王夢(mèng)恕

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)(TBM)問世至今已有近200年歷史，其始于英國(guó)，發(fā)展于日本、德國(guó)。近30年來，由于土壓平衡、泥水平衡、尾部密封、盾構(gòu)始發(fā)及接收等一系列技術(shù)難題的解決，使得盾構(gòu)及其掘進(jìn)技術(shù)有了較快發(fā)展，至今全世界已累計(jì)生產(chǎn)1萬多臺(tái)盾構(gòu)，其中，80%左右是小直徑盾構(gòu)(φ≤5 m)。國(guó)外主要的生產(chǎn)廠家有美國(guó)羅賓斯公司，日本三菱重工、川崎重工，德國(guó)威爾特、海瑞克公司等。我國(guó)主要的生產(chǎn)廠家有中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)、上海隧道工程股份公司等。

盾構(gòu)法施工已是一門比較成熟的地下工程施工技術(shù)。我國(guó)盾構(gòu)施工技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)外先進(jìn)盾構(gòu)技術(shù)相比，仍然存在一定差距，主要表現(xiàn)在關(guān)鍵部件的材質(zhì)和耐久性方面。因此，需要進(jìn)行不懈的開發(fā)、創(chuàng)新和積累，以形成我國(guó)獨(dú)立的機(jī)械制造、隧道設(shè)計(jì)和施工管理技術(shù)。

隨著各大城市地鐵建設(shè)力度的不斷加大;跨江越海隧道工程不斷增加，國(guó)家的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，如長(zhǎng)距離供水、水下交通、西氣東輸?shù)裙こ潭紝⑸婕暗酱┰浇拥膯栴};鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等隧道工程的建設(shè)。這些都會(huì)使隧道(隧洞)的數(shù)量大幅度增多。而一些區(qū)段將很可能需要采用盾構(gòu)、TBM法進(jìn)行隧道施工。在這樣的大背景下，為了更好、更經(jīng)濟(jì)、更安全地使用盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)，為了使盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)技術(shù)能更加適合我國(guó)的工程實(shí)際，有必要總結(jié)我國(guó)盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，指出我國(guó)盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)技術(shù)存在的問題，提出解決各種問題的辦法和新思路，探討今后盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。

1 中國(guó)盾構(gòu)、TBM隧道修建技術(shù)現(xiàn)狀和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

當(dāng)今中國(guó)已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國(guó)家。盾構(gòu)、TBM隧道施工法作為一種適用于現(xiàn)代隧道及地下工程建設(shè)的重要施工方法之一，將發(fā)揮重要作用。

1.1 水下盾構(gòu)隧道技術(shù)現(xiàn)狀

近百年來，國(guó)外已建越江跨海的中等規(guī)模以上的水下交通隧道已逾百座，水下建隧的技術(shù)和方法已日益成熟。目前我國(guó)已建成的水下隧道有50多條，采用的施工方法有盾構(gòu)法、硬巖掘進(jìn)機(jī)法、鉆爆法、沉埋管段法及淺埋暗挖法等多種。其中，水下盾構(gòu)、TBM隧道主要集中在長(zhǎng)江三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)江流域等，如武漢長(zhǎng)江公路隧道(長(zhǎng)江第一隧)、南京長(zhǎng)江公路隧道、杭州慶春路市政公路隧道(錢江第一隧)、廣深港高鐵獅子洋隧道、重慶排水長(zhǎng)江隧道。武漢長(zhǎng)江公路隧道和杭州慶春路市政公路隧道均為雙向4車道，盾構(gòu)直徑11 m 多，3.5～4.0 km 長(zhǎng)，總投資約20億元;而南京長(zhǎng)江公路隧道為雙向6車道，盾構(gòu)直徑近15 m，長(zhǎng)約3 km，總投資達(dá)44億元;獅子洋隧道盾構(gòu)直徑10.8 m，長(zhǎng)10.8 km，總投資33億元;重慶排水長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)外徑為6.32 m，長(zhǎng)約1 km，總投資僅1億元?？梢?，盾構(gòu)直徑≤12 m相對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全，且施工風(fēng)險(xiǎn)小;盾構(gòu)直徑過大，其成本和安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)成倍增加。因此，規(guī)劃中的瓊州海峽海底隧道將采用12臺(tái)直徑為10 m左右的盾構(gòu)施工，渤海灣海峽海底隧道將采用15臺(tái)直徑為10 m左右的TBM+鉆爆法施工。

