土壓盾構(gòu)技術(shù)在我國地鐵隧道工程中的應(yīng)用和發(fā)展

1、1.我國城市地鐵工程的概況城市地鐵工程是一種快捷、安全、大眾化的交通形式。世界上先進(jìn)國家中，城市人口達(dá)200萬以上的城市都建有地鐵，并成為主要的交通方式。我國上海、北京、廣州已建成7條約120 km長的地鐵，正在各大城市建設(shè)的地鐵工程10項，長約250 km。地鐵區(qū)間隧道工程的施工己經(jīng)越來越多地采用先進(jìn)、安全的盾構(gòu)掘進(jìn)。上海、廣州、北京、深圳、南京、天津等地鐵工程目前有50余臺土壓盾構(gòu)用于區(qū)間隧道施工。其中，90%為Ø6.146.34m的土壓盾構(gòu)，上海地鐵還引進(jìn)5臺Ø6.3m×W10.9m雙圓型土壓盾構(gòu)正在進(jìn)行雙圓隧道掘進(jìn)施工。土壓盾構(gòu)具有土層適應(yīng)性廣、機(jī)械化程度

2、高、開挖面穩(wěn)定、掘進(jìn)速度快、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道工程中有廣泛的發(fā)展前途。2.土壓盾構(gòu)的機(jī)理和適用地層土壓盾構(gòu)依靠大刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面土體，土砂切削后進(jìn)入刀盤后的密封土艙，通過土艙下部的螺旋輸送機(jī)把土砂送至盾構(gòu)機(jī)后部，如圖l所示。通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整切削土量和出土量，并保持土艙壓力，使之與開挖面土壓力保持平衡。圖1 土壓平衡原理圖Fig.1 Schematic of principle of earth pressure balance土壓盾構(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)合型的土壓盾構(gòu)。在砂性、砂礫、軟巖地層

3、采用土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工時，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，以改良土砂的塑流性能1。1989年，上海地鐵1號線開工建設(shè)全長14.57km。其中，17.37 km上、下行區(qū)位隧道采用盾構(gòu)法施工。該區(qū)淺層土為第四紀(jì)沉積層，隧道埋深615m，隧道穿越的地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)夾粉砂土，其主要指標(biāo)見表1.表1 上海地鐵隧道穿越地層土的主要指標(biāo)Table 1 Key parameters of soil strata passed through by Shanghai metro tunnel地鐵隧道外徑6.2 m，環(huán)寬lm，管片厚0.35 m，由6塊管片拼裝而成。隧道掘進(jìn)

4、施工選用對開挖面影響小、機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快的Ø6.34m土壓盾構(gòu)。經(jīng)國際招標(biāo)，7臺Ø6.34 m土壓盾構(gòu)由法國FCB公司、上海隧道工程股份有限公司、上海隧道工程設(shè)計院、上海滬東造船廠聯(lián)合中標(biāo)，利用法國混合貸款1.32億法郎。第1臺Ø6.34 m土壓盾構(gòu)于1991年6月始發(fā)推進(jìn)，如圖2所示，其主要工作參數(shù)見表2。圖2 Ø6.34 m土壓平衡盾構(gòu)Fig.2 Ø 6.34 m EPB shield machine1993年2月上海地鐵1號線全線貫通，掘進(jìn)施工期僅20個月，每臺盾構(gòu)的月掘進(jìn)長度達(dá)200250 m。盾構(gòu)掘進(jìn)施工推力為10 00012

5、 000 kN，土壓控制為0.162.0 MPa，推進(jìn)速度為1030mm/min。掘進(jìn)施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制為-3+1cm。1995年上海地鐵2號線24.12 km區(qū)間隧道開始掘進(jìn)施工，地鐵1號線工程所用的7臺Ø6.34m土壓盾構(gòu)經(jīng)維修以后，繼續(xù)用于2號線區(qū)間隧道掘進(jìn)。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4號線工程區(qū)間隧道仍使用這10臺Ø 6.34m土壓盾構(gòu)施工。2001年又向日本三菱重工購置4臺Ø 6.34m土壓

