代洪波, 季玉國

(1. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250000; 2. 上海建通工程建設(shè)有限公司, 上海 200010)

0 引言

目前,國內(nèi)普遍認(rèn)為直徑10~14 m 的盾構(gòu)隧道為大直徑盾構(gòu)隧道,直徑14 m 及以上的盾構(gòu)隧道為超大直徑盾構(gòu)隧道[1]。 據(jù)此,1965 年6 月開工建設(shè)的盾構(gòu)刀盤直徑10.22 m 的上海黃浦江打浦路隧道和1982年9 月開工建設(shè)的盾構(gòu)刀盤直徑11.30 m 的延安東路隧道是我國大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開始[2]。 這2 個(gè)項(xiàng)目的建成通車,標(biāo)志著我國大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開始。

隨后,我國大直徑盾構(gòu)隧道經(jīng)歷了2001—2010 年的發(fā)展起步和2011—2020 年的快速跨越式發(fā)展2 大階段。 經(jīng)過20 年的發(fā)展,大直徑盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、規(guī)范、材料和施工技術(shù)管理等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),大直徑盾構(gòu)隧道綜合技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[3-6]。

雖然我國在大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)技術(shù)方面取得了一定成績,盾構(gòu)制造基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,但盾構(gòu)核心部件和設(shè)計(jì)軟件仍依賴于國外,大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)和安全仍存在不確定性,并時(shí)有工程事故發(fā)生。 隨著工程建設(shè)地域的擴(kuò)大和建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜,對我國盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、規(guī)范、材料和施工技術(shù)管理等方面提出了更高的要求。

從1965 年上海打浦路隧道修建以來,截至2021年底,國內(nèi)共修建大直徑盾構(gòu)隧道工程65 項(xiàng),超大直徑盾構(gòu)隧道工程59 項(xiàng)。 文獻(xiàn)[7]統(tǒng)計(jì)了我國水下隧道的開工年份、所在省級行政區(qū)、穿越水域、施工方法、用途等。 文獻(xiàn)[8]針對大直徑盾構(gòu)施工掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn),從土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)主軸承密封問題、常壓刀盤與常規(guī)刀盤的選擇問題、泥餅粘結(jié)和渣土滯排問題、前方復(fù)雜地質(zhì)預(yù)探問題、海中基巖爆破及注漿固結(jié)輔助處理等方面提出思考和建議。 文獻(xiàn)[9-10]總結(jié)了我國隧道掘進(jìn)機(jī)自主設(shè)計(jì)、制造的現(xiàn)狀,分析了研發(fā)制造中存在的關(guān)鍵問題。

本文對國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,并對綜合技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

1 大直徑盾構(gòu)隧道發(fā)展歷程

1.1 起源階段

1965—2000 年,是我國大直徑盾構(gòu)發(fā)展的起源階段。

我國第1 條大直徑盾構(gòu)公路隧道是上海黃浦江打浦路隧道,代號“651 工程”。 其于1965 年開工,1970年10 月竣工,1971 年6 月通車,全長2 761 m,盾構(gòu)刀盤直徑10.22 m,隧道外徑10.00 m、內(nèi)徑8.8 m,埋深34 m,坡度3.8%。 盾構(gòu)由上海江南造船廠制造,采用土壓平衡網(wǎng)格式盾構(gòu),是我國自行設(shè)計(jì)、自行制造和施工的第1 條大直徑盾構(gòu)隧道。

我國第2 條大直徑盾構(gòu)公路隧道是上海黃浦江延安東路隧道,于1982 年開工建設(shè),1988 年12 月北線貫通,1989 年5 月通車運(yùn)營,1996 年11 月南線隧道通車,是上海第2 條黃埔江公路隧道。 該隧道為雙管雙線4 車道,設(shè)計(jì)時(shí)速50 km,盾構(gòu)刀盤直徑11.30 m,隧道外徑11.00 m、內(nèi)徑9.90 m。

打浦路隧道(651 工程)和延安東路隧道南北線均由上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院(原為上海隧道工程設(shè)計(jì)院)設(shè)計(jì),采用江南造船廠制造的擠壓網(wǎng)格盾構(gòu)掘進(jìn)完成。 這2 項(xiàng)工程的建成,是我國大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開始。

1.2 發(fā)展起步階段

2001—2010 年是我國大直徑盾構(gòu)隧道的發(fā)展起步階段。 該階段盾構(gòu)主要以引進(jìn)國外設(shè)備為主,以國外技術(shù)服務(wù)為指導(dǎo),施工管理水平處于起步階段,各方面技術(shù)處于摸索階段。 該階段代表性工程有上海復(fù)興東路隧道、上海長江隧道、南京長江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道等。

2004 年9 月,上海黃浦江復(fù)興東路雙線隧道貫通運(yùn)營,是我國第1 條單管雙層盾構(gòu)隧道,也是世界上最早運(yùn)營的雙層盾構(gòu)隧道。 該盾構(gòu)刀盤直徑11.22 m,隧道外徑11.00 m,采用上層雙車道、下層大車單車道雙層雙管6 車道方式設(shè)計(jì)。

上海長江隧道盾構(gòu)于2006 年開工,2009 年竣工。盾構(gòu)隧道長7 476 m,為雙管雙向6 車道,隧道下層預(yù)留軌道交通,隧道外徑15.00 m、內(nèi)徑13.7 m,盾構(gòu)刀盤直徑15.43 m,最深處埋深55 m,為當(dāng)時(shí)國內(nèi)直徑最大、一次性掘進(jìn)距離最長的盾構(gòu)隧道代表性工程。

南京長江隧道[11]2007 年9 月開工,2009 年竣工。隧道盾構(gòu)段全長3 022 m,為雙管雙向6 車道,隧道外徑14.50 m、內(nèi)徑13.3 m,盾構(gòu)刀盤直徑14.93 m,隧道最大埋深60 m,最大水壓0.65 MPa,是當(dāng)時(shí)國內(nèi)建設(shè)難度最大的隧道。

廣深港高鐵獅子洋隧道[11]于2007 年11 月開工,2011 年3 月竣工,采用4 臺(tái)直徑11.18 m 的盾構(gòu)施工,隧道外徑10.80 m、內(nèi)徑9.80 m,是雙洞單線隧道,左右線各長10.8 km,是國內(nèi)第1 座水下高速鐵路隧道,也是當(dāng)時(shí)國內(nèi)里程最長、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的水下高速鐵路隧道,為國內(nèi)首次在軟硬不均地層中采用大直徑泥水復(fù)合盾構(gòu)掘進(jìn)的工程。 建設(shè)、設(shè)計(jì)和科研部門聯(lián)合攻關(guān),攻克了“高水壓、強(qiáng)滲透、巖石強(qiáng)度高”的地層,帶壓水下?lián)Q刀,并實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)60 m 地下精準(zhǔn)對接,標(biāo)志著我國長距離隧道科研和施工技術(shù)的突破,為我國大直徑盾構(gòu)隧道迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2008 年12 月,上海隧道工程有限公司聯(lián)合中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司(簡稱中鐵裝備)、浙江大學(xué)等單位成功研制了國內(nèi)首臺(tái)直徑11.36 m 的大直徑泥水盾構(gòu),并應(yīng)用于上海打浦路隧道復(fù)線工程。 它標(biāo)志著我國大直徑盾構(gòu)隧道裝備正式步入國產(chǎn)化,具有重要里程碑意義。

