盾构技术在中国的应用与发展

盾构技术在中国的应用与发展ApplicationandDevelopmentforShieldMethodinChina袁大军北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京中国BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，BeijingChina2007年4月世界盾构技术发展概况中国盾构技术的发展与应用中国盾构隧道工程市场前景分析中国应用盾构技术的几个特点中国盾构技术展望主要介绍内容一、世界盾构技术发展概况1.盾构技术发展概要经过近200年的演变，由M.I.Brunel发明的盾构工法），已被世界各地广泛采用。随着科学技术的进步，围绕盾构掘进、开挖面稳定和构筑衬砌的盾构工法的三大要素，一系列现代技术被应用于盾构的制造和施工，使盾构技术得到了飞跃的发展。1818年——Brunel盾构伦敦泰晤士河水底隧道1869年——Greathead盾构伦敦泰晤士河水底第二条隧道隧道1887年——Greathead盾构和压气法南伦敦铁路隧道19世纪末——20世纪前半叶城市隧道工程促进了盾构技术的发展，出现了闭胸式盾构。其间，盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、前苏联以及我国，并得以不同程度的发展。分别于美国的巴尔的摩，法国巴黎，德国柏林，前苏联莫斯科、列宁格勒，日本东京，我国阜新、北京，建造了各种不同用途的隧道。这一时期盾构工法有诸多的技术进步，但主要特点还是其在世界各国得以推广普及。20世纪60年代中期至80年代——盾构工法继续发展，其特点是完善圆形断面的各种平衡方式的盾构工法——压气盾构、挤压盾构（网格盾构）、土压盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，但以泥水盾构和土压盾构工法为主。其间，盾构工法在地铁、上下水道、电力管线、通信用洞道、煤气管道、地下河川、公路隧道的建设中得到广泛应用。2.盾构在日本的发展1917年——日本国铁隧道建设中首次采用盾构工法1953年——日本关门隧道采用盾构工法1957年——日本地铁采用顶盖式盾构施工，这是城市隧道首次采用盾构1960年——日本名古屋地铁采用盾构施工1962年——东京下水道采用圆形盾构。此后，盾构逐渐用于小断面的市政管道建设1964年——日本下水道工程，最先采用泥水式盾构1974年——日本独立研究出土压式盾构1975年——日本研究出砾石泥水式盾构1981年——日本研究出气泡盾构3.盾构技术发展阶段盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；（2）以机械式、气压式、TBM为代表的第二代盾构；（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；（4）以安全、高速、大深度、多样化为特色的第四代盾构。Brunel盾构易北河盾构辐条式盾构面板式盾构荷兰14.87泥水盾构复合式盾构二、中国盾构技术的发展与应用1.1950年初，在辽宁阜新煤矿使用手掘式盾构修建疏水巷道工程2.1957年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构工法的尝试。3.60年代，为了修建北京地铁，也有过研究盾构施工技术，并成功地进行了试验.60年代北京地铁用盾构试验4.60年代在北京进行了1:500的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验盾构压缩混凝土衬砌模拟试验60年压缩环与钢模板5.上海地区软土地基盾构发展历史6.1966年采用φ10.22m网格挤压式盾构修建打浦路过江隧道工程打浦路直径10.2m网格挤压型盾构掘进机7.1988年建成的φ11.3m的延安东路过江隧道等都是应用盾构技术在软土地层施工成功延安东路直径11.3m网格型水力出土盾构掘进机8.2003年6月，当时中国最大的盾构法隧道翔殷路开工，采用直径为11.58m的超大型泥水平衡盾构掘进翔殷路盾构9.