中国盾构和掘进机隧道技术现状_存在的问题及发展思路_王梦恕

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引言
盾构、 掘 进 机 （ TBM ） 问 世 至 今 已 有 近 200 年 历 史， 其始于英国， 发展于日本、 德国。 近 30 年来， 由于 土压平衡、 泥水平衡、 尾部密封、 盾构始发及接收等一 系列技术难题的解决， 使得盾构及其掘进技术有了较 快发展， 至今全世界已累计生产 1 万多台盾构， 其中， 80% 左右是小直径盾构 （ ≤5 m ） 。 国外主要的生产 厂家有美国罗宾斯公司， 日本三菱重工、 川崎重工， 德 国威尔特、 海瑞克公司等。 我国主要的生产厂家有中 国中铁工程装备集团、 中国铁建重工集团、 上海隧道工 程股份公司等。 盾构法施工已是一门比较成熟的地下工程施工技 术。我国盾构施工技术已取得了长足的进步， 但与国 外先进盾构技术相比， 仍然存在一定差距， 主要表现在 关键部件的材质和耐久性方面。 因此， 需要进行不懈 的开发、 创新和积累， 以形成我国独立的机械制造、 隧 道设计和施工管理技术。 随着各大城市地铁建设力度的不断加大 ； 跨江越 海隧道工程不断增加， 国家的重点建设项目， 如长距离 供水、 水下交通、 西气东输等工程都将涉及到穿越江河 的问题； 铁路、 公路、 市政、 供水、 供气、 防洪、 水电等隧 道工程的建设。 这些都会使隧道 （ 隧洞 ） 的数量大幅 TBM 法 度增多。而一些区段将很可能需要采用盾构、 进行隧道施工。 在这样的大背景下， 为了更好、 更经 济、 更安全地使用盾构、 掘进机， 为了使盾构、 掘进机技 术能更加适合我国的工程实际， 有必要总结我国盾构、 掘进机技术的现状， 指出我国盾构、 掘进机技术存在的 问题， 提出解决各种问题的办法和新思路 ， 探讨今后盾 构、 掘进机技术的发展方向。
通的城市已达到 37 个， 高居世界第一， 未来 3 年， 至少 ［1 ］ 10 。 还有 个以上城市将获得批准 有关专家表示， 地 铁建设将会在较长的时间内成为中国基础建设投资的 重点之一。 不同形式的盾构所适应的地层范围不同 ， 盾构选 型总的原则是安全性、 适应性第一， 以确保盾构法施工 的安全、 可靠、 经济、 快速。上海、 广州及北京地区是我 国盾构应用较多且较早的地区， 这 3 个地区分别代表 — —软土 了我国 3 大区域的地层（ 3 大典型地层 ） 特征— 地层、 复合地层和砂卵石地层。 砂卵石地层适合采用 土压盾构和开敞式盾构施工， 如北京地铁、 成都地铁、 沈阳地铁等； 软土地层适合采用土压盾构施工， 如上海 地铁、 南京地铁、 苏州地铁等； 复合地层适合采用复合 盾构施工， 如广州地铁和深圳地铁等。另外， 黄土地层 和膨胀土地层因最怕水加速地层变坏而适合采用无水 土压盾构和开敞式无刀盘盾构施工 ， 如西安地铁、 合肥 地铁； 硬岩地层适合采用 TBM 掘进机施工， 如重庆地 、 、 、 。 铁 青岛地铁 厦门地铁 大连地铁等 单洞单线地铁 隧道宜选用直径为 6 7 m 的盾构施工， 应采用单层管 片 + 混凝土复合式衬砌； 单洞双线地铁隧道宜选用直 径为 10 12 m 的盾构施工， 采用复合式衬砌。 1． 3 山岭隧道 TBM 技术现状 TBM 掘进机是 ＞ 20 km 特长铁路、 水工、 山岭隧道 高度机械化的开挖设备， 与钻爆法配合进行快速安全
Tunneling by TBM / shield in China： Stateofart，Problems and Proposals
பைடு நூலகம்WANG Mengshu
（ China Ｒailway Tunnel Group Co． ，Ltd． ，Luoyang 471009 ，Henan，China） Abstract： The stateofart of tunneling by TBM / shield in China，including underwater tunneling by shield，Metro tunneling by shield and mountaincrossing tunneling by TBM，is analyzed briefly． The problems in the tunneling by TBM / shield in China are analyzed on basis of typical case histories： 1 ） The diameter of the shields for underwater highway tunnels is too large ； 2 ） The durability of the single segment lining shell is inadequate； 3 ） Shield TBM has many limitations ； 4 ） EPB shield is not applicable for all cases； 5 ） The elevation of the route of some tunnels is irrational； 6 ） Some projects suffer from irrational construction schedule ，irrational construction cost，irrational construction contract and irrational construction scheme． Ｒegarding the aforementioned problems，the following proposals are made ： 1 ） In general cases，the diameter of the shields for underwater highway tunnels should not be more than 12 m ； 2 ） Castinsitu secondary lining should be added to form composite lining structure； 3 ） Shield TBM should be cancelled，while open TBM should be promoted ； 4 ） Slurry shield，EPB shield and open shield should be considered in shield type selection ； 5 ） The tunneling route should not be placed along the interface between different strata ； 6 ） The concept of