1.3 快速跨越式發(fā)展階段

2011—2020 年,我國大直徑盾構(gòu)隧道處于快速發(fā)展階段。 這個(gè)階段,我國大直徑盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、規(guī)范、材料和施工技術(shù)管理等方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 這一時(shí)期代表性工程有深圳春風(fēng)隧道和濟(jì)南濟(jì)濼路黃河隧道。

深圳春風(fēng)隧道盾構(gòu)于2019 年8 月始發(fā),盾構(gòu)段全長3 603 m,為單洞上下雙層公路隧道,隧道外徑15.20 m、內(nèi)徑13.70 m,盾構(gòu)刀盤直徑15.80 m,為我國自主設(shè)計(jì)制造的最大直徑盾構(gòu)。

濟(jì)南濟(jì)濼路黃河隧道是黃河上第1 條公路、地鐵合建的超大直徑盾構(gòu)隧道,盾構(gòu)隧道全長2 520 m,盾構(gòu)刀盤直徑15.76 m,隧道外徑15.20 m,分上下2 層,上層為3 車道,下層為軌道交通5 號線和輔助用艙室。該工程于2017 年開工,2021 年竣工。

該時(shí)期國產(chǎn)盾構(gòu)裝備有: 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司(簡稱中鐵裝備)直徑為15.8 m 的“春風(fēng)號”常壓刀盤巖石復(fù)合盾構(gòu)、直徑為12.26 m 的“海宏號”復(fù)合盾構(gòu)、直徑為15.03 m 的“汕頭海灣二號”復(fù)合盾構(gòu);中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司(簡稱中交天和)直徑為14.96 m 的“天和號”巖石復(fù)合盾構(gòu)、直徑為15.0 m 的“振興號”常壓刀盤復(fù)合盾構(gòu);中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司(簡稱鐵建重工)制造的直徑為11.75 m 的“沅安號”泥水常壓刀盤盾構(gòu)等。 諸多巖石復(fù)合常壓刀盤盾構(gòu)的設(shè)計(jì)研制成功,說明我國已掌握大直徑及超大直徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù),且達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2011 年以來是我國盾構(gòu)隧道技術(shù)快速跨越式發(fā)展時(shí)期,致力于“造世界最好的盾構(gòu)”,我國盾構(gòu)技術(shù)和施工管理技術(shù)從優(yōu)秀到卓越并走向世界,實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

1.4 高質(zhì)量智能化發(fā)展階段

2021 年之后,我國大直徑盾構(gòu)隧道進(jìn)入了高質(zhì)量、智能化發(fā)展階段。 經(jīng)過前20 年的發(fā)展,我國大直徑盾構(gòu)隧道在勘察規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、規(guī)范、材料和施工技術(shù)管理等方面取得了豐碩的成果,但在工程設(shè)計(jì)、裝備制造核心技術(shù)、盾構(gòu)施工技術(shù)管理和工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理及重大工程事故防范處理等方面仍需要進(jìn)一步提升,以實(shí)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)向高質(zhì)量、智能化、安全高效方向發(fā)展的目標(biāo)。 具體目標(biāo)是: 高質(zhì)量、低事故、盾構(gòu)更智能化、設(shè)計(jì)更合理、技術(shù)管理水平更高、軸承國產(chǎn)化、設(shè)備長壽命等。 今后仍需朝著設(shè)計(jì)優(yōu)化、裝備核心部件國產(chǎn)化、隧道施工智能化、施工技術(shù)管理更優(yōu)質(zhì)、施工更安全的方向發(fā)展。 盾構(gòu)智能化朝著多模式掘進(jìn)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、作業(yè)環(huán)境智能感知、智能掘進(jìn)和機(jī)器人換刀等方向發(fā)展[10]。

該時(shí)期代表性的盾構(gòu)裝備有: 中鐵裝備2021 年制造的用于武漢兩湖隧道直徑15. 09 m 的復(fù)合盾構(gòu)、中交天和制造的“運(yùn)河號”直徑16. 07 m 的巖石復(fù)合盾構(gòu)、鐵建重工制造的直徑16. 03 m 的武漢和平大道盾構(gòu)。

目前,國內(nèi)具有挑戰(zhàn)性的大直徑盾構(gòu)隧道工程有: 1)寧波—舟山海底超大直徑盾構(gòu)隧道,長16.18 km; 2)中俄東線天然氣管道穿越長江工程,隧道長10 226 m,盾構(gòu)一次性穿越施工; 3)上海北沿江水下高鐵隧道; 4)海太過江通道,為公鐵合建水下隧道,長約9.315 km; 5)武漢兩湖隧道。

武漢兩湖隧道東湖段采用直徑15 m 級的巖石復(fù)合常壓刀盤盾構(gòu)(如圖1 所示)施工,穿越地層為泥巖、灰?guī)r、局部泥質(zhì)粉砂巖及粉質(zhì)黏土。 為解決盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤結(jié)泥餅、滯排、堵艙等導(dǎo)致掘進(jìn)效率低的問題,選用大直徑泥水巖石復(fù)合常壓盾構(gòu),并在15 m 級超大直徑盾構(gòu)中首次采用氣墊螺旋機(jī)直排技術(shù)。

圖1 武漢兩湖隧道盾構(gòu)刀盤及盾構(gòu)主機(jī)剖面圖Fig. 1 Shield used in Lianghu tunnel in Wuhan, China

2 大直徑盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在參考文獻(xiàn)[7-8]的基礎(chǔ)上,對全國大直徑盾構(gòu)隧道進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)及調(diào)查核實(shí)可知,截至2021 年底,國內(nèi)開工修建10~14 m 大直徑盾構(gòu)隧道工程(10 m≤d＜14 m,d為盾構(gòu)刀盤直徑)共65 項(xiàng)(按工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì),同一項(xiàng)目多條隧道或多家單位施工的同一隧道工程項(xiàng)目按一個(gè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)),具體見表1;14 m 及以上超大直徑盾構(gòu)隧道工程(d≥14 m)共59 項(xiàng),具體見表2。大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目主要分布在華東、華南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省區(qū)和長江、錢塘江、黃河等水系發(fā)育地區(qū),其中,華東地區(qū)大直徑及超大直徑盾構(gòu)隧道工程共69 項(xiàng),約占56%,華南地區(qū)24 項(xiàng),約占20%。 本文按開工年份、所在省級行政區(qū)、盾構(gòu)刀盤直徑、盾構(gòu)制造廠商和隧道用途等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 截至2021 年底我國10~14 m 大直徑盾構(gòu)隧道統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of large-diameter shield tunnels with diameter over 10 m and under 14 m in China as end of 2021

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表2 截至2021 年底我國14 m 及以上超大直徑盾構(gòu)隧道統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of large-diameter shield tunnels with diameter over 14 m in China as end of 2021

表2(續(xù))

表2(續(xù))

表2(續(xù))

表2(續(xù))

表2(續(xù))

