[分享]盾构技术在中国的应用与发展

发表于2018-11-22     588人浏览     1人跟帖     总热度:192  

建国以来,盾构施工技术取得了突飞猛进的发展。目前,我国盾构施工的综合水平与使用手掘式盾构的50年代相比,已经产生了质的飞跃。施工设备不断创新,经历了从敞开式到密闭式的发展,盾构施工技术也经历了从手工作业、半机械化作业、工厂化作业的发展过程。

20 世纪:盾构施工在探索中起步

上世纪50年代至80年代,我国仅有少量工程使用了盾构施工,当时以敞开式盾构为主,所采用的盾构为自主研制的手掘式盾构或网格挤压式盾构。始建于1965年7月1日,1969年10月1日建成通车的北京第一条地铁,全长23.6km ,采用了明挖填埋法施工。与现在的地铁施工时静悄悄相比,那时的场面可谓壮观,从北京站到石景山一线几乎是同时分段开挖,并且是24小时不间断施工。虽然技术条件落后,但建设者们一直在地铁施工方法上进行开拓与创新。据悉,当时曾进行了盾构的技术攻关,但由于盾构需要隧道埋设比较深而且是暗挖,在当时来讲并不现实,随后,盾构试验告停。1986年在复兴门地铁折返线首次应用浅埋暗挖法施工并获得成功。

我国最早应用盾构始于1953年,东北阜新煤矿采用手掘式盾构修建了 2.6m的输水巷道。1963年起上海进行盾构法隧道技术的试验研究,全面开发了适应上海软土地层的网格挤压盾构、钢筋混凝土管片、隧道防水技术。1965年至1970年施工的上海打浦路越江隧道,是我国第一条采用大直径盾构施工的水底公路隧道,盾构隧道长1322m ,采用自主制造的10.22m 网格挤压盾构施工(图 1),盾构掘进速度只有 2m /日。

1983年至1988年施工的上海延安东路越江隧道,盾构隧道技术有了提高,1.33m网格挤压盾构增加了水力机械出土技术,见图2。盾构掘进速度3m /日,安全穿越了建筑群,隧道管片制作精度提高,隧道施工质量明显提高。


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1994年至1996年施工的上海延安东路越江隧道南线工程,采用引进的11.22m泥水加压盾构施工。掘进自动化和信息化水平提高,作业人员减少,盾构掘进速度提高到8m /日,工期缩短40%。

上海和广州地铁隧道成功使用先进的土压和泥水盾构为我国城市地铁大规模采用盾构法施工奠定了基础。

地铁区间隧道最早采用盾构法施工的是1965年上海地铁衡山路试验段,采用2台自主研制的5.8m 网格挤压盾构掘进600m,掘进速度4m /日,但施工引起的地面及房屋沉降较大。

1990年上海地铁1号线工程全线开工,18km 区间隧道首次采用了7台与法国FCB公司合作制造的6.34m土压平衡盾构,具有自动化程度高、对地层影响小的优点,盾构掘进速度提高到8m /日,地面沉降减少到3cm ,解决了盾构穿越建筑群的技术难题,见图3。

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图3  上海地铁Φ6.34m土压平衡盾构

1986年,中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构,并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。半断面插刀盾构 将“盾构法”与“浅埋暗挖法”紧密结合,丰富与发展了浅埋暗挖法施工技术,有效的解决了浅埋暗挖法施工中小导管注浆超前支护工序繁杂、进度慢等缺点。简化 施工工序,提高施工进度,降低工程成本。

1993年,全长18-24km的广州地铁1号线开工,6个区间隧道由日本青木公司采用台6-14m泥水盾构和1台复合型土压平衡盾构施工8-8km ,见图4。

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图4  广州地铁1号线盾构隧道

21世纪:盾构隧道技术创新和突破

城市地铁隧道盾构技术新进展 我国进入21世纪以来的10年中,盾构法隧道技术在地铁隧道、公路铁路隧道、水电隧道、市政公用隧道等工程中得到广泛的应用。我国现有15座城市在建50条地铁线路,长度达1154km,其中80%的区间隧道采用盾构法施工,盾构数量达300 台,成为世界上使用盾构最多的国家。至2015年前后,北京、上海、广州等22个城市将建设 79条轨道交通线路,总长2259.84km,总投资8820.03亿元。到 2015年前后,我国建成和在建轨道交通线路将达到158条,总里程将超过4189km 。

