小型盾构国内外发展综述

2019/6/18/20:59

????盾构作为地下隧道施工的关键设备,至今全世界已累计生产约1万多台。其中直径2~4.2m为小型盾构,较多的用于引水、排污、电缆、通信及其他市政公用设施综合管道工程;而直径4.2~7m为中型盾构,广泛应用于地铁隧道工程;直径7~12m为大型盾构,较多的用于水底公路及铁路隧道[1];直径13m以上的统称为超大型盾构。在全世界使用的盾构机中,80%左右是小直径盾构(φ≤5m)。

????我国自20世纪90年代中期以来,投入的设备数量以每年40%的数量高速增长,其技术发展日新月异。但国内大部分设备都依赖进口,为促进我国市政隧道和小型盾构技术的快速发展,有必要对小型盾构技术现状进行研究分析,探索小型盾构发展方向。

????1小型盾构隧道应用前景广阔

????市政小型盾构隧道经过100多年的发展,其技术水平已经完全成熟,并成为了发达城市市政建设现代化的象征。目前,发达国家现有地下管线总长约2000万km,为更新、修复管线,每年还需投资300~350亿美元。

????我国近年来的管线隧道正在逐步增多。据统计,我国每年需铺设的管线长度包括上水管5000km,下水管3000km,电讯管线26000km,此外还有30000km的管道急需更新和修复。但由于我国非开挖隧道施工起步较晚,盾构施工的工程不超过50项,还停留在传统开挖施工阶段,不但施工周期长、开挖深度和开挖直径有限,还会带来交通阻塞、影响地下空间整体开发、环保污染等诸多问题。解决城市内非开挖施工技术的问题已迫在眉睫,亟待采用更多的先进施工设备进行非开挖施工。

????根据国家大力推进城市市政管线改造、综合管廊及海绵城市建设等相关产业政策导向,未来小直径盾构在各类市政管线及综合管廊工程施工中的推广应用前景将十分广阔。

????2小型盾构国内外发展现状

????盾构问世至今已有近200年历史,起始于英国,发展于日本、德国。近30年来,由于土压平衡、泥水平衡、尾部密封等一系列技术难题的解决,使得盾构及其掘进技术有了较快发展,现已经可以设计出适合任何地质和各种施工情况的盾构。

????各大盾构厂家已经研制了大量2~5m直径盾构,并已应用于新加坡、迪拜等城市。国外主要的生产厂家有美国罗宾斯,日本三菱重工、川崎重工,德国海瑞克,法国NFM等。他们的产品一直占据着世界市场的绝大份额,其产品品质也得到广泛认可。由于近几年我国盾构事业的迅速崛起,进口盾构的份额逐渐减小。我国主要的生产厂家有中铁工程装备集团、中国铁建重工集团、上海隧道工程股份公司等。

????2.1国外小直径盾构发展现状

????国外小型盾构市场已经非常成熟。日本2006-2015年间生产3~6m盾构266台,小于3m盾构267台。据不完全统计,国外部分小直径盾构应用情况如表1所示。其中德国海瑞克仅2016年小直径盾构出厂95台,已经达到批量化生产。

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????日本由于常年降雨,为防止城市内涝,隧道施工以小型盾构居多。图1显示了日本2006-2015年间的盾构统计,直径小于3m的盾构占比43.8%,3~6m直径的盾构占比43.6%,小型盾构占据绝大多数比例。

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????2.1.1阿布扎比酋长国STEP深污水隧道工程案例

????阿布扎比酋长国STEP深污水隧道是阿布扎比酋长国的战略提高项目。STEP深污水隧道全长41km,分3个标段分开施工,开挖该隧道共需要8台盾构。第3台盾构于2011年7月始发,以每周100m的掘进速度稳步前行,于2012年6月贯通该区间。2013年3月,一段4.2km长的隧道开挖完成,标志着41km长的阿布扎比STEP主污水隧道项目完成了第5段贯通。

????2.1.2新加坡DTSSⅡ期深排隧道工程案例

????新加坡深层隧道污水处理工程二期(DTSSⅡ)是新加坡污水治理工程的一部分(一期工程已于2008年完工)。其中的深排隧道总长达到50km,隧道内径在3.0~6.0m不等,深度在35~55m之间,使用共计19台盾构掘进;剩余的50km左右的次级污水管(直径小于3m)采用顶管机等设备建设。