1.2 城市地鐵盾構(gòu)、TBM隧道技術(shù)現(xiàn)狀

截至2013年9月，我國(guó)獲得國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)軌道交通的城市已達(dá)到37個(gè)，高居世界第一，未來3年，至少還有10個(gè)以上城市將獲得批準(zhǔn)［1］。有關(guān)專家表示，地鐵建設(shè)將會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)成為中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)投資的重點(diǎn)之一。

不同形式的盾構(gòu)所適應(yīng)的地層范圍不同，盾構(gòu)選型總的原則是安全性、適應(yīng)性第一，以確保盾構(gòu)法施工的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、快速。上海、廣州及北京地區(qū)是我國(guó)盾構(gòu)應(yīng)用較多且較早的地區(qū)，這3個(gè)地區(qū)分別代表了我國(guó)3大區(qū)域的地層(3大典型地層)特征——軟土地層、復(fù)合地層和砂卵石地層。砂卵石地層適合采用土壓盾構(gòu)和開敞式盾構(gòu)施工，如北京地鐵、成都地鐵、沈陽地鐵等;軟土地層適合采用土壓盾構(gòu)施工，如上海地鐵、南京地鐵、蘇州地鐵等;復(fù)合地層適合采用復(fù)合盾構(gòu)施工，如廣州地鐵和深圳地鐵等。另外，黃土地層和膨脹土地層因最怕水加速地層變壞而適合采用無水土壓盾構(gòu)和開敞式無刀盤盾構(gòu)施工，如西安地鐵、合肥地鐵;硬巖地層適合采用TBM掘進(jìn)機(jī)施工，如重慶地鐵、青島地鐵、廈門地鐵、大連地鐵等。單洞單線地鐵隧道宜選用直徑為6～7 m的盾構(gòu)施工，應(yīng)采用單層管片+混凝土復(fù)合式襯砌;單洞雙線地鐵隧道宜選用直徑為10～12 m的盾構(gòu)施工，采用復(fù)合式襯砌。

1.3 山嶺隧道TBM技術(shù)現(xiàn)狀

TBM掘進(jìn)機(jī)是＞20 km特長(zhǎng)鐵路、水工、山嶺隧道高度機(jī)械化的開挖設(shè)備，與鉆爆法配合進(jìn)行快速安全施工是最好的組合方法。掘進(jìn)機(jī)法雖然投資多，但具有施工快速、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。大伙房引水隧道、中天山特長(zhǎng)隧道、西秦嶺隧道等工程全部采用開敞式TBM+鉆爆法施工，直徑在10 m以內(nèi)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，而不允許也不可能采用管片襯砌。

2 典型工程案例

2.1 武漢長(zhǎng)江公路隧道

武漢長(zhǎng)江公路隧道全長(zhǎng)3.64 km，工程總投資20.5億元(其中盾構(gòu)施工段12億元)，為雙向4車道，盾構(gòu)外徑11.4 m(2臺(tái)盾構(gòu)約2.5億元)，設(shè)計(jì)行車速度50 km/h，是我國(guó)修建的第1條長(zhǎng)江公路隧道，于2008年通車。

武漢長(zhǎng)江公路隧道先后穿越淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵石、上軟下硬復(fù)合地層，穿越地層具有復(fù)雜多變、敏感性高、富含承壓水等特點(diǎn)。隧道施工方法原定為沉管法，但因施工干擾大、沖刷變化大、干塢不易選擇、造價(jià)太高而被否定。由于隧道兩端城市道路為雙向4車道，為了減少拆遷，保護(hù)環(huán)境和建筑，加上隧道又穿越粉細(xì)砂不穩(wěn)定地層和局部江中巖石地層，最終決定采用雙向4車道、泥水加壓氣墊式盾構(gòu)施工，采用復(fù)合式刀具，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離不換刀掘進(jìn)。江下取消了橫通道，有利于運(yùn)營(yíng)隧道變位而不開裂。武漢長(zhǎng)江隧道在國(guó)內(nèi)首次采用環(huán)寬2 m、每環(huán)由9塊管片組成、設(shè)雙道彈性密封墊的通用楔形環(huán)管片襯砌。

2.2 南京長(zhǎng)江公路隧道

南京長(zhǎng)江公路隧道是我國(guó)首次大規(guī)模穿越砂層及砂卵石地層的盾構(gòu)水下隧道。隧道原定采用沉管法施工，后因沖刷深度變化較大、流速大、造價(jià)高且影響水運(yùn)而改為盾構(gòu)法施工，屬市區(qū)隧道。隧道長(zhǎng)3.02 km，盾構(gòu)外徑14.95 m，南京市政府要求采用雙向6車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h。由于采用大直徑泥水氣墊式盾構(gòu)，埋深加大，施工風(fēng)險(xiǎn)大，且造價(jià)很高(盾構(gòu)3.5億元/臺(tái))，總投資44億元，于2010年通車。南京長(zhǎng)江公路隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 南京長(zhǎng)江公路隧道橫斷面Fig.1 Cross-section of Yangtze river crossing highway tunnel in Nanjing