我国各城市的地质水文条件各异,采用的盾构和相应的施工挤术各不相同。以广州、深圳为代表的软土、软岩、硬岩复合地层,开发应用了复合型土压盾构施工技术,解决了刀具选型布置和工作参数优化、江底带压换刀、管 片上浮等技术难题。以北京、成都为代表的砂砾、砂卵 地层,开发应用了相应的盾构掘进技术。以上海为代表的饱和含水软土地层,开发应用盾构穿越建筑物和运营地铁隧道技术,还应用了双圆盾构和矩形隧道技术。大直径越江隧道盾构施工技术进入21世纪,我国城市建设步伐进一步加快,为完善城市道路骨干路网, 穿江越海隧道作为沿江沿海城市发展的立体交通网络得到了较快发展。

上海黄浦江底已建8条越江隧道,除1项采用沉管法施工外,全部采用大直径盾构施工,隧道外径一般为11m ,2来2去双管4车道。上中路隧道外径14.5m,首次采用双层4车道结构,为4来4去8车道(图5),采用1台当时世界上最大直径的14.87m泥水气平衡盾构。

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图5  上中路隧道图

举世瞩目的长江三大越江隧道工程全部采用盾构法施工。2008年12月28日建成通车的“万里长江第一隧” 武汉长江公路隧道,开启了长江地下过江的历史,使国人近百年的梦想成真!是目前中国地质条件最复杂、工程技术含量最高、施工难度最大的江底隧道工程。采用2台1.38m泥水盾构施工,施工人员成功攻克了五大世界性施工技术难题,见图 6。

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图 6 由中铁隧道集团施工的武汉长江隧道

8个月后,另一条号称“万里长江第一隧”的南京长江隧道全线双向贯通。南京长江隧道的“第一”在于攻克了6项世界级技术难题(即盾构直径超大、水土压力高、地质复杂、覆土厚度超薄、掘进距离长、施工风险高)。由中铁十四局集团采用2台德国海瑞克公司制造的14.9m泥水气平衡盾构掘进施工,攻克重重难题,规避了各种施工风险,取得了在特殊不良地质条件下施工的重大突破。

上海长江越江通道工程采用南隧北桥方案,南港隧道长约 8.95km,隧道内径13.7m,外径15.43m,为世界上直径最大的盾构隧道。采用目前世界最大直径的15.43m泥水盾构施工。隧道掘进仅用了19个月即于2008年9月实现贯通,掘进速度达12m /日,创月掘进500m的超大直径盾构掘进施工纪录,预计2009年12月建成通车。

海底铁路隧道工程于2007年11月开工的我国首条水下铁路隧道—广深港铁路客运专线狮子洋隧道,为双孔单线结构形式,盾构隧道全长10.8km,内径 9.8m,外径10.8m 。全隧采用4台NFM公司制造的11.18m泥水盾构分别由中铁隧道集团和中铁十二局集团施工,4台盾构分别在海底进行地中对接。

盾构国产化突围

上世纪90年代,我国盾构施工所采用的盾构以国外引进的土压平衡盾构和泥水盾构为主。同时也进行了盾构国产化的努力,目前我国已开始了大规模地进入盾构产业领域。目前国内已有中铁隧道、上海隧道股份、沈重、大重、大起、二重、广重、华隧通、首钢、天地重工、杭州锅炉厂、上海沪东厂、上海重型机器厂、资阳南车集团、中铁建等近20家企业涉足盾构产业。特别是中铁隧道集团和上海隧道股份公司由于经历了国内盾构技术发展的各个时期,通过引进、消化吸收和技术再创新,目前已真正具有了自主设计制造的能力,并实现了盾构设计、制造、施工与技术咨询的产业一体化,具备了与国外著名盾构制造商公平竞争的核心优势。

