李 軍/華北理工大學
國內(nèi)盾構(gòu)法施工現(xiàn)狀淺析
李 軍/華北理工大學
通過對國內(nèi)盾構(gòu)法施工的文獻及相關資料的查閱,從盾構(gòu)法概述、國內(nèi)外盾構(gòu)發(fā)展史、國內(nèi)盾構(gòu)法施工研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外現(xiàn)階段的差距方面加以淺析,得出結(jié)論,根據(jù)簡單的分析,對我國盾構(gòu)的今后發(fā)展趨勢做了展望。
國內(nèi);盾構(gòu)法施工;展望
盾構(gòu)法施工是一種施工工藝,暗挖法隧道施工的一種,應用領域廣泛。盾構(gòu)機則是其用到的最主要的機械,在施工過程中,盾構(gòu)機通過殼體和襯砌管片支撐隧道周圍各種壓力,運用切削裝置進行開挖,將開挖后的碴土利用專門設備運出洞外,不斷進行開挖,掘進,拼裝(預制管片),再開挖,再掘進,再拼裝的過程,最終完成整個隧道的施工[1]。
1.國外
盾構(gòu)法已經(jīng)有190多年的發(fā)展歷程。最早在1818年,布魯諾通過對生活中細節(jié)的觀察,敞開式手掘盾構(gòu)的雛形被提出。1823年,盾構(gòu)首次在泰晤士河所修建的隧道中應用。1869年,英國的格雷托海特開始將盾構(gòu)法用于泰晤士河海底隧道,并且在某些方面對盾構(gòu)的展起了推動作用。1887年,盾構(gòu)施工和氣壓組合工法結(jié)合,并用于倫敦鐵路隧道修建中。20世紀30~40年代,歐美國家可以成功的修建內(nèi)徑在3 m至9m的地下隧道。60年代,日本根據(jù)對不同種類的盾構(gòu)的需求,發(fā)展迅速,進而也推動了盾構(gòu)法施工技術(shù)的發(fā)展。1974年日本首先研制出土壓式平衡盾構(gòu)掘進機,這也標志著盾構(gòu)法施工技術(shù)又進入了新的階段。隨后世界各國根據(jù)本國的國情,及各種特殊工程的需要,對盾構(gòu)進行使用和研究,一些發(fā)達國家整個盾構(gòu)法施工體系相對比較完整。目前,因為日本和德國的盾構(gòu)法施工用的早,當今其技術(shù)水平比較領先。國外盾構(gòu)機生產(chǎn)商具有很強實力的國家有美國、德國、日本、加拿大等。
2.國內(nèi)
20世紀中期,盾構(gòu)技術(shù)開始傳入中國。1963年,上海建立了我國最早的盾構(gòu)施工技術(shù)研發(fā)基地,進行盾構(gòu)的研究。1970年,直徑較之前大的擠壓式盾構(gòu)機在上海隧道工程中得以應用。20世紀80年代后期,仍然是在上海應用比較廣發(fā),并且土壓平衡式、泥水加壓式盾構(gòu)技術(shù)相伴進行。2004~2006年,上海依舊是盾構(gòu)用到最多的地兒,其中包括“先行號”土壓平衡盾構(gòu)研制成功;2007~2008年,“中鐵 1 號”、“進越號”相繼研制成功,其具有我國自主知識產(chǎn)權(quán); 2009~2012年,我國一些隧道工程仍然用到盾構(gòu)法施工,尤其指出2013年,煤礦斜井雙模盾構(gòu)在中國鐵建重工集團的努力下研制成功,代表國內(nèi)擁有了與傳統(tǒng)不一樣的盾構(gòu);2015年,類矩形盾構(gòu)、超大直徑泥水平衡盾構(gòu)等研制成功; 2016年,國內(nèi)最大直徑土壓平衡盾構(gòu)研制成功,其擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán),我國的盾構(gòu)體系開始逐漸完善。
1.盾構(gòu)分體始發(fā)、始發(fā)與到達的研究
①盾構(gòu)分體始發(fā)
通常情況下地鐵隧道盾構(gòu)機為整體始發(fā),但對于一般的電力、熱力等隧道以及超過一定長度的地鐵隧道區(qū)間依靠較小的施工豎井始發(fā),從而不能在始發(fā)前將整個盾構(gòu)放置于始發(fā)井內(nèi),分體始發(fā)因此而產(chǎn)生。
②盾構(gòu)始發(fā)與到達
盾構(gòu)始發(fā)出洞與接收進洞安全問題是盾構(gòu)法施工以往重要內(nèi)容。江玉生、王春河、江華等[2]對盾構(gòu)始發(fā)與到達進行了比較詳細的研究,并且在這方面提供了一些有價值的理論分析,供后續(xù)研究的借鑒。
2.聯(lián)絡通道凍結(jié)法
張海濤、陳龍[3],通過查閱資料及歷史關于聯(lián)絡通道凍結(jié)的總結(jié),較詳細設計了如何進行凍結(jié)施工過程。
3.盾構(gòu)對地下管線影響研究
盾構(gòu)施工對地下管線要采取避讓,遠離等措施,如果引起管線變形,除了帶給工程巨大經(jīng)濟損失,對地面以上的相關企業(yè)人生安全等也會造成不同程度的損害,比如燃氣管道、飲水管道等破損,對人們會帶來相當?shù)牟槐恪?/p>
4.盾構(gòu)法施工+綠色施工技術(shù)
