國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工現(xiàn)狀淺析

李 軍/華北理工大學(xué)

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工現(xiàn)狀淺析

李 軍/華北理工大學(xué)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工的文獻(xiàn)及相關(guān)資料的查閱，從盾構(gòu)法概述、國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)發(fā)展史、國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工研究現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段的差距方面加以淺析，得出結(jié)論，根據(jù)簡(jiǎn)單的分析，對(duì)我國(guó)盾構(gòu)的今后發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

國(guó)內(nèi)；盾構(gòu)法施工；展望

一、盾構(gòu)法施工簡(jiǎn)介

（一）盾構(gòu)法施工概述

盾構(gòu)法施工是一種施工工藝，暗挖法隧道施工的一種，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。盾構(gòu)機(jī)則是其用到的最主要的機(jī)械，在施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)殼體和襯砌管片支撐隧道周?chē)鞣N壓力，運(yùn)用切削裝置進(jìn)行開(kāi)挖，將開(kāi)挖后的碴土利用專(zhuān)門(mén)設(shè)備運(yùn)出洞外，不斷進(jìn)行開(kāi)挖，掘進(jìn)，拼裝（預(yù)制管片），再開(kāi)挖，再掘進(jìn)，再拼裝的過(guò)程，最終完成整個(gè)隧道的施工[1]。

（二）盾構(gòu)法施工發(fā)展史簡(jiǎn)介

1.國(guó)外

盾構(gòu)法已經(jīng)有190多年的發(fā)展歷程。最早在1818年，布魯諾通過(guò)對(duì)生活中細(xì)節(jié)的觀(guān)察，敞開(kāi)式手掘盾構(gòu)的雛形被提出。1823年，盾構(gòu)首次在泰晤士河所修建的隧道中應(yīng)用。1869年，英國(guó)的格雷托海特開(kāi)始將盾構(gòu)法用于泰晤士河海底隧道，并且在某些方面對(duì)盾構(gòu)的展起了推動(dòng)作用。1887年，盾構(gòu)施工和氣壓組合工法結(jié)合，并用于倫敦鐵路隧道修建中。20世紀(jì)30～40年代，歐美國(guó)家可以成功的修建內(nèi)徑在3 m至9m的地下隧道。60年代，日本根據(jù)對(duì)不同種類(lèi)的盾構(gòu)的需求，發(fā)展迅速，進(jìn)而也推動(dòng)了盾構(gòu)法施工技術(shù)的發(fā)展。1974年日本首先研制出土壓式平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，這也標(biāo)志著盾構(gòu)法施工技術(shù)又進(jìn)入了新的階段。隨后世界各國(guó)根據(jù)本國(guó)的國(guó)情，及各種特殊工程的需要，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行使用和研究，一些發(fā)達(dá)國(guó)家整個(gè)盾構(gòu)法施工體系相對(duì)比較完整。目前，因?yàn)槿毡竞偷聡?guó)的盾構(gòu)法施工用的早，當(dāng)今其技術(shù)水平比較領(lǐng)先。國(guó)外盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)商具有很強(qiáng)實(shí)力的國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、日本、加拿大等。

2.國(guó)內(nèi)

20世紀(jì)中期，盾構(gòu)技術(shù)開(kāi)始傳入中國(guó)。1963年，上海建立了我國(guó)最早的盾構(gòu)施工技術(shù)研發(fā)基地，進(jìn)行盾構(gòu)的研究。1970年，直徑較之前大的擠壓式盾構(gòu)機(jī)在上海隧道工程中得以應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后期，仍然是在上海應(yīng)用比較廣發(fā)，并且土壓平衡式、泥水加壓式盾構(gòu)技術(shù)相伴進(jìn)行。2004～2006年，上海依舊是盾構(gòu)用到最多的地兒，其中包括“先行號(hào)”土壓平衡盾構(gòu)研制成功;2007～2008年，“中鐵 1 號(hào)”、“進(jìn)越號(hào)”相繼研制成功，其具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán); 2009～2012年，我國(guó)一些隧道工程仍然用到盾構(gòu)法施工，尤其指出2013年，煤礦斜井雙模盾構(gòu)在中國(guó)鐵建重工集團(tuán)的努力下研制成功，代表國(guó)內(nèi)擁有了與傳統(tǒng)不一樣的盾構(gòu);2015年，類(lèi)矩形盾構(gòu)、超大直徑泥水平衡盾構(gòu)等研制成功; 2016年，國(guó)內(nèi)最大直徑土壓平衡盾構(gòu)研制成功，其擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，我國(guó)的盾構(gòu)體系開(kāi)始逐漸完善。