2.1 按開工年份統(tǒng)計(jì)

按開工年份統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見圖2。 由圖2 及表1 和表2 可以看出: 1)2000 年之前開工建設(shè)完成的3 項(xiàng)盾構(gòu)隧道均在上海;2001—2015 年開工建設(shè)42 項(xiàng)大直徑盾構(gòu)隧道,為大直徑盾構(gòu)隧道平穩(wěn)發(fā)展期;從2016 年開始進(jìn)入建設(shè)高峰期,2016—2020 年開工建設(shè)48 項(xiàng),2021 年開工建設(shè)35 項(xiàng)。 2)采用泥水盾構(gòu)施工的盾構(gòu)隧道110 項(xiàng),土壓盾構(gòu)施工11 項(xiàng),雙模盾構(gòu)施工3 項(xiàng)。

圖2 按開工年份統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布Fig. 2 Histograms of large-diameter shield tunnel projects according to start year

2.2 按所在省級行政區(qū)統(tǒng)計(jì)

按所在省級行政區(qū)統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布如圖3 所示。 由圖可以看出,上海市修建的大直徑盾構(gòu)隧道最多,為31 項(xiàng),其次是廣東省、浙江省和江蘇省。 浙江省抓住2022 年亞運(yùn)會(huì)發(fā)展時(shí)機(jī),大力開展城市快速道路改造和過江地鐵、公路建設(shè),上海市、江蘇省和湖北省主要建設(shè)長江水下公路隧道和地鐵過江通道,廣東省內(nèi)珠三角城市群主要建設(shè)公路、鐵路和高鐵大直徑盾構(gòu)隧道。

圖3 按所在省級行政區(qū)統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布Fig. 3 Histograms of large-diameter shield tunnel projects according to tunnel location

2.3 按盾構(gòu)刀盤直徑統(tǒng)計(jì)

按盾構(gòu)刀盤直徑統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見圖4。 由圖4 可以看出,直徑11~12 m、14~15 m 和15~16 m 的盾構(gòu)隧道數(shù)量占比最大。 結(jié)合表1 和表2可見: 15 m 以上盾構(gòu)隧道主要應(yīng)用于高速公路;14~15 m 盾構(gòu)隧道主要以公路軌道交通合建和公路隧道為主;直徑12~14 m 隧道主要應(yīng)用于鐵路、高鐵、城際鐵路和單洞雙線公路;直徑11~12 m 隧道主要應(yīng)用在城市地鐵快線和單洞雙線公路隧道。 我國第1 條直徑大于14 m 的盾構(gòu)隧道為上海上中路公路隧道,盾構(gòu)刀盤直徑14.87 m,于2004 年開工修建。

圖4 按盾構(gòu)刀盤直徑統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布Fig. 4 Histograms of large-diameter shield tunnel projects according cutterhead diameter

2.4 按盾構(gòu)制造廠商統(tǒng)計(jì)

按盾構(gòu)制造廠商統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見圖5。 從圖5 可以看出,我國大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目中,海瑞克制造的盾構(gòu)參建項(xiàng)目數(shù)量最多,多用于2015 年之前開工的工程;中鐵裝備制造的盾構(gòu)參建項(xiàng)目數(shù)量為32 項(xiàng),位居第二。 2016 年以后國產(chǎn)大直徑盾構(gòu)參建項(xiàng)目占85%以上。

圖5 按盾構(gòu)制造廠商統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布Fig. 5 Histograms of large-diameter shield tunnel projects according to manufacturer

截至2021 年底,國內(nèi)59 項(xiàng)14 m 及以上超大直徑盾構(gòu)隧道中,采用國產(chǎn)盾構(gòu)的有26 項(xiàng),占比44%。 這個(gè)占比偏低的原因是2008 年之前大直徑盾構(gòu)主要依賴進(jìn)口,2015 年后國產(chǎn)大直徑盾構(gòu)市場占有率大幅度提高。 近幾年,國內(nèi)中鐵裝備、中國鐵建重工、中交天和和上海隧道工程有限公司等綜合占有率達(dá)85%以上。 例如: 2020 年開工建設(shè)的上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線隧道工程使用的8 臺(tái)直徑14 m 級的盾構(gòu)均由國內(nèi)3 家盾構(gòu)廠家制造。

2.5 按隧道用途統(tǒng)計(jì)

按隧道用途統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見圖6。 從圖6 可以看出,公路隧道項(xiàng)目最多,為65 項(xiàng),占比約52%,其次是城市快速路、地鐵、鐵路和高鐵隧道等項(xiàng)目。

圖6 按隧道用途統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布Fig. 6 Histograms of large-diameter shield tunnel projects according to tunnel type

3 大直徑盾構(gòu)隧道應(yīng)用領(lǐng)域與代表工程

3.1 城市地下快速交通工程

北京地下直徑線鐵路隧道是北京站至北京西站地下鐵路樞紐工程,隧道全長7 285 m,盾構(gòu)段隧道長度為5 175 m,最大埋深41 m,采用單洞雙線設(shè)計(jì),盾構(gòu)刀盤直徑12.04 m,隧道外徑11.60 m,最小曲線半徑500 m,最大坡度20‰。 工程于2008 年開工,2013 年竣工,設(shè)計(jì)時(shí)速100 km,是當(dāng)時(shí)國內(nèi)復(fù)合地層最大直徑的盾構(gòu)隧道工程。

天津地下直徑線是天津西站至天津站的地下聯(lián)絡(luò)線,也是津秦客運(yùn)專線連接京滬高速鐵路的便捷通道。該工程于2009 年開工,2013 年底與津秦客運(yùn)專線同時(shí)竣工。 天津地下直徑線全長約5.005 km,其中,海河隧道全長2.146 km,設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h。

3.2 城市地鐵單管雙線軌道交通隧道

南京地鐵10 號線過江隧道工程,盾構(gòu)刀盤直徑11.57 m,盾構(gòu)段隧道長3 600 m,埋深58 m,為國內(nèi)最早穿越長江的水下大直徑地鐵盾構(gòu)單管雙線隧道工程。 該工程于2012 年開工,2013 年竣工,是我國當(dāng)時(shí)施工難度最大、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的過江盾構(gòu)隧道。 其修建為我國水下地鐵單管雙線隧道提供了設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn),其后國內(nèi)修建的南京地鐵3 號線過江隧道、杭州地鐵1 號線過江隧道、廣州地鐵4 號線南延段隧道、武漢軌道交通8 號線越江隧道、大連地鐵5 號線海底隧道等借鑒了其橫斷面的設(shè)計(jì)方案(如圖7 所示)。

圖7 南京地鐵10 號線過江單管雙線盾構(gòu)隧道橫斷面Fig. 7 Cross-section of Yangtze river-crossing tunnel in Nanjing,China with single tube and double tracks

3.3 城際高速鐵路隧道

廣深港高鐵獅子洋隧道是世界首座高速鐵路水下盾構(gòu)隧道,也是我國建成的最長水下隧道和首座鐵路水下隧道,其橫斷面見圖8[12]。 該隧道為雙洞單線隧道,是廣深港高速鐵路關(guān)鍵控制性工程,其穿越地質(zhì)與環(huán)境條件極為復(fù)雜的珠江入海口——獅子洋,設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h,盾構(gòu)段長9 277 m,為國內(nèi)首次連續(xù)穿越軟弱地層、土巖復(fù)合地層、基巖及其破碎帶的大直徑盾構(gòu),水壓力為0.67 MPa,是當(dāng)時(shí)國內(nèi)水壓力最大的盾構(gòu)隧道。