6、盾構(gòu)，共計14臺盾構(gòu)掘進(jìn)施工。20022003年，上海地鐵8號線、6號線、9號線相繼建設(shè)，由于1990年購置的7臺土壓盾構(gòu)每臺已經(jīng)掘進(jìn)9 km以上，早已超過5km/臺的設(shè)計使用壽命。2002年以來，又陸續(xù)采購10臺Ø 6.34 m土壓盾構(gòu)，使上海地鐵使用的盾構(gòu)達(dá)到24臺。表2 Ø6.34 m土壓平衡盾構(gòu)主要工作參數(shù)Table 2 Key working parameters of Ø6.34 m EPB shield machine4.南京地鐵1號線區(qū)間隧道Ø 6.34 m土壓盾構(gòu)施工2南京地鐵1號線全長22.72 km。其中有10.9 km區(qū)間隧道采用

7、盾構(gòu)法施工。隧道外徑6.2m隧道覆土厚6 15m，隧道穿越的地層有粉質(zhì)粘土、粉砂、粉土，含水量飽和，透水性強(qiáng)。南京地鐵1號線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個標(biāo)段分別由中鐵隧道集團(tuán)公司和上海機(jī)械化施工公司施工。3臺Ø 6.34 m土壓盾構(gòu)分別從日本三菱和德國海瑞克公司引進(jìn)。2001年7月，第1臺盾構(gòu)從三山街站始發(fā)推進(jìn)，盾構(gòu)的主要工作參數(shù)與上海土壓盾構(gòu)相近。其推力為10 00012 000 kN，推速度為200250 m/月。盾構(gòu)穿越內(nèi)秦淮河時，河底與隧道的最小覆土厚約為0.7m采取多種技術(shù)措施，土壓力設(shè)定控制在0.050.13 MPa，使盾構(gòu)順利穿越。5.北

8、京地鐵5號線砂性地層Ø6.19 m盾構(gòu)隧道試驗段施工3北京地鐵5號線北新橋站一雍和宮站隧道近688m作為盾構(gòu)試驗段工程，于2000年9月25日始發(fā)推進(jìn)。隧道外徑6.0 m，由6塊管片組成，環(huán)寬1.2 m，管片厚0.3 m隧道覆土厚1218 m，穿越地層為粉質(zhì)粘土、細(xì)砂和砂卵石地層，地下水位10m，砂性土的含水量較小(18%23%)，孔隙比小(0.60.7)，內(nèi)摩擦角大(18°37°)。地質(zhì)縱剖面如圖3所示。隧道施工選用德國海瑞克公司的Ø 6.19 m土壓盾構(gòu)，其主要工作參數(shù)見表3.圖3 北京地鐵5號線地質(zhì)縱剖面圖Fig.3 Longitudinal ge

9、ological section of Line 5 of Beijing Metro表3 Ø 6.19 m土壓盾構(gòu)工作參致Table 3 Key working parameters of Ø6.19 m EBP shield machine由于粘土含水少，粘結(jié)力大，易粘附于盾構(gòu)刀盤，不易排土。因此，盾構(gòu)在粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土地層中掘進(jìn)時注入2%4%泡沫，用于潤滑刀盤和螺旋輸送機(jī)。在砂礫和卵石地層中掘進(jìn)施工，為減少對刀盤、刀具的磨損，提高砂礫、卵石塑流性和止水性，除添加3%4%的泡沫劑外，還注入膨潤土泥漿。盾構(gòu)的正面土壓控制左0.150.2 MPa，盾尾注漿采用單液同步注漿

10、，地面沉降控制在0.5 2.0cm。隧道掘進(jìn)施工還配有SLS-T自動導(dǎo)向系統(tǒng)，具有盾構(gòu)姿態(tài)測量和管片選型預(yù)測功能。6.廣州地鐵混合地層Ø6.14 m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工4廣州地鐵1號線始建于1995年，全長18.5km。其中，8.78 km區(qū)間隧道采用2臺泥水加壓盾構(gòu)和1臺復(fù)合型土壓盾構(gòu)施工，盾構(gòu)直徑6.146.25m。廣州地鐵2號線始建于1999年，全長21.34m，其中10.64 km區(qū)間隧道采用6臺Ø 6.I4 m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工。廣州地鐵隧道穿越的地層為粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂和風(fēng)化巖，地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)穿越地層多為混合地層，其中風(fēng)化巖有強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化

