浅析地铁施工技术 盾构法

1、浅析地铁施工技术盾构法(中国矿业大学力学与建筑工程学院土木 08-3班 梁孟孟摘 要:实践证明,地铁具有高效、节能、环保、运量大、速度快、安全性好、占用城 市道路面积少、防空好等优点,对解决城市交通堵塞,改变城市布局,实现城市环境和 交通综合治理,引导城市走可持续发展之路起到了很大的作用。但是,地铁工程的造价 也是十分昂贵的,正确选择有效的地铁施工方法是地铁建设快速、安全、有效的有力保 障。通常在地面条件允许的情况下,地铁区间隧道宜采用明挖法,但对社会环境影响很 大,仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。现在多采用盾构法和浅埋暗挖 法。 浅埋暗挖法是一种适合不同断面、造价偏低、灵活多变的施工

2、方法;盾构法在较软弱、 富含流砂之地、断面不变的区间应用,设备一次性投入大,但施工速度 快,是今后应 推广的施工方法。 本文结合国内国外盾构法的发展状况以及应用情况对盾构法进行了详 细的介绍。关键词 :盾构法;地铁施工;发展应用1盾构法隧道施工的历史盾构施工技术自 1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道工程以 来,已有 170余年的历史。在这 170余年的风风雨雨中,经过几代人的努力,盾构法己 从一种只能在极少数欧美发达国家中才见应用的特殊技术, 发展成为在发达国家中极为 普通,在发展中国家中亦逐渐得到应用的隧道施工技术。据说最早发明盾构法的思路是来自发明者的一个有趣的发现,

3、英国的布鲁诺尔发现 船的木板中, 有一种蛀虫钻出孔道, 并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上。 1818年布鲁 诺尔在蛀虫钻孔的启示下,最早提出了用盾构法建设隧道的设想,并且在英国取得了该 施工法的专利。 1825年, 布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构, 并第一次在泰晤士河施工 了水底隧道。这条道路隧道的断面 (11.4m*6.8m相当大,施工中遇到了坍方和水淹,加 上隧道的损坏, 当时处于难于进展的状态, 由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法, 隧道施工中两次被淹,后来在东伦敦地下铁道公司的合作下,经过对盾构施工的改进, 用气压辅助施工, 花了 18年的时间才于 1843年完成了全长 458m

4、的第一条盾构法隧道。 1865年巴尔劳首次采用圆形盾构,并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。 1869年,他 用圆形盾构在泰晤土河底下建成了外径为 2.2lm 的隧道。在盾构穿越饱和含水地层时, 施加压缩空气以防止涌水的气压法最先是在 1830年由口切兰斯爵士 (LordCochrance发 明的。 1874年,在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中建造内径为 3.12m 的隧道时,格雷塞德 (HenryGreathead(1844-1896综合了以往所有盾构施工和气压法 的技术特点,较完整地提出了气压盾构法的施工工艺,并且首创了在盾尾后面的衬砌外 围环形空隙中压浆的施工方法, 为盾构法发展起

5、了重大的推动作用。 1880一 1890年间, 在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径 6.4m ,长 1800m 的水底铁路隧道。二十世纪初,盾构施工法己在美、英、德、苏、法等国开始推广。 3040年代在这 些国家已成功地使用盾构建成内径自 3.0-9.5m 的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在 美国纽约就采用气压法建成了 19条重要的水底隧道,盾构施工的范围很广泛,有公路 隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用设施管道等。苏联 40年代初开始使用直 径为 6.09.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等市修建地下铁道的区间隧道及车站。 2盾构技术发展概况2.1 国外盾构技术发展概述从

6、 20世纪 60年代起,盾构法在日本得到迅速发展,除了大量在东京、大阪、名古 屋等城市的地下铁道建设中外,更多地是用在下水道等市政公用设施管道建设中。 70年代, 日本及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的 地表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题,研制了各种新型的衬砌 和防水技术及局部气压式、 泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设 备。其中值得一提的是日本的盾构发展情况。日本是欧美国家以外第一个引进盾构施工 技术的国家。 1939年的关门隧道是日本首次采用盾构施工技术的隧道工程。 由于战争及 战后困难时期的缘故,此项技术一直没有得到发

7、展。直到 1957年东京地铁的丸之内线 采用盾构施工技术修建了一段区间隧道, 1961年名古屋地铁采用此法修建了觉王山区间 隧道取得圆满成果之后,盾构施工技术在日本有了飞速的发展。在短短的 20余年之内 共制造了 2000余台盾构,在世界上处于领先地位。日本的机械式盾构是和手掘式盾构 同时研究发展起来的。 1963年,大阪市上水道大淀送水管工程 (总长 227m 首次应用了 外径 2.592m(隧道外径 2.35m 的机械式盾构。 1967年, 日本近轰铁道难波线上本盯难波 间 1488m 区间采用了外径为 10.041m(隧道内径 9.90m 的机械式盾构。从此,人们对机 械式盾构更为关注,