圖8 廣深港高鐵獅子洋隧道橫斷面圖[12]Fig. 8 Cross-section of Shiziyang tunnel[12]

該項(xiàng)隧道技術(shù)成果:

1)建立了高速鐵路水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)方法,解決了高速鐵路水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全保障及軌道平順性控制難題。

2)研發(fā)了盾構(gòu)地中對接技術(shù),解決了深水、寬海域下隧道修建難題;攻克了大直徑盾構(gòu)長距離連續(xù)穿越軟土、砂層、巖層及其破碎帶的技術(shù)難題。

3)提出了時(shí)速350 km 特長雙孔隧道凈空標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)車組火災(zāi)熱釋放功率標(biāo)準(zhǔn),建立了雙孔隧道水下緊急救援站,保證了高速鐵路水下隧道運(yùn)營舒適與疏散安全。

目前,我國正在建設(shè)的高鐵隧道有汕汕高鐵海底隧道、廣州白云機(jī)場廣河高鐵隧道和深江鐵路珠江口隧道。

3.4 雙管單層3 車道雙向6 車道公路隧道

汕頭海灣隧道設(shè)計(jì)為雙管雙向6 車道海底公路隧道,隧道橫斷面如圖9 所示。 盾構(gòu)隧道單線長約3 047.50 m,其中,西線采用我國自主研究制造的15.03 m 巖石復(fù)合常壓刀盤泥水盾構(gòu),東線采用海瑞克制造的泥水盾構(gòu)。 該隧道是我國第1 條地處8 度抗震設(shè)防烈度區(qū)的超大直徑海底盾構(gòu)隧道。

圖9 汕頭海灣隧道橫斷面(單位: mm)Fig. 9 Cross-section of Haiwan tunnel in Shantou, China (unit:mm)

汕頭海灣隧道有“大、高、硬、淺、險(xiǎn)”等特點(diǎn)?！按蟆敝改嗨畯?fù)合常壓刀盤盾構(gòu)直徑大,達(dá)15.03 m,為超大直徑盾構(gòu);“高”指海灣隧道位于高地震烈度區(qū),地震烈度達(dá)8 度;“硬”指隧道穿越孤石和海中基巖(花崗巖)段,巖石強(qiáng)度高,達(dá)130~160 MPa;“淺”指盾構(gòu)隧道覆蓋層厚度淺;“險(xiǎn)”指盾構(gòu)隧道地層復(fù)雜,施工難度大,風(fēng)險(xiǎn)高,隧道穿越軟硬不均地層及3 段長達(dá)182 m 的基巖花崗巖凸起段。

汕頭海灣隧道西線采用的泥水盾構(gòu)(常壓刀盤)是我國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司自主研發(fā)制造的首臺(tái)超大直徑15 m 級盾構(gòu),盾構(gòu)刀盤如圖10 所示。

圖10 汕頭海灣隧道盾構(gòu)刀盤Fig. 10 Shield cutterhead of Haiwan tunnel in Shantou, China

目前我國已經(jīng)建設(shè)的單層3 車道公路隧道有南京長江隧道、上海外灘隧道,正在建設(shè)的有江陰靖江過江通道、南京和燕路過江通道等。

3.5 雙管雙層上下4 車道雙向8 車道隧道

南京定淮門長江隧道全長7 368 m,其中,盾構(gòu)段隧道長度分別為5 290 m 和4 990 m,為雙管雙層雙向8 車道結(jié)構(gòu),隧道剖面如圖11 所示。 隧道外徑14.50 m、內(nèi)徑13.30 m,盾構(gòu)刀盤直徑14.93 m,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km。 工程于2010 年5 月開工,2015 年竣工。 該工程采用中交天和制造的2 臺(tái)巖石復(fù)合盾構(gòu),于2009 年制造并出廠,盾構(gòu)刀盤如圖12 所示。

圖11 南京定淮門長江隧道剖面圖Fig. 11 Cross-section of Dinghuaimen Yangtze river tunnel in Nanjing, China

圖12 南京定淮門長江隧道盾構(gòu)刀盤Fig. 12 Shield cutterhead of Dinghuaimen Yangtze river tunnel in Nanjing, China

目前,國內(nèi)采用單洞上下雙層設(shè)計(jì)方案的隧道還有揚(yáng)州瘦西湖隧道、深圳春風(fēng)隧道和武漢兩湖隧道(正在建設(shè))。

3.6 城市公路、地鐵合建隧道

武漢三陽路越江隧道工程,是世界上首條超大直徑公鐵合建盾構(gòu)隧道,分上中下3 層,上層為公路隧道排煙通道,中間層為三陽路公路3 車道行車道,下層為地鐵7 號線行車道及逃生、電纜和排煙通道,其剖面如圖13 所示。 該工程采用15.76 m 超大直徑盾構(gòu)施工,盾構(gòu)刀盤如圖14 所示。

圖13 武漢三陽路越江隧道剖面圖Fig. 13 Cross-section of Yangtze river-crossing tunnel on Sanyang road in Wuhan, China

圖14 武漢三陽路越江隧道盾構(gòu)刀盤Fig. 14 Shield cutterhead of Yangtze river-crossing tunnel on Sanyang road in Wuhan, China

該隧道施工通過人工換刀,解決了硬度堪比“鉆石”的地層條件,克服了刀具磨損快的“硬”考驗(yàn)。 在施工工藝創(chuàng)新上,通過單側(cè)更換常壓可更換刮刀措施,使得換刀數(shù)量較原來減少了一半。 重要推進(jìn)切削部位的刮刀始終保持新刀的狀態(tài),刀的利用率很高,節(jié)約了工程成本。

經(jīng)過多種材料多次試驗(yàn)的驗(yàn)證,最終決定在每次換刀作業(yè)完成后從刀筒向前艙壓注雙氧水,通過破壞附著于刀盤上泥餅的膠結(jié)方式,起到消除泥餅的目的。另外,為解決推進(jìn)速度慢的難題,采取增加中心刀筒沖洗次數(shù)、降低中心刀筒溫度以及增加沖洗管沖洗次數(shù)的方法,改善中心刀筒過熱泥餅結(jié)硬的情況,為切削下來的泥土留出更多的流動(dòng)空間,解決結(jié)泥餅和滯排的難題。

目前我國已經(jīng)建設(shè)的公路、地鐵合建隧道有上海長江隧道、濟(jì)南濟(jì)濼路黃河隧道、濟(jì)南濟(jì)濼路黃河隧道北延段。

3.7 管廊隧道

世界首條超高壓蘇通GIL 綜合管廊水下越江隧道[13]是淮南—南京—上海1 000 kV 交流特高壓輸變電工程的控制工程。 其采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)段長5 469 m,最大水壓力0. 8 MPa,盾構(gòu)刀盤直徑12. 07 m,采用2 層布置,上層布置2 回路GIL 管道及運(yùn)輸安裝和檢修維護(hù)通道,下層兩側(cè)預(yù)留2 回路500 kV 電纜廊道,中間設(shè)置巡檢通道,如圖15 所示。 隧道穿越地層主要有粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、細(xì)砂和中粗砂。 其中,細(xì)砂和中粗砂的標(biāo)貫擊數(shù)超過50,又稱“鐵板砂”。

