掘进机技术在我国隧道及地下工程中的应用与发展

1掘进机技术在我国隧道及地下工程中的应用与发展郭陕云万姜林中铁隧道集团有限公司提要：简要介绍了我国采用岩石掘进机和盾构修建隧道的发展情况，阐述了我国掘进机法与盾构法的技术进步及存在的主要问题，展望了我国掘进机与盾构技术的发展前景，并提出了发展掘进机和盾构技术及产业化的几点建议。关键词：隧道及地下工程，岩石掘进机，盾构，产业化，展望与建议，1前言本文所谓的隧道掘进机法是指应用掘进机开挖隧道的方法，隧道掘进机英文全称为(TunnelBoringMachine,简称TBM).应用于岩石隧道的称为岩石掘进机（本文简称掘进机），用于软土层隧道的则称为盾构。盾构法和掘进机法是修建隧道的一种先进方法。最近十多年来，随着我国隧道和地下工程的快速发展，盾构法和掘进机法也得到了快速发展，尤其在城市地铁、水利水电隧洞中越来越多应用盾构法和掘进机法修建。我国是目前世界上应用盾构数量较多的国家之一，并且随着我国隧道和地下工程的发展，对盾构和掘进机的市场需求仍会有较大的增长。由于盾构和掘进机技术在一定程度上反映了国家的综合国力和科技水平，并且对我国的制造业和建筑业影响较大，因而也引起了国内业内外的普遍关注。近几年来在国内已召开过许多国际、国内的盾构和掘进机技术交流会或专题研讨会；2001～2002年国家科技部已将盾构研发技术列入国家“863”发展计划，并在国内就盾构研发试制进行了招标，落实了中标单位；2002～2003年10余位全国政协委员提出“实现隧道掘进机本地化生产”和若干政策建议的提案；2004年3月，钱伟长同志上书胡锦涛主席，提出充分发挥盾构作用，推进我国隧道掘进机产业发展的建议，得到中央领导的重视。2004年4月，建设部、中国土木工程学会和中国岩石力学与工程学会在北京联合召开了推进隧道掘进机技术及产业化的专家座谈会。可见，隧道盾构和掘进机技术的发展已成为当前国内工程技术界和政府部门关注的一个重大课题。本文就我国掘进机和盾构技术的发展情况、技术发展动态及应用前景等作一简介，并就今后的技术发展以及其产业发展提出若干建议，以抛砖引玉。2我国隧道盾构法和掘进机法的应用情况2.1开始于二十世纪五、六十年代，发展于二十世纪九十年代2.1.1盾构我国研究应用盾构法修建隧道是从20世纪50～60年代开始的。1956年在东北矿山采用直径2.6m的手掘式盾构在砂层中修建疏水巷道，这是我国的第一条盾构隧道。1957年北京采用2台直径2.0m和2.6m的手掘式盾构施工下水道。上海从1963年开始研究应用盾构法技术，用于城市地下排水隧道修建，1965年研制两台直径5.8m的网格式盾构用于地铁区间隧道修建试验，掘进长度1200m。1966年研制直径10.22m的网格式盾构并辅助于压气稳定开挖面施工打浦路越江隧道。从此之后，我国陆续研制应用手掘式盾构总计达30台用于各种排水隧道施工，施工总长度约20km。1985年引进日本的1台直径4.33m的土压平衡盾构施工排水隧道，之后研制应用了几台土压平衡盾构，但效果并不理想。二十世纪九十年代初，随着上海、广州地铁的建设，开始大量引进国外的土压平衡盾构施工地铁区间隧道。1994年开始引进日本的直径11.2m泥水平衡盾构修建延安东路越江隧道。由于采用土压平衡式、泥水平衡式等现代盾构修建隧道具有安全、可靠、快速、环保等优点，因而盾构法在我国特别是地铁建设中得到了迅速的发展。继上海地铁1号、2号线区间隧道、2广州地铁1号、2号线部分区间隧道成功采用盾构法外，北京、天津、深圳、南京地铁以及上海、广州地铁的其它地铁线区间隧道等也相继大量推广采用盾构法，并且在越江道路、输气和市政排水隧道等也越来越多采用盾构法。盾构法目前已成为我国地铁隧道的一种主要方法。据不完全统计，我国各城市地铁采用的盾构已有60多台，掘进完成的和正在掘进的隧道总长度已超过200km（单线）,采用的盾构类型为土压平衡（包括加泥式土压平衡）和复合式盾构计50余台，泥水加压平衡盾构10台。采用的盾构直径3.3m～12m不等，其中以6.3m左右直径的居多。