我国隧道掘进机应用技术的发展现状

傅德明,现任上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所所长。

我国隧道掘进机应用技术的发展现状

傅德明

(上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所)

1　手掘式和网格挤压式盾构掘进机的应用

1.1　手掘式盾构掘进机

手掘式盾构掘进机是我国在早期隧道掘进中采

用的最简单的掘进机。20世纪50年代,阜新煤矿和北京市政所用的<2.0m 和<2.6m 的盾构就是开挖面敞开的手掘式盾构,在盾构壳体的保护下,采用人工挖土,劳动强度大,施工速度慢。手掘式盾构,适用于含水量少、

自立性好的地层,在含水丰富

的软弱地层中使用时,必须辅以气压。

1963年,上海隧道工程股份有限公司研制了一台<4.2m 手掘式盾构在浦东塘桥进行掘进试验,见图1。盾构总推力19600kN ,开挖面人工挖土,并备有支护千斤顶,掘进施工辅以气压和降水,隧道衬砌采用钢筋混凝土管片拼装。隧道掘进试验分为浅埋推进和深埋推进两段,掘进总长度68m 。这是我国首次进行完整的盾构隧道掘进试验,试验成果应用于上海地铁工程和越江隧道工程。

图1　<4.2m 手掘式盾构掘进机

1.2　网格挤压盾构掘进机

1965年6月,上海地铁60工程区间隧道采用由我国自行研制的两台<5.8m 网格挤压型盾构施工,总推力为3.724×104kN 。隧道覆土约12m ,掘进长度2×600m 。隧道衬砌环由5块平板式钢筋

混凝土管片拼装而成。盾构进出洞时洞口土体采用降水法,隧道掘进施工辅以气压,施工加气压值为0.088～0.11MPa 。盾构推进穿越的建筑物和地下管线均未受影响。1967年7月,地铁试验工程完成,这是我国首次采用盾构掘进机施工地铁隧道。

1967年3月,上海打浦路越江公路隧道采用<10.2m 网格挤压型盾构,掘进总长1324m 。盾构总推力达7.84×104kN ,见图2。钢筋混凝土管片采用整环浇筑,衬砌接缝防水采用环氧树脂。盾构穿越地面以下深度为17～30m 的淤泥质粘土层和

粉砂层,在岸边段采用降水全出土、气压全出土和局部挤压方法施工,在江中段采用全气压、局部挤压出土法施工。网格挤压盾构是一种在手掘盾构基础上发展起来的、适应于上海软土地层掘进隧道的实用新技术。

1970年以来,上海又用网格挤压盾构在长江边和海边建成了6条<3.6～4.3m 的排水及引水隧道。北京、江苏、浙江、福建等省市也用盾构法建造了各种不同用途的小直径隧道。

1980年,上海重新规划地铁1号线,并在漕溪路进行试验工程,两条区间隧道采用刀盘式盾构掘进,因存在技术问题后仍改为网格挤压盾构。盾构外径6.41m ,总推力3.76×104kN 。钢筋混凝土管片采用高精度钢模浇筑,管片尺寸精度达到±1mm 。衬砌环防水初为焦油聚氨酯,后又改用防

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水性能更好的氯丁橡胶。地铁试验隧道进行了施工监测和沉降控制研究,并进行了管片结构试验和多种形式管片的试用。经试验,上海地铁1号线最终确定隧道衬砌6块,为厚35cm 、宽100cm 的平板式管片,见图3。1.3　网格型水力出土盾构掘进机

1983年,上海建设第二条黄浦江越江公路隧道———延安东路隧道。1476m 圆形主隧道采用盾构掘进施工,其中500m 穿越黄浦江底,500m 穿越市

中心建筑密集区。为提高掘进速度和确保隧道沿线

的构筑物安全,上海隧道股份公司自行设计研制了<11.3m 网格型水力出土盾构,这是在网格挤压型盾构基础上改进而得到的一种盾构掘进机。网格上布有30扇可开启和关闭的液压闸门,具有调控开挖面进土部位、面积和进土量的作用,可辅助盾构纠偏和控制地面沉降。网格上还布设了20只钢弦式土压计,可随时监测开挖面部位土压值的变化,首次在盾构掘进过程中实现信息化施工