該工程的特點(diǎn): 1)是世界上首條大直徑特高壓電力隧道; 2)是國內(nèi)首座水下輸電隧道; 3)是國內(nèi)在建的水壓最高的水下盾構(gòu)隧道; 4)是國內(nèi)在高磨蝕、強(qiáng)滲透地層中獨(dú)頭掘進(jìn)距離最長的隧道。

目前國內(nèi)采用大直徑盾構(gòu)建設(shè)的管廊隧道項(xiàng)目主要有杭州之江路輸水管廊及道路提升工程、中俄東線天然氣管道穿越長江工程。

圖15 蘇通GIL 綜合管廊水下越江隧道橫斷面 (單位: mm)Fig. 15 Cross-section of GIL Yangtze river-crossing tunnel (unit:mm)

3.8 特大直徑盾構(gòu)公路隧道

3.8.1 香港屯門隧道

2015 年,香港屯門至赤鱲角連接線隧道工程開始掘進(jìn),工程采用1 臺(tái)直徑達(dá)17. 60 m 的盾構(gòu)(見圖16)和2 臺(tái)直徑14 m 的盾構(gòu)施工,其中,17.60 m的盾構(gòu)直徑超過了西雅圖SR99 工程中直徑17.45 m 的盾構(gòu),成為當(dāng)今世界上直徑最大的盾構(gòu)。隧道從較硬的花崗巖到較軟的次固結(jié)海相沉積巖地層,從透水性強(qiáng)的沉積砂礫層到透水性弱的黏土變質(zhì)沉積巖地層。

圖16 香港屯門隧道盾構(gòu)Fig. 16 Shield tunnel of Tuen Mun, Hong Kong, China

3.8.2 機(jī)荷高速公路改擴(kuò)建工程——荷坳隧道工程

國家沈海高速公路深圳機(jī)場至荷坳段(機(jī)荷高速公路)改擴(kuò)建工程——荷坳隧道工程,將采用直徑18.1 m 的泥水平衡盾構(gòu)施工,盾構(gòu)隧道管片外徑17.5 m,其將是我國乃至世界上最大直徑的盾構(gòu)隧道工程。隧道采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)速100 km,為雙洞雙向8 車道。

3.9 垂直隧道工程

南京市河西沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目,是我國首次采用海瑞克垂直豎井掘進(jìn)機(jī)(VSM)施工的工程,現(xiàn)場及地質(zhì)剖面見圖17。 豎井內(nèi)徑12.00 m、外徑12.80 m,隧道開挖直徑13.00 m,開挖深度67 m。 施工中穿越多種地層,有厚達(dá)35 m 的粉細(xì)砂層、厚達(dá)10 m 的卵礫石層,最后進(jìn)入砂質(zhì)泥巖層。 隧道底部采用6 m 厚混凝土封閉,并施作鋼筋混凝土底板。 相較于傳統(tǒng)的明挖工藝,VSM 工法具有適合多種地質(zhì)條件下開挖作業(yè)、開挖速度快、占地面積小、低排放、低噪音、對周圍建筑影響小等優(yōu)勢。

圖17 南京市河西沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目Fig. 17 Hexi VSM vertical tunnel in Nanjing, China

4 大直徑盾構(gòu)隧道綜合技術(shù)現(xiàn)狀

4.1 勘察手段與方法

我國隧道現(xiàn)行勘察方法比較單一,主要以鉆探和物探為主,在復(fù)雜地質(zhì)條件、特殊地理?xiàng)l件和水下極端條件下工程勘察方法存在局限性、不確定性和準(zhǔn)確低等問題。

4.2 隧道方案規(guī)劃

2001—2010 年大直徑盾構(gòu)隧道發(fā)展初期階段,上海迎賓三路隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道、南京定淮門長江隧道等多條隧道采用上下4 車道雙層運(yùn)營方式,以期提高運(yùn)營效率。 但通過多年運(yùn)營和工程實(shí)踐,其運(yùn)行效果和安全舒適度等方面不如單層隧道,故近期或今后對于長度大于6 km 的中長隧道,采取單層3 車道或許是較合理的方案。

4.3 工程設(shè)計(jì)

1)我國大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)存在的問題是缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,例如: 公路、鐵路、城際、地鐵、公鐵合建等盾構(gòu)隧道直徑不統(tǒng)一,造成盾構(gòu)資源浪費(fèi)。

2)在基巖地層盾構(gòu)隧道的合理埋深方面,雖然在廣深港高鐵獅子洋隧道等某些工程中進(jìn)行了一定的研究,但尚未形成可以實(shí)用的計(jì)算公式[14]。

3)在結(jié)構(gòu)分析理論方面,目前主要針對運(yùn)營階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,雖然也考慮了施工荷載的影響,但在施工階段與運(yùn)營階段對結(jié)構(gòu)并未采用不同的安全標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致黏土地層中盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)配筋量明顯偏大。

4)個(gè)別隧道項(xiàng)目對國內(nèi)盾構(gòu)制造現(xiàn)狀和施工技術(shù)管理缺少深入研究,設(shè)計(jì)和施工銜接不夠。

5)對深埋高水壓隧道的密封設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多,隧道上浮和滲漏問題未根本解決。

6)對于長距離深埋高水壓水下隧道二次注漿孔的設(shè)置、啟用后永久封堵的安全性問題以及保證100年的隧道使用安全等問題,還需進(jìn)行深入研究,并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

7)盾構(gòu)工作井逆作法和嵌巖必要性問題、水下開挖方案合理性問題等需進(jìn)一步論證。

8)全國尚未形成統(tǒng)一的大直徑盾構(gòu)隧道造價(jià)定額標(biāo)準(zhǔn),且各省市定額不完善。

4.4 大直徑盾構(gòu)裝備制造

近20 年來,我國大直徑盾構(gòu)經(jīng)歷了從國外引進(jìn)到自主制造,再到出口國外的發(fā)展過程。 目前,大直徑盾構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,并且出口多個(gè)國家和地區(qū),我國已成為盾構(gòu)制造大國和使用大國。 即便如此,盾構(gòu)核心部位軸承和設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)仍受制于國外。

近年,我國在盾構(gòu)主軸承研制應(yīng)用方面取得重大進(jìn)展,中鐵裝備聯(lián)合國內(nèi)知名企業(yè)進(jìn)行攻關(guān),研制出直徑3 m 級的盾構(gòu)軸承,并成功應(yīng)用于蘇州地鐵。 相信在不久的將來,我國在盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)方面會(huì)有突破,實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,解決“卡脖子”難題。 中鐵裝備所在地鄭州正著力打造中國乃至世界盾構(gòu)制造基地和出口基地。

