土壓盾構技術在我國地鐵隧道工程中的應用和發(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。世界上先進國家中，城市人口達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越來越多地采用先進、安全的盾構掘進。上海、廣州、北京、深圳、南京、天津等地鐵工程目前有50余臺土壓盾構用于區(qū)間隧道施工。其中，90%為Ø6.146.34m的土壓盾構，上海地鐵還引進5臺Ø6.3m×W10.9m雙圓型土壓盾構正在進行雙圓隧道掘進施工。土壓盾構具有土層適應性廣、機械化程度

2、高、開挖面穩(wěn)定、掘進速度快、作業(yè)安全等優(yōu)點，在地鐵隧道工程中有廣泛的發(fā)展前途。2.土壓盾構的機理和適用地層土壓盾構依靠大刀盤旋轉切削開挖面土體，土砂切削后進入刀盤后的密封土艙，通過土艙下部的螺旋輸送機把土砂送至盾構機后部，如圖l所示。通過調整刀盤轉速、推進速度、螺旋機轉速來調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土壓盾構適用于各種粘性地層、砂性地層、砂礫土層。對于風化巖地層、軟土與軟巖的混合地層，可采用復合型的土壓盾構。在砂性、砂礫、軟巖地層

3、采用土壓盾構掘進施工時，應在土艙、螺旋機內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號線開工建設全長14.57km。其中，17.37 km上、下行區(qū)位隧道采用盾構法施工。該區(qū)淺層土為第四紀沉積層，隧道埋深615m，隧道穿越的地層為淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土、淤泥質夾粉砂土，其主要指標見表1.表1 上海地鐵隧道穿越地層土的主要指標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

4、施工選用對開挖面影響小、機械化程度高、掘進速度快的Ø6.34m土壓盾構。經國際招標，7臺Ø6.34 m土壓盾構由法國FCB公司、上海隧道工程股份有限公司、上海隧道工程設計院、上海滬東造船廠聯(lián)合中標，利用法國混合貸款1.32億法郎。第1臺Ø6.34 m土壓盾構于1991年6月始發(fā)推進，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，掘進施工期僅20個月，每臺盾構的月掘進長度達200250 m。盾構掘進施工推力為10 00012

5、 000 kN，土壓控制為0.162.0 MPa，推進速度為1030mm/min。掘進施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制為-3+1cm。1995年上海地鐵2號線24.12 km區(qū)間隧道開始掘進施工，地鐵1號線工程所用的7臺Ø6.34m土壓盾構經維修以后，繼續(xù)用于2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，上海隧道工程股份有限公司制造1臺土壓盾構，共計10臺土壓盾構用于隧道施工。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土壓盾構施工。2001年又向日本三菱重工購置4臺Ø 6.34m土壓

6、盾構，共計14臺盾構掘進施工。20022003年，上海地鐵8號線、6號線、9號線相繼建設，由于1990年購置的7臺土壓盾構每臺已經掘進9 km以上，早已超過5km/臺的設計使用壽命。2002年以來，又陸續(xù)采購10臺Ø 6.34 m土壓盾構，使上海地鐵使用的盾構達到24臺。表2 Ø6.34 m土壓平衡盾構主要工作參數(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粘土、粉砂、粉土，含水量飽和，透水性強。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個標段分別由中鐵隧道集團公司和上海機械化施工公司施工。3臺Ø 6.34 m土壓盾構分別從日本三菱和德國海瑞克公司引進。2001年7月，第1臺盾構從三山街站始發(fā)推進，盾構的主要工作參數(shù)與上海土壓盾構相近。其推力為10 00012 000 kN，推速度為200250 m/月。盾構穿越內秦淮河時，河底與隧道的最小覆土厚約為0.7m采取多種技術措施，土壓力設定控制在0.050.13 MPa，使盾構順利穿越。5.北

8、京地鐵5號線砂性地層Ø6.19 m盾構隧道試驗段施工3北京地鐵5號線北新橋站一雍和宮站隧道近688m作為盾構試驗段工程，于2000年9月25日始發(fā)推進。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，穿越地層為粉質粘土、細砂和砂卵石地層，地下水位10m，砂性土的含水量較小(18%23%)，孔隙比小(0.60.7)，內摩擦角大(18°37°)。地質縱剖面如圖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，其主要工作參數(shù)見表3.圖3 北京地鐵5號線地質縱剖面圖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，粘結力大，易粘附于盾構刀盤，不易排土。因此，盾構在粉質粘土和粘質粉土地層中掘進時注入2%4%泡沫，用于潤滑刀盤和螺旋輸送機。在砂礫和卵石地層中掘進施工，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。隧道掘進施工還配有SLS-T自動導向系統(tǒng)，具有盾構姿態(tài)測量和管片選型預測功能。6.廣州地鐵混合地層Ø6.14 m復合型土壓盾構掘進施工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臺泥水加壓盾構和1臺復合型土壓盾構施工，盾構直徑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復合型土壓盾構掘進施工。廣州地鐵隧道穿越的地層為粘土、粉質粘土、粉細砂、中粗砂和風化巖，地質條件復雜，盾構穿越地層多為混合地層，其中風化巖有強風化、中風化

11、和弱風化巖，強度差異大，強度為640MPa。廣州地鐵2號線海珠廣場站一市二宮隧道的土質縱剖面如圖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，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土壓盾構和德國海瑞克公司制造的4臺Ø6.25m土壓盾構的主要工作參數(shù)。復合型土壓盾構與一般土壓盾構的主要區(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，還配置了能切削風化巖的盤式滾刀或先行刀，刀具的布置如圖5所示。當盾構穿越風化巖地層時，可根據(jù)水文地質條件選擇不同的掘進模式，如土壓平衡(EPB)

12、,敞開式(open)和半敞開式(semi-open)，正確選擇掘進模式可以提高掘進速度和降低成本。在EPB掘進模式中，遇砂性和風化巖地層時，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，提高掘進速度。廣州地鐵的掘進施工速度最高達400m/月。表4 廣州地鐵友合型土壓盾構主要工作參數(shù)裹Table 4 Key working parameters for combo EPB shieldmachine in Guanezhou Metro7.雙圓盾構技術在上海地鐵工程中的應用上海地鐵8號線黃興路一開魯路2.6km區(qū)間隧道采用雙圓盾構。上海隧道工程

13、股份有限公司引進了2臺Ø6.3 m×W10.9 m雙圓盾構掘進機，于2003年8月始發(fā)推進，2003年12月底完成866 m區(qū)間隧道掘進。Ø 6.3 m×W 10.9 m雙圓盾構掘進機的刀盤為輻條式，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復合盾構Fig.5 Ø

14、 6.14 m combo EPB shield machine表5 雙圓盾構主要參數(shù)表Table 5 Key parameters of DOT shield machine圖6 雙圓盾構掘進機Fig.6 DOT shield machine雙圓盾構掘進機實際推力12 00017 000kN，比單圓盾構僅大40%，土壓力設定控制在0.180.24MPa，比單圓面板式土壓盾構要大，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，注漿充填率達到180%200%，地面沉降控制在-31cm。雙圓盾構技術在上海地鐵取得成功，并且已在上海地鐵6號線中得到進一步的應用。雙圓盾構與單圓盾構隧道相比，具有對環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點，尤其適用于狹窄道路和建筑密集區(qū)的地鐵隧道工程，因而有廣泛的應用前景。8.結語土壓盾構具有土層適應范圍廣、掘進速度快、施工安全、工程質量好的優(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