????2.2国内小直径盾构发展现状

????我国市政管线施工的盾构市场应用仍处在起步阶段。20世纪50年代初,阜新煤矿采用手掘式盾构修建了一条直径2.6m的排水通道,这是我国首例采用盾构方法进行隧道施工。1987年,上海市隧道公司承建过江电缆隧道工程,采用了我国制造的第1台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。1990年,上海市隧道公司采用自行制造的直径5.17m土压平衡式盾构施工上海合流污水治理工程过江隧道。之后,在微型盾构领域,我国分别研制成功第1台(φ2720mm)多刀盘土压平衡掘进机和第1台(φ1440mm)加泥式土压平衡掘进机,并取得了较满意的效果。

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????据不完全统计,国内该类盾构使用情况如表2所示,国外品牌占据主导地位,尤其以海瑞克占比最高。但国内品牌近年来发展迅速,以中铁装备为代表的小直径盾构已经达到国际先进水平,并在国内外多个项目中成功应用。

????2.2.1深圳某电力电缆隧道工程案例

????深圳某电力电缆隧道盾构区间设计管片内径4m,外径4.6m,环宽1.2m。采用中铁装备制造的开挖直径为4880mm的土压平衡盾构施工,本工程区间最大坡度为-50‰。

????施工中,盾构连续穿越长度约为1200m,创造了深圳地区复杂地层盾构连续掘进的最长记录。在施工过程中,项目先后解决了零距离下穿地铁、多次下穿城市主干道、长距离穿越中心公园人工湖以及全断面硬岩、风化岩层复杂地层等施工难题。盾构以最大沉降不超过5mm、最小净距仅3.3m的距离下穿运营地铁线路。

????2.2.2武汉某污水深隧工程案例

????武汉某污水深隧项目是国内首条污水处理深隧,施工中遇到了很多新难题。全长17.5km,盾构需要穿越强风化泥质细粉砂岩、砾卵石、中风化灰岩等复杂地层区段及岩溶区、湖区,在严西湖湖底处于岩溶强发育期,见洞率高达81.8%,这对盾构的整体密封性和开挖针对性提出更高要求。另外,隧道口面积只有普通地铁隧道的1/4,而埋深又是地铁的2倍,常规直径盾构难以满足使用,必须特殊设计小直径盾构。

????项目使用5台中铁装备集团特殊设计制造的4m级新型盾构进行掘进。总长约为120m的盾构进行分体始发,逐步下井掘进,在地下会合,实现整机掘进。这是国内首次开展小直径盾构管片与二衬混凝土结构同步施工、超长距离垂直和水平混凝土泵送技术应用。

????2.2.3广州某电力隧道工程案例

????2016年3月,广州某电力隧道推盾段顺利贯通,这是国内泥浓式推盾机技术在隧道施工中的首次运用。该工程前70m采用顶管法施工,后70m采用盾构法施工,隧道盾构段单线共设置6个小半径曲线转弯。

????推盾机集顶管推进与盾构掘进为一体,通过高浓度泥水对挖掘面以及超挖部分加压充满,再配合推盾机作业。该盾构集土压盾构与泥水盾构于一身,可进行小半径转弯。在短距离内可以进行顶管作业,在大转弯半径及远距离推进条件下可以实现盾构掘进功能。相比同类传统土压式设备,小型泥浓式推盾机施工最小转弯半径为前者的1/3,效率和推进距离则约为前者的3倍。

????3小直径盾构设计及施工的特点

????由于小直径盾构隧道修建时间一般晚于大直径隧道及地面主要建筑,小直径隧道线路设计时,为避开已有建筑物或隧道等,经常存在隧道曲线半径小的难题。该类型隧道对盾构的转弯半径、施工难度要求极高。由于隧道和盾构内部空间小,盾构整机布置、始发、转弯纠偏物料运输、施工操作等一系列难题应运而生。

????3.1始发井口小

????大埋深小直径隧道始发井由于施工成本、工期、环境的严苛要求,始发井的空间往往比较狭小,这对后续的盾构施工有很强的制约性。由于小直径隧道始发井尺寸远小于盾构总长,工程上多采用分体始发,保证井上设备占地空间小,减少对城市交通和环境的影响,且开挖成本低。