南京長(zhǎng)江公路隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)直徑超大，取消了水下橫通道，盾構(gòu)施工水土壓力高達(dá)0.75 MPa，獨(dú)頭掘進(jìn)2.9 km，采用單層管片襯砌。

2.3 廣深港獅子洋鐵路盾構(gòu)隧道

獅子洋隧道是我國(guó)第1條特長(zhǎng)水下盾構(gòu)鐵路隧道，盾構(gòu)外徑10.8 m，隧道全長(zhǎng)10.8 km，盾構(gòu)施工段長(zhǎng)9.3 km，隧道內(nèi)徑9.8 m，第1層襯砌用厚0.5 m的管片，第2層襯砌用厚30 cm的鋼筋混凝土，確保結(jié)構(gòu)安全?？偼顿Y33億元，于2011年雙線貫通，被譽(yù)為中國(guó)鐵路世紀(jì)隧道。

獅子洋隧道在“廣州—深圳”一線3次穿江越洋，其中，獅子洋水面寬達(dá)3 300 m，最大水深達(dá)26.6 m，為珠江航運(yùn)的主航道，最大設(shè)計(jì)水壓達(dá)0.67 MPa，該盾構(gòu)隧道為國(guó)內(nèi)首次在軟硬不均地層和風(fēng)化巖層中采用大直徑氣壓調(diào)節(jié)式泥水盾構(gòu)施工。獅子洋隧道盾構(gòu)段使用了4臺(tái)氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，在國(guó)內(nèi)首次采用盾構(gòu)“相向掘進(jìn)、地中對(duì)接、洞內(nèi)解體”的先進(jìn)施工技術(shù)，取得了成功［2］。獅子洋隧道地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

2.4 杭州慶春路隧道

杭州市慶春路過江隧道位于杭州城市中心位置，是溝通錢江兩岸2個(gè)中央商務(wù)區(qū)——錢江新城和錢江世紀(jì)城的聯(lián)系通道，屬市政公路隧道。隧道由原設(shè)計(jì)的雙向6車道改為雙向4車道，采用國(guó)內(nèi)成熟的盾構(gòu)法施工，長(zhǎng)3.765 km，泥水盾構(gòu)外徑11.7 m，設(shè)計(jì)行車速度為60 km/h，總投資約20.9億元，于2010年通車，被譽(yù)為錢江第一隧。其設(shè)計(jì)、施工理念正確，安全經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)小、速度快，通過安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，證明其對(duì)環(huán)境影響很小。從節(jié)約造價(jià)出發(fā)，將武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)直徑改大進(jìn)行應(yīng)用非常成功，該工程又順利下穿運(yùn)河。

2.5 重慶排水管路下穿長(zhǎng)江隧道

重慶排水管路下穿長(zhǎng)江隧道是國(guó)內(nèi)首座內(nèi)置輸水管盾構(gòu)法隧道，長(zhǎng)1.048 km，盾構(gòu)外徑6.32 m，總投資1億元，于2005年通水。

2.6 北京地鐵14號(hào)線

北京地鐵14號(hào)線是單洞雙線隧道，盾構(gòu)直徑10.22 m，是國(guó)內(nèi)地鐵用最大直徑的土壓平衡盾構(gòu)。這臺(tái)盾構(gòu)最主要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了施工工藝創(chuàng)新，它的突出優(yōu)點(diǎn)是:1)在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用了“一洞雙線”技術(shù)，這比以往的“單洞單線”工藝節(jié)省40%的工程量;2)大大減少了地鐵建設(shè)中的拆遷量和施工占地面積;3)施工速度快，可縮短工期;4)在大盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上立支柱后，直接在地下暗挖拓寬成車站。隧道斷面如圖3所示。該方法對(duì)地面干擾很小，是地鐵發(fā)展的方向。

圖3 北京地鐵14號(hào)線單洞雙線隧道斷面圖Fig.3 Cross-section of double-track single-tube tunnel of Line 14 of Beijing Metro

2.7 大伙房遼東供水引水隧道

大伙房引水隧道全長(zhǎng)85.32 km，是遼寧省的“供水生命線”，于2009年完工。隧道采用3臺(tái)維爾特和羅賓斯生產(chǎn)的直徑為8 m的開敞式TBM施工，是世界上最長(zhǎng)的隧道。這條隧道首尾高差36 m，引水全靠自流，地表至隧道頂部的距離最大為630 m，最小為60 m。是我國(guó)第一條用隧道供水方案最優(yōu)的工程，引領(lǐng)了長(zhǎng)春120 km長(zhǎng)的供水隧道的修建，是全國(guó)的試點(diǎn)工程。