4.5 施工技術(shù)管理

我國大直徑盾構(gòu)隧道施工企業(yè)大多以央企為主,大型民企也有參與,但不同企業(yè)之間技術(shù)管理水平有很大的差距。 施工技術(shù)管理現(xiàn)狀如下:

1)因工期壓力、造價(jià)壓力、質(zhì)量意識(shí)和技術(shù)管理水平等方面引起的施工質(zhì)量問題、安全問題,甚至工程事故屢有發(fā)生。

2)隧道裝備和地質(zhì)條件變化復(fù)雜,技術(shù)管理水平和精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度仍需提高。

3)國內(nèi)大型企業(yè)之間交流不暢,先進(jìn)的技術(shù)成果和管理經(jīng)驗(yàn)分享不夠。

4)超大直徑盾構(gòu)絕大部分為單一工程,規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不一,大直徑盾構(gòu)不能重復(fù)使用,閑置量較大造成浪費(fèi),且盾構(gòu)改造費(fèi)用高,設(shè)備占用資金較大。5)國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道工程迅速增加,企業(yè)項(xiàng)目管理人員的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)不能滿足工程要求,個(gè)別工程施工效率低,風(fēng)險(xiǎn)管控不到位,時(shí)常發(fā)生工程事故。

4.6 材料與防水

1)接縫防水密封墊方面。 個(gè)別工程防水材料采用再生材料制作或通過降低材料性能壓低造價(jià),導(dǎo)致防水質(zhì)量和耐久性堪憂,影響隧道工程使用壽命。

2)結(jié)構(gòu)材料方面。 目前以單一的鋼筋混凝土為主,纖維混凝土管片應(yīng)用很少,兼具結(jié)構(gòu)功能與防災(zāi)功能的新型混凝土材料需加強(qiáng)研究。

3)關(guān)于隧道的防水材料和防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究,以解決隧道永久性結(jié)構(gòu)防水和材料壽命短的問題。

4.7 規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

目前,關(guān)于盾構(gòu)隧道的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》和GB 18173.4—2010《高分子防水材料盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》。 另外,行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)有JTG/T 3371—2022《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(于2022 年6 月實(shí)施),企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有Q/CRCC 33304—2020《盾構(gòu)法水下交通隧道技術(shù)規(guī)程》、Q/CRCC 33302—2020《大直徑泥水盾構(gòu)施工安全技術(shù)規(guī)程》和Q/CECC 33301—2018《大直徑泥水盾構(gòu)施工技術(shù)指南》等,這4 本隧道規(guī)范規(guī)程屬于行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用有局限性,存在各行業(yè)不能統(tǒng)一使用的困難。 因此應(yīng)加大科研投入,完善盾構(gòu)隧道行業(yè)特別是針對大直徑盾構(gòu)隧道特點(diǎn)的設(shè)計(jì)、施工、材料和工程檢測等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5 大直徑盾構(gòu)隧道工程建設(shè)面臨的主要問題

5.1 隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

目前,盾構(gòu)直徑方面缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),鐵路、公路、市政、地鐵、城際、水利和電力等行業(yè)不統(tǒng)一,即使是同一使用功能的工程,或同一標(biāo)準(zhǔn)的工程,其盾構(gòu)直徑也不統(tǒng)一,因此新建工程時(shí)需新購或改造盾構(gòu)。 1臺(tái)大直徑盾構(gòu)造價(jià)2 億~4 億元,國外進(jìn)口盾構(gòu)造價(jià)約4.5 億元。 改造1 臺(tái)大直徑盾構(gòu)最少花費(fèi)幾千萬元,特殊大直徑盾構(gòu)改造費(fèi)可達(dá)上億元,1 臺(tái)盾構(gòu)有時(shí)僅施工1 個(gè)工程項(xiàng)目后就閑置,造成盾構(gòu)設(shè)備資源浪費(fèi)。

5.2 盾構(gòu)裝備再制造產(chǎn)業(yè)化存在困難

大盾構(gòu)再制造方面,我國已編制出盾構(gòu)再制造維修標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 37432—2019《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)再制造》,建立了相應(yīng)的盾構(gòu)再制造專業(yè)廠和技術(shù)維修服務(wù)專業(yè)廠,但由于我國行業(yè)體制和行業(yè)自我保護(hù)原因,盾構(gòu)再制造產(chǎn)業(yè)化和推廣仍存在較大困難。

目前,國內(nèi)盾構(gòu)再制造比較成功的是上海隧道工程有限公司生產(chǎn)的S317 和S318 2 臺(tái)直徑15.43 m 泥水盾構(gòu),經(jīng)過再制造分別用于3 個(gè)和4 個(gè)工程,累計(jì)推進(jìn)里程分別達(dá)15.8 km 和19.2 km,創(chuàng)造了世界15 m 級超大直徑盾構(gòu)服役里程新記錄,值得提倡和推廣。

5.3 招投標(biāo)價(jià)格不合理,定額不完善、不統(tǒng)一

國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道領(lǐng)域競爭激烈,各大央企之間、地方民企之間投標(biāo)競爭不平等。 全國尚無統(tǒng)一的大直徑盾構(gòu)隧道定額標(biāo)準(zhǔn),且地方定額缺失,例如: 大直徑盾構(gòu)隧道的開艙費(fèi)用、刀具費(fèi)用及復(fù)雜地層條件的輔助費(fèi)用等無統(tǒng)一的定額標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 大直徑盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)問題

5.4.1 盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)損壞失效

國內(nèi)(外)均發(fā)生過多起主軸承密封系統(tǒng)失效的事故,主要表現(xiàn)為對盾構(gòu)選型與盾構(gòu)直徑和軸承直徑的匹配關(guān)系考慮不足,對土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)及其密封形式與地層環(huán)境條件的關(guān)系考慮不足,造成施工過程中甚至施工前期主軸承密封系統(tǒng)損壞失效,給工程帶來嚴(yán)重影響。

例如: 美國西雅圖的SR99 隧道,采用土壓平衡盾

構(gòu)施工,盾構(gòu)直徑17.45 m,主軸承直徑8.0 m,裝機(jī)功率為12 135 kW,遇到復(fù)雜地質(zhì)條件后,主驅(qū)動(dòng)主軸承密封損壞,被迫停工開挖豎井,更換修復(fù)耗時(shí)1 年半,修復(fù)處理花費(fèi)近2 倍盾構(gòu)造價(jià)[15]; 國內(nèi)南京長江水下地鐵大直徑盾構(gòu)和其他工程大直徑盾構(gòu)也曾發(fā)生過新購盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)不長距離后主軸承密封失效的事故,更換修復(fù)時(shí)間多在3 個(gè)月以上,花費(fèi)在2 千萬元以上。

5.4.2 盾構(gòu)裝備配套技術(shù)問題

1)在盾構(gòu)裝備方面,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究地質(zhì)適應(yīng)性、刀具及刀具更換技術(shù)、長距離掘進(jìn)設(shè)備耐久性技術(shù)、多模式盾構(gòu)技術(shù)等。

2)盾構(gòu)主軸承密封和盾尾密封尚無檢測平臺(tái)裝置,對于深埋隧道應(yīng)建立檢測裝置系統(tǒng)。

3)應(yīng)加大力度對盾構(gòu)滾刀材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸形式及切削機(jī)制進(jìn)行研究,保證刀具的適應(yīng)性。4)老黏土、硬黏土及膨脹性黏土的泥水分離技術(shù)尚不成熟。