二、關(guān)于國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工研究

（一）盾構(gòu)法施工過(guò)程中的研究

1.盾構(gòu)分體始發(fā)、始發(fā)與到達(dá)的研究

①盾構(gòu)分體始發(fā)

通常情況下地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)為整體始發(fā)，但對(duì)于一般的電力、熱力等隧道以及超過(guò)一定長(zhǎng)度的地鐵隧道區(qū)間依靠較小的施工豎井始發(fā)，從而不能在始發(fā)前將整個(gè)盾構(gòu)放置于始發(fā)井內(nèi)，分體始發(fā)因此而產(chǎn)生。

②盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)

盾構(gòu)始發(fā)出洞與接收進(jìn)洞安全問(wèn)題是盾構(gòu)法施工以往重要內(nèi)容。江玉生、王春河、江華等[2]對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究，并且在這方面提供了一些有價(jià)值的理論分析，供后續(xù)研究的借鑒。

2.聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法

張海濤、陳龍[3],通過(guò)查閱資料及歷史關(guān)于聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)的總結(jié)，較詳細(xì)設(shè)計(jì)了如何進(jìn)行凍結(jié)施工過(guò)程。

3.盾構(gòu)對(duì)地下管線(xiàn)影響研究

盾構(gòu)施工對(duì)地下管線(xiàn)要采取避讓?zhuān)h(yuǎn)離等措施，如果引起管線(xiàn)變形，除了帶給工程巨大經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)地面以上的相關(guān)企業(yè)人生安全等也會(huì)造成不同程度的損害，比如燃?xì)夤艿馈嬎艿赖绕茡p，對(duì)人們會(huì)帶來(lái)相當(dāng)?shù)牟槐恪?/p>

4.盾構(gòu)法施工+綠色施工技術(shù)

我國(guó)現(xiàn)在的盾構(gòu)法施工并不是只追求單調(diào)空洞的施工，而是在貫徹國(guó)家、行業(yè)和地方的相關(guān)政策和滿(mǎn)足施工相關(guān)功能的前提下,最大化節(jié)約資源,降低能耗,綠色施工。將"可持續(xù)發(fā)展"理念延伸到盾構(gòu)施工過(guò)程中,進(jìn)行"綠色建造",努力實(shí)現(xiàn)"四節(jié)一環(huán)保",這種以綜合效益最大化為目標(biāo)的建造模式也是各種盾構(gòu)施工建設(shè)的必然趨勢(shì)。

（二）盾構(gòu)法與礦山法的結(jié)合

在國(guó)內(nèi)城市軌道建設(shè)實(shí)踐中，將礦山法與盾構(gòu)法進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)得到了應(yīng)用。該要領(lǐng)原理是初期開(kāi)挖采用礦山法完成隧道開(kāi)挖和支護(hù)，后期則采用盾構(gòu)法施工。這也是我國(guó)在單一盾構(gòu)法施工不能進(jìn)行的情況下，集體智慧的結(jié)晶，盾構(gòu)法與礦山法的完美結(jié)合也將開(kāi)啟“盾構(gòu)法+”的時(shí)代。

（三）盾構(gòu)法施工的特殊形式

1.地面出入式盾構(gòu)隧道（GPST）

傳統(tǒng)的盾構(gòu)法需要做兩個(gè)工作井，作為始發(fā)井和接收井，中途需要檢修則需要更多豎井。而無(wú)工作井盾構(gòu)法隧道法技術(shù)是盾構(gòu)機(jī)由地表始發(fā)，進(jìn)行掘進(jìn)，最后盾構(gòu)到達(dá)也是在地表完成。該工法稱(chēng)之為地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)。