2.8 中天山鐵路隧道

中天山隧道是南疆鐵路土庫二線穿越中天山主脈的控制性工程，設(shè)計(jì)為并行的2座單線隧道，左線隧道長(zhǎng)22.449 km，右線隧道長(zhǎng) 22.467 km，全隧道為單面上坡。隧道進(jìn)口端左、右線各采用1臺(tái)直徑為8.8 m的維爾特開敞式TBM施工，出口端采用鉆爆法施工，計(jì)劃2014年完工。

2.9 西秦嶺鐵路隧道

蘭渝鐵路西秦嶺隧道全長(zhǎng)28.236 km，為左右線分設(shè)的2條單線隧道，是全線重點(diǎn)控制性工程。隧道采用直徑為10.2 m的羅賓斯開敞式TBM施工，于2013年貫通。

2.10 引漢濟(jì)渭供水工程

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞全長(zhǎng)81.625 km。其中39.13 km采用2臺(tái)直徑為8.02 m的開敞式TBM施工，42.495 km采用鉆爆法施工。

2.11 遼西北供水工程

遼西北輸水隧洞全長(zhǎng)230 km，采用8臺(tái)直徑約為9 m的開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)+鉆爆法施工。目前該工程正在施工。

3 存在的問題及建議

3.1 水底公路隧道盾構(gòu)直徑過大

3.1.1 雙向6車道采用φ15 m左右的盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)較大

1)盾構(gòu)掘進(jìn)壓力平衡不易控制，施工風(fēng)險(xiǎn)大;2)管理、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較大;3)埋深加大，縱坡不利;4)浪費(fèi)空間約80 m2;5)盾構(gòu)制造成本很高，價(jià)格昂貴，3億～3.5億元/臺(tái)。雙向6車道大盾構(gòu)過江方案應(yīng)予以取消。

3.1.2 雙向4車道采用φ11.4 m左右的盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小，經(jīng)濟(jì)合理，兩端接線容易，拆遷量小，應(yīng)予以推廣

國(guó)內(nèi)外成功的水底公路隧道盾構(gòu)直徑多在11.4 m左右。實(shí)踐證明:直徑11.4 m左右的盾構(gòu)制造、施工及將來隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)均較小，且造價(jià)較經(jīng)濟(jì)(約 1.2 億元/臺(tái))。

綜上所述，為保證水底公路隧道的質(zhì)量，控制施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，降低工程造價(jià)，建議一般情況下，盾構(gòu)直徑不超過12 m。過江隧道宜疏不宜集中過江，以方便市民出行，也減少兩端接線的工程造價(jià)。

3.2 單層管片襯砌的耐久性不足

管片襯砌的壽命只有30～40年，不是永久性襯砌，耐久性差。因此，建議增設(shè)二次模筑混凝土襯砌(見圖4)，形成復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。地鐵區(qū)間盾構(gòu)直徑應(yīng)在原有直徑上加大0.5 m左右，實(shí)現(xiàn)地鐵百年壽命的要求。

3.3 取消護(hù)盾式TBM制造和施工

3.3.1 護(hù)盾式TBM的缺點(diǎn)

雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM具有5大缺點(diǎn):1)由于L/D(長(zhǎng)徑比)＞1，調(diào)方向靈敏度低，很難精確快速調(diào)整到位;2)由于后盾較長(zhǎng)，不易及時(shí)支護(hù)，在困難軟弱破碎地層易塌方，如臺(tái)灣平林隧道及國(guó)內(nèi)許多水工隧道卡死，無法解困而“報(bào)廢”;3)造價(jià)高，是開敞式TBM的1.3倍;4)不能采用復(fù)合襯砌，只能采用造價(jià)高出1倍以上的管片襯砌，而管片襯砌在山嶺隧道又解決不了防水和變荷載的問題;5)護(hù)盾式TBM卡死現(xiàn)象很多，如在臺(tái)灣雪山隧道、中國(guó)引大濟(jì)秦隧洞、引黃入晉工程、昆明掌鳩河隧洞等工程中都出現(xiàn)過盾構(gòu)卡死現(xiàn)象。鐵路隧道論證后已取消應(yīng)用護(hù)盾式TBM。雙護(hù)盾TBM及其結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖4 二次模筑混凝土襯砌Fig.4 Cast-in-situ secondary lining

圖5 雙護(hù)盾TBMFig.5 Double shield TBM

3.3.2 開敞式TBM的優(yōu)點(diǎn)

