土压盾构掘进机在我国隧道工程中的应用和发展
【摘 要】 文章介绍了我国隧道工程采用先进的上压平衡盾构掘进机的概况，重点介绍了各大城市地铁隧道应用土压盾构的实例。分析了在不同地层条件下土压盾构切削土砂及开挖面稳定的机理．用工程实例阐述盾构施工参数的匹配和控制的重要性。
【关键词】 隧道工程 盾构法施工 土压平衡控制
0引言
世界盾构隧道掘进机自1970年以来，开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压的2种新颖掘进机—泥水加压平衡盾构和土压平衡盾构，使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃。1975年，日本隧道业兴起了泥水加压盾构热，1978年起，土压盾构的应用也得到广泛的发展。日本成为泥水加压和泥土加压盾构应用得最多的国家。
1 近年来，我国的城市地铁隧道、市政隧道、水电隧道、公路交通隧道已经越来越多地采用全断面隧道掘进机施工，其中用得最多的是土压平衡盾构掘进机。上海、广州、深圳、南京、北京的地铁区间隧道已经采用了31台直径6．14～6．34m的土压平衡盾构，掘进区间隧道总长度达100km。土压盾构具有机械化程度高、开挖面稳定、掘进速度快、作业安全等优点，在隧道工程中有广泛的发展前景。土压平衡盾构掘进机的机理和适用地层
土压平衡盾构依靠大刀盘漩转切削开挖面土体，土砂切削后进人刀盘后的密封土舱下部的螺旋输送机把土砂送至盾构机后部，见图1历示。通过调整刀盘转速、推进速度来调整切削土量和出土量并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。
图1 土压平衡原理图
土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层，可采用复合型的土压平衡盾构。在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工，应在土舱、螺旋机内以及刀盘上注入润滑泥浆或泡沫，以改良ie的塑流性能。我国土压盾构的引进和消化吸收1985年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进日本川崎重工制造的一台φ4．33m小刀盘土压盾构构前端设有3只小刀盘切削丌挖面十体，切削土砂经螺旋输送机运至土箱。开挖而上压平衡，以减小对周围十体的抗压影响。芙蓉江路排水隧道掘进长度1 450m，这是我国引进的首六简易式土压盾构用于隧道工程，其施下性能和掘进速度均优丁以往的网格挤压型盾构。
1987年，上海隧道工程公司在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基硎止，研制了国内首台中4．3m加泥式土压平衡盾构掘进机，见图2。盾构的主要技术指标见表1。
图2 0435m加泥式土压平衡盾构
表1 巾4．35m土压平衡盾构主要工作参数
中4．35m土压平衡盾构用于市南站过江电缆隧道。隧道总长度534m，在黄浦江底掘进，隧道埋深
21～30m，穿越土层主要为砂质粉土。隧道掘进顺利解决了高水压情况下的密封和砂性土的加泥塑流技
术难题，该台盾构还用于福州路过江电缆隧道、上海污水治理1期丁程等多项工程，掘进总长度达4km。
1990年以后，上海隧道工程公司又自行陆续设计制造了10余台中3．8～中6．34m土压平衡盾构，用于取排水隧道和地铁隧道丁程。1993年制造1台中6．34m土压盾构，用于南京市夹江排水隧道工程，穿越粉砂地层，掘进长度1 294m。
3 土压平衡盾构在地铁隧道工程中的应用
3．1 上海地铁工程06．34m土压盾构掘进施工
1990年，上海地铁一号线开千建设，双线区间隧道选用土压平衡盾构掘进，经国际招标，7台中6．34m土压盾构由法国FCB公司、 卜海市隧道工程公司、上海市隧道工程设计院、上海沪东造船厂联合体中标，利用法国混合贷款1．32亿法郎。第1台中6．34m土压盾构于1991年6月始发推进，7台盾构掘进总长度17．37km，见图3所示，其主要技术性能见表1。
表2 06．34m土压平衡盾构主要工作参数
1993年2月全线贯通，掘进施工期仅20个月，每台盾构的月掘进长度达200～250m。掘进施工穿越市区建筑群、道路、地下管线等，地面沉降控制达—3～+1cm。φ6．34m土压平衡盾构
1995年上海地铁二号线24．12km区间隧道开始掘进施工，地铁一号线工程所用的7台中6．34m土压盾构经维修以后，继续用于二号线区间隧道掘进，同时又从法国FMT公司和上海的联合体购置2台土压盾构，上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构，共计10台土压盾构用于隧道施工。