。

图3　地铁隧道钢筋混凝土衬砌环

开挖面高压水冲切土体,并采用大型泥浆泵接

力输送泥浆,自动计量装置控制出土量,实现掘进、出土运输自动化。衬砌拼装机的回旋装置首次采用了带制动器的大扭矩液压马达,起重量达5t ,运转平衡。盾尾密封装置吸收国外新技术,采用三道钢丝刷,并注入自行研制的盾尾油脂,确保了盾尾密封。盾构推力由尾部周围48只油压千斤顶提供1.08×105kN 推力,盾构掘进机示意见图2。采用<11.3m 网格型水力出土盾构,顺利穿越江中段浅覆土层和浦西500m 建筑密集区,保护了沿线的主要建筑物和地下管线。网格型水力出土盾构具有施工性能好、掘进速度较快、操作方便等优点。自1987年开发成功后,广泛用于上海及江、浙沿海地区建造江底、海底的取排水隧道,至今仍是一种成本低、实用性能好的盾构机型。

2　土压平衡式盾构机的开发和应用

20世纪70年代以来,开发了具有刀盘切削的

密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新型掘进机———泥水加压式盾构和土压平衡式盾构,使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃。1975年,日本隧道业兴起了泥水加压式盾构热,1978年起,土压平衡式

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盾构也得到广泛的应用。2.1　我国土压平衡式盾构的引进和消化吸收

1985年,上海芙蓉江路排水隧道工程引进日本川崎重工制造的一台<4.33m 小刀盘土压平衡式盾构,盾构前端设有3只小刀盘切削开挖面土体,切削土砂经螺旋输送机运至土箱。压力舱内设有土压计,可设定平衡土压力值,保持开挖面土压平衡,以减小对周围土体的挤压影响。芙蓉江路排水隧道掘进长度1450m ,这是我国首次引进简易式土压盾构用于隧道工程,其施工性能和掘进速度均优于以往的网格挤压型盾构。

1987年,我国在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基础上,研制了国内首台<4.3m 加泥式土压平衡盾构掘进机,见图4。

<4.35m 土压平衡盾构全部采用国产部件,由上海船厂制造,用于上海市南站过江电缆隧道。隧道总长度534m ,在黄浦江底掘进,隧道埋深21～30m ,穿越土层主要为砂质粉土。隧道掘进顺利解决了高水压情况下的密封和砂性土加泥塑流技术难题,施工性能技术指标达到80年代国际先进水平。

在掌握了国际先进的土压平衡式盾构技术以后的10余年间,我国又陆续设计制造了<3.8～

6.34m 土压平衡式盾构,用于取排水隧道和地铁隧

道。1993年,制造了一台<6.34m 土压平衡式盾构,用于南京市夹江排水隧道工程,穿越粉砂地层,掘进长度1294m 。2.2　土压平衡式盾构在地铁隧道工程中的应用

1990年,国务院批准上海地铁1号线开工建设,圆形隧道选用7台<6.34m 土压平衡式盾构推进。第一台<6.34m 土压平衡式盾构于1991年6月始发推进,7台盾构掘进总长度17.374km ,1993年2月全线贯通,掘进施工期仅20个月,每台盾构的月掘进长度达200～250m 。掘进施工穿越上海市区建筑群、道路、地下管线等,地面沉降控制在+1～-3cm 。<6.34m 土压平衡式盾构见图5。

1995年上海地铁2号线24km 区间隧道开始掘进施工,地铁1号线工程所用的7台<6.34m 土压平衡式盾构经维修以后,继续用于2号线区间隧道掘进,同时又从法国FM T 公司和上海的联合体购置两台土压盾构,加上上海隧道股份公司制造的一台土压盾构,共计10台土压平衡式盾构用于隧道

施工。

2000年开工兴建的地铁3号线区间隧道仍将使用这10台<6.34m 土压平衡式盾构施工

。

图5　<6.34m 土压平衡式盾构

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