代洪波, 季玉國(guó)

(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(guó)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(kāi)工建設(shè)的盾構(gòu)刀盤(pán)直徑10.22 m 的上海黃浦江打浦路隧道和1982年9 月開(kāi)工建設(shè)的盾構(gòu)刀盤(pán)直徑11.30 m 的延安東路隧道是我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開(kāi)始[2]。 這2 個(gè)項(xiàng)目的建成通車,標(biāo)志著我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開(kāi)始。

隨后,我國(guó)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(guò)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(guó)際領(lǐng)先水平[3-6]。

雖然我國(guó)在大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)技術(shù)方面取得了一定成績(jī),盾構(gòu)制造基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,但盾構(gòu)核心部件和設(shè)計(jì)軟件仍依賴于國(guó)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(lái)越復(fù)雜,對(duì)我國(guó)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(lái),截至2021年底,國(guó)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(guó)水下隧道的開(kāi)工年份、所在省級(jí)行政區(qū)、穿越水域、施工方法、用途等。 文獻(xiàn)[8]針對(duì)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(wèn)題、常壓刀盤(pán)與常規(guī)刀盤(pán)的選擇問(wèn)題、泥餅粘結(jié)和渣土滯排問(wèn)題、前方復(fù)雜地質(zhì)預(yù)探問(wèn)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(guó)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(wèn)題。

本文對(duì)國(guó)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(duì)綜合技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問(wèn)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(guó)大直徑盾構(gòu)發(fā)展的起源階段。

我國(guó)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(hào)“651 工程”。 其于1965 年開(kāi)工,1970年10 月竣工,1971 年6 月通車,全長(zhǎng)2 761 m,盾構(gòu)刀盤(pán)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(guó)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(guó)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(kāi)工建設(shè),1988 年12 月北線貫通,1989 年5 月通車運(yùn)營(yíng),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(pán)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的開(kāi)始。

1.2 發(fā)展起步階段

2001—2010 年是我國(guó)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(guó)外設(shè)備為主,以國(guó)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(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)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(yíng),是我國(guó)第1 條單管雙層盾構(gòu)隧道,也是世界上最早運(yùn)營(yíng)的雙層盾構(gòu)隧道。 該盾構(gòu)刀盤(pán)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(zhǎng)江隧道盾構(gòu)于2006 年開(kāi)工,2009 年竣工。盾構(gòu)隧道長(zhǎng)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(pán)直徑15.43 m,最深處埋深55 m,為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)直徑最大、一次性掘進(jìn)距離最長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道代表性工程。

南京長(zhǎng)江隧道[11]2007 年9 月開(kāi)工,2009 年竣工。隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)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(pán)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(guó)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(kāi)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(zhǎng)10.8 km,是國(guó)內(nèi)第1 座水下高速鐵路隧道,也是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)里程最長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的水下高速鐵路隧道,為國(guó)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(mén)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(duì)接,標(biāo)志著我國(guó)長(zhǎng)距離隧道科研和施工技術(shù)的突破,為我國(guó)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(jiǎn)稱中鐵裝備)、浙江大學(xué)等單位成功研制了國(guó)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道裝備正式步入國(guó)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道處于快速發(fā)展階段。 這個(gè)階段,我國(guó)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(zhǎng)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(pán)直徑15.80 m,為我國(guó)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(zhǎng)2 520 m,盾構(gòu)刀盤(pán)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(hào)線和輔助用艙室。該工程于2017 年開(kāi)工,2021 年竣工。

該時(shí)期國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)裝備有: 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱中鐵裝備)直徑為15.8 m 的“春風(fēng)號(hào)”常壓刀盤(pán)巖石復(fù)合盾構(gòu)、直徑為12.26 m 的“海宏號(hào)”復(fù)合盾構(gòu)、直徑為15.03 m 的“汕頭海灣二號(hào)”復(fù)合盾構(gòu);中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司(簡(jiǎn)稱中交天和)直徑為14.96 m 的“天和號(hào)”巖石復(fù)合盾構(gòu)、直徑為15.0 m 的“振興號(hào)”常壓刀盤(pán)復(fù)合盾構(gòu);中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司(簡(jiǎn)稱鐵建重工)制造的直徑為11.75 m 的“沅安號(hào)”泥水常壓刀盤(pán)盾構(gòu)等。 諸多巖石復(fù)合常壓刀盤(pán)盾構(gòu)的設(shè)計(jì)研制成功,說(shuō)明我國(guó)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(lái)是我國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)前20 年的發(fā)展,我國(guó)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(guó)產(chǎn)化、設(shè)備長(zhǎng)壽命等。 今后仍需朝著設(shè)計(jì)優(yōu)化、裝備核心部件國(guó)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(hào)”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(guó)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(zhǎng)16.18 km; 2)中俄東線天然氣管道穿越長(zhǎng)江工程,隧道長(zhǎng)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(guò)江通道,為公鐵合建水下隧道,長(zhǎng)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(jí)的巖石復(fù)合常壓刀盤(pán)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(guò)程中刀盤(pán)結(jié)泥餅、滯排、堵艙等導(dǎo)致掘進(jìn)效率低的問(wèn)題,選用大直徑泥水巖石復(fù)合常壓盾構(gòu),并在15 m 級(jí)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(pán)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(duì)全國(guó)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(guó)內(nèi)開(kāi)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(pán)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(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)江、錢(qián)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(kāi)工年份、所在省級(jí)行政區(qū)、盾構(gòu)刀盤(pán)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(guó)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(guó)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(kāi)工年份統(tǒng)計(jì)