8、使能够用于日本那样复杂地层的各种机械盾构进一步得到了发展。 特别是小断面盾构,在缩短工期的研究中也取得了很大的进步。同时在软弱地基中还研 制了挤压式盾构。 1993年建成的、连接英法两国的英吉利海峡隧道,全长 48.5km ,海 底段长 37.5km ,隧道最深处在海平面下 1O0m 。这条隧道全部采用盾构法技术施工,英 国一侧共用 6台盾构, 3台施工岸边段, 3台施工海底段,施工海底段的盾构要向海峡 中单向推进 21.2km ,与从法国侧向英国方向推来的盾构对接。法国侧共用 6台盾构, 2台施工岸边段, 3台施工海底段。 海峡隧道由 2条外径 8.6m 的单线铁路隧道及 1条外径 为 5.

9、6m 米的辅助隧道组成。由于海底段最大深度达 IO0m ,因此无论盾构机械还是预制 钢筋混凝土管片衬砌结构均要承受 10个大气压的水压力,又由于单向推进 21.2km ,盾 构推进速度必须达到月进 10O0m 的速度才能在 3年左右的时间内完成, 因此盾构的构造 及其后续设备均须采用高质量的耐磨耗及腐蚀的材料。 所以该隧道的修建标志着盾构施 工技术的最新水平。2.2我国盾构技术发展概述2.2.1我国早期的隧道掘进机20世纪 50年代初, 东北阜新煤矿用直径 2.6m 的手掘式盾构及小混凝土预制块修建 疏水巷道, 这是我国首条用盾构掘进机施工的隧道。 1957年、 北京市下水道工程采用直 径 2

10、.Om 和 2.6m 的盾构进行施工。 1963年, 上海隧道股份结合上海软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数,隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研 制了 1台直径 4.2m 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验,隧道掘进长度 68m 。 2.2.2 20世纪 60、 70年代掘进技术的发展与应用1965年,由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的 2台直径 5.8m 的网格挤 压型盾构掘进机,掘进了 2条地铁区间隧道,掘进总长度 1200m 。 1966年,上海打浦路 越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、 江南造船厂制造的我国第一 台直径 10.2m

11、超大型网格挤压盾构掘进机施工,辅以气压稳定开挖面,在黄浦江底顺利 掘进隧道,掘进总长 1322m 。 70年代,采用 1台直径 3.6m 和 2台 4.3m 的网格挤压型盾 构,在上海金山石化总厂建设 1条污水排放隧道和 2条引水隧道,掘进了 3926m 海底隧 道,并首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。2.2.3 80年代我国隧道掘进技术的进步和发展1980年, 上海市进行了地铁 1号线试验段施工, 研制了一台直径 6.41m 的刀盘式盾 构掘进机,后改为网格挤压型盾构掘进机,在淤泥质粘土地层中掘进隧道 123Om 。 1985年,上海延安东路越江隧道工程 1476m 圆形主隧道采用上海隧

12、道股份设计、江南造船厂 制造的直径 11.3m 网格型水力机械出土盾构掘进机。 1985年, 上海芙蓉江路排水隧道工 程引进一台日本川崎重工制造的直径 4.33m 小刀盘土压盾构,掘进 15O0m ,该盾构具有 机械化切削和螺旋机出土功能, 施工效率高, 对地面影响小的特点。 1987年上海隧道股 份研制成功了我国第一台小 4.35m 加泥式土压平衡盾构掘进机, 用于市南站过江电缆隧 道工程,穿越黄浦江底粉砂层、掘进长度 583m ,技术成果达到 80年代国际选进水平, 并获得 1990年国家科技进步一等奖。2.2.4 90年代后我国隧道掘进技术的发展和现状1990年,上海地铁 1号线工程全线

13、开工, 18km 区间隧道采用 7台由法国 FCB 公司、 上海隧道股份、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的小 6.34m 土压平衡盾构掘进 机。 1996年,上海地铁 2号线再次使用原 7台土压盾构,并又从法国 FMT 公司引进 2台土压平衡盾构,掘进 24km 区间隧道,上海地铁 2号线的 10号盾构为上海隧道股份自 行设计制造。 90年代,上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了 6台中 3.8一 6.34m 土压平衡盾构,用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等,掘进总长度约 10km 。在 90年代中,直径 1.5一 3.0m 的顶管工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡顶管机,在 上海

