土壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)隧道工程中應(yīng)用和發(fā)展

1、土壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)隧道工程中的應(yīng)用和發(fā)展【摘 要】 文章介紹了我國(guó)隧道工程采用先進(jìn)的上壓平 衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的概況，重點(diǎn)介紹了各大城市地鐵隧道 應(yīng)用 土壓盾構(gòu)的實(shí)例。 分析 了在不同地層條件下土壓盾構(gòu)切削 土砂及開(kāi)挖面穩(wěn)定的機(jī)理用工程實(shí)例闡述盾構(gòu)施工參數(shù)的 匹配和控制的重要性。 【關(guān)鍵詞】 隧道工程 盾構(gòu)法施工 土 壓平衡控制 0 引言世界盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)自 1970 年以來(lái)，開(kāi)發(fā)了具有刀盤 切削的密閉式的可平衡開(kāi)挖面水土壓的 2 種新穎掘進(jìn)機(jī) 泥 水加壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，使盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)發(fā)生了一 次新的飛躍。 1975 年，日本隧道業(yè)興起了泥水加壓盾構(gòu)熱， 1978 年起，土壓盾構(gòu)的應(yīng)用也得

2、到廣泛的 發(fā)展 。日本成為 泥水加壓和泥土加壓盾構(gòu)應(yīng)用得最多的國(guó)家。1 近年來(lái)，我國(guó)的城市地鐵隧道、市政隧道、水電隧道、 公路 交通 隧道已經(jīng)越來(lái)越多地采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施 工，其中用得最多的是土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。上海、廣州、深圳、南京、北京的地鐵區(qū)間隧道已經(jīng)采用了 31 臺(tái)直徑6 . 146 . 34m的土壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)區(qū)間隧道總長(zhǎng)度達(dá)100km 。土壓盾構(gòu)具有機(jī)械化程度高、開(kāi)挖面穩(wěn)定、掘進(jìn)速 度快、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，在隧道工程中有廣泛的發(fā)展前景。土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)理和適用地層土壓平衡盾構(gòu)依靠大刀盤漩轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖面土體， 土砂切 削后進(jìn)人刀盤后的密封土艙下部的螺旋輸送機(jī)把土砂送至盾 構(gòu)機(jī)

3、后部，見(jiàn)圖 1 歷示。通過(guò)調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度來(lái)調(diào) 整切削土量和出土量并保持土艙壓力，使之與開(kāi)挖面水土壓 力保持平衡。圖 1 土壓平衡原理圖土壓平衡盾構(gòu)適用于各種粘性地層、 砂性地層、 砂礫土 層。對(duì)于風(fēng)化巖地層、軟土與軟巖的混合地層，可采用復(fù)合 型的土壓平衡盾構(gòu)。在砂性、砂礫、軟巖地層采用土壓盾構(gòu) 掘進(jìn)施工，應(yīng)在土艙、螺旋機(jī)內(nèi)以及刀盤上注入潤(rùn)滑泥漿或 泡沫，以改良 ie 的塑流性能。我國(guó)土壓盾構(gòu)的引進(jìn)和消化吸 收 1985 年，上海芙蓉江路排水隧道工程引進(jìn)日本川崎重工制造的一臺(tái)$ 4. 33m小刀盤土壓盾構(gòu)構(gòu)前端設(shè)有3只小刀盤切削丌挖面十體，切削土砂經(jīng)螺旋輸送機(jī)運(yùn)至土箱。開(kāi)挖而 上壓平衡，

4、 以減小對(duì) 周圍十體的抗壓 影響 。芙蓉江路排水 隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度 1 450m ，這是我國(guó)引進(jìn)的首六簡(jiǎn)易式土壓盾構(gòu) 用于 隧道工程， 其施下性能和掘進(jìn)速度均優(yōu)丁以往的網(wǎng)格擠 壓型盾構(gòu)。1987 年，上海隧道工程公司在消化吸收國(guó)外土壓平衡 盾構(gòu)機(jī)理和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基硎止，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)中43m 加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，見(jiàn)圖2。盾構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1 。圖 2 0435m 加泥式土壓平衡盾構(gòu)表 1 巾 4 35m 土壓平衡盾構(gòu)主要工作參數(shù)中 435m 土壓平衡盾構(gòu)用于市南站過(guò)江電纜隧道。 隧 道總長(zhǎng)度 534m ，在黃浦江底掘進(jìn)，隧道埋深2130m，穿越土層主要為砂質(zhì)粉土。隧道掘進(jìn)順利解決了高