開敞式TBM轉(zhuǎn)向控制靈活，能及時(shí)對(duì)地層進(jìn)行支護(hù)。開敞式TBM通過軟巖地層時(shí)，可采用先鋪鋼筋網(wǎng)再噴混凝土(網(wǎng)噴支護(hù)見圖7)，并架設(shè)鋼拱架的一次支護(hù)。開敞式TBM可實(shí)現(xiàn)快速施工，在磨溝嶺砂頁巖含水軟弱地層中實(shí)現(xiàn)了日掘進(jìn)并支護(hù)41.3 m和月掘進(jìn)并支護(hù)574 m的快速施工水平。

開敞式TBM的優(yōu)點(diǎn):1)靈敏度高，長(zhǎng)度/直徑≤1，易精確調(diào)向，調(diào)向精度可控制在±30 mm以內(nèi);2)能夠及時(shí)對(duì)不良地層進(jìn)行支護(hù)，時(shí)空效應(yīng)好，不易塌方;3)襯砌隨荷載調(diào)整，造價(jià)低;4)在TBM上可加裝錨桿機(jī)、混凝土噴射機(jī)、鋼拱架安裝機(jī)以及超前鉆機(jī)，而且可調(diào)整刀間距、推力、扭矩及撐靴支撐力等參數(shù)，以適應(yīng)軟巖、硬巖的切削特性。

圖6 雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of double shield TBM

圖7 噴錨支護(hù)情況Fig.7 Shotcreting and rockbolting support

因此，建議取消護(hù)盾式 TBM，提倡采用開敞式TBM。當(dāng)前水利工程、鐵路工程已全部采用開敝式TBM，效果很好。

3.4 土壓平衡盾構(gòu)不是萬能的，應(yīng)同時(shí)考慮選用泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)［3］

3.4.1 土壓平衡盾構(gòu)的考慮

1)土壓平衡盾構(gòu)最適用于不穩(wěn)定的粉砂地層，而不適用于含水的黃土地層和膨脹巖(土)地層，因在這類地層中，通過攪拌形成的泥餅會(huì)將土壓平衡盾構(gòu)刀盤糊死;這種情況，應(yīng)采用降水配合開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)施工。2)在穩(wěn)定工作面方面土壓平衡盾構(gòu)不如泥水平衡盾構(gòu)，氣墊式泥水平衡盾構(gòu)最好，更適用于水下盾構(gòu)隧道;土壓平衡盾構(gòu)的泥土不可能在全斷面形成壓力，經(jīng)常在盾構(gòu)頂部形成月牙形空腔，容易造成工作面不穩(wěn)定，致使下沉量增大。

3.4.2 泥水平衡盾構(gòu)的考慮

1)泥水平衡盾構(gòu)對(duì)于不穩(wěn)定的軟弱地層、高地下水位的地層，含水砂層、黏土層、沖積層及洪積層等流動(dòng)性高的地層，有較好的適用性。2)泥水平衡盾構(gòu)具有土層適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周圍土體影響小、施工機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。3)在砂層中進(jìn)行大斷面、長(zhǎng)距離推進(jìn)大多采用泥水加壓式盾構(gòu)，實(shí)踐證明掘進(jìn)斷面越大，用泥水加壓式盾構(gòu)的效果越好。4)泥水加壓式盾構(gòu)除對(duì)控制開挖面穩(wěn)定、減少地面沉降方面較有利外，還在減少刀頭磨損、適應(yīng)長(zhǎng)距離推進(jìn)方面顯示出優(yōu)越性。5)泥水加壓盾構(gòu)存在盾尾漏水、難以確認(rèn)開挖面狀態(tài)、需要較大的泥水處理場(chǎng)地等缺點(diǎn)。

經(jīng)上述分析比較，建議根據(jù)不同的地層、地質(zhì)情況選擇不同類型的盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)不是萬能的，它有自己的缺點(diǎn)和局限性，應(yīng)同時(shí)考慮比選泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)。

3.5 隧道線路標(biāo)高選擇不合理

隧道線路最忌選在交界面標(biāo)高，更要避開在巖層交界面上選線。

隧道線路設(shè)在軟土和弱風(fēng)化巖交界面處，形成上軟下硬地層，使得施工難度加大。因此，應(yīng)更改選線標(biāo)高，適當(dāng)上調(diào)或下調(diào)標(biāo)高，盡可能使盾構(gòu)掘進(jìn)斷面位于全土層或全巖層中。

3.6 工程建設(shè)中存在4大不合理現(xiàn)象

工程建設(shè)中的4大不合理現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)建筑業(yè)普遍存在，嚴(yán)重違背了科學(xué)發(fā)展觀，不僅造成施工單位生存發(fā)展困難，削弱了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，而且給施工安全和工程運(yùn)營(yíng)留下安全質(zhì)量隱患，嚴(yán)重制約了建筑業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