按開(kāi)工年份統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見(jiàn)圖2。 由圖2 及表1 和表2 可以看出: 1)2000 年之前開(kāi)工建設(shè)完成的3 項(xiàng)盾構(gòu)隧道均在上海;2001—2015 年開(kāi)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(kāi)始進(jìn)入建設(shè)高峰期,2016—2020 年開(kāi)工建設(shè)48 項(xiàng),2021 年開(kāi)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(kāi)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(jí)行政區(qū)統(tǒng)計(jì)

按所在省級(jí)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(kāi)展城市快速道路改造和過(guò)江地鐵、公路建設(shè),上海市、江蘇省和湖北省主要建設(shè)長(zhǎng)江水下公路隧道和地鐵過(guò)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(jí)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(pán)直徑統(tǒng)計(jì)

按盾構(gòu)刀盤(pán)直徑統(tǒng)計(jì)的大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目分布見(jiàn)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(jiàn): 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(guó)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(pán)直徑14.87 m,于2004 年開(kāi)工修建。

圖4 按盾構(gòu)刀盤(pán)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(jiàn)圖5。 從圖5 可以看出,我國(guó)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(kāi)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(guó)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(guó)內(nèi)59 項(xiàng)14 m 及以上超大直徑盾構(gòu)隧道中,采用國(guó)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(guó)產(chǎn)大直徑盾構(gòu)市場(chǎng)占有率大幅度提高。 近幾年,國(guó)內(nèi)中鐵裝備、中國(guó)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(kāi)工建設(shè)的上海軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線隧道工程使用的8 臺(tái)直徑14 m 級(jí)的盾構(gòu)均由國(guó)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(jiàn)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(zhǎng)7 285 m,盾構(gòu)段隧道長(zhǎng)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(pán)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(kāi)工,2013 年竣工,設(shè)計(jì)時(shí)速100 km,是當(dāng)時(shí)國(guó)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(kāi)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(zhǎng)約5.005 km,其中,海河隧道全長(zhǎng)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(hào)線過(guò)江隧道工程,盾構(gòu)刀盤(pán)直徑11.57 m,盾構(gòu)段隧道長(zhǎng)3 600 m,埋深58 m,為國(guó)內(nèi)最早穿越長(zhǎng)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(kāi)工,2013 年竣工,是我國(guó)當(dāng)時(shí)施工難度最大、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的過(guò)江盾構(gòu)隧道。 其修建為我國(guó)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(guó)內(nèi)修建的南京地鐵3 號(hào)線過(guò)江隧道、杭州地鐵1 號(hào)線過(guò)江隧道、廣州地鐵4 號(hào)線南延段隧道、武漢軌道交通8 號(hào)線越江隧道、大連地鐵5 號(hào)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(hào)線過(guò)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(guó)建成的最長(zhǎng)水下隧道和首座鐵路水下隧道,其橫斷面見(jiàn)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(zhǎng)9 277 m,為國(guó)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(guó)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yíng)舒適與疏散安全。

目前,我國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)約3 047.50 m,其中,西線采用我國(guó)自主研究制造的15.03 m 巖石復(fù)合常壓刀盤(pán)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(guó)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(pán)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(zhǎng)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(pán))是我國(guó)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(jí)盾構(gòu),盾構(gòu)刀盤(pán)如圖10 所示。

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

目前我國(guó)已經(jīng)建設(shè)的單層3 車道公路隧道有南京長(zhǎng)江隧道、上海外灘隧道,正在建設(shè)的有江陰靖江過(guò)江通道、南京和燕路過(guò)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(mén)長(zhǎng)江隧道全長(zhǎng)7 368 m,其中,盾構(gòu)段隧道長(zhǎng)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(pán)直徑14.93 m,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km。 工程于2010 年5 月開(kāi)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(pán)如圖12 所示。

圖11 南京定淮門(mén)長(zhǎng)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(mén)長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)刀盤(pán)Fig. 12 Shield cutterhead of Dinghuaimen Yangtze river tunnel in Nanjing, China