2.1.2岩石掘进机1964年，经周恩来总理批准，在国家科委领导下，成立全断面岩石隧道掘进机攻关小组，完全自力更生，先后制造出50多台掘进机。由于核心技术不过关，在地下工程建设中基本没有发挥作用。80年代初，国家科委成立掘进机办公室，采取联合攻关方式制造了8台掘进机，先后在云南西洱河水电站等工程应用，但与国际水平相比差距甚大。80年代中期，在天生桥水电站引水隧洞采用了罗宾斯公司的一台直径10m的二手掘进机施工，但效果并不理想。进入九十年代以后，在甘肃引大入秦工程中，山西万家寨引黄入晋工程中，由外国承包商采用岩石掘进机施工多条输水隧洞取得成功。在2000年后，云南昆明掌鸠河引水工程也由外国承包商应用掘进机施工，并且中国第二重型机械集团与美国罗宾斯公司合作制造了一台双护盾岩石掘进机在该工程中使用。九十年代初，铁道部在西安~安康铁路18.4km长的秦岭铁路隧道，引进2台德国的8.8m直径的敞开式掘进机由国内单位操作使用成功建成隧道，之后采用该2台掘进机在西安~合肥铁路成功完成了6km长的磨沟岭和7km长的桃花铺隧道施工。由此也推动了我国掘进机技术的应用。2.2工程应用技术得到快速发展提高2.2.1盾构应用技术水平迅速提高随着盾构法应用的增加以及对技术研究的深入，我国在盾构隧道的设计计算、盾构的选型及配套、盾构的使用及施工技术等方面都得到了快速提高和发展。技术已基本成熟，有的（尤其在地铁隧道盾构技术）达到了国际先进水平。以城市地铁盾构法技术为代表，目前已有二十家国内承包商在使用近60台盾构施工，不仅采用了土压平衡盾构，也采用了泥水平衡盾构，还有复合式盾构；除区间单圆盾构外，在上海地铁还采用了双圆盾构一次施工两条平行的区间隧道；盾构隧道地面环境除复杂的建构筑物外，也有在江下、湖下穿越的（上海穿越黄浦江、广州穿越珠江、南京穿越玄武湖）；盾构穿越地层除粘土、淤泥质软土、砂粘土外，还有砂层、砂砾层、卵石层、以及较高强度的岩石地层等。需要特别指出的是，广州地铁2号线越三区间研究采用具有土压平衡、气压平衡和局部气压平衡模式的新型复合式盾构成功修建了既有软土、又有坚硬岩石以及断裂破碎带的复杂地层的区间隧道，打破了长期被认为的盾构法应用的地质禁区，大大拓宽了盾构法的应用范围。目前，我国地铁盾构法隧道管片环宽已从1.0m，普遍加大到1.2m，在广州地铁2号线率先采用了1.5m环宽的管片，是目前地铁区间隧道所用的最宽管片，有利于提高隧道结构的整体刚度，拼装接缝减少，安装效率提高，并节约成本。接缝防水大多采用遇水膨胀橡胶或三元乙丙橡胶弹性密封防水，使隧道建成后不渗不漏，达到A级防水标准。采用激光导向或陀螺仪导向，并辅于人工测量技术等，以及运用盾构推进油缸分区操作和姿态控制与纠偏技术，管片排版选型和拼装技术等，可将隧道线形精度控制在30～50mm以内，管片错台高度控制在5～10mm内。管片背后环形间隙注浆除采用日本常用的即时注浆和欧洲常用的惰性浆液同步注浆外，也已开发应用非惰性浆液的同步注浆技术，具有更好的早期稳定管片和控制地层沉降效果。在掘进控制、泥水与土压力和排碴管理、碴土改良、防刀盘结泥饼技术等方面也已作的很好。端头加固、联络通道施工、始发到达、安全换刀、信息化施工等方面都已掌握。在盾构的故障诊断及管用养修上已有很高技术，可以达到55%～67%的高机时利用率。3我国盾构施工中的地表隆沉一般可控制在+10～-20mm以内，可以在距既有建构筑物很近的距离下安全掘进隧道。广州地铁2号线越三区间隧道穿越既有14股铁路轨道，轨面沉降控制在5mm以内，轨道沉降差小于2mm。上海地铁2号线近距离下穿地铁1号线区间隧道、引水箱涵和地下室，地面沉降控制在3.5～8.5mm。我国盾构掘进速度平均一般为180～200m/月以上，广州地铁2号线越三区间最高月进尺405m，平均进度为236m/月。在相似地质的广州地铁三号线大汉区间，盾构施工进度平均已达334米/月，最高月进度达到562.5米，达到国际先进水平。在城市地铁隧道盾构法得到快速发展的同时，我国采用盾构法修建越江隧道技术也得到了发展。