我國現(xiàn)在的盾構(gòu)法施工并不是只追求單調(diào)空洞的施工,而是在貫徹國家、行業(yè)和地方的相關政策和滿足施工相關功能的前提下,最大化節(jié)約資源,降低能耗,綠色施工。將"可持續(xù)發(fā)展"理念延伸到盾構(gòu)施工過程中,進行"綠色建造",努力實現(xiàn)"四節(jié)一環(huán)保",這種以綜合效益最大化為目標的建造模式也是各種盾構(gòu)施工建設的必然趨勢。
在國內(nèi)城市軌道建設實踐中,將礦山法與盾構(gòu)法進行結(jié)合設計得到了應用。該要領原理是初期開挖采用礦山法完成隧道開挖和支護,后期則采用盾構(gòu)法施工。這也是我國在單一盾構(gòu)法施工不能進行的情況下,集體智慧的結(jié)晶,盾構(gòu)法與礦山法的完美結(jié)合也將開啟“盾構(gòu)法+”的時代。
1.地面出入式盾構(gòu)隧道(GPST)
傳統(tǒng)的盾構(gòu)法需要做兩個工作井,作為始發(fā)井和接收井,中途需要檢修則需要更多豎井。而無工作井盾構(gòu)法隧道法技術(shù)是盾構(gòu)機由地表始發(fā),進行掘進,最后盾構(gòu)到達也是在地表完成。該工法稱之為地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)。
2.單襯砌盾構(gòu)法隧道
國內(nèi)單襯砌受高內(nèi)水壓的盾構(gòu)法隧道在青草沙水源處的一段隧道首次應用,實踐證明該工程在經(jīng)濟、工期上均達到最優(yōu)化。除了實現(xiàn)工程最優(yōu)化,另外,對我國盾構(gòu)隧道襯砌方面提出了新思路,新想法,相信以后在這方面會有其他的創(chuàng)新,完善盾構(gòu)法施工體系。
3.現(xiàn)階段研究方向
超深復合地層中長距離、大傾角盾構(gòu)施工安全控制、預測、評價;盾構(gòu)施工超前地質(zhì)及環(huán)境預報;盾構(gòu)泥餅預防和控制技術(shù);盾構(gòu)“欠壓”掘進技術(shù);盾構(gòu)機部件更換臨界條件的判定。
盾構(gòu)設備對于不同地質(zhì)條件下適應性具體研究;盾構(gòu)設備制造技術(shù);盾構(gòu)施工對環(huán)境的影響及控制;復雜條件(近距有其他施工、列車通過產(chǎn)生振動等)下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能研究;襯砌結(jié)構(gòu)劣化特征與耐久性。
4.我國盾構(gòu)法施工與國外差距
我國盾構(gòu)技術(shù)與國外相比的差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
⑴關鍵部件。減速機、主軸承、變頻器、泵等盾構(gòu)關鍵部件在生產(chǎn)流程、材質(zhì)、優(yōu)越性等方面不及國外。
⑵國家及行業(yè)標準。規(guī)范化程度較國外低。
⑶巖石掘進機。關鍵技術(shù)并未掌握,依靠國外技術(shù)資源。
⑷超大直徑盾構(gòu)。特定條件下盾構(gòu)制造工藝、密封材料級別、結(jié)構(gòu)形式、快速更換刀具、大功率及高性能盾構(gòu)研發(fā)、變頻驅(qū)動技術(shù)等方面在國內(nèi)仍沒有效解決,與國外存在差距。
我國的盾構(gòu)技術(shù)日趨完善,通過對我國盾構(gòu)法施工現(xiàn)狀分析,可以預見其發(fā)展趨勢如下:
⑴由于我國各種隧道等工程的需求,盾構(gòu)機的數(shù)量會越來越多。
⑵由于我國的大型工程潛在的還有很多需要用到盾構(gòu),“超級”盾構(gòu)(超大型或者超小型)也會應用而生,將挑戰(zhàn)盾構(gòu)體系的種種極限。
⑶盾構(gòu)機的形狀也會因工程需要,日趨多樣化,應用領域不斷拓展。
⑷盾構(gòu)法施工工藝會更加完善,達到監(jiān)測精準化、控制智能化、推進快速化、經(jīng)濟最優(yōu)化、環(huán)保綠色化、安全穩(wěn)定化、管理網(wǎng)絡化。
⑸盾構(gòu)的性能越來越優(yōu)越,具備高適應性,跨江、跨海、超復雜地質(zhì)、超深度開挖的設計數(shù)字化、制造模塊化、決策科學化。
⑹盾構(gòu)國產(chǎn)化程度會越來越高,與世界最先進盾構(gòu)水平越趨接近。
要到達國際最先進水平不是一朝一夕的事,還是有一定差距,還需要穩(wěn)步發(fā)展,積極進取,用世界的眼光看未來,在技術(shù)攻堅上有自信、有創(chuàng)新,相信我國的盾構(gòu)技術(shù)會更加完善更加先進。
[1]住房和城鄉(xiāng)建設部科技發(fā)展促進中心.盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范[S].國家質(zhì)檢總局.
[2]江玉生,王春河,江華,等.盾構(gòu)始發(fā)與到達——端頭加固理論研究與工程實踐.人民交通出版社.2011: 23~40
[3]張海濤,陳龍.盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工技術(shù)[J].山東科技大學,2016:104-151.