scientific development must be held in project construction． The following new solutions are proposed for tunneling by TBM / shield in China： 1 ） Open grid shields should be applied ； 2 ） Extruded concrete lining should be applied； 3 ） The method of “TBM bore + enlarging by drill and blast”should be applied； 4 ） Shield can be launched from ventilation shaft in congested area． Finally it is stated that： 1 ） Large diameter shield is not the development trend ； In the case of longdistance boring （ longer than 2 km） ，deep shield tunneling is the development trend； 2 ） Shield tunneling method should be adopted for Qiongzhou strait crossing tunnel （ the deep shield tunneling proposal is better than the shallow shield tunneling proposal ） ； 3 ） The proposal of “10 mm TBM + drill and blast”method should be adopted for Bohai strait crossing tunnel ； 4 ） Deep tunneling proposal consisting of “TBM bore + enlarging by drill and blast”should be adopted for Taiwan strait crossing tunnel．
收稿日期： 2014 － 02 － 10 作者简介： 王梦恕（ 1938 —） ， 中国工程院院士， 隧道及地下工程专家。 男， 河南温县人，
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隧道建设
第 34 卷
Key words： TBM / shield； underwater shieldbored tunnel； shieldbored urban Metro tunnel； mountaincrossing tunnel； shield TBM； EPB shield； open shield； extruded concrete lining ； shield launching from ventilation shaft ； “pilot bore + enlarging by drill and blast”
中国盾构和掘进机隧道技术现状 、 存在的问题及发展思路
王梦恕
( 中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009 )
TBM 隧道和山岭 TBM 隧道的技术现状。 通 掘进机隧道修建技术的现状， 包括水下盾构隧道、 地铁盾构、 摘要： 简要分析我国盾构、 2 ） 单层管片衬砌的耐久性 过列举典型工程案例， 分析总结我国盾构、 掘进机隧道技术存在的问题： 1 ） 水底公路隧道盾构直径过大， 3 ） 护盾式 TBM 有很多局限性， 4 ） 土压平衡盾构不是万能的， 5 ） 隧道线路标高选择不合理， 6 ） 工程建设中存在 4 大不合理。 不足， 针对这些问题提出解决建议： 1 ） 一般情况下， 水底公路隧道盾构直径不宜超过 12 m； 2 ） 增设二次模筑混凝土衬砌， 形成复合衬砌 结构； 3 ） 取消护盾式 TBM， 提倡采用开敞式 TBM； 4 ） 盾构选型时， 应同时考虑比选泥水盾构 、 土压盾构和开敞式无刀盘盾构； 5 ） 避 开在岩层交界面上选线； 6 ） 工程建设一定要坚持科学发展观 。为盾构、 掘进机隧道的设计和施工提出新思路， 包括： 1 ） 无刀盘的开 2 ） 压缩混凝土衬砌， 3 ） TBM 导洞超前再钻爆法扩挖， 4 ） 风井始发盾构。最后， 敞式网格盾构， 指出大直径盾构不是发展方向， 长距 离掘进（ ＞ 2 km） 时， 深埋盾构施工才是发展方向； 并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工（ 深埋优于浅埋） ， 渤海湾海峡海底隧道采 台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式 TBM + 钻爆法施工的想法。 用直径为 10 m 的 TBM + 钻爆法施工， 关键词： 盾构； 掘进机； TBM； 水下盾构隧道； 城市地铁盾构隧道； 山岭隧道； 护盾式 TBM； 土压平衡盾构； 开敞式网格盾构； 压 缩混凝土衬砌； 风井始发盾构； 导洞扩挖 DOI： 10． 3973 / j． issn． 1672 － 741X． 2014． 03． 001 中图分类号： U 45 文献标志码： A 文章编号： 1672 － 741X（ 2014 ） 03 － 0179 － 09
道主要集中在长江三角地区、 珠三角地区、 环渤海地 、 ， （ 区 长江流域等 如武汉长江公路隧道 长江第一隧 ） 、 南京长江公路隧道、 杭州庆春路市政公路隧道 （ 钱江 第一隧） 、 广深港高铁 狮 子 洋 隧 道、 重庆排水长江隧 道。武汉长江公路隧道和杭州庆春路市政公路隧道均 3． 5 4． 0 km 长， 为双向 4 车道， 盾构直径 11 m 多， 总 投资约 20 亿元； 而南京长江公路隧道为双向 6 车道， 盾构直径近 15 m， 长约 3 km， 总投资达 44 亿元； 狮子 洋隧道盾构直径 10． 8 m， 长 10． 8 km， 总投资 33 亿元； 重庆排水长江隧道盾构外径为 6． 32 m， 长约 1 km， 总 投资仅 1 亿元。 可见， 盾构直径 ≤12 m 相对经济、 安 全， 且施工风险小； 盾构直径过大， 其成本和安全风险 会成倍增加。因此， 规划中的琼州海峡海底隧道将采 用 12 台直径为 10 m 左右的盾构施工， 渤海湾海峡海 底隧道将采用 15 台直径为 10 m 左右的 TBM + 钻爆法 施工。 1． 2 TBM 隧道技术现状 城市地铁盾构、 2013 9 截至 年 月， 我国获得国家批准建设轨道交