土壓盾構(gòu)掘進機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的上壓平衡盾構(gòu)掘進機的概況，重點介紹了各大城市地鐵隧道應(yīng)用土壓盾構(gòu)的實例。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)定的機理．用工程實例闡述盾構(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)隧道掘進機自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種新穎掘進機—泥水加壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，使盾構(gòu)掘進技術(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機施工，其中用得最多的是土壓平衡盾構(gòu)掘進機。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臺直徑6．14～6．34m的土壓平衡盾構(gòu)，掘進區(qū)間隧道總長度達100km。土壓盾構(gòu)具有機械化程度高、開挖面穩(wěn)定、掘進速度快、作業(yè)安全等優(yōu)點，在隧道工程中有廣泛的發(fā)展前景。土壓平衡盾構(gòu)掘進機的機理和適用地層
土壓平衡盾構(gòu)依靠大刀盤漩轉(zhuǎn)切削開挖面土體，土砂切削后進人刀盤后的密封土艙下部的螺旋輸送機把土砂送至盾構(gòu)機后部，見圖1歷示。通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度來調(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)掘進施工，應(yīng)在土艙、螺旋機內(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)的引進和消化吸收1985年，上海芙蓉江路排水隧道工程引進日本川崎重工制造的一臺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)螺旋輸送機運至土箱。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長度1 450m，這是我國引進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)機理和設(shè)計制造技術(shù)的基硎止，研制了國內(nèi)首臺中4．3m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進機，見圖2。盾構(gòu)的主要技術(shù)指標見表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，隧道埋深
21～30m，穿越土層主要為砂質(zhì)粉土。隧道掘進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期丁程等多項工程，掘進總長度達4km。
1990年以后，上海隧道工程公司又自行陸續(xù)設(shè)計制造了10余臺中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)掘進施工
1990年，上海地鐵一號線開千建設(shè)，雙線區(qū)間隧道選用土壓平衡盾構(gòu)掘進，經(jīng)國際招標，7臺中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)計院、上海滬東造船廠聯(lián)合體中標，利用法國混合貸款1．32億法郎。第1臺中6．34m土壓盾構(gòu)于1991年6月始發(fā)推進，7臺盾構(gòu)掘進總長度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，掘進施工期僅20個月，每臺盾構(gòu)的月掘進長度達200～250m。掘進施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制達—3～+1cm。φ6．34m土壓平衡盾構(gòu)
1995年上海地鐵二號線24．12km區(qū)間隧道開始掘進施工，地鐵一號線工程所用的7臺中6．34m土壓盾構(gòu)經(jīng)維修以后，繼續(xù)用于二號線區(qū)間隧道掘進，同時又從法國FMT公司和上海的聯(lián)合體購置2臺土壓盾構(gòu)，上海隧道工程股份有限公司制造1臺土壓盾構(gòu)，共計10臺土壓盾構(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,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 6．34m土壓平衡盾構(gòu)，共計14臺酮正在掘進施工。
3．2 廣州地鐵工程06．14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進施工
1996年，廣州地鐵一號線工程中有8．825km區(qū)間隧道采用3臺CD6．14m盾陶掘進施工，其中1臺為復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)，2臺為泥水加壓盾構(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，廣州地鐵二號線工程海珠廣場站至江南新村站3 423m園司隧道選用2臺由上海隧道工程公司改制的qb6．14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進施工。盾構(gòu)從珠江底穿越，埋深16-28m，掘進地層為含水豐富的弱風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖。為解決因刀盤面板的粘結(jié)引起的進土不暢、推進速度慢、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φ6．14m德國海瑞克公司制造的復(fù)合型土壓盾構(gòu)，掘進速度8m/d，最快達20m／d。
3．3 其他城市地鐵的土壓盾構(gòu)應(yīng)用情況
北京地鐵五號線于2001年引進1進1臺φ6．20m的海瑞克公司制造的土壓盾構(gòu)，用于試驗段工程，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，掘進速度已達8m／d。
南京地鐵一號線約16km區(qū)間隧道全部采用φ6．34m土壓盾構(gòu)掘進施工，分別從日本和德國引進3臺。目前，由上海隧道工程公司承包釣魚臺--三山街站區(qū)間隧道已完成上行線。
深圳地鐵一號線益田--香密湖、羅湖—國貿(mào)2條區(qū)間隧道采用3臺從日本三菱重和小松建機引進的φ6．14m 復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進施工。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)掘進機的研究和應(yīng)用
4．1矩形土壓盾構(gòu)研制和應(yīng)用
常用的盾構(gòu)隧道掘進機為圓形，主要是圓形結(jié)構(gòu)受力合理，圓形掘進機施工摩阻力小，即使機頭旋轉(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80年代開發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在20世紀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2．5mx2．5m司變網(wǎng)格矩形頂管掘進機，頂進矩形隧道60m，解決了推進軸線控制、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，上海地鐵二號線陸家嘴路站62m過街人行地道采用矩形頂管掘進機施工，研制1臺3．8mx 3．8m組合 刀盤矩形頂管掘進機，具有全斷面切削和土壓平衡功能，螺旋輸送機出土，掘進機的主要工作參數(shù)見表3，矩形頂管掘進機見圖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。并進行了霜圓隧道結(jié)構(gòu)的縮尺模擬荷載試驗。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)掘進施工，由上海隧道工程公司中標承建，將引進日本的DOT雙圓盾構(gòu)，于2002年底始發(fā)推進。
5結(jié)束語
土壓平衡盾構(gòu)掘進隧道具有土層適應(yīng)范圍廣、掘進速度快、施工安全、工程質(zhì)量好的優(yōu)點，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機。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、電、液、傳感、計算機技術(shù)T--體的先進的工程機構(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)計制造的土壓平衡盾構(gòu)掘進機。
