我国软土盾构法隧道施工综述

我国软土盾构法隧道施工技术综述周文波吴惠明（上海隧道工程股份有限公司上海200082）摘要经过近半个世纪的发展，我国软土盾构法隧道施工技术得到了不断进步。本文阐述了盾构法在我国轨道交通、越江公路隧道及能源隧道等不同领域的应用及发展，总结了目前我国盾构法施工的总体水平，并根据当今地下空间的开发要求，对今后盾构法软土隧道新技术的发展方向作了探索。关键词盾构法；隧道；轨道交通；越江隧道；施工技术AbstractAfternearlyhalfacenturydevelopment,China’sshieldtunnellinginsoftsoilhasachievedincessantadvance.ThispaperdescribestheapplicationanddevelopmentofshieldtunnellingtechnologyinChina’sdifferentarenaasrailtransit,crossriverhighwayandenergytunnels,andsummarisestheoveralltechnicallevelinChina’sshieldtunnelling,andfinallyisconcludedwithexplorationofdevelopmenttrendinshieldtunnelling,onthebasisofcurrentundergroundspacerequirements.Keywordsshieldtunnelling；tunnel；railtransit；crossrivertunnel；constructiontechnology1引言盾构法施工技术自1806年由英国工程师布鲁诺首创，并用于英国伦敦泰晤士河水底隧道，至今已有200余年历史。该技术由于无需占用大量隧道沿线的施工场地，对城市的商业、交通、住居等影响很小，很快受到各国的推崇。经过数代技术人员的不懈努力，盾构法隧道施工技术由最初只能在极少数欧美发达国家应用，发展成为目前发展中国家在城市市政建设中逐步应用的施工技术。20世纪50、60年代以来，盾构法施工在我国的沿海（上海、广州、深圳、天津）和内陆城市（北京、南京、武汉）逐步得到应用，并在轨道交通、越江公路、能源等领域累计施工里程达500km以上。近年来，随着我国市政基础设施建设的全面展开，有效利用和开发地下空间资源，成为各地政府的共识，由此，我国的盾构法隧道施工技术在各类工程实践中得到迅速发展。2我国软土盾构法施工技术的发展轨迹我国使用盾构法修建隧道时，该技术已在世界范围内经历了一个世纪的发展历程。正因为技术的相对成熟，加之国内市政基础设施建设的迫切需求，及国家对城市环境保护意识的增强。盾构法隧道施工以其节约城市空间及环保性，而受到广泛的认可和接受。20世纪90年代，盾构法施工技术进入发展时期。21世纪，随着我国城市化建设进程的加快，城郊互动日益密切，城市交通便捷化要求日益增强，我国的盾构法隧道施工进入高速发展时期。从我国开始隧道施工的可行性实验至今，盾构法软土隧道施工技术在我国大致经历了7个阶段。1962年，一台直径4.16m的普通敞胸盾构在上海唐桥地区开始试验施工，证明了上海饱和含水软土地层用盾构法、钢筋混凝土管片建造隧道技术的可行性。1966年，我国盾构法施工实现零的突破，上海打浦路隧道用的网格式盾构，实现了闭胸式施工。该工程的成功建设，对我国盾构法软土隧道发展具有里程碑式的意义。1991年，上海采用7台直径6.34m的土压平衡盾构，进行地铁1号线工程施工，这为后来我国城市轨道交通建设的大发展提供了保障。1993年，我国开始在复合地层中采用盾构法进行施工。广州地铁1号线工程的成功建设，为我国复合型盾构的研究和施工提供了参考，也开创了我国复合型盾构施工的先河。1994年，大型泥水平衡盾构开始在我国隧道施工中得到应用。