5、水壓情況下的密封和砂性土的加泥塑流技術(shù)難題，該臺(tái)盾構(gòu)還用于福州路過(guò)江電纜隧道、上海污 水治理 1 期丁程等多項(xiàng)工程，掘進(jìn)總長(zhǎng)度達(dá) 4km 。1990 年以后，上海隧道工程公司又自行陸續(xù)設(shè)計(jì)制造 了 10余臺(tái)中3. 8中6 . 34m 土壓平衡盾構(gòu)，用 于取排水 隧道和地鐵隧道丁程。 1993 年制造 1 臺(tái)中 6 34m 土壓盾構(gòu)， 用于南京市夾江排水隧道工程， 穿越粉砂地層，掘進(jìn)長(zhǎng)度 1 294m 。3 土壓平衡盾構(gòu)在地鐵隧道工程中的應(yīng)用3 1 上海地鐵工程 06 34m 土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工1990 年，上海地鐵一號(hào)線開(kāi)千建設(shè)，雙線區(qū)間隧道選 用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，經(jīng)國(guó)際招標(biāo)， 7 臺(tái)中 634

6、m 土壓盾 構(gòu)由法國(guó) FCB 公司、 卜海市隧道工程公司、上海市隧道工 程設(shè)計(jì)院、 上海滬東造船廠聯(lián)合體中 標(biāo)，利用法國(guó)混合貸款 132 億法郎。第 1 臺(tái)中 634m 土壓盾構(gòu)于 1991 年 6 月 始發(fā)推進(jìn)， 7 臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn) 總長(zhǎng)度 1737km ，見(jiàn)圖 3 所示， 其主要技術(shù)性能見(jiàn)表 1 。表 2 06 34m 土壓平衡盾構(gòu)主要工作參數(shù)1993 年 2 月全線貫通，掘進(jìn)施工期僅 20 個(gè)月，每臺(tái)盾構(gòu)的月掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá) 200250m。掘進(jìn)施工穿越市區(qū)建筑群、 道路、地下管線等，地面沉降控制達(dá)一3+1cm。$ 6. 34m土壓平衡盾構(gòu)1995 年上海地鐵二號(hào)線 24 12km 區(qū)間隧道開(kāi)始掘

7、進(jìn) 施工，地鐵一號(hào)線工程所用的 7 臺(tái)中 634m 土壓盾構(gòu)經(jīng)維 修以后，繼續(xù)用于二號(hào)線區(qū)間隧道掘進(jìn)，同時(shí)又從法國(guó) FMT 公司和上海的聯(lián)合體購(gòu)置 2 臺(tái)土壓盾構(gòu)，上海隧道工程股份 有限公司制造 1 臺(tái)土壓盾構(gòu)， 共計(jì) 10 臺(tái)土壓盾構(gòu)用于隧道施 工。于 2000 年開(kāi)工興建的上海地鐵明珠線二期工程區(qū) I 瞄 道仍將使用這10臺(tái),16. 34m 土 6砰衡盾構(gòu)施工。2001年， 向日本三菱重工購(gòu)置 4 臺(tái) 6 34m 土壓平衡盾構(gòu)，共計(jì) 14 臺(tái)酮正在掘進(jìn)施工。3 2 廣州地鐵工程 06 14m 復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工1996 年，廣州地鐵一號(hào)線工程中有8825km 區(qū)間隧道采用 3 臺(tái) CD

8、6 14m 盾陶掘進(jìn)施工， 其中 1 臺(tái)為復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)， 2 臺(tái)為泥水加壓盾構(gòu)，均為日本川崎重工制造， 由青木建設(shè)承包施工。烈士陵園站 農(nóng)講所 tr- 公園前站 2970m 區(qū)間隧道采用復(fù)合型土壓盾構(gòu)，其刀盤上設(shè)置了兩種 刀具，切削粘土的割刀和切削風(fēng)化巖石的盤形滾刀。刀盤邊 緣還將有 10cm 的迢挖刀。盾構(gòu)為鉸接型，由前后兩節(jié)組成， 機(jī)身長(zhǎng) 7 8m ，便于轉(zhuǎn)彎糾偏，左右可糾轉(zhuǎn)1 5 度，上下可糾轉(zhuǎn) 0 5 度。盾構(gòu)最大推力為 32 340kN ，刀盤扭矩 3430kN·m 。廣州地鐵首次采用盾構(gòu)施工，也是我國(guó)在 風(fēng)化巖地層中首次使用盾構(gòu)，隧道的掘進(jìn)速度、工程質(zhì)量、

