大直径盾构隧道设计与施工技术

随着我国基础设施行业的蓬勃发展和基础项目规模的不断升级，大直径盾构施工技术在国内外过江、过河地下工程中被频繁应用。因此，系统地、全面地总结和归纳国内外大直径盾构隧道设计和施工关键技术，对指导后续大直径盾构项目的实施和促进国内大直径盾构领域进步具有突出意义。
中国建筑股份有限公司作为具有国际竞争力的投资建设集团，一直热衷并积极从事大直径盾构项目的投资建设。为此，由中国建筑股份有限公司科技部牵头，联合中国矿业大学（北京）教授团队，结合项目工程实际与需求，将理论分析与工程实践并举，对国内外大直径盾构隧道设计与施工技术进行整理和编写，以期为中国从事大直径盾构的设计和施工从业人员提供借鉴和参考。
本书编写组在对国内外大直径盾构的发展和经验进行深入总结的基础上，完成《大直径盾构隧道设计与施工技术》。本书阐述了大直径盾构选型技术，特别阐述了目前主流的复合式盾构尤其是双模式盾构的盾构选型； 从隧道防水的角度对大直径盾构的衬砌构造设计和防水设计进行剖析； 从大直径盾构的施工准备、始发与到达施工、不同模式掘进控制、特殊地段大直径盾构施工技术进行重点介绍； 对大直径盾构施工安全风险评估及大直径盾构施工实时信息管理进行阐述。
本书所述内容翔实，覆盖了盾构发展、设计、施工、管理等一系列内容，对国内外大直径盾构工程施工相关经验进行充分总结，旨在充分推动我国大直径盾构事业的蓬勃发展与行业技术水平的不断进步。
借本书出版之际，向为本书无私提供诸多大直径盾构工程案例资料的技术人员表示衷心的感谢，向为我国盾构事业飞跃式发展长期做出巨大贡献的广大从业者和企业致以诚挚的问候。
本书编委会
2020年7月

本专著针对于目前国内外大直径盾构隧道工程建设及研究中存在的不足，介绍大直径盾构的进展情况并对大直径盾构进行充分定义，重点对大直径盾构选型、大直径盾构隧道衬砌结构及防水设计、大直径盾构隧道施工关键技术、大直径盾构隧道信息化施工及安全管控等方面开展深入、系统研究，研究内容可为后期大直径盾构隧道工程设计及施工提供参考。

王春河：1972年生，男，博士，国家一级建造师，教授级高级工程师，博士生导师，现任中建山东投资有限公司副总经理兼总工程师、中建岩土专家、中国岩石力学与工程学会地下工程分会常务理事、北京市城市轨道交通专家、深圳市施工安全监督站施工安全专家、山东大学硕士研究生导师、中国矿业大学（北京）博士研究生导师，北京交通大学岩土工程博士后完成出站。主持完成盾构隧道、山岭隧道、深基坑等重大施工项目近30余项；主持重大科研项目15项；作为负责人获得10余项及省部级奖项、专利5项，发表学术专著2本、论文20余篇。

