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

【摘 要】 文章介紹了我國隧道工程采用先進(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，開發(fā)了具有刀盤切削的密閉式的可平衡開挖面水土壓的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)用得最多的國家。
1 近年來，我國的城市地鐵隧道、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6．14～6．34m的土壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)區(qū)間隧道總長度達(dá)100km。土壓盾構(gòu)具有機(jī)械化程度高、開挖面穩(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)后部，見圖1歷示。通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度來調(diào)整切削土量和出土量并保持土艙壓力，使之與開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)以及刀盤上注入潤滑泥漿或泡沫，以改良ie的塑流性能。我國土壓盾構(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)φ4．33m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。開挖而上壓平衡，以減小對周圍十體的抗壓影響。芙蓉江路排水隧道掘進(jìn)長度1 450m，這是我國引進(jìn)的首六簡易式土壓盾構(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，研制了國內(nèi)首臺(tái)中4．3m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，見圖2。盾構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)見表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4．35m土壓平衡盾構(gòu)用于市南站過江電纜隧道。隧道總長度534m，在黃浦江底掘進(jìn)，隧道埋深
21～30m，穿越土層主要為砂質(zhì)粉土。隧道掘進(jìn)順利解決了高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)國際招標(biāo)，7臺(tái)中6．34m土壓盾構(gòu)由法國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)，利用法國混合貸款1．32億法郎。第1臺(tái)中6．34m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)總長度17．37km，見圖3所示，其主要技術(shù)性能見表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)長度達(dá)200～250m。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)—3～+1cm。φ6．34m土壓平衡盾構(gòu)
1995年上海地鐵二號(hào)線24．12km區(qū)間隧道開始掘進(jìn)施工，地鐵一號(hào)線工程所用的7臺(tái)中6．34m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FMT公司和上海的聯(lián)合體購置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),1>6．34m土6砰衡盾構(gòu)施工。2001年，向日本三菱重工購置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8．825km區(qū)間隧道采用3臺(tái)CD6．14m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2 970m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、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、刀盤扭矩大的問題，在刀盤上加裝了先行刀。2001年，廣州地鐵工程購置4臺(tái)φ6．14m德國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年引進(jìn)1進(jìn)1臺(tái)φ6．20m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)8m／d。
南京地鐵一號(hào)線約16km區(qū)間隧道全部采用φ6．34m土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工，分別從日本和德國引進(jìn)3臺(tái)。目前，由上海隧道工程公司承包釣魚臺(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φ6．14m 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年代開發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在20世紀(jì)90年代開發(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。
我國于1995年開始研究矩形隧道技術(shù)，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過街人行地道采用矩形頂管掘進(jìn)機(jī)施工，研制1臺(tái)3．8mx 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)見表3，矩形頂管掘進(jìn)機(jī)見圖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，上海隧道工程公司研究所也完成了對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2．6km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
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)，并通過在各種不同地層中施工形成了成熟的工藝技術(shù)。不同的地層條件必須選用不同的刀盤形式、刀具形式和刀具的合理布置，其動(dòng)力配置和施工參數(shù)也必須適應(yīng)上層條件。
目前我國地鐵隧道工程所用的土壓平衡盾構(gòu)，大部分是國外廠家制造的。盾構(gòu)是—種集機(jī)、電、液、傳感、計(jì)算機(jī)技術(shù)T--體的先進(jìn)的工程機(jī)構(gòu)，我國已起步研制各類土壓盾構(gòu)，并在工程中得到應(yīng)用，相信在今后的隧道工程中將越來越多地采用自行設(shè)計(jì)制造的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。