上海延安东路隧道南线施工中，采用一台直径11.22m的泥水平衡盾构，不仅填补了我国泥水平衡盾构施工的空白，也为我国超大直径、超长距离越江公路隧道的建设创造了条件。2003年，双圆盾构开始在我国隧道施工中得到应用。上海轨道交通8号线首次运用双圆盾构进行掘进施工，并获得成功。这对我国异型盾构的研究和施工具有重要的参考价值，它使我国成为继日本之后，世界上第二个掌握此项施工技术的国家。2006年，世界最大直径的盾构在我国长江隧道工程中得到应用，该工程目前进展顺利。它的建设，标志着目前世界上盾构连续施工距离最长的工程将在中国诞生，同时，它也标志着我国盾构法软土隧道施工技术跻身国际先进水平的行列。表1是盾构法施工技术在我国的发展历程。表1盾构法软土隧道施工技术在我国的发展施工技术时期年份背景工程盾构施工技术雏形可行性试验1962－1965塘桥试验隧道（φ4.16m盾构）试验摸索期1966－1970打浦路越江隧道（φ10.2m盾构）网格盾构施工技术技术发展期1973－现在延安东路隧道北线（φ11.3m盾构）等试验摸索期1987－1988市南站过江电缆隧道（φ4.35m盾构）土压平衡盾构施工技术技术发展期1991－现在上海轨道交通1号线（φ6.34m盾构）等试验摸索期1994－1996延安东路隧道南线（φ11.22m盾构）泥水平衡盾构施工技术技术发展期2001－现在长江隧道（φ15.43m盾构）等试验摸索期2002－2004上海轨道交通8号线（φ6.52m×W11.12m双圆盾构）双圆盾构施工技术技术发展期2005－现在上海轨道交通6号线（φ6.52m×W11.12m双圆盾构）3我国现有的盾构法施工技术盾构法隧道施工涉及到土力学、基础工程学、机械等众多学科，具有很强的专业性和实践性。在过去的半个世纪的时间里，我国的施工单位、科研单位和大专院校等对我国盾构法隧道施工进行了较为广泛的研究，并取得了一定的成果，这些研究与我国地下空间的开发利用及国家经济水平相适应，促使我国形成了一套较为完整的盾构法施工技术体系。目前，我国的部分盾构法隧道技术、工法接近、甚至达到国际先进水平。3.1我国成熟的软土盾构法施工技术体系经过近半个世纪的发展，我国已在盾构法软土隧道领域形成了相关的施工及验收规范、各类盾构法施工工法等标准性文件，并在以下八方面形成了较为成熟的关键技术体系。1）盾构施工对地表沉降影响的控制技术。在我国的软土盾构法隧道施工中，主要通过隧道开挖面稳定性控制技术及同步注浆技术来控制地表沉降，经过多年工程实践，我国已经在施工中形成了一套独特的工艺，可将盾构施工引起的地表沉降控制在1～－3cm范围内。2）隧道轴线控制技术，在软土盾构法隧道施工中，小半径曲线的盾构轴线控制是一项关键技术。我国主要是通过盾构姿态、管片拼装、同步注浆等工艺的优化，以及盾构铰接装置、超挖刀的综合运用，有效地将隧道轴线偏差控制在±50mm以内。上海地铁l号线汉中路－上海火车站间上行线区间，隧道圆曲线段半径为299.851m，是目前已建地铁中曲线段半径最小的盾构施工区段。3）盾构近距离穿越大型管涵施工技术。对于隧道施工而言，工程中遇到的各类管线问题一直是困扰盾构施工的难题，它对沉降控制的精度要求极为严格，而我国在软土盾构法隧道中形成的近距离穿越大型管涵施工技术，有效解决了这个难题。1999年，我国建设者在上海轨道交通2号线杨高路站～东方路站区间施工中，顺利穿越上游引水箱涵管道（图1）。2005年，上海轨道交通6号线民生路站～源深体育中心站双圆盾构区间隧道，需要穿越浦东源深路下的原水箱涵，走向与隧道轴线夹角成83°，管渠底面距盾构机顶部仅为1.57m，这是目前已知的盾构成功穿越箱涵的最近距离。施工中，原水管渠的扰动位移始终保持在5mm之内，我国首个双圆盾构近距离穿越地下管涵获得成功。工程的成功表明我国对该技术的掌握又上了一个台阶。注浆加固区侧向注浆管3m涵箱2.2m地铁隧道盾构竖向注浆管10.26m盾构推进方向图1盾构穿越上游引水箱涵示意图4）盾构穿越障碍物施工技术。