土压盾构技术在我国地铁隧道工程中的应用和发展

1.我国城市地铁工程的概况城市地铁工程是一种快捷、安全、大众化的交通形式。世界上先进国家中，城市人口达200万以上的城市都建有地铁，并成为主要的交通方式。我国上海、北京、广州已建成7条约120km长的地铁，正在各大城市建设的地铁工程10项，长约250km。地铁区间隧道工程的施工己经越来越多地采用先进、安全的盾构掘进。上海、广州、北京、深圳、南京、天津等地铁工程目前有50余台土压盾构用于区间隧道施工。其中，90%为Ø6.14~6.34m的土压盾构，上海地铁还引进5台Ø6.3m×W10.9m双圆型土压盾构正在进行双圆隧道掘进施工。土压盾构具有土层适应性广、机械化程度高、开挖面稳定、掘进速度快、作业安全等优点，在地铁隧道工程中有广泛的发展前途。2.土压盾构的机理和适用地层土压盾构依靠大刀盘旋转切削开挖面土体，土砂切削后进入刀盘后的密封土舱，通过土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部，如图l所示。通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量，并保持土舱压力，使之与开挖面土压力保持平衡。图1土压平衡原理图Fig.1Schematicofprincipleofearthpressurebalance土压盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层，可采用复合型的土压盾构。在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工时，应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫，以改良土砂的塑流性能[1]。1989年，上海地铁1号线开工建设全长14.57km。其中，17.37km上、下行区位隧道采用盾构法施工。该区浅层土为第四纪沉积层，隧道埋深6~15m，隧道穿越的地层为淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质夹粉砂土，其主要指标见表1.表1上海地铁隧道穿越地层土的主要指标Table1KeyparametersofsoilstratapassedthroughbyShanghaimetrotunnel路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 地铁隧道外径6.2m，环宽lm，管片厚0.35m，由6块管片拼装而成。隧道掘进施工选用对开挖面影响小、机械化程度高、掘进速度快的Ø6.34m土压盾构。经国际招标，7台Ø6.34m土压盾构由法国FCB公司、上海隧道工程股份有限公司、上海隧道工程设计院、上海沪东造船厂联合中标，利用法国混合贷款1.32亿法郎。第1台Ø6.34m土压盾构于1991年6月始发推进，如图2所示，其主要工作参数见表2。图2Ø6.34m土压平衡盾构Fig.2Ø6.34mEPBshieldmachine1993年2月上海地铁1号线全线贯通，掘进施工期仅20个月，每台盾构的月掘进长度达200~250m。盾构掘进施工推力为10000~12000kN，土压控制为0.16~2.0MPa，推进速度为10~30mm/min。掘进施工穿越市区建筑群、道路、地下管线等，地面沉降控制为-3~+1cm。1995年上海地铁2号线24.12km区间隧道开始掘进施工，地铁1号线工程所用的7台Ø6.34m土压盾构经维修以后，继续用于2号线区间隧道掘进。同时，又从法国FMT公司和上海的联合体购置2台土压盾构，上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构，共计10台土压盾构用于隧道施工。于2000年开工兴建的上海地铁4号线工程区间隧道仍使用这10台Ø6.34m土压盾构施工。2001年又向日本三菱重工购置4台Ø6.34m土压盾构，共计14台盾构掘进施工。2002~2003年，上海地铁8号线、6号线、9号线相继建设，由于1990年购置的7台土压盾构每台已经掘进9km以上，早已超过5km/台的设计使用寿命。2002年以来，又陆续采购10台Ø6.34m土压盾构，使上海地铁使用的盾构达到24台。表2Ø6.34m土压平衡盾构主要工作参数Table2KeyworkingparametersofØ6.34mEPBshieldmachine路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 4.南京地铁1号线区间隧道Ø6.34m土压盾构施工[2]南京地铁1号线全长22.72km。其中有10.9km区间隧道采用盾构法施工。隧道外径6.2m隧道覆土厚6~15m，隧道穿越的地层有粉质粘土、粉砂、粉土，含水量饱和，透水性强。南京地铁1号线三山街站—珠江路站隧道由上海隧道工程股份有限公司施工，其他2个标段分别由中铁隧道集团公司和上海机械化施工公司施工。3台Ø6.34m土压盾构分别从日本三菱和德国海瑞克公司引进。2001年7月，第1台盾构从三山街站始发推进，盾构的主要工作参数与上海土压盾构相近。其推力为10000~12000kN，推速度为200~250m/月。盾构穿越内秦淮河时，河底与隧道的最小覆土厚约为0.7m采取多种技术措施，土压力设定控制在0.05~0.13MPa，使盾构顺利穿越。5.北京地铁5号线砂性地层Ø6.19m盾构隧道试验段施工[3]北京地铁5号线北新桥站一雍和宫站隧道近688m作为盾构试验段工程，于2000年9月25日始发推进。隧道外径6.0m，由6块管片组成，环宽1.2m，管片厚0.3m隧道覆土厚12~18m，穿越地层为粉质粘土、细砂和砂卵石地层，地下水位10m，砂性土的含水量较小(18%~23%)，孔隙比小(0.6~0.7)，内摩擦角大(18°~37°)。