第1篇综合概述篇

第1章大直径盾构技术进展概况

1.1大直径盾构的定义

1.1.1纵向加固范围尺寸效应分析

1.1.2应力尺寸效应分析

1.2大直径盾构的发展历史、技术现状及发展方向

1.2.1大直径盾构技术的发展历史

1.2.2大直径盾构隧道的技术现状

1.2.3大直径盾构隧道的发展方向

1.3我国大直径盾构技术的发展现状及典型大直径盾构隧道工程概况

1.3.1我国大直径盾构技术的发展现状

1.3.2我国典型大直径盾构隧道工程概况

第2篇设备选型设计篇

第2章大直径盾构选型总体原则

2.1概述

2.2大直径盾构选型的原则及依据

2.2.1大直径盾构选型的原则

2.2.2大直径盾构选型的依据

2.3大直径盾构选型的步骤及方法

2.3.1大直径盾构选型的步骤

2.3.2大直径盾构选型的方法

2.4大直径盾构选型的特殊要求

2.5大直径盾构形式的选择

2.5.1泥水平衡盾构

2.5.2土压平衡盾构

2.5.3复合式盾构

第3章大直径盾构的专项选型设计技术

3.1概述

3.2螺旋输送机的选型设计技术

3.2.1螺旋输送机的作用

3.2.2螺旋输送机的类型

3.2.3螺旋输送机的防喷涌设计

3.2.4螺旋输送机的影响参数

3.2.5螺旋输送机相关参数的确定

3.3泥水处理系统的选型设计

3.3.1泥水处理系统的构成

3.3.2泥水处理系统的发展

3.3.3泥水处理系统的选择

3.4刀盘结构形式的选型设计

3.4.1盾构刀盘的主要功能

3.4.2刀盘类型的选择

3.4.3刀盘驱动方式的选择

3.4.4刀盘支承方式的选择

3.4.5刀具更换技术

3.5主轴承及密封的选型设计

3.5.1主轴承结构

3.5.2主轴承密封

3.5.3人闸

3.6土体改良系统的选型设计

3.6.1土体改良的目的及要求

3.6.2土体改良系统

3.6.3土体改良系统硬件的选型

3.7相关辅助设施的选型设计

3.7.1运输设备

3.7.2砂浆站

3.7.3通风设备

3.8主要性能参数的设计与计算

3.8.1盾构外径

3.8.2刀盘开挖直径

3.8.3盾壳长度

3.8.4盾构质量

3.8.5盾构推力

3.8.6刀盘转矩

3.8.7推进系统效率

3.9国内典型大直径盾构工程选型案例分析

3.9.1北京地铁14号线大直径土压平衡盾构

3.9.2天津地下直径线大直径泥水平衡盾构

3.9.3南京长江隧道大直径泥水平衡盾构

3.9.4武汉长江隧道大直径泥水平衡盾构

3.9.5广深港铁路狮子洋隧道大直径泥水平衡盾构

3.9.6杭州望江隧道大直径盾构泥水平衡盾构

第4章大直径复合式盾构选型概述 

4.1概述

4.1.1复合地层

4.1.2应对复合地层的传统方法

4.1.3大直径复合式盾构的技术现状

4.2大直径复合式盾构的特点

4.3大直径复合式盾构的施工技术要点

4.3.1施工总平面布置

4.3.2转换地点选择

4.3.3隧道内的超前地质调查

4.3.4隧道前方的超前地层加固

4.4盾构模式转化

4.4.1泥水转土压模式

4.4.2土压转泥水模式

4.5工程实例

4.5.1美国迈阿密港口隧道

4.5.2马来西亚吉隆坡KV地铁

第3篇结构及防水设计篇

第5章大直径盾构隧道衬砌构造及设计

5.1概述

5.2大直径盾构隧道衬砌的种类及功能

5.2.1一次衬砌的种类及使用状况

5.2.2二次衬砌的功能及使用状况

5.3大直径盾构隧道衬砌环的布置

5.4大直径盾构衬砌构造设计

5.4.1管片的分块方式

5.4.2管片的厚度设置

5.4.3管片的环宽设置

5.4.4管片的拼装方式

5.5大直径盾构衬砌接缝设计

5.5.1接缝形式

5.5.2接缝的连接方式

5.5.3榫槽的设置

5.5.4传力衬垫的设置

5.6大直径盾构衬砌结构设计

5.6.1结构计算方法的选取

5.6.2单元选择与材料特性

5.6.3模型建立

