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我国隧道盾构掘进机技术的发展现状

2013-03-22 13:39:25 来源:中国农民网  跟贴1   作者:三农
1、我国盾构隧道掘进技术的发展历史

盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械,现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。

我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年,上海隧道工程公司结合上海软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验,隧道掘进长度68m。

1965年,由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台直径5.8m的网格挤压型盾构掘进机,掘进了2条地铁区间隧道,掘进总长度1200m。

1966年,上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径10.2m超大型网格挤压盾构掘进机施工,辅以气压稳定开挖面,在黄浦江底顺利掘进隧道,掘进总长度1322m。

70年代,采用1台直径3.6m和2台直径4.3m的网格挤压型盾构,在上海金山石化总厂建设1条污水排放隧道和2条引水隧道,掘进了3926m海底隧道,并首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。

1980年,上海市进行了地铁1号线试验段施工,研制了一台直径6.41m的刀盘式盾构掘进机,后改为网格挤压型盾构掘进机,在淤泥质粘土地层中掘进隧道1230m。

1985年,上海延安东路越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径11.3m网格型水力机械出土盾构掘进机。

1987年上海隧道股份研制成功了我国第一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机,用于市南站过江电缆隧道工程,穿越黄浦江底粉砂层,掘进长度583m,技术成果达到80年代国际先进水平,并获得1990年国家科技进步一等奖。

1990年,上海地铁1号线工程全线开工,18km区间隧道采用7台由法国fcb公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的φ6.34m土压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进200m以上,地表沉降控制达+1~-3cm。1996年,上海地铁2号线再次使用原7台土压盾构,并又从法国fmt公司引进2台土压平衡盾构,掘进24km区间隧道。上海地铁2号线的10号盾构为上海隧道公司自行设计制造。

90年代,上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了6台φ3.8~6.34m土压平衡盾构,用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等,掘进总长度约10km。在90年代中,直径1.5~3.0m的顶管工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡顶管机,在上海地区使用了10余台,掘进管道