上世纪60~80年代的30年中,我国上海隧道工程公司和江南造船厂合作自主研制了4.2m~11.22m的网格挤压型盾构20余台,用于上海软土地区的地铁、越江道路、取排水、市政公用隧道工程。

1987年,上海隧道工程公司在消化吸收日本土压平衡盾构的基础上,自主设计制造了我国第一台4.35m加泥式土压平衡盾构,成功应用于穿越黄浦江的560m电缆隧道,后又用于1项过江电缆隧道和2项排水隧道工程4.35m土压平衡盾构技术成果获1990年国家科技进步一等奖。1990年以后,又陆续设计制造了3.8m~6.34m 土压平衡盾构8台,用于取排水隧道工程。由于盾构制作全部采用国产部件,其施工性能和寿命低于国外盾构。

2002年8月,地铁土压盾构列入国家“863计划”重大攻关项目,上海隧道工程股份有限公司、中铁隧道集团和多所大学联合,采用消化吸收、集成创新、自主设计、国际采购,完成了6.34m土压盾构“先行号”的研制(图 7),2004年9月应用于上海地铁 2号线西延伸段区间隧道工程,日掘进平均达8m以上,最高达30m,技术指标达国外同类盾构水平。2006年后,“先行号”盾构形成产业化,3年制造43台,打破国外盾构一统天下的局面。

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图7 “先行号”Φ6.34m土压盾构

2008年4月,中铁隧道集团研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构(图8),并成功应用于天津地铁3号线。同时,上海隧道和中铁隧道分别建立了具有国际先进水平的盾构试验平台和研发基 地。盾构主轴承、大功率减速器、大排量液压泵等关键 部件的国产化研发也逐步取得成果。

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 图8 中铁隧道集团研制的复合式土压平衡盾构

近年来,我国在大直径泥水盾构研发方面取得突破,2007年,北方重工集团与维尔特公司合作,设计制造6台11.55m泥水盾构,应用于铁路隧道工程。2008年10月,上海隧道工程公司自主研制的11.22m泥水盾构,应用于上海打浦路越江隧道复线工程。

在矩形盾构的研发方面,上海隧道工程公司于1998年研制1台3.8m×3.8m组合式矩形隧道掘进机,用于上海地铁2号线陆家嘴站过街地道工程。2003年自主研制1台先进的6m×4m偏心多轴式矩形隧道掘进机(图9),用于多项上海地铁过街地道工程,具有浅覆土施工和断面利用率高的优点。2005年,自主研制的特大断面的20m×6m反铲式矩形隧道掘进机,用于乌鲁木齐市辰也地下商场工程, 在4m浅覆土下掘进300m,隧道结构采用现浇钢筋混凝土衬砌,为此研发了隧道钢模板及液压拼装车。上述3项技术成果均获上海科技进步二等奖。

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图9   6m×4m矩形隧道掘进机


结语

经过不断的发展,我国在盾构隧道的设计计算、盾构的选型及配套、盾构的使用及施工技术等方面得到了快速的提高和发展,盾构施工技术已达到国际领先水平。在盾构的自主研发上,土压平衡盾构、泥水盾构的整机研发已达到国际先进水平,多项关键技术达到国际领先水平;已经掌握了盾构各子系统及整机的集成技术,掌握了结构件的设计制造技术与工艺,实现了部分关键部件的国产化,盾构后配套设施、运输设备和高精度管片钢模具等已能自主设计制造。

我国盾构施工技术在创新中发展,在发展中创新。在今天,盾构施工技术及盾构设计制造技术取得了辉煌成就,盾构施工技术已领先于世界,盾构制造已初步实现产业化,这充分反映了我国科研水平的进步和综合国力的不断提高。

我国城市地铁建设热潮和各种隧道工程建设的大力发展,为进一步发展盾构技术提供了不可多得的有利条件。毫无疑问,新世纪世界盾构技术的主要进展应该在中国,只要我们抓住这个战略机遇期,在不远的将来有望在盾构技术上领先于世界。

 


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 发表于2018-11-22   |  只看该作者      

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