3.6.1 不合理的建設(shè)工期

一些地方為追求政績(jī)，科學(xué)的工期被一再提前。施工單位為了趕工期，不得不拼設(shè)備，拼人力物力，由此滋生出一些不切實(shí)際、盲目求快的現(xiàn)象，不但造成很大浪費(fèi)，而且難以做到科學(xué)施工。工期并非越短越好，它應(yīng)在保證工程質(zhì)量和施工安全所必需耗時(shí)要求的前提下，以最大限度地降低工程費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)合理工期。

3.6.2 不合理的工程造價(jià)

一個(gè)工程項(xiàng)目的建造，要有科學(xué)合理的造價(jià)。一些地方一味壓低造價(jià)，忽視了復(fù)雜的地質(zhì)條件。工程建設(shè)中的不合理造價(jià)直接影響工程質(zhì)量和安全生產(chǎn)，影響建筑業(yè)的有序健康發(fā)展，沖擊正常的建筑市場(chǎng)管理。工程建設(shè)不合理低造價(jià)問題已成為當(dāng)前整頓和規(guī)范建筑市場(chǎng)秩序亟待解決的突出問題。

3.6.3 不合理的施工合同

最低價(jià)中標(biāo)制度被普遍濫用。當(dāng)前從人的素質(zhì)、規(guī)范、制度等方面考慮，建議取消招投標(biāo)，而改為BT模式(設(shè)計(jì)施工總承包方式)，可減少許多扯皮和腐敗問題。

3.6.4 不合理的施工方案

在工程建設(shè)中，施工方案的優(yōu)劣不僅直接影響工程質(zhì)量和造價(jià)，對(duì)工期及施工過程中的安全也有重要影響。良好的施工方案能提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、降低成本、提高項(xiàng)目工程施工的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;而不合理的施工方案則直接關(guān)系到人員的安全和工程的成敗(如雙向6車道用盾構(gòu)法施工的方案是不合理的)。因此，做好施工組織設(shè)計(jì)很重要，要成立真正專業(yè)的專家討論組，對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理、組織等方面進(jìn)行全面分析，并科學(xué)合理地編制施工組織設(shè)計(jì)，經(jīng)過分析比選后選擇最佳的施工方案，方案確定后不能隨便更改。

綜上所述，工程建設(shè)一定要堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，采用合理的工期、合理的造價(jià)、合理的合同和合理的方案進(jìn)行科學(xué)施工決策，尊重施工規(guī)律，減少隨意性，避免“缺規(guī)劃、欠設(shè)計(jì)、趕工期”，杜絕政績(jī)工程。一定要實(shí)事求是地從施工前的規(guī)劃這個(gè)源頭抓起，尊重施工單位的主體地位，充分調(diào)研，結(jié)合具體情況科學(xué)設(shè)計(jì)、科學(xué)施工，真正建立起建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理平等的協(xié)作關(guān)系。

4 設(shè)計(jì)和施工的新思路

4.1 無刀盤的開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)

盾構(gòu)分為有刀盤盾構(gòu)和無刀盤盾構(gòu)2大類，但目前正在施工應(yīng)用的盾構(gòu)沒有一臺(tái)不設(shè)刀盤的。

有刀盤盾構(gòu)的缺點(diǎn):1)大石頭出不來;2)刀具、刀盤磨損嚴(yán)重，如圖8所示;3)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

圖8 刀具磨損嚴(yán)重Fig.8 Seriously-worn cutterhead

無刀盤盾構(gòu)又稱為開敞式簡(jiǎn)易盾構(gòu)，人可以站在平臺(tái)上進(jìn)行地層加固處理和開挖，適用性很強(qiáng)。無刀盤盾構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高，易國(guó)產(chǎn)化，造價(jià)比有刀盤盾構(gòu)便宜一半以上，因此，在適宜的地層應(yīng)考慮采用。無刀盤的開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)如圖9所示，地層變壞可加設(shè)不同的網(wǎng)格以穩(wěn)定工作面，其網(wǎng)格劃分示意圖如圖10所示。無刀盤盾構(gòu)適用的地層有:1)水少之地，地層較能自穩(wěn);2)降水后的砂卵石地層，如成都地鐵、沈陽地鐵部分區(qū)段;3)降水后的黃土地層，如西安地鐵。無刀盤的開敞式盾構(gòu)有開敞網(wǎng)格式(用于地層自穩(wěn)較差，但降排水后還能自穩(wěn)的地層)、開敞正臺(tái)階式(一般分為3個(gè)臺(tái)階，人可直立工作)、CD開敞格柵式、雙CD開敞格柵式、插刀式(單臂挖掘機(jī)開挖，地層較好，無水處采用)等形式［3］。