在城市轨道交通建设过程中，盾构施工有时需穿越既有的工作井，比如，上海的延安东路隧道南线施工需要穿越C15素混凝土槽壁。在此基础上，工程人员总结了一套与其相适应的施工参数和技术措施，并形成了切削障碍物（纤维钢筋混凝土等）的盾构的刀盘刀具设计模式及一套盾构穿越障碍物的切削技术，同时借助信息化的动态施工管理，达到满足盾构切削障碍物施工及地面沉降控制技术的要求。5）越江隧道施工技术。从上海成功建成打浦路隧道以来，已有3条（2号线、4号线、8号线）轨道交通及延安东路越江隧道、大连路越江隧道等10条大型越江公路隧道成功穿越黄浦江。通过穿越黄浦江的多条隧道施工实践，我国已形成了一系列过江专有技术，其中主要包括水底监测技术、浅覆层应对技术、盾尾防漏技术及隧道稳定性控制技术，这些技术的成功应用确保了越江隧道的成功建设。6）隧道施工高效运输技术。在盾构法施工中，我国通过对传统运输设备的配置改进，开发了大吨位设备运输系统和应用皮带运输系统，使盾构施工出土工序的时间大大缩短。另外，对隧道空间的充分应用，也使管片等工程材料的运输和出土工序同步，保证了盾构推进的连续性。通过特殊移动道岔的设计与应用，实现运输车辆在车架后方的及时交会，保证了隧道施工运输线路的畅通和高效。7）隧道全内衬施工技术。这项技术不仅能够保证内衬施工质量，避免产生过多施工缝，而且可以提高内衬的施工进度。由于各模块系统的自动化程度比较高，成环质量明显提高，保证了内衬的施工质量，内衬施工日平均施工速度可达到12m以上。8）双圆盾构隧道施工技术。2003年上海地铁8号线工程黄兴路站－开鲁路站的施工中首次成功采用了此项施工技术，标志着中国软土地区盾构法隧道工程技术新的突破，也使得中国成为继日本以后第二个掌握此项技术的国家。3.2国际先进水平的软土盾构法施工技术随着地下空间的开发，盾构施工技术已广泛地应用于软土层的市政工程领域。自上海首次开展软土隧道可行性试验至今，通过众多的工程实践，我国的软土盾构法施工技术得到快速提升，积累了大量施工经验，形成了独具特色的施工工艺、工法，并形成了一系列处于国际先进水平的软土盾构法隧道施工技术。1）垂直顶升建设取排水口施工技术。从隧道内部用顶升方法安全、快速地向上顶出通水立管，顶升不受水面风浪和气候影响，顶升完毕后，只需短时小规模的潜水作业，揭开通水立管的顶盖即可完成。该技术安全、快速、经济而又不受水上风浪潮汐影响。2）近距离穿越运营中的隧道施工技术。通过对叠交隧道影响的研究、分析和模拟试验，我国在施工中加强监测，由此积累了一套在上海软土地层条件下处理盾构掘进时相邻隧道相互影响的经验，形成一整套长距离叠交隧道掘进技术，从而把软土盾构法隧道施工中，近距离隧道的相互影响降到最低限度。3）直径盾构推进与地面沉降控制技术。通过对大断面泥水盾构的开挖面稳定、施工参数匹配的系统研究分析，我国探索出了一套科学管理盾构施工参数、地面沉降控制技术和盾构穿越重要构筑物注浆控制沉降技术，并摸索出了大型盾构在上海软土地层中施工隧道的地面沉降和隧道变形规律。4）大直径盾构法隧道稳定控制技术。该项技术研发了高重度、抗剪切、早期强度高和抗液化的单液浆，通过先进的同步注浆控制软件，加强对管片脱离盾尾产生建筑空隙时同步注浆的控制，在注浆的过程中通过控制注浆压力和注浆量，有效地填充管片脱离盾尾产生建筑空隙，从而达到控制成环隧道稳定性的目的。5）盾构法隧道内部结构同步施工技术。在盾构施工过程中将盾构推进和内部道路现浇结构施工有机地结合起来，根据内部道路结构变形缝区分施工段和施工面，同时有效地利用台模车，解决了隧道施工和内部道路施工的水平运输和垂直运输问题，从而在缩短施工周期的基础上，达到了提高隧道和内部道路结构施工质量的目的。6）浅覆土双圆盾构施工环境保护新技术。通过有限元计算、理论分析、试验研究、现场监测及数据耦合分析，归纳总结了双圆盾构施工引起地层变形的规律，实现了对双圆盾构施工地层变形的预测和控制，同时形成了一整套近距离穿越建（构）物和浅覆土的双圆盾构隧道施工环境保护技术。7）盾