目前,國(guó)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(yáng)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(yáng)路公路3 車道行車道,下層為地鐵7 號(hào)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(pán)如圖14 所示。

圖13 武漢三陽(yáng)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(yáng)路越江隧道盾構(gòu)刀盤(pán)Fig. 14 Shield cutterhead of Yangtze river-crossing tunnel on Sanyang road in Wuhan, China

該隧道施工通過(guò)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(guò)單側(cè)更換常壓可更換刮刀措施,使得換刀數(shù)量較原來(lái)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(guò)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(guò)破壞附著于刀盤(pán)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(guò)熱泥餅結(jié)硬的情況,為切削下來(lái)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(guó)已經(jīng)建設(shè)的公路、地鐵合建隧道有上海長(zhǎng)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(zhǎng)5 469 m,最大水壓力0. 8 MPa,盾構(gòu)刀盤(pán)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(guò)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(guó)內(nèi)首座水下輸電隧道; 3)是國(guó)內(nèi)在建的水壓最高的水下盾構(gòu)隧道; 4)是國(guó)內(nèi)在高磨蝕、強(qiáng)滲透地層中獨(dú)頭掘進(jìn)距離最長(zhǎng)的隧道。

目前國(guó)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(zhǎng)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(mén)隧道

2015 年,香港屯門(mén)至赤鱲角連接線隧道工程開(kāi)始掘進(jìn),工程采用1 臺(tái)直徑達(dá)17. 60 m 的盾構(gòu)(見(jiàn)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(guò)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(mén)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(guó)家沈海高速公路深圳機(jī)場(chǎng)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(guó)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(guó)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(chǎng)及地質(zhì)剖面見(jiàn)圖17。 豎井內(nèi)徑12.00 m、外徑12.80 m,隧道開(kāi)挖直徑13.00 m,開(kāi)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(kāi)挖作業(yè)、開(kāi)挖速度快、占地面積小、低排放、低噪音、對(duì)周圍建筑影響小等優(yōu)勢(shì)。

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(guó)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(wèn)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(mén)長(zhǎng)江隧道等多條隧道采用上下4 車道雙層運(yùn)營(yíng)方式,以期提高運(yùn)營(yíng)效率。 但通過(guò)多年運(yùn)營(yíng)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(duì)于長(zhǎng)度大于6 km 的中長(zhǎng)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)存在的問(wèn)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(duì)運(yùn)營(yíng)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(yíng)階段對(duì)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(duì)國(guó)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(duì)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(wèn)題未根本解決。

6)對(duì)于長(zhǎng)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(wèn)題以及保證100年的隧道使用安全等問(wèn)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(wèn)題、水下開(kāi)挖方案合理性問(wèn)題等需進(jìn)一步論證。

8)全國(guó)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(lái),我國(guó)大直徑盾構(gòu)經(jīng)歷了從國(guó)外引進(jìn)到自主制造,再到出口國(guó)外的發(fā)展過(guò)程。 目前,大直徑盾構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,并且出口多個(gè)國(guó)家和地區(qū),我國(guó)已成為盾構(gòu)制造大國(guó)和使用大國(guó)。 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(guó)外。

近年,我國(guó)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(guó)內(nèi)知名企業(yè)進(jìn)行攻關(guān),研制出直徑3 m 級(jí)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(lái),我國(guó)在盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)方面會(huì)有突破,實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)題、安全問(wèn)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(guó)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(guó)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(guò)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(wèn)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(wèn)題。

4.7 規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

目前,關(guān)于盾構(gòu)隧道的國(guó)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(duì)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(cè)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(wèn)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(gòu)或改造盾構(gòu)。 1臺(tái)大直徑盾構(gòu)造價(jià)2 億~4 億元,國(guó)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(wàn)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(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(jí)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(guó)內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈,各大央企之間、地方民企之間投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)不平等。 全國(guó)尚無(wú)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(kāi)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(wú)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(wèn)題

5.4.1 盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)損壞失效

國(guó)內(nèi)(外)均發(fā)生過(guò)多起主軸承密封系統(tǒng)失效的事故,主要表現(xiàn)為對(duì)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(duì)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(guò)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(lái)嚴(yán)重影響。

例如: 美國(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)南京長(zhǎng)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(guò)新購(gòu)盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)不長(zhǎng)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(wàn)元以上。

5.4.2 盾構(gòu)裝備配套技術(shù)問(wèn)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(zhǎng)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(wú)檢測(cè)平臺(tái)裝置,對(duì)于深埋隧道應(yīng)建立檢測(cè)裝置系統(tǒng)。

3)應(yīng)加大力度對(duì)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(guó)產(chǎn)大直徑盾構(gòu)研發(fā)制造存在的突出問(wèn)題