9、施工安全均優(yōu)于采用鉆爆礦山法施工的地鐵隧道。2000 年，廣州地鐵二號(hào)線工程海珠廣場(chǎng)站至江南新村 站 3 423m 園司隧道選用 2 臺(tái)由上海隧道工程公司改制的 qb6 14m 復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工。盾構(gòu)從珠江底穿越， 埋深 16-28m ，掘進(jìn)地層為含水豐富的弱風(fēng)化巖、 強(qiáng)風(fēng)化巖和 中風(fēng)化巖。為解決因刀盤面板的粘結(jié)引起的進(jìn)土不暢、推進(jìn) 速度慢、刀盤扭矩大的 問(wèn)題 ，在刀盤上加裝了先行刀。 2001 年，廣州地鐵工程購(gòu)置 4臺(tái)$ 6. 14m德國(guó)海瑞克公司制造 的復(fù)合型土壓盾構(gòu)，掘進(jìn)速度 8m/d ，最快達(dá) 20m d。3. 3 其他城市地鐵的土壓盾構(gòu) 應(yīng)用 情況北京地鐵五號(hào)線于 2001年

10、引進(jìn)1進(jìn)1臺(tái)$ 6.20m的海瑞克公司制造的土壓盾構(gòu)，用于試驗(yàn)段工程，其穿越土層 為粘土、砂土、含礫砂土。為解決土砂的塑流，在土艙內(nèi)添 加泡沫劑，掘進(jìn)速度已達(dá) 8md。南京地鐵一號(hào)線約 16km 區(qū)間隧道全部采用 $ 634m 土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，分別從日本和德國(guó)引進(jìn) 3 臺(tái)。 目前 ， 由上海隧道工程公司承包釣魚(yú)臺(tái)-三山街站區(qū)間隧道已完成上行線。深圳地鐵一號(hào)線益田 -香密湖、羅湖 國(guó)貿(mào) 2 條區(qū)間隧 道采用 3 臺(tái)從日本三菱重和小松建機(jī)引進(jìn)的 $ 614m 復(fù)合 型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工。益田站 -香密湖站區(qū)間隧道所處的地 層為全風(fēng)化 微風(fēng)化的燕山期花崗和礫盾粘性土。盾構(gòu)刀盤 上裝有切削刀、先行刀和

11、盤式滾刀三種刀具。4 異形土壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 研究 和應(yīng)用4 1 矩形土壓盾構(gòu)研制和應(yīng)用常用的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)為圓形， 主要是圓形結(jié)構(gòu)受力合 理，圓形掘進(jìn)機(jī)施工摩阻力小，即使機(jī)頭旋轉(zhuǎn)也 影響 小。 但是圓形隧道往往斷面空間利用率低，尤其在人行地道和在 行隧道工程中，矩形、橢圓形、馬蹄形、雙圓形和多圓形斷 面更為合理。日本 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用了任意截面盾構(gòu)和多圓盾構(gòu)，并完 成了多項(xiàng)人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水 隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構(gòu)技術(shù)日益成熟，異形 斷面隧道工程日益增多。我國(guó)于 1995 年開(kāi)始研究矩形隧道技術(shù)，

12、 1996 年研制 l 臺(tái) 2 5mx2 5m 司變網(wǎng)格矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)矩形隧道 60m ，解決了推進(jìn)軸線控制、糾偏技術(shù)、深降控制、隧道結(jié) 構(gòu)等技術(shù)難題。 1999 年 5 月，上海地鐵二號(hào)線陸家嘴路站 62m 過(guò)街人行地道采用矩形頂管掘進(jìn)機(jī)施工，研制 1 臺(tái) 38mx 3 8m 組合 刀盤矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，具有全斷面切削 和土壓平衡功能，螺旋輸送機(jī)出土，掘進(jìn)機(jī)的主要工作參數(shù) 見(jiàn)表 3，矩形頂管掘進(jìn)機(jī)見(jiàn)圖 4。4 2 雙圓形土壓盾構(gòu)的研究和工程應(yīng)用日本已開(kāi)發(fā)了雙圓形、 三圓形、 多圓形盾構(gòu)并用于地鐵 和其他隧道工程。近年來(lái)，上海隧道工程公司研究所也完成 了對(duì)雙圓隧道的可行性研究。并進(jìn)行了霜圓隧道結(jié)構(gòu)的縮尺模擬荷載試驗(yàn)。 2002 年，上海地鐵 M8 線 2 區(qū)間隧道 26km 將采用 DOT 雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)施工， 由上海隧道工程公司中標(biāo)承 建，將引進(jìn)日本的 DOT 雙圓盾構(gòu)，于 2002 年底始發(fā)推進(jìn)。5 結(jié)束語(yǔ)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)隧道具有土層適應(yīng)范圍廣、 掘進(jìn)速度 快、施工安全、工程質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，其施工成本已與礦山法 接近，是適用于各類隧道工程的一種掘進(jìn)機(jī)。我國(guó)各大城市 地鐵區(qū)間隧道工程普遍選用土壓平衡盾構(gòu)，并通過(guò)在各種不 同地層中施