2.單襯砌盾構(gòu)法隧道

國(guó)內(nèi)單襯砌受高內(nèi)水壓的盾構(gòu)法隧道在青草沙水源處的一段隧道首次應(yīng)用，實(shí)踐證明該工程在經(jīng)濟(jì)、工期上均達(dá)到最優(yōu)化。除了實(shí)現(xiàn)工程最優(yōu)化，另外，對(duì)我國(guó)盾構(gòu)隧道襯砌方面提出了新思路，新想法，相信以后在這方面會(huì)有其他的創(chuàng)新，完善盾構(gòu)法施工體系。

3.現(xiàn)階段研究方向

超深復(fù)合地層中長(zhǎng)距離、大傾角盾構(gòu)施工安全控制、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)；盾構(gòu)施工超前地質(zhì)及環(huán)境預(yù)報(bào)；盾構(gòu)泥餅預(yù)防和控制技術(shù)；盾構(gòu)“欠壓”掘進(jìn)技術(shù)；盾構(gòu)機(jī)部件更換臨界條件的判定。

盾構(gòu)設(shè)備對(duì)于不同地質(zhì)條件下適應(yīng)性具體研究；盾構(gòu)設(shè)備制造技術(shù)；盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境的影響及控制；復(fù)雜條件(近距有其他施工、列車(chē)通過(guò)產(chǎn)生振動(dòng)等)下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能研究；襯砌結(jié)構(gòu)劣化特征與耐久性。

4.我國(guó)盾構(gòu)法施工與國(guó)外差距

我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)與國(guó)外相比的差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴關(guān)鍵部件。減速機(jī)、主軸承、變頻器、泵等盾構(gòu)關(guān)鍵部件在生產(chǎn)流程、材質(zhì)、優(yōu)越性等方面不及國(guó)外。

⑵國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范化程度較國(guó)外低。

⑶巖石掘進(jìn)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)并未掌握，依靠國(guó)外技術(shù)資源。

⑷超大直徑盾構(gòu)。特定條件下盾構(gòu)制造工藝、密封材料級(jí)別、結(jié)構(gòu)形式、快速更換刀具、大功率及高性能盾構(gòu)研發(fā)、變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面在國(guó)內(nèi)仍沒(méi)有效解決，與國(guó)外存在差距。

三、發(fā)展與展望

我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)日趨完善，通過(guò)對(duì)我國(guó)盾構(gòu)法施工現(xiàn)狀分析，可以預(yù)見(jiàn)其發(fā)展趨勢(shì)如下：

⑴由于我國(guó)各種隧道等工程的需求，盾構(gòu)機(jī)的數(shù)量會(huì)越來(lái)越多。

⑵由于我國(guó)的大型工程潛在的還有很多需要用到盾構(gòu)，“超級(jí)”盾構(gòu)（超大型或者超小型）也會(huì)應(yīng)用而生，將挑戰(zhàn)盾構(gòu)體系的種種極限。

⑶盾構(gòu)機(jī)的形狀也會(huì)因工程需要，日趨多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。

⑷盾構(gòu)法施工工藝會(huì)更加完善，達(dá)到監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)化、控制智能化、推進(jìn)快速化、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化、環(huán)保綠色化、安全穩(wěn)定化、管理網(wǎng)絡(luò)化。

⑸盾構(gòu)的性能越來(lái)越優(yōu)越，具備高適應(yīng)性，跨江、跨海、超復(fù)雜地質(zhì)、超深度開(kāi)挖的設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造模塊化、決策科學(xué)化。

⑹盾構(gòu)國(guó)產(chǎn)化程度會(huì)越來(lái)越高，與世界最先進(jìn)盾構(gòu)水平越趨接近。

四、總結(jié)

要到達(dá)國(guó)際最先進(jìn)水平不是一朝一夕的事，還是有一定差距，還需要穩(wěn)步發(fā)展，積極進(jìn)取，用世界的眼光看未來(lái)，在技術(shù)攻堅(jiān)上有自信、有創(chuàng)新，相信我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)會(huì)更加完善更加先進(jìn)。

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心.盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S].國(guó)家質(zhì)檢總局.

[2]江玉生,王春河,江華,等.盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)——端頭加固理論研究與工程實(shí)踐.人民交通出版社.2011: 23～40

[3]張海濤,陳龍.盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)[J].山東科技大學(xué),2016:104-151.