1)設(shè)計(jì)軟件仍是國(guó)外產(chǎn)品,信息安全問(wèn)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(guó)產(chǎn)化,創(chuàng)新產(chǎn)品突破困難大。

4)盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象嚴(yán)重,泥水艙滯排問(wèn)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(wèn)題的發(fā)生。

5)常壓刀盤(pán)、刀盤(pán)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(pán)為主導(dǎo),但由于其開(kāi)口率低,多為30%左右,中心范圍4.5 m 以內(nèi)基本無(wú)開(kāi)口,因此刀盤(pán)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(mén)及刀盤(pán)開(kāi)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(pán)刀具磨損事故處理時(shí)間長(zhǎng),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(pán)與常規(guī)刀盤(pán)的選型問(wèn)題

對(duì)于大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(pán)(見(jiàn)圖18)和常規(guī)刀盤(pán)(見(jiàn)圖19)的選型,主要依據(jù)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)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(kāi)艙頻率及開(kāi)艙總次數(shù)等綜合考慮。

圖18 常壓刀盤(pán)Fig. 18 Non-pressurized cutterhead

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

常壓刀盤(pán)存在中心和刀筒沖刷困難的問(wèn)題,膨脹巖層和黏土地層易產(chǎn)生泥餅、黏糊刀盤(pán)、滯排、堵艙等問(wèn)題,但其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在相對(duì)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(pán)適合掘進(jìn)距離相對(duì)較短、地層相對(duì)穩(wěn)定、換刀頻率低且換刀次數(shù)相對(duì)較少的工程項(xiàng)目,刀盤(pán)開(kāi)口率一般高于常壓刀盤(pán),刀具布設(shè)數(shù)量多。 常規(guī)刀盤(pán)盾構(gòu)總價(jià)相對(duì)較低,但采用帶壓開(kāi)艙換刀時(shí)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

5.4.6 大直徑盾構(gòu)水下隧道的“上浮”和“滲漏”問(wèn)題

1)盾構(gòu)管片上浮,多是因?yàn)榈貙痈凰宜惠^高,盾構(gòu)開(kāi)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(kāi)挖與管片隧道間隙等措施[16]。

2)隧道滲漏問(wèn)題,比較復(fù)雜,也是難以解決的問(wèn)題,在國(guó)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(guò)此類問(wèn)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(duì)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(kāi)艙作業(yè)安全,解決隧道掘進(jìn)過(guò)程中地面沉降控制問(wèn)題。

4)對(duì)海中存在的大孤石、漂石造成盾構(gòu)被卡問(wèn)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道今后將朝著直徑特大、超長(zhǎng)距離、超大埋深和較高水壓等方向發(fā)展,這必將對(duì)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(pán)直徑16.07 m,深圳機(jī)場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)江隧道埋深57 m,南京長(zhǎng)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(mén)長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)江大橋夾江隧道和江陰靖江過(guò)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(zhǎng)江隧道、汕頭蘇埃通道和常德市沅江過(guò)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(mén)長(zhǎng)江隧道和武漢三陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)度為2 030 m,土壓盾構(gòu)施工長(zhǎng)度為2 730 m,隧道全長(zhǎng)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(chǎng)聯(lián)絡(luò)線等項(xiàng)目均由國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)距離方向發(fā)展

1)擬建海太過(guò)江通道工程采用公鐵合建方案穿越長(zhǎng)江,盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)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(zhǎng)16.18 km,其中,海底盾構(gòu)段長(zhǎng)10.87 km,將是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)最長(zhǎng)、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(zhǎng)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(mén)過(guò)江通道長(zhǎng)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(chǎng)聯(lián)絡(luò)線大直徑盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)達(dá)39.2 km。

6.7 常壓刀盤(pán)盾構(gòu)向2 個(gè)方向發(fā)展

1)常壓刀盤(pán)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(zhǎng)江工程,盾構(gòu)刀盤(pán)直徑7.95 m。2)常壓刀盤(pán)盾構(gòu)直徑向超特大直徑方向發(fā)展,國(guó)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(hào)豎井垂直隧道,隧道掘進(jìn)機(jī)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)。

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(guó)產(chǎn)化水平的提高和隧道工程建設(shè)的需要,國(guó)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(cè)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(pán)磨損檢測(cè)技術(shù)。

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

4)刀盤(pán)伸縮裝備與冷凍刀盤(pán)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(zhǎng)江工程所用盾構(gòu)(中鐵裝備“暢通號(hào)”)主軸承壽命標(biāo)準(zhǔn)由原來(lái)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(shì)。 目前,國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)取得巨大成就,推動(dòng)了我國(guó)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi),我國(guó)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(lái)越復(fù)雜,技術(shù)難度和挑戰(zhàn)也越來(lái)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(wèn)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(guó)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。