????分体始发是先将盾体和部分后配套拖车吊入始发井装配后,先始发掘进一段距离,再将剩余后配套台车全部吊装至始发井下进行整体始发作业。

????但当始发井的长度比盾构的盾体长度还小时,上述的分体始发方案则无法实施。盾体的各个部件只能在始发井下进行分部组装并分部向前推进。可以将刀盘和前盾吊至始发基座上,并将刀盘固定连接在前盾的前端,在特殊设计的带推力反力架和前盾之间安装下半环负环管片,推力反力架推动刀盘和前盾进行首次辅助推进。之后吊出负环管片,将中盾吊入始发井内并固定在前盾的后端,推力反力架推动刀盘和盾体进行二次辅助推进。随着盾体向前推进的同时,在推力反力架和中盾之间再次安装负环管片。同样的拆除负环管片,将尾盾吊入始发井内并固定在中盾的后端,使用推力反力架,将尾盾前推与中盾尾部对接,之后可以使用推进油缸进行正常的分体始发施工阶段。

????3.2物料运输困难

????小直径盾构隧道对盾构后配套各系统,如管片、渣土、轨道、耗材等物料的运输提出更高要求,导致盾构施工的复杂性及管理难度大大增加,也是影响设备掘进效率的重要因素。

????分体始发时,拖车顶层每节预留皮带机出渣口,皮带机随拖车的不断延长而延长,出渣口随着始发前进而后移,直至后移至设定整体掘进位置。另外,由于皮带机长度较长且为柔性体,在小半径转弯时,皮带运转时容易跑偏,造成掉渣、运渣量小、皮带磨损等问题。可以采用浮动式结构,皮带机可随之左右摆动,降低皮带机内外侧长度差,起到防跑偏功能。

????由于小直径盾构整体拖车长度较长,管片运输效率会对正常掘进形成制约。为加快运输进度,多采用集中运输存储方式。使用高效的多段吊机形式同时作业,拖车上的吊机直接吊运管片至拼装机后部位置进行存放。在拼装机位置另设吊机单独吊运管片至拼装位置,进行拼装。2套吊机互不影响,提高作业效率。

????3.3施工条件恶劣

????由于小直径隧道具有长距离、大埋深、地质条件复杂、施工通风及运输距离长等恶劣的施工条件,给盾构施工和人员安全带来一定挑战。

????地质风险主要存在于地层条件不均,地下水压力较大,地下不良地质较多。当遇到软硬相间地层,透水卵石地层,灰岩地区的溶洞等,都有非常大的施工风险;设备风险主要受控于外部的施工作业条件和内部的设备操作管理。

????通风问题也是制约施工进展的重大难题,对于小断面隧洞,通风难题更加严峻。现有的通风方式有独头压入式、抽出式、巷道式和复合式通风等4大类。独头压入式或抽出式通风一般用于单口掘进长度3km以内的隧洞,增加通风长度的途径是采用大风量风机和大直径管道,并设法减少风管的漏风。超过3km的隧洞常采用巷道式通风或复合式通风,但巷道式通风又多用于铁路隧道或矿井施工。长距离深隧工程因条件限制只能选用复合式通风方案。

????3.4盾构整机布置空间要求高

????由于隧道直径和整机空间较小,但相关的电器、液压等设备大小又必须满足使用要求,其外形很难相应缩小,因此对设备部件的合理布置要求更高。此外,由于隧道埋深大、直径小,存在地应力大、水头压力高等问题,对盾构的整机耐压能力、防卡盾能力也提出了更高的要求。同时由于埋深大,竖井的成本较高,造成整个隧道无中间竖井,盾构单次掘进距离长,对盾构整机可靠性提出更高的要求。

????3.5小转弯控制技术复杂

????小直径盾构隧道一般转弯半径较小,而曲线半径越小,盾构越长,则纠偏量越大。由于小曲线半径存在急转弯,管片的超装量较大,施工过程中如果控制不当,会出现管片碎裂、卡壳、滞后等问题,加大施工难度和地表沉降的控制难度。在使用铰接装置调向后,盾构掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形,需要配套使用仿形刀进行部分超挖。因此,控制好曲线隧道施工轴线成为掘进控制的关键。

????(1)小半径曲线隧道中宜采用小环宽管片,有利于减小侧向分力及管片中的应力集中现象,需同时调整衬砌楔形量、双道接缝防水、增加注浆孔等。

????(2)由于盾构推进中侧向分力的增大,通过增加管片内侧连接结构以增加纵向刚度和外侧地层早期加固2种方法保证盾构推进过程中反力的提供。

????(3)将小半径曲线隧道主机铰接调整到最理想的状态,以保证盾壳与洞壁的合适距离,尽量减少对土体的扰动。

????(4)利用铰接的同时,也要利用仿形刀实现超挖,使曲线施工更加容易。但需注意,超挖会使同步注浆浆液因土体的松动进入开挖面,加上曲线推进时反力下降的原因,会产生隧道变形增大的问题。超挖量最好控制在超挖范围的最小限度内。