地质纵剖面如图3所示。隧道施工选用德国海瑞克公司的Ø6.19m土压盾构，其主要工作参数见表3.图3北京地铁5号线地质纵剖面图Fig.3LongitudinalgeologicalsectionofLine5ofBeijingMetro表3Ø6.19m土压盾构工作参致Table3KeyworkingparametersofØ6.19mEBPshieldmachine路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 由于粘土含水少，粘结力大，易粘附于盾构刀盘，不易排土。因此，盾构在粉质粘土和粘质粉土地层中掘进时注入2%~4%泡沫，用于润滑刀盘和螺旋输送机。在砂砾和卵石地层中掘进施工，为减少对刀盘、刀具的磨损，提高砂砾、卵石塑流性和止水性，除添加3%~4%的泡沫剂外，还注入膨润土泥浆。盾构的正面土压控制左0.15~0.2MPa，盾尾注浆采用单液同步注浆，地面沉降控制在0.5~2.0cm。隧道掘进施工还配有SLS-T自动导向系统，具有盾构姿态测量和管片选型预测功能。6.广州地铁混合地层Ø6.14m复合型土压盾构掘进施工[4]广州地铁1号线始建于1995年，全长18.5km。其中，8.78km区间隧道采用2台泥水加压盾构和1台复合型土压盾构施工，盾构直径6.14~6.25m。广州地铁2号线始建于1999年，全长21.34m，其中10.64km区间隧道采用6台Ø6.I4m复合型土压盾构掘进施工。广州地铁隧道穿越的地层为粘土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂和风化岩，地质条件复杂，盾构穿越地层多为混合地层，其中风化岩有强风化、中风化和弱风化岩，强度差异大，强度为6~40MPa。广州地铁2号线海珠广场站一市二宫隧道的土质纵剖面如图4所示。表4为1号线所用的日本川崎重工制造的1台Ø6.14m土压盾构，2号线所用的上海隧道工程股份有限公司改造的2台Ø6.14m土压盾构和德国海瑞克公司制造的4台Ø6.25m土压盾构的主要工作参数。复合型土压盾构与一般土压盾构的主要区别在刀盘的刀具布置上，一般采用2种以上切削不同地层的刀具。其除配备用于切削软土的切割刀具外，还配置了能切削风化岩的盘式滚刀或先行刀，刀具的布置如图5所示。当盾构穿越风化岩地层时，可根据水文地质条件选择不同的掘进模式，如土压平衡(EPB),敞开式(open)和半敞开式((semi-open)，正确选择掘进模式可以提高掘进速度和降低成本。在EPB掘进模式中，遇砂性和风化岩地层时，注入泡沫剂或膨润土浆，具有改良切削土砂的塑流性、止水性，防止刀盘形成泥饼，减少刀盘扭矩和刀具磨损，提高掘进速度。广州地铁的掘进施工速度最高达400m/月。表4广州地铁友合型土压盾构主要工作参数裹Table4KeyworkingparametersforcomboEPBshieldmachineinGuanezhouMetro7.双圆盾构技术在上海地铁工程中的应用上海地铁8号线黄兴路一开鲁路2.6km区间隧道采用双圆盾构。上海隧道工程股份有限公司引进了2台Ø6.3m×W10.9m双圆盾构掘进机，于2003年8月始发推进，2003年12月底完成866m区间隧道掘进。Ø6.3m×W10.9m双圆盾构掘进机的刀盘为辐条式，开口率较大(80%以上)，如图6所示。主要工作参数见表5。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 图4海珠广场站一市二宫隧道的土质纵剖面Fig.4SoilprofileofthesectionfromHaizhuplazastationandShiergongstationinGuangzhoumetro图5Ø6.14m复合盾构Fig.5Ø6.14mcomboEPBshieldmachine路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 表5双圆盾构主要参数表Table5KeyparametersofDOTshieldmachine图6双圆盾构掘进机Fig.6DOTshieldmachine双圆盾构掘进机实际推力12000~17000kN，比单圆盾构仅大40%，土压力设定控制在0.18~0.24MPa，比单圆面板式土压盾构要大，大于理论计算的被动土压力((0.9yh)。盾尾同步注浆采用双液注浆，注浆部位为两圆相交的上下海鸥快砌的凹部，注浆充填率达到180%~200%，地面沉降控制在-3~1cm。双圆盾构技术在上海地铁取得成功，并且已在上海地铁6号线中得到进一步的应用。双圆盾构与单圆盾构隧道相比，具有对环境影响小、成本低等优点，尤其适用于狭窄道路和建筑密集区的地铁隧道工程，因而有广泛的应用前景。8.结语路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网 土压盾构具有土层适应范围广、掘进速度快、施工安全、工程质量好的优点，其施工成本已与矿山法接近，是适用于各类隧道工程的一种掘进机。我国各大城市地铁区间隧道工程普遍选用土压平衡盾构，并通过在各种不同地层中施工形成了成熟的工艺技术。不同地层条件必须选用不同的刀盘形式、刀具形式和刀具的合理布置形式，其动力配置和施工参数也必须适应土层条件。目前，我国地铁隧道工程所用的土压盾构，大部分是国外厂家制造的。盾构是一种集机、电、液、传感和计算机技术于一体的先进工程机构，我国已起步研制各类土压盾构，并在工程中得到应用，相信在今后的隧道工程中将越来越多地采用自行设计制造的土压盾构掘进机。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网