于2000年开工兴建的上海地铁明珠线二期工程区I瞄道仍将使用这10台,1>6．34m土6砰衡盾构施工。2001年，向日本三菱重工购置4台 6．34m土压平衡盾构，共计14台酮正在掘进施工。
3．2 广州地铁工程06．14m复合型土压盾构掘进施工
1996年，广州地铁一号线工程中有8．825km区间隧道采用3台CD6．14m盾陶掘进施工，其中1台为复合型土压平衡盾构，2台为泥水加压盾构，均为日本川崎重工制造，由青木建设承包施工。烈士陵园站—农讲所~tr--公园前站2 970m区间隧道采用复合型土压盾构，其刀盘上设置了两种刀具，切削粘土的割刀和切削风化岩石的盘形滚刀。刀盘边缘还将有10cm的迢挖刀。盾构为铰接型，由前后两节组成，机身长7．8m，便于转弯纠偏，左右可纠转1．5度，上下可纠转0．5度。盾构最大推力为32 340kN，刀盘扭矩3430kN·m。广州地铁首次采用盾构施工，也是我国在风化岩地层中首次使用盾构，隧道的掘进速度、工程质量、施工安全均优于采用钻爆矿山法施工的地铁隧道。
2000年，广州地铁二号线工程海珠广场站至江南新村站3 423m园司隧道选用2台由上海隧道工程公司改制的qb6．14m复合型土压盾构掘进施工。盾构从珠江底穿越，埋深16-28m，掘进地层为含水丰富的弱风化岩、强风化岩和中风化岩。为解决因刀盘面板的粘结引起的进土不畅、推进速度慢、刀盘扭矩大的问题，在刀盘上加装了先行刀。2001年，广州地铁工程购置4台φ6．14m德国海瑞克公司制造的复合型土压盾构，掘进速度8m/d，最快达20m／d。
3．3 其他城市地铁的土压盾构应用情况
北京地铁五号线于2001年引进1进1台φ6．20m的海瑞克公司制造的土压盾构，用于试验段工程，其穿越土层为粘土、砂土、含砾砂土。为解决土砂的塑流，在土舱内添加泡沫剂，掘进速度已达8m／d。
南京地铁一号线约16km区间隧道全部采用φ6．34m土压盾构掘进施工，分别从日本和德国引进3台。目前，由上海隧道工程公司承包钓鱼台--三山街站区间隧道已完成上行线。
深圳地铁一号线益田--香密湖、罗湖—国贸2条区间隧道采用3台从日本三菱重和小松建机引进的φ6．14m 复合型土压盾构掘进施工。益田站---香密湖站区间隧道所处的地层为全风化—微风化的燕山期花岗和砾盾粘性土。盾构刀盘上装有切削刀、先行刀和盘式滚刀三种刀具。
4 异形土压盾构掘进机的研究和应用
4．1矩形土压盾构研制和应用
常用的盾构隧道掘进机为圆形，主要是圆形结构受力合理，圆形掘进机施工摩阻力小，即使机头旋转也影响小。但是圆形隧道往往断面空间利用率低，尤其在人行地道和在行隧道工程中，矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本20世纪80年代开发应用了矩形隧道，在20世纪90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构，并完成了多项人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等，使异形盾构技术日益成熟，异形断面隧道工程日益增多。
我国于1995年开始研究矩形隧道技术，1996年研制l台2．5mx2．5m司变网格矩形顶管掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴线控制、纠偏技术、深降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月，上海地铁二号线陆家嘴路站62m过街人行地道采用矩形顶管掘进机施工，研制1台3．8mx 3．8m组合 刀盘矩形顶管掘进机，具有全断面切削和土压平衡功能，螺旋输送机出土，掘进机的主要工作参数见表3，矩形顶管掘进机见图4。
4．2 双圆形土压盾构的研究和工程应用
日本已开发了双圆形、三圆形、多圆形盾构并用于地铁和其他隧道工程。近年来，上海隧道工程公司研究所也完成了对双圆隧道的可行性研究。并进行了霜圆隧道结构的缩尺模拟荷载试验。2002年，上海地铁M8线2区间隧道2．6km将采用DOT双圆盾构掘进施工，由上海隧道工程公司中标承建，将引进日本的DOT双圆盾构，于2002年底始发推进。
5结束语
土压平衡盾构掘进隧道具有土层适应范围广、掘进速度快、施工安全、工程质量好的优点，其施工成本已与矿山法接近，是适用于各类隧道工程的一种掘进机。我国各大城市地铁区间隧道工程普遍选用土压平衡盾构，并通过在各种不同地层中施工形成了成熟的工艺技术。不同的地层条件必须选用不同的刀盘形式、刀具形式和刀具的合理布置，其动力配置和施工参数也必须适应上层条件。
目前我国地铁隧道工程所用的土压平衡盾构，大部分是国外厂家制造的。盾构是—种集机、电、液、传感、计算机技术T--体的先进的工程机构，我国已起步研制各类土压盾构，并在工程中得到应用，相信在今后的隧道工程中将越来越多地采用自行设计制造的土压平衡盾构掘进机。