5.4.3 國產(chǎn)大直徑盾構(gòu)研發(fā)制造存在的突出問題

1)設(shè)計(jì)軟件仍是國外產(chǎn)品,信息安全問題日益凸顯。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主軸承、減速機(jī)等關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口。

3)盾構(gòu)制造核心技術(shù)急需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,創(chuàng)新產(chǎn)品突破困難大。

4)盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象嚴(yán)重,泥水艙滯排問題嚴(yán)重,目前還未得到根本解決;盾構(gòu)制造仍存在不確定因素,應(yīng)防范機(jī)械制造質(zhì)量問題的發(fā)生。

5)常壓刀盤、刀盤伸縮系統(tǒng)及機(jī)器人換刀系統(tǒng)的可靠性及耐久性有待提高。

5.4.4 大直徑盾構(gòu)隧道施工重大技術(shù)難題

大直徑盾構(gòu)多以常壓刀盤為主導(dǎo),但由于其開口率低,多為30%左右,中心范圍4.5 m 以內(nèi)基本無開口,因此刀盤沖刷效果差。 加之氣墊艙底部設(shè)有格柵、攪拌器或碎石機(jī),前后艙之間設(shè)有閘門及刀盤開口區(qū)域設(shè)有小面板或輻條等,造成盾構(gòu)在卵礫石、漂石、老黏土及遇水軟化膨脹的泥巖、砂質(zhì)泥巖、含礫砂巖、凝灰?guī)r等地層中極易產(chǎn)生泥餅、滯排和堵艙現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)停滯及盾構(gòu)被卡被埋等事故。 刀盤刀具磨損事故處理時(shí)間長,是目前影響大直徑盾構(gòu)隧道施工的重大難題。5.4.5 盾構(gòu)常壓刀盤與常規(guī)刀盤的選型問題

對于大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(見圖18)和常規(guī)刀盤(見圖19)的選型,主要依據(jù)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)長度、巖石性質(zhì)、地下水、工程費(fèi)用、隧道軸線設(shè)計(jì)、盾構(gòu)開艙頻率及開艙總次數(shù)等綜合考慮。

圖18 常壓刀盤Fig. 18 Non-pressurized cutterhead

圖19 常規(guī)刀盤Fig. 19 Conventional cutterhead

常壓刀盤存在中心和刀筒沖刷困難的問題,膨脹巖層和黏土地層易產(chǎn)生泥餅、黏糊刀盤、滯排、堵艙等問題,但其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在相對安全的常壓狀態(tài)下更換刀具和在艙內(nèi)維修[14-15]。

常規(guī)刀盤適合掘進(jìn)距離相對較短、地層相對穩(wěn)定、換刀頻率低且換刀次數(shù)相對較少的工程項(xiàng)目,刀盤開口率一般高于常壓刀盤,刀具布設(shè)數(shù)量多。 常規(guī)刀盤盾構(gòu)總價(jià)相對較低,但采用帶壓開艙換刀時(shí)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)相對較高。

5.4.6 大直徑盾構(gòu)水下隧道的“上浮”和“滲漏”問題

1)盾構(gòu)管片上浮,多是因?yàn)榈貙痈凰宜惠^高,盾構(gòu)開挖與管片隧道間隙較大且未得到有效填充。減小隧道上浮主要可采用施工期隧道壓重、減小外部超挖間隙、及早及時(shí)填實(shí)盾構(gòu)開挖與管片隧道間隙等措施[16]。

2)隧道滲漏問題,比較復(fù)雜,也是難以解決的問題,在國內(nèi)已完工或正在施工的大直徑盾構(gòu)隧道工程中多次發(fā)生過此類問題。 解決的思路是必須系統(tǒng)全面地考慮工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)管理,并應(yīng)在分析隧道地質(zhì)水文條件的基礎(chǔ)上,優(yōu)化隧道的軸線(平縱曲線)、管片結(jié)構(gòu)(凹凸榫)、防水材料與防水設(shè)計(jì),從管片模具剛度、精度、強(qiáng)度,管片混凝土防水材料耐久性、可靠性粘貼,管片加工精度與螺栓孔防水,管片拼裝縱向縫和管片錯(cuò)臺(tái)、破損滲漏,同步注漿的配合比、性能及凝固時(shí)間,同步注漿的飽滿度、強(qiáng)度、抗?jié)B性、注漿壓力等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)控制。

5.4.7 大直徑盾構(gòu)隧道施工輔助技術(shù)

大直徑盾構(gòu)在巨大孤石、基巖凸起段、溶洞及破碎斷層段施工難度較大,處理手段復(fù)雜[17-18]。

1)水下海底巨大孤石和高強(qiáng)度基巖凸起段可采用預(yù)裂、劈裂或爆破技術(shù)處理,如海中基巖爆破注漿固結(jié)輔助技術(shù)。

2)對溶洞、破碎斷層地層進(jìn)行注漿加固,避免盾構(gòu)發(fā)生磕頭、卡機(jī)。

3)采用衡盾泥與克泥效輔助工法技術(shù),保證盾構(gòu)開艙作業(yè)安全,解決隧道掘進(jìn)過程中地面沉降控制問題。

4)對海中存在的大孤石、漂石造成盾構(gòu)被卡問題,采用人工劈裂機(jī)械處理技術(shù)[18]。

6 大直徑盾構(gòu)隧道發(fā)展與展望

我國大直徑盾構(gòu)隧道今后將朝著直徑特大、超長距離、超大埋深和較高水壓等方向發(fā)展,這必將對大直徑盾構(gòu)隧道在設(shè)計(jì)、盾構(gòu)裝備制造、施工綜合技術(shù)管理和工程事故風(fēng)險(xiǎn)防范等方面提出更高的要求[19]。

6.1 盾構(gòu)隧道由大直徑向超大、特大直徑發(fā)展

1)公路隧道盾構(gòu)直徑從12、15、16 m 向18 m 乃至更大直徑發(fā)展,例如: 北京東六環(huán)改造工程盾構(gòu)刀盤直徑16.07 m,深圳機(jī)場聯(lián)絡(luò)線公路隧道盾構(gòu)直徑將達(dá)18.10 m。 2)高鐵隧道盾構(gòu)直徑從9. 00、11. 76 m向13.45、15.00 m 發(fā)展,例如: 溫州市域鐵路S1 線盾構(gòu)直徑15.10 m。 3)地鐵盾構(gòu)直徑大多6.50 m,地鐵單洞雙線盾構(gòu)直徑11.76 m,地鐵快線如上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)直徑約14.00 m。

6.2 隧道埋深由淺埋、中埋向深埋、超深埋方向發(fā)展

武漢長江隧道埋深57 m,南京長江隧道埋深65 m,廣深港高鐵獅子洋隧道埋深67 m,南京定淮門長江隧道埋深75 m,佛莞城際鐵路新獅子洋隧道埋深78 m,蘇通GIL 綜合管廊水下越江隧道埋深80 m,海太過江通道隧道埋深90 m,深茂鐵路珠江口隧道埋深100 m[11]。