上海上中路隧道工程盾构直径达14.87m10.中国国家863计划支持，上海研制出了有自主知识产权的”先行号”盾构11.中国采用盾构修建地铁历史及规划60年代北京地铁用盾构掘进试验1990年上海开始建设地铁1号线1996年上海开始建设地铁2号线，后开始建设3号线、4号线、M8线、6号线1996年广州开始建设地铁1号线，后2号线、3号线2001年深圳地铁1号线,南京地铁1号线2002年北京开始建设地铁5号线1999年北京地铁5号线试验段采用盾构法设计施工，取得成功2004年北京开始建设地铁4号线，10号线，机场线、奥运支线规划修建的地铁：沈阳、青岛、哈尔滨、成都、武汉、西安等即将开工开始建设：苏州地铁、杭州地铁2002年天津地铁1号线开工建设初步预测2005-2010年间至少要建设500-600公里，需要投资3000多亿元。目前，已有30多个城市开展了城市轨道交通的前期工作。初步估算：中国城市轨道交通土建工程总投资约为1000亿元。据不完全统计，我国地铁建设中，共有约60台盾构在使用中。北京上海天津广州深圳南京重庆成都武汉沈阳长春杭州西安乌鲁木齐兰州合肥昆明哈尔滨佛山台北香港大连鞍山济南青岛高雄长沙已通车的城市前期工作城市在建设的城市苏州中国地铁建设计划上海地铁规划北京地铁4号线北京地铁5号线北京地铁10号线奥运支线北京机场线亦庄线昌平线顺义线房山线广州地铁规划南京地铁规划深圳地铁规划深圳地铁1号线哈尔滨地铁规划上海地铁建设用盾构在上个世纪90年代，修建上海地铁一号线的时候，区间隧道都采用盾构施工，共使用了7台盾构机，推进长度约为18.6km。以后在地铁二号线、明珠线和M8线的施工中，所有区间隧道都采用了盾构法施工，现在共有20余台盾构机在作业。广州修建地铁一号线由日本青木公司采用了3台盾构机施工，造价昂贵，每延米约1万美元。目前施工的三号线，共有15台盾构机在作业，即将开工的地铁四号线计划新购8台盾构机。北京修建地铁五号线也采用了盾构法施工，进行了试验段的施工，并顺利完成。现在后期3台盾构机已到场组装。北京地铁4号线、10号线盾构施工招标已结束，计划采用13台盾构机，大部分为新购。12.中国用掘进机修建铁路隧道TB880E修建的秦岭18.4km铁路隧道TB880E掘进机秦岭18.4km铁路隧道安康至南京磨沟岭铁路隧道(掘进机)13.中国的江（海）底隧道南水北调工程中线建造了穿越黄河河底的引水隧道(Φ8.8m)重庆主城越江排水隧道(Φ6.7m泥水式盾构)城陵矶西气东输越江隧道(Φ3.185m泥水盾构)三江口西气东输越江隧道(Φ4.3m泥水盾构)武汉长江公路隧道（长江第一隧道）(Φ11.2m泥水盾构)上海崇明越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)南京长江越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)上海上中路越江隧道(Φ14.87m泥水盾构)武汉长江公路隧道（长江第一隧道）上中路隧道上海崇明越江隧道南京长江越江隧道三、中国盾构工程市场前景分析1.盾构施工主要市场分布我国近期盾构施工市场主要分布在以下三类城市：（1）区域地区经济龙头城市：以北京、上海、广州等城市为代表；（2）人口密集的特大城市：以天津、南京、武汉、沈阳、重庆等城市为代表；（3）经济发达的大城市：以深圳、青岛、苏州、杭州等城市为代表。（一）地铁盾构工程2.盾构机需求数量预测上海地铁近几年计划使用38台盾构机，地铁公司拥有25台（含现有），施工单位13台为施工单位所有。38台中其中5台为双圆盾构机。广州目前施工的三号线，共有15台盾构机在作业，即将开工的地铁四号线计划新购8台盾构机。北京已开工的4、5、10号线计划使用15～17台盾构机，近期规划建设的6、7、9号线，主要在市区内施工，必然会使用大量的盾构机。南京地铁二号线即将开工建设，需要8台盾构机杭州地铁一号线需要8～10台盾构机。苏州地铁一号线需要7～9台盾构机。沈阳地铁一号线需要5～7台盾构机成都地铁一号线需要约6台盾构机据不完全统计，到2010年，全国地铁施工共需要盾构机约为120多台次，目前国内在使用的盾构机约为60台，市场缺口较大。