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简论软土盾构隧道的合理直径

已有 1621 次阅读 2020-12-14 18:09 |个人分类:学术评论|系统分类:科研笔记

   目前世界上盾构隧道直径的大致分布是:6米级(6.2-6.5),10米级(10-12),14米级(14-15),17米级(17-18),20米级,分别满足不同交通行车及其他功能要求,且基本呈3-4m等差数列(与车道宽度要求相适应)。一般6米级隧道为地铁隧道和人行通道(重载铁路隧道直径略大),由于地铁大规模建设的原因在全球应用范围最广。而10米级及以上隧道基本为公路或公铁合用隧道,其中10米级隧道一般为两车道公路隧道或双向地铁/铁路隧道;14米级隧道可为三车道高等级公路隧道或公铁合用隧道;17米级隧道可为四车道高等级公路隧道或公铁合用隧道。

近十年来,我国大直径盾构隧道发展迅猛,尤其是最近关于14米级及以上的超大直径盾构隧道的发展在工程界引起热议。笔者以为:从交通需求及功能上看,17米级隧道应为目前可以最大限度满足各种需求的最大直径的盾构隧道:其既可实现单向四车道高速公路行车安全要求,也可实现来回两车道双向行驶,还能实现公铁合用。当然,目前17米级盾构隧道仍处于世界盾构技术的高峰,其建造成本相对较高。至于20米级隧道应该没有迫在眉睫的需求,且其建造所用的盾构设备以及衬砌结构、材料等的技术挑战与风险显著增加,经济合理性也将存疑。从某个具体通道工程的技术、经济角度来看,10米以内的中小隧道仍具有其重要价值和应用前景,这是因为:10米级盾构隧道可以以成熟技术、较低的成本和风险进行建造,尚且可通过建造多条10米级盾构隧道的方式实现14米及以上超大直径盾构隧道的全部功能需求,而技术经济风险则要小得多。

以下根据作者10年前的一个研究成果,以一个简单图表来说明10米级以上的14米级与17米级隧道所遇到的极限设计挑战问题。在经济配筋率条件下,若以最大承载力为控制条件(图2),则14米级及以上隧道可能遇到承载力问题,导致含钢率的大幅增加。若以变形为控制条件(图1),则17米级及以上隧道还可能变形过大、进而影响接缝防水安全。尽管增加含钢率、材料强度和结构厚度等可以起到一定效果,但从其增加的综合造价、隧道施工及结构/防水风险综合来看,仍显得不偿失。因此,10米级隧道可能是一个重点优化的界限,可以通过技术经济比较来达到对通道工程的最优化设计,值得工程界思考。注:上述不适用于岩石隧道。

          

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1 檀成龙

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