????4国内小直径隧道及盾构的发展趋势

????12m以上的大直径盾构由于存在压力平衡不易控制、施工和运营风险大等问题,不是未来盾构发展的方向[3]。而适用于长距离掘进(大于2km)、大深埋施工的小直径盾构才是发展方向。

????4.1隧道埋深两极分化

????城市地铁、过街通道、地下停车厂等浅埋深隧道为方便通达,埋深不能太大。盾构在表面地层中掘进,对路基沉降十分敏感,沉降的准确控制成为施工重点。

????但由于上软下硬地层施工难度大,隧道线路不宜选在交界面处,应尽可能使盾构掘进断面位于全土层或全岩层中;其次覆土厚度太浅,往往影响地面交通,因此隧道选线具有埋深越来越大的发展趋势。随着各大城市地铁的修建,地下空间的逐渐开发及占用,地下空间只能向着更深领域发展。

????4.1.1浅埋隧道地层控制严格

????以合肥地铁二号线大众路站至出入场线站区间为例,盾构施工穿越超浅埋地层,隧道最浅埋深4.7m。盾构在该浅埋地层施工过程中,如果土舱压力过高,存在地面隆起、管线扰动过大的风险;土舱压力过低,存在盾构扎头的风险。另外,隧道正上方存在与隧道走向斜交燃气管线,由于盾构埋深最浅只有4.7m,推进过程中地层扰动大,管线沉降超标风险高。

????在施工中应加大泥浆管路流量,降低泡沫使用量,降低土舱内空气含量,防止停机时间过长导致的地面沉降,并降低掘进速度和刀盘转速,尽量减少地层的扰动,严控掘进方向,减少纠偏,严控出土量。此外,合理使用铰接,防止盾构扎头现象出现。顶部管线可以进行改迁,土体回填过程中可掺入水泥加固。掘进时实时监测,防止管线过大变形,及时调整同步注浆量,适时二次补浆,确保地面沉降、管线沉降在允许范围内。

????4.1.2深埋隧道盾构耐久性强

????国内深埋隧道案例有:广州深层隧道排水系统埋深40m,武汉大东湖核心区污水传输系统埋深30~50m,上海苏州河段深层排水调蓄管道埋深60m,规划中的昆明深隧排污隧道埋深50m;而国外深埋隧道案例更多,如美国芝加哥隧道和水库方案埋深46~88m,日本神奈川县矢上川地下调节池埋深55m。此类工程对盾构的要求越来越高,也要求盾构有更长的使用寿命。

????由于盾构承压能力高,因主驱动密封、铰接密封、尾盾密封直接与外界水土接触,应提高该3种类型密封的承压能力。目前地铁盾构多采用唇形橡胶密封,但其承压性能一般。可以采用新的回型密封、指型密封、气囊密封等密封形式,更换密封材质,增加密封数量等方法,实现承受高水压的目的。

????4.2盾构直径微型化

????微型盾构的种类和大中型盾构相似,但由于盾构尺寸较小,很多设备均需要小型化,因此在驱动方式等方面与大中型盾构有所区别。目前,国外在这方面的研究较多,如日本制管(NKK)在近20年来接受的盾构定货中,微型盾构就占到总数的46%。而国内对2m以下的微型盾构尚未真正展开相关的研究。

????4.3多维度盾构

????小直径隧道转弯半径往往不在一个平面上,会出现三维立体式的S型结构。成型隧道轴线应严格按照设计及规范要求施工,隧道拼装质量满足设计及规范要求。

????4.4盾构智能化

????随着云平台及人工智能的迅猛发展,为极大程度的降低施工风险,盾构施工的无人智能化成为未来的发展趋势。主要表现在地质预测超前化、导向测量自动化、管片安装自动化、参数监测实时化、刀具更换自动化、掘进控制智能化等方面。可以实现在办公室远程控制盾构操作,直接从计算机屏幕上获取远程施工的盾构图像和参数。根据大量的施工经验数据和理论分析,通过强大的云平台和智能算法,自动发出指令进行盾构的控制和操作。