3.盾构工程市场预测在一个地铁项目中，一台盾构机施工周期为2年左右的时间，承担约3公里长的单线隧道，120多台次的盾构机可施工540～720公里长的单线隧道（每台盾构机按1.5～2次施工），工程总造价约170～230亿元（单线隧道每延米按3.2万元计）。（二）水底隧道中国江河湖海众多，海岸线绵延万余公里，越江、跨海隧道大有前景。跨海隧道远景大连——烟台渤海湾青岛——黄道胶州湾长江口钱塘江口厦门海底隧道台湾海峡隧道珠三角、伶仃洋琼州海峡隧道港珠澳海底隧道港珠澳海底隧道规划建设（三）市政管道建设目前，我国老化的市政基础设施需要改建，城市快速发展急需新建大量的通讯、电缆、上下水道、煤气等设施。过去建设往往都是给马路“开堂破肚”，给城市环境及交通造成了很大的影响，市政设施发展的趋势是建设大量的城市共同沟及地下管廊，将各类管线置入共同沟内，给管线铺设、运营、检修及城市环境等都提供了极大的便利。国外发展经验证明，共同沟及地下管廊建设采用小直径盾构或顶管进行施工，具有安全、快速、有利于保护城市环境等优点，是首选施工设备。北京市政隧道建设φ2700盾构接收井φ3000盾构接收井φ2700及φ3000盾构始发井新建φ2700盾构污水管线新建φ3000盾构污水管线南环高速公路接入D400污水管接入D400污水管接入D400污水管接入D400污水管接入D2000污水管大面积稻田大面积稻田南快速干线华接入沥窖污水处理厂北接入D400污水管（四）盾构工程市场列强分析目前已经进入地铁盾构施工市场的单位近20家，其中上海4家、广州3家、北京3家、天津1家、铁道部7家。其中实力比较强的单位有：隧道局、上海隧道股份、上海机施、上海基础、广州盾建、北京市政、北京城建等单位。（三）市场预测据专家预测，仅2010年前的10年间就需购置Φ3~9m岩石和盾构掘进机190余台，若包括微型掘进机在内，将超过200台。远期估计，随着城市立体化、管线入地化趋势的到来，盾构和掘进机将超过千台。（五）盾构工程市场的几个特点（1）随着工程总承包的推广，盾构施工手段是以后承揽地铁工程的必要条件之一。（2）掌握盾构施工技术的单位数量较多，市场准入标准提高。（3）地下施工实力将取决于拥有盾构机和专业技术人员的数量和质量。（4）工程造价日趋降低，且各地水平高低不一。（5）除地铁外，市政、水利等亦采用盾构施工，使用范围扩大。（6）市场前景看好，竞争更加激烈，正确对待购置风险。1.中国地域广大、地层条件复杂根据地质条件特点，可以粗略将盾构技术可以分为三大地区：（1）以上海地区为代表的软弱土地区（2）以广州地区为主的风化岩及软硬不均地层（3）以北京为代表的砂层、砂卵石地层四、中国应用盾构技术的几个特点2.所需盾构种类多土压平衡盾构、泥水盾构软土盾构、复合盾构、岩石盾构闭胸式盾构、开敞式盾构4.盾构机的来源国外购置：日本、德国、法国等引进配件组装：上海、新乡、大连等国产化发展5.盾构施工配套设置6.技术人员的培训3.盾构机选型应根据各地水文、地质条件选用合适的盾构（1）世界盾构技术正朝着大断面化、工程的大深度化、长距离化、高速化发展，施工技术也越来越成熟，越来越多样化。（2）在中国大量的城市隧道工程在大量工程实践中积累了丰富的经验。在21世纪盾构工法将会更加多种多样，我们应当完善当前已问世的新工法、新工艺的技术细节，使之提高成熟；加速盾构工法的自动化进程；推出崭新概念的工法、工艺、材料。（3）我们应当看到我国的盾构技术还存在着许多不足之处，应当多注重原有技术的改造，解决现在工程中的难题，引进概念全新的新技术。五、中国盾构技术展望（4）针对每一地区不同的地质特征找到合适的盾构机型和相应的施工方法。（5）中国将有大量隧道需要建设，投资巨大，市场广阔。我国盾构隧道技术的使用和研发起步较晚，与国外相比，不仅在刀具、刀盘、轴承密封、盾尾密封、液压系统及自动化控制等方面存在着较大的差距，而且在设计、施工、管理等诸多领域须向国外学习。对我们盾构隧道技术工作者来说既是机遇也是极大的挑战。（6）我国幅员辽阔，工程地质水文条件复杂，不仅在盾构国产化的过程中，可