5.6.4结果分析

5.6.5大直径盾构开挖间隙的模拟

第6章大直径盾构隧道防水设计

6.1概述

6.2大直径盾构衬砌防水设计原则

6.3大直径盾构衬砌防水标准及要求

6.3.1防水等级与防水标准

6.3.2防水措施要求

6.4管片结构自防水设计

6.4.1防护等级

6.4.2混凝土抗渗等级

6.4.3材料

6.4.4抗渗试验与检验

6.4.5管片外防水涂层

6.4.6管片的制作精度要求

6.5衬砌结构接缝防水设计方案及优选

6.5.1接缝密封防水道数的设置

6.5.2接缝密封防水材料的选择

6.5.3接缝密封垫的防水要求

6.5.4接缝密封垫断面尺寸的必选

6.5.5接缝密封垫断面构造及形式

6.6火灾条件下衬砌结构接缝(接头)防水性能要求

6.6.1火灾条件下管片接头损伤试验研究

6.6.2火灾条件下防水橡胶条损伤试验研究

6.6.3火灾条件下管片衬砌结构防水性能损伤指标评价方法

6.6.4小结

6.7国内典型大直径盾构工程防水案例分析

6.7.1上海长江隧道管片接缝防水密封垫设计

6.7.2南京长江隧道工程接缝防水密封垫设计

6.7.3广深港狮子洋隧道工程防水管片设计

6.7.4南京地铁10号线长江隧道防水设计

6.7.5武汉地铁8号线越江盾构区间

第4篇施工篇

第7章大直径盾构隧道施工准备

7.1大直径泥水平衡盾构施工准备

7.1.1施工现场规划概述

7.1.2临时设施布置

7.1.3施工用电规划

7.2大直径土压平衡盾构施工准备

7.2.1施工现场规划概述

7.2.2临时设施布置

7.2.3施工用电规划

7.3大直径盾构施工通风要求

7.3.1通风量计算

7.3.2施工通风计算

7.3.3通风设备选型

7.4其他相关要求

7.4.1施工管理组织机构

7.4.2项目管理措施

7.4.3施工过程管理与责任

第8章大直径盾构始发与到达施工关键技术

8.1概述

8.2大直径盾构始发与到达端头加固范围的确定

8.2.1端头加固的目的与意义

8.2.2既有端头加固模型

8.2.3改进的端头加固方法

8.3大直径盾构始发与到达端头加固方法的选择

8.3.1基本概述

8.3.2旋喷注浆加固技术

8.3.3水平注浆加固技术

8.3.4地层冻结法

8.3.5钢套筒始发与接收

8.4大直径盾构始发与到达端头加固效果的检验

8.4.1端头加固效果检测的主要内容及评价指标

8.4.2端头加固效果检测的实施方法

8.4.3端头加固强度的检测

8.4.4端头加固渗透性检测

8.5大直径盾构始发与到达掘进控制技术

8.5.1大直径盾构始发掘进控制技术

8.5.2大直径盾构到达掘进控制技术

8.6国内典型工程案例分析

8.6.1广深港铁路狮子洋隧道盾构始发技术

8.6.2天津地下直径线工程盾构始发与到达技术

8.6.3北京地铁14号线大直径盾构始发与到达技术

8.6.4南京纬三路长江隧道大直径盾构始发技术

8.6.5杭州望江隧道大直径盾构始发与到达技术

第9章大直径土压平衡盾构掘进控制技术

9.1概述

9.2土压盾构关键参数的预测与设定

9.2.1土舱压力的确定

9.2.2出土量的控制

9.2.3同步注浆及二次补浆

9.3开挖面稳定与掘进控制技术

9.3.1开挖面稳定

9.3.2掘进控制

9.4螺旋输送机喷涌及防治技术

9.5土体改良技术

9.5.1渣土改良的目的

9.5.2改良的方法与添加剂

9.5.3渣土改良的主要技术措施

9.6同步注浆技术

9.7二次注浆

9.8姿态控制技术

9.8.1盾构掘进方向控制

9.8.2盾构掘进姿态调整与纠偏

9.9典型案例分析

9.9.1始发试掘进施工

9.9.2正常掘进施工

第10章大直径泥水平衡盾构掘进控制技术

10.1概述

10.2泥水盾构关键参数的分析与设定

10.2.1泥水压力分析及设定

10.2.2掘进速度分析及设定

10.2.3泥水处理指标分析及设定