圖9 無刀盤的開敞式正臺(tái)階網(wǎng)格盾構(gòu)Fig.9 Open shield

4.2 壓縮混凝土襯砌

壓縮混凝土襯砌英文簡(jiǎn)稱ECL(Extruded Concrete Lining)，是以現(xiàn)澆混凝土作為襯砌來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管片襯砌，邊推進(jìn)邊擠壓混凝土。

壓縮混凝土襯砌的特點(diǎn):1)筑造的襯砌質(zhì)量高;2)可極大地抑制地層沉降，無需降低地下水;3)采用全機(jī)械化施工，節(jié)省人員，安全性高，作業(yè)環(huán)境好;4)采用一次襯砌，材料用量少，不需要同步注漿;5)施工階段工序少，襯砌與開挖推進(jìn)同步進(jìn)行，加快了進(jìn)度，縮短了工期。

小直徑盾構(gòu)的開發(fā)應(yīng)配合采用壓縮混凝土襯砌，這也是共同溝的發(fā)展方向。20世紀(jì)60年代初在北京進(jìn)行了1∶5的盾構(gòu)擠壓混凝土襯砌模擬試驗(yàn)，如圖11所示。試驗(yàn)成功后，制造了φ7.34 m的壓縮混凝土網(wǎng)格式盾構(gòu)，并進(jìn)行了180 m的掘進(jìn)試驗(yàn)。

4.3 TBM導(dǎo)洞超前再鉆爆法擴(kuò)挖(混合法)

TBM導(dǎo)洞超前再鉆爆法擴(kuò)挖的優(yōu)點(diǎn)有:1)可超前地質(zhì)預(yù)報(bào);2)導(dǎo)洞超前，形成掏槽孔，可提高鉆爆法擴(kuò)挖進(jìn)度2～3倍;3)光面爆破效果好，炮眼痕保存率達(dá)80%，可以減少超挖;4)減少爆破震動(dòng)速度約30%;5)碴堆均勻，能提高裝碴效率;6)爆破對(duì)工作面后方的沖擊波小，施工影響小。

圖10 無刀盤開敞式盾構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖Fig.10 Grid division of open shield

圖11 壓縮混凝土襯砌模擬試驗(yàn)Fig.11 Simulation test of extruded concrete lining

導(dǎo)洞超前再鉆爆法擴(kuò)挖已成功應(yīng)用于南昆鐵路米花嶺隧道(長(zhǎng)9 km)，當(dāng)時(shí)用人工開挖小導(dǎo)洞(2.5 m×2.5 m)超前，開挖速度提高2～3倍，使該隧道提前4個(gè)月建成，促使南昆線也提前4個(gè)月通車。

4.4 風(fēng)井始發(fā)盾構(gòu)

風(fēng)井始發(fā)盾構(gòu)是指盾構(gòu)主機(jī)與后配套臺(tái)車在車站通風(fēng)豎井及通風(fēng)道內(nèi)下井組裝，然后轉(zhuǎn)至車站內(nèi)進(jìn)行區(qū)間盾構(gòu)施工，如圖12所示。風(fēng)井始發(fā)盾構(gòu)主要適用于位于城市繁華地段的主干道路或難以遷移的地下管線等構(gòu)筑物下方，采用蓋挖法或暗挖法施工且無法在正上方設(shè)置地面吊裝口的盾構(gòu)始發(fā)施工，曾應(yīng)用于沈陽地鐵。

圖12 盾構(gòu)在風(fēng)井內(nèi)下井及掘進(jìn)Fig.12 Shield launching from ventilation shaft

風(fēng)井始發(fā)盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):1)不用設(shè)置單獨(dú)的始發(fā)豎井;2)不占用城市主干道;3)施工工期和成本有所縮短和降低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

研發(fā)了雙層雙向移動(dòng)托架，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)后配套臺(tái)車從車站風(fēng)道預(yù)留孔下井至始發(fā)位置的快速移動(dòng)，加快了始發(fā)組裝速度。

5 發(fā)展方向

大直徑盾構(gòu)不是發(fā)展方向，它將導(dǎo)致人為增加風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)距離掘進(jìn)(＞2 km)時(shí)，盾構(gòu)直徑＜12 m、深埋施工才是發(fā)展方向(如武漢長(zhǎng)江水下隧道、杭州下穿錢塘江雙向4車道、即將修建的瓊州海峽水下鐵路隧道等)。

