度与纵断面线型合理确定江中段隧道的埋置深度与纵断面线型最
44、小覆土厚度按施工安全与运营安全双控制方法最小覆土厚度按施工安全与运营安全双控制方法确定确定 施工期施工期最小安全覆土厚度按现状河床下不小于最小安全覆土厚度按现状河床下不小于0.7D（D为隧道外为隧道外径）控制，运营期最小覆土厚度按抗浮稳定安全系数计算确定，即径）控制，运营期最小覆土厚度按抗浮稳定安全系数计算确定，即必须在发生最大冲刷后抗浮安全系数不小于必须在发生最大冲刷后抗浮安全系数不小于1.05。3）整体耦合设计思路42四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（2）合理确定江中段隧道的埋置深度与纵断面线型合理确定江中段隧
45、道的埋置深度与纵断面线型进行进行V型纵坡与型纵坡与W型纵坡方案的型纵坡方案的比较比较 为为减小盾构切入基岩的长度与深度减小盾构切入基岩的长度与深度，进行，进行了了V型坡型坡与与W型坡型坡方案方案的比较。由于河床冲刷可能存在两个深槽，即使采用的比较。由于河床冲刷可能存在两个深槽，即使采用W型纵坡，对型纵坡，对施工条件的改善也极为有限，但明显劣化了线型条件施工条件的改善也极为有限，但明显劣化了线型条件，因此，因此采用采用V型型纵坡方案。纵坡方案。3）整体耦合设计思路43四、水下隧道整体耦合设计四、水下隧道整体耦合设计案例案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（3）防灾疏散安全
46、、施工安全与结构运营安全整体耦合设计）防灾疏散安全、施工安全与结构运营安全整体耦合设计隧道横断面隧道横断面布置布置：分为三层：分为三层上层：为上层：为排烟道排烟道中间层：行车道中间层：行车道下层：管线廊道与疏散通道下层：管线廊道与疏散通道 3）整体耦合设计思路44四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（3）防灾疏散安全、施工安全与结构运营安全整体耦合设计）防灾疏散安全、施工安全与结构运营安全整体耦合设计采用动态定点半横向顶部排烟与下沉式纵向疏散相结合的防灾采用动态定点半横向顶部排烟与下沉式纵向疏散相结合的防灾技术技术 隧
47、道隧道处于城市中心区处于城市中心区，必须，必须考虑交通堵塞与火灾同时发生的极不考虑交通堵塞与火灾同时发生的极不利情况利情况。利用。利用“动态定点半横向顶部排烟动态定点半横向顶部排烟”系统和系统和“下沉式纵向疏散下沉式纵向疏散”系统相系统相结合的方式，妥善解决了施工风险、结构安全与运营疏散的矛结合的方式，妥善解决了施工风险、结构安全与运营疏散的矛盾，从而盾，从而取消了横通道取消了横通道，并能有效控制火灾烟雾蔓延范围，保证了火，并能有效控制火灾烟雾蔓延范围，保证了火灾情况下的疏散救援安全。灾情况下的疏散救援安全。3）整体耦合设计思路45四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一
48、）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 1.武汉长江隧道（4）防水与结构安全一体化设计）防水与结构安全一体化设计 盾构法盾构法隧道难以做到隧道难以做到“滴水不滴水不漏漏”。隧道。隧道处于高水压、强渗透处于高水压、强渗透粉细砂地层粉细砂地层，防水，防水性能与结构的性能与结构的稳定性息息相关稳定性息息相关。不同不同部位的防部位的防水密封垫失效将对结构稳定性产水密封垫失效将对结构稳定性产生不同的生不同的影响，影响，影响最大的是隧影响最大的是隧道底部与两侧。因此，提出道底部与两侧。因此，提出满足满足防水与结构安全一体化的防水与结构安全一体化的“管片管片衬砌衬砌+拱部非封闭内衬拱部非封闭内衬”新新结构。结构。
49、3）整体耦合设计思路46四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 2.南京长江隧道1）工程概况 南京南京长江隧道长江隧道是世界是世界上在强渗透高磨蚀地层中修建的直径最大、上在强渗透高磨蚀地层中修建的直径最大、水压最高、覆跨比最小的水下盾构隧道水压最高、覆跨比最小的水下盾构隧道，为双向六车道城市快速路隧，为双向六车道城市快速路隧道，设计车速道，设计车速80km/h。隧道建筑长度为。隧道建筑长度为3905m，其中盾构隧道段长，其中盾构隧道段长3022m。隧道。隧道外径外径14.5m。于。于2005年年8月月开工，开工，2010年年5月通车。月通
50、车。47四、水下隧道整体耦合设计案例四、水下隧道整体耦合设计案例（一一）盾构法水下隧道）盾构法水下隧道 2.南京长江隧道2）工程特点与难点 工程工程建设建设面临面临7大技术大技术难点：难点：超超大直径大直径（14.93m、当时世界第、当时世界第二）、二）、高水压高水压（0.65MPa）、）、地层强渗透性地层强渗透性（85%的地段穿越粉细砂、的地段穿越粉细砂、砾砂、卵石地层，最大渗透系数砾砂、卵石地层，最大渗透系数43.2m/d）、）、地层高磨蚀性地层高磨蚀性（最大石（最大石英含量英含量60%，卵石最大粒径约，卵石最大粒径约30cm，最大标贯击数，最大标贯击数50）、）、长距离掘长距离掘进进（一