上海采用直径11.2m的泥水盾构已建成穿越黄浦江的大连路隧道，平均进度超过200m/月。上海、广州地铁也成功采用土压平衡盾构修建地铁越江区间隧道。此外，也建成了或在建一些地层复杂、水头高度超过60m越江隧道，南京三江口、湖北忠县红花套、湖南城陵矶采用泥水盾构修建穿越长江输气隧道（直径3.3m），已建成2条，第三条即将建成；重庆正在采用直径6.5m的泥水盾构修建穿越长江的排污隧道，计划于今年建成。2.2.2岩石掘进机应用技术开端良好，且在运用中不断创新以西安-安康铁路秦岭隧道为标志，我国已掌握了岩石掘进机隧道的设计施工及掘进机的使用技术，不但在秦岭特长铁路隧道施工中得到成功的使用，而且在磨沟岭、桃花铺隧道长距离破碎带岩石中施工也发挥了它的优异的机械性能，在配件、配套国产化上迈出了第一步。秦岭隧道全长18.4km，采用2台直径8.8m的岩石掘进机相向施工，由铁道第一设计院设计，中铁隧道集团和中铁十八局集团施工。结合设计、施工和掘进机的管用养修等开展了6大课题24个子课题的研究和攻关，解决了极硬岩和不良地质的掘进、刀具布置及磨损与围岩特性的关系，高地应力圆形衬砌、掘进机的故障诊断与维修保养等一系列技术难题，隧道掘进最高月速度达到573m，平均达到300m以上。掘进机机时利用率平均达到58.31%的高水平。该工程技术成果获国家2003年度科学技术一等奖。在西安-合肥铁路，采用敞开式岩石掘进机成功完成施工磨沟岭隧道和桃花铺隧道，运用超前管棚支护、超前周边预注浆加固地层等辅助技术较好解决了不稳定破碎围岩的安全掘进施工难题，拓宽了敞开式掘进机的应用范围。同时实现了17英寸盘形滚刀和部分部件及部分后配套设备的国产化。2.2.3设备的设计制造有了新的进步我国已完全能够自行设计制造手掘式盾构。而对现代盾构的设计制造则是从二十世纪八十年代末、九十年代初以后，通过与国外公司合作，设计制造了一定数量的盾构，包括上海、广州、北京等城市的重型机械厂或造船厂等，由国外公司设计，国内制造组装，在工程应用基本能够满足要求。通过中外合作，我国在设计制造的关键技术有所提高，已经掌握了结构件的设计及制造技术与工艺，已实现了部分部件的国产化，如盾构用于软土和软硬不均地层的刀盘、刀具已基本能够自行设计制造；盾构和掘进机的后配套设备、运输设备和高精度管片钢模具等已能自主设计制造，因此也降低了设备的采购和使用成本，也有利于促进掘进机和盾构技术的发展。2.3存在的主要问题总体说来，经过多年来在掘进机和盾构技术上的应用研究，我国在盾构施工使用技术方面已达到了国际先进水平，在岩石掘进机施工使用技术方面已接近国际水平，有的盾构监控软件已具有自主知识产权，在盾构和掘进机的选型设计、维修、零部件、后配套设备的设计制造等已接近国际水平，但也还存在不少的问题,主要有以下几个方面：（1）岩石掘进机和盾构的设计制造的关键核心技术尚未完全掌握，与国际先进水平尚有相当大的差距，目前国内使用的盾构和掘进机基本都是国外公司设计制造的，依赖国外的局面未得到改变；（2）岩石掘进机的应用仍然较少，掘进机数量少、机型和应用方法单一；（3）在盾构和岩石掘进机施工中仍然出现过一些问题，如盾构施工时隧道端头塌陷、沉降过大、有的甚至引起地面建筑物的损坏等；在岩石掘进机施工中出现围岩坍塌、掘进方向严重偏差等。43我国盾构和掘进机技术的前景展望及发展建议3.1发展前景广阔21世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪，据有关专家预测，到2020年，我国将要完成近6000km的地下隧道建设，平均每年约300km。到2010年，国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构约180台（不包括微型机），年均需求量约为30台，可见市场需求巨大，发展前景广阔。（1）城市地铁快速发展，对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期，地铁和轨道交通规划总长度已超过3000km。目前已建成和在建的数量仅