11、和弱風(fēng)化巖，強(qiáng)度差異大，強(qiáng)度為640MPa。廣州地鐵2號線海珠廣場站一市二宮隧道的土質(zhì)縱剖面如圖4所示。表4為1號線所用的日本川崎重工制造的1臺Ø 6.14m土壓盾構(gòu)，2號線所用的上海隧道工程股份有限公司改造的2臺Ø 6.14m土壓盾構(gòu)和德國海瑞克公司制造的4臺Ø6.25m土壓盾構(gòu)的主要工作參數(shù)。復(fù)合型土壓盾構(gòu)與一般土壓盾構(gòu)的主要區(qū)別在刀盤的刀具布置上，一般采用2種以上切削不同地層的刀具。其除配備用于切削軟土的切割刀具外，還配置了能切削風(fēng)化巖的盤式滾刀或先行刀，刀具的布置如圖5所示。當(dāng)盾構(gòu)穿越風(fēng)化巖地層時，可根據(jù)水文地質(zhì)條件選擇不同的掘進(jìn)模式，如土壓平衡(EPB)

12、,敞開式(open)和半敞開式(semi-open)，正確選擇掘進(jìn)模式可以提高掘進(jìn)速度和降低成本。在EPB掘進(jìn)模式中，遇砂性和風(fēng)化巖地層時，注入泡沫劑或膨潤土漿，具有改良切削土砂的塑流性、止水性，防止刀盤形成泥餅，減少刀盤扭矩和刀具磨損，提高掘進(jìn)速度。廣州地鐵的掘進(jìn)施工速度最高達(dá)400m/月。表4 廣州地鐵友合型土壓盾構(gòu)主要工作參數(shù)裹Table 4 Key working parameters for combo EPB shieldmachine in Guanezhou Metro7.雙圓盾構(gòu)技術(shù)在上海地鐵工程中的應(yīng)用上海地鐵8號線黃興路一開魯路2.6km區(qū)間隧道采用雙圓盾構(gòu)。上海隧道工程

13、股份有限公司引進(jìn)了2臺Ø6.3 m×W10.9 m雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，于2003年8月始發(fā)推進(jìn)，2003年12月底完成866 m區(qū)間隧道掘進(jìn)。Ø 6.3 m×W 10.9 m雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的刀盤為輻條式，開口率較大(80%以上)，如圖6所示。主要工作參數(shù)見表5。圖4 海珠廣場站一市二宮隧道的土質(zhì)縱剖面Fig.4 Soil profile of the section from Haizhu plaza station and Shiergong station in Guangzhou metro圖5 Ø6.14 m復(fù)合盾構(gòu)Fig.5 Ø

14、 6.14 m combo EPB shield machine表5 雙圓盾構(gòu)主要參數(shù)表Table 5 Key parameters of DOT shield machine圖6 雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)Fig.6 DOT shield machine雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)實際推力12 00017 000kN，比單圓盾構(gòu)僅大40%，土壓力設(shè)定控制在0.180.24MPa，比單圓面板式土壓盾構(gòu)要大，大于理論計算的被動土壓力(0.9yh)。盾尾同步注漿采用雙液注漿，注漿部位為兩圓相交的上下海鷗快砌的凹部，注漿充填率達(dá)到180%200%，地面沉降控制在-31cm。雙圓盾構(gòu)技術(shù)在上海地鐵取得成功，并且已在上海地鐵6號線中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。雙圓盾構(gòu)與單圓盾構(gòu)隧道相比，具有對環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于狹窄道路和建筑密集區(qū)的地鐵隧道工程，因而有廣泛的應(yīng)用前景。8.結(jié)語土壓盾構(gòu)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