6 討論

盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究、制造和施工在我國(guó)已發(fā)展到相當(dāng)水平，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但創(chuàng)新不夠，今后還需不斷縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。21世紀(jì)我國(guó)城市地下空間開發(fā)利用市場(chǎng)廣闊，大城市發(fā)展地鐵交通已成大趨勢(shì);目前正在規(guī)劃和研究探討數(shù)十條跨江越海鐵路、公路隧道和輸水隧洞;水電工程需建造大量的引水隧洞工程;交通、市政等工程也離不開隧道。國(guó)內(nèi)建設(shè)各種隧道工程的數(shù)量會(huì)越來越多。這一切都為我國(guó)盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)及淺埋暗挖法等掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。鉆爆法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)法在我國(guó)將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)。

7 展望

7.1 瓊州海峽隧道

規(guī)劃中的瓊州海峽海底鐵路隧道長(zhǎng)30 km左右，該項(xiàng)目屬世界級(jí)工程，尚處于民間學(xué)術(shù)交流階段，有采用直徑為10 m左右的泥水平衡盾構(gòu)施工的方案。盾構(gòu)深埋，鐵路隧道聯(lián)通海南，汽車背馱式通過，造價(jià)約550億元。

瓊州海峽隧道雖已經(jīng)過多年的不斷論證，但其建設(shè)方案卻始終未有定論。經(jīng)過有關(guān)交通部門和專家長(zhǎng)達(dá)15年的多次討論、研究和論證，終于形成了跨越瓊州海峽的3種建設(shè)方案，分別是西線公路橋梁方案、中線鐵路隧道方案和中線橋梁方案(見圖13)。目前西線方案因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)、造價(jià)高于隧道方案1倍以上基本被否決;中線隧道方案長(zhǎng)29 km左右、不影響30萬t油船通行(要求跨徑＞1 100 m、高度＞73 m)，被認(rèn)為是最優(yōu)方案。在隧道修建方法的選擇上，由于海峽海底地質(zhì)是軟土沉積層，可采用盾構(gòu)法施工，且深埋優(yōu)于淺埋，但最終的建設(shè)方案將由國(guó)家發(fā)改委進(jìn)行審查后定奪。

7.2 渤海灣海峽海底隧道

規(guī)劃中的渤海灣海峽海底鐵路隧道長(zhǎng)123 km，設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，三管式，預(yù)計(jì)工期10年，造價(jià)2 500億元，其規(guī)模為世界跨海通道之最。從目前已知的巖石可鉆性、地下水、斷層破碎程度及隧道長(zhǎng)度、工期來看，選用直徑為10 m的TBM法+鉆爆法是比較可行的［4］。渤海灣跨海通道地理位置如圖 14所示［4］。

7.3 臺(tái)灣海峽隧道

臺(tái)灣海峽海底隧道工程跨海長(zhǎng)200 km左右，工程較瓊州海峽跨海通道更為艱巨復(fù)雜，線路有北線、中線、南線3種方案(見圖15)。通過對(duì)3種方案的優(yōu)化、比選，其中北線地質(zhì)穩(wěn)定，線路最短，是優(yōu)選方案，其造價(jià)約2 000億元，工期約10年。根據(jù)地形圖，臺(tái)灣海峽海域最深為80～100 m，地質(zhì)條件變化大，采用深埋方案風(fēng)險(xiǎn)最小，施工方法可選用開敞式TBM+鉆爆法施工。

［1］ 齊中熙，樊曦.今年底我國(guó)城市軌道交通里程預(yù)計(jì)達(dá)到2 400 km［N/OL］.新華網(wǎng)，2013－11－24［2014－01－24］.http://news.xinhuanet.com.

［2］ 洪開榮.水下盾構(gòu)隧道硬巖處理與對(duì)接技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2012，32(3):107 － 111.(HONG Kairong.Case study on hard rock treatment technology and shield docking technology in boring of underwater tunnels［J］.Tunnel Construction，2012，32(3):107 －111.(in Chinese))

［3］ 王夢(mèng)恕.不同地層條件下的盾構(gòu)與TBM選型［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):6 －8，13.(WANG Mengshu.Type selection of shield TBMs and hard rock TBMs for different geological conditions［J］.Tunnel Construction，2006，26(2):6 －8，13.(in Chinese))

［4］ 王夢(mèng)恕，宋克志.渤海灣跨海通道建設(shè)的緊迫性及現(xiàn)實(shí)條件和初步方案［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(1):5－14.(WANG Mengshu，SONG Kezhi.Urgency and current construction conditions and preliminary scheme of Bohai Strait cross-sea channel［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2013(1):5 －14.(in Chinese))