6.3 隧道地質(zhì)條件由單一均質(zhì)地層向混合和復(fù)合地層方向發(fā)展

隧道地質(zhì)條件向復(fù)雜多變方向發(fā)展,例如: 一些隧道沿線穿越軟土、砂層、卵礫石、漂石、孤石、溶洞和斷層等復(fù)雜地層。 1)南京第五長江大橋夾江隧道和江陰靖江過江通道穿越的地層為單一均質(zhì)的軟土地層,揚(yáng)州瘦西湖隧道穿越的地層為膨脹性的老黏土地層; 2)南京長江隧道、汕頭蘇埃通道和常德市沅江過江隧道穿越的地層為軟土和卵礫石混合地層; 3)南京定淮門長江隧道和武漢三陽路越江隧道穿越的地層為復(fù)合地層[11]。

6.4 隧道施工工法向多種工法組合發(fā)展

1)鉆爆法+盾構(gòu)法組合施工。 如深茂鐵路珠江口隧道和汕汕高鐵海底隧道。

2)泥水盾構(gòu)+土壓盾構(gòu)+礦山法組合工法。 例如:廈漳泉R1 線跨海隧道,即西海域跨海隧道,盾構(gòu)段隧道長3 160 m,盾構(gòu)直徑12.60 m,隧道外徑12.20 m,礦山法施工段長度為2 030 m,土壓盾構(gòu)施工長度為2 730 m,隧道全長8 920 m。

3)輔助工法和主工法組合。 例如: 大連灣海底隧道采取海上注漿填充溶洞+盾構(gòu)法穿越施工技術(shù),汕頭海灣隧道采用海上爆破處理孤石+盾構(gòu)法穿越施工的組合方法。

6.5 超大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目由1 家企業(yè)施工向多家企業(yè)共同施工方向發(fā)展

武漢兩湖(東湖、南湖)隧道、新建深圳皇崗路隧道、上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線等項(xiàng)目均由國內(nèi)3 家及以上企業(yè)共同施工完成。 其中,上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線由5 家單位施工,武漢兩湖隧道由7 家企業(yè)共同施工。

6.6 隧道向超長距離方向發(fā)展

1)擬建海太過江通道工程采用公鐵合建方案穿越長江,盾構(gòu)隧道全長9 300 m。

2)擬建寧波北侖—舟山金塘海底隧道,根據(jù)前期規(guī)劃,隧道全長16.18 km,其中,海底盾構(gòu)段長10.87 km,將是國內(nèi)設(shè)計(jì)最長、承受水壓最高的水下高鐵盾構(gòu)隧道。

3)正在建設(shè)的中俄東線天然氣管道穿越長江工程,隧道埋深85 m,地層為沼氣粉砂地層,一次性掘進(jìn)10 226 m。

4)擬建南京高鐵北站—南京火車站城際鐵路上元門過江通道長約14.20 km,盾構(gòu)直徑14.00 m,隧道外徑13.60 m。5)正在建設(shè)的上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線大直徑盾構(gòu)隧道總長達(dá)39.2 km。

6.7 常壓刀盤盾構(gòu)向2 個(gè)方向發(fā)展

1)常壓刀盤盾構(gòu)向小直徑方向發(fā)展,例如:中俄東線天然氣管道穿越長江工程,盾構(gòu)刀盤直徑7.95 m。2)常壓刀盤盾構(gòu)直徑向超特大直徑方向發(fā)展,國內(nèi)最大直徑盾構(gòu)將達(dá)18.10 m。

6.8 大直徑隧道掘進(jìn)機(jī)向垂直方向發(fā)展

1)新疆天山勝利隧道2 號豎井垂直隧道,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖直徑11.40 m,隧道深度706 m,是目前世界上采用豎井掘進(jìn)機(jī)開挖的最大直徑、最大深度的垂直隧道。

2)南京市河西沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目采用開挖直徑為13.00 m 的垂直隧道掘進(jìn)機(jī)(VSM)施工,深67 m,用途為地下垂直停車場。

6.9 盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)和功能向更可靠、更完善方向發(fā)展

隨著盾構(gòu)國產(chǎn)化水平的提高和隧道工程建設(shè)的需要,國產(chǎn)盾構(gòu)功能設(shè)計(jì)不斷完善,關(guān)鍵技術(shù)更加安全可靠,例如雙模和多模盾構(gòu)、盾構(gòu)機(jī)器人換刀技術(shù)、盾尾刷間隙自動(dòng)檢測技術(shù)和自動(dòng)掘進(jìn)控制技術(shù)等。 具體如下:

1)機(jī)器人換刀技術(shù)。

2)刀盤磨損檢測技術(shù)。

3)盾尾刷磨損自動(dòng)檢測技術(shù)及凍結(jié)更換技術(shù)。

4)刀盤伸縮裝備與冷凍刀盤技術(shù)。

5)主軸承設(shè)計(jì)壽命、主驅(qū)動(dòng)和盾尾密封的耐壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。 為適應(yīng)重大隧道工程施工安全和風(fēng)險(xiǎn)防范需求,盾構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和主要參數(shù)較之前有大幅度提高,例如: 中俄東線天然氣管道穿越長江工程所用盾構(gòu)(中鐵裝備“暢通號”)主軸承壽命標(biāo)準(zhǔn)由原來的10 000 h 提高到15 000 h,掘進(jìn)里程壽命由10 km提高到15 km,盾構(gòu)密封耐壓標(biāo)準(zhǔn)由1.0 MPa 提高到1.5 MPa。

6)盾構(gòu)自動(dòng)掘進(jìn)控制技術(shù)。7)盾構(gòu)有向智能化、多功能、多模式、類矩形和異形方向發(fā)展的趨勢。 目前,國產(chǎn)大直徑盾構(gòu)已從傳統(tǒng)的泥水、土壓平衡模式向雙模、多模式和直排式方向發(fā)展。

6.10 隧道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和定額需統(tǒng)一

1)隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡早統(tǒng)一,盡快實(shí)現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提高盾構(gòu)使用率,減少盾構(gòu)改造費(fèi)用和資源浪費(fèi)。

2)國家、省市或行業(yè)應(yīng)盡快制定不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下的定額標(biāo)準(zhǔn),使之規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

7 結(jié)論與討論

我國大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)取得巨大成就,推動(dòng)了我國乃至世界大直徑盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。 今后較長時(shí)間內(nèi),我國大直徑盾構(gòu)隧道仍將處于高速建設(shè)發(fā)展期,面臨的建設(shè)條件將越來越復(fù)雜,技術(shù)難度和挑戰(zhàn)也越來越大,要實(shí)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)快速、安全、健康發(fā)展,需要在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)、施工、裝備、材料、管理等方面完善和創(chuàng)新,解決處理好大直徑盾構(gòu)隧道技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題,重視地質(zhì)基礎(chǔ)研究,優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)制造關(guān)鍵核心技術(shù)的突破,提高綜合施工技術(shù)管理水平,防范施工重大事故發(fā)生,促進(jìn)我國大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)向高質(zhì)量、高智能、高安全性、低能耗方向發(fā)展。