14、地区使用了 10余台,掘进管道约 20km 。 1998年,上海黄浦江观光隧道工程购买国 外二手中 7.65m 中折式土压平衡盾构,经修复后掘进机性能良好,顺利掘进隧道 644m 。 1996年,上海延安东路隧道南线工程 130Om 圆形主隧道采用从日本引进的小 11.22m 泥 水加压平衡盾构掘进机施工。 1996年, 广州地铁 1号线 8.skm 区间隧道由日本青木建设 施工,采用 2台中 6, 14m 泥水加压平衡盾构和 1台中 6.14m 土压平衡盾构。 1999年 5月,上海隧道股份研制成功国内第 1台 3.8mX3.8m 矩形组合刀盘式土压平衡顶管机,在 浦东陆家嘴地铁车站掘进 1

15、20m ,建成 2条过街人行地道。 2000年 2月,广州地铁 2号 线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的 2台中 6.14m 复合型土压平衡 盾构,在珠江底风化岩地层中掘进。 2001年以来,广州地铁 2号线、南京地铁 2号线、 深圳地铁 1号线、 北京地铁 5号线、 天津地铁 1号线先后从德国、 日本引进 14台中 6.14m 一 6.34的土压盾构和复合型土压盾构,掘进地铁隧道 50km 。3面临的问题及及解决思路虽然盾构工法有着非常大的优势,但在地铁建设中由于盾构设备利用率偏低、盾构 区间分散、盾构机的始发、调头和转场等次数过多以及大量的非正常掘进工期过多和额 外成本较多

16、等问题的出现,成为了许多专家对盾构法的施工速度快、工程成本低的优势 产生质疑的最为直接的原因。可以看到,由于地铁车站间的间距 (以北京地铁为例,约 Zkm 左右 较小,导致盾构法修建区间隧道的长度较短,施工工期较短 ; 而地铁车站施工 工期较长 (一般为 2一 2.5年 , 两者工期的不相匹配要求盾构区间相邻车站的站端要为 盾构机的始发和到达或过站提供相应的条件。 这要求在盾构施工组织编制和整条线路工 程筹划时必须协调好两者的关系,这种协调也就极大地影响着整个工程的进度。因此, 为解决目前国内区间盾构施工和车站施工工期矛盾的问题, 寻求盾构法在我国地铁工程 中大规模应用的突破口。在此一些学者研

17、究提出了如下的设想方案 :(l整条线路先修车站, 再推区间的方案 :即待整条线路上的车站全部通过底板加宽 和加深的方式修建完工后,能够提供盾构拖拉过站的条件下,利用盾构机拖拉过站的方 式完成盾构区间的施工。(2整条线路先推区间, 再在条件成熟的位置建造车站的方案 :即首先利用盾构法将 整条线路上的区间修建完毕,而后再逐个落实预留车站周围的条件,采用多种方式修建 预留的地铁车站。以上两种方案均可以最大限度地解决车站与盾构区间施工的相互干扰, 使得区间工 法的选择不再成为其他专业的边界条件 ; 避免了周围建筑物和物业管理以及地下管线对 盾构区间施工的影响 ; 可以实现在有条件的区间首选盾构法的设计

18、思路,确保了盾构区 间最大程度的连续性,充分发挥盾构法施工速度快和长距离掘进的优势 ; 减少了盾构机 投入的数量、盾构井的建设数量以及盾构机拆装次数,从而提高盾构设备的利用率,增 加其使用寿命,降低建设成本,提高盾构法施工的综合经济效益。然而第一种解决方案 过于理想化,因为车站施工受到诸多因素的影响,往往因为地面建筑物的拆迁和交通疏 解及地下管线处理的难以协调,使得车站工期得不到保证,这样就会导致全线的施工工 期得不到保证,而且全线所有车站的底板加宽和加深增加了过多的额外工程造价,因此 从工程实际的角度来看,该方案可行性不高 ; 第二种方案使得整条线路的施工效率可能 达到最高。原因在于区间施工

19、有条件以最快的速度完成,即待盾构区间贯通后,可以采 用保留大部分管片、仅在管片上开洞提供乘客上下车的条件下,再暗挖或明挖拓展地铁 车站的方式。参考文献:1 关宝树、杨其新, 地下工程概论西南交通大学出版社, 20012 周晓军、周佳媚, 城市地下铁道与轻轨交通西南交通大学出版社, 20083 李志业、曾艳华, 地下结构设计原理与方法西南交通大学出版社, 20034 尹旅超, 日本隧道盾构新技术华中理工大学出版社 19995 乐贵平, 盾构法修建地铁地铁区间隧道施工技术及安全管理 北京市地铁新线工程施工技术培 训教材中国矿业大学力学与建筑工程学院地铁与轻轨课程报告 第 5 页 6 袁大军、小泉淳， 盾构工法的新动向北京市政技术第 22 期 7 张凤祥、朱合华、傅德明， 盾构隧道人民交通出版社 2004 8 轩辕、啸雯， 中国铁路隧道史中国铁道出版社 2004 9