10.2.4刀盘转矩分析及设定

10.3泥水盾构安全掘进和开挖面稳定控制技术

10.4泥水处理技术

10.4.1泥水处理系统的构成

10.4.2泥水分离系统

10.4.3压滤系统

10.4.4泥水处理系统模式的选择

10.4.5泥水处理系统选择的原则

10.4.6泥水处理系统选择的步骤和程序

10.4.7盾构推进中泥水处理系统出现的问题及措施

10.5同步注浆系统

10.5.1同步注浆压力控制范围影响因素

10.5.2同步注浆量控制范围

10.6姿态控制技术

10.6.1盾构掘进姿态的影响因素分析

10.6.2盾构姿态控制力学模型的建立

10.7典型案例分析

10.7.1盾构隧道施工总体方案

10.7.2盾构始发参数设定

10.7.3正常段掘进施工

10.7.4盾构施工测量与监测

10.7.5泥水处理及弃渣方案

第11章特殊地段大直径盾构施工技术

11.1概述

11.2不良地质的探测技术(超前地质预报技术)

11.2.1地质分析法

11.2.2超前钻探法

11.2.3地震波法超前地质预报

11.2.4电法超前地质预报

11.3富水高压地层大直径盾构刀具更换技术

11.3.1空气带压换刀技术

11.3.2常压换刀技术

11.3.3氦氧饱和带压换刀技术

11.4不良地质段大盾构施工控制技术

11.4.1盾构含沼气地层施工处理方案 

11.4.2抛石或其他孤立异常体处理措施 

11.5复合地层大直径盾构掘进控制技术

11.5.1复合地层盾构机选型与制造

11.5.2复合地层大直径盾构掘进技术

11.5.3典型上软下硬地层盾构施工案例分析

11.6大直径盾构孤石的探测及处理技术

11.6.1孤石区域地球物理特征

11.6.2孤石探测技术

11.6.3孤石处理技术

11.7大直径盾构小半径曲线段施工控制技术

11.7.1技术原理

11.7.2工艺流程

11.7.3施工控制技术

11.8大直径盾构穿越重大风险工程的施工控制技术

第5篇信息化及风险监控篇

第12章大直径盾构施工安全风险评估

12.1概述

12.2施工准备期风险评估

12.2.1大直径盾构区间隧道组段划分

12.2.2加固设计方案安全风险识别与分析

12.2.3盾构及其重要配套设备的适应性评估

12.3施工期风险评估

12.3.1盾构始发与到达施工评估

12.3.2施工现场监控、评估与预警

12.3.3周边环境监控、评估与预警

12.3.4换刀施工的监控、评估与预警

12.3.5盾构施工参数监控、评估与预警

12.3.6施工组织管理及作业状况监控、评估与预警

12.4应急处理措施

第13章大直径盾构施工实施信息管理系统

13.1概述

13.1.1系统数据需求分析

13.1.2业务需求分析

13.1.3性能需求分析

13.1.4界面需求分析

13.2盾构系统的研发与应用

13.2.1监控系统数据传输原理

13.2.2系统基本情况

13.2.3系统界面

参考文献

本专著针对于目前国内外大直径盾构隧道工程建设及研究中存在的不足，介绍大直径盾构的进展情况并对大直径盾构进行充分定义，重点对大直径盾构选型、大直径盾构隧道衬砌结构及防水设计、大直径盾构隧道施工关键技术、大直径盾构隧道信息化施工及安全管控等方面开展深入、系统研究，研究内容可为后期大直径盾构隧道工程设计及施工提供参考。

王春河：1972年生，男，博士，国家一级建造师，教授级高级工程师，博士生导师，现任中建山东投资有限公司副总经理兼总工程师、中建岩土专家、中国岩石力学与工程学会地下工程分会常务理事、北京市城市轨道交通专家、深圳市施工安全监督站施工安全专家、山东大学硕士研究生导师、中国矿业大学（北京）博士研究生导师，北京交通大学岩土工程博士后完成出站。主持完成盾构隧道、山岭隧道、深基坑等重大施工项目近30余项；主持重大科研项目15项；作为负责人获得10余项及省部级奖项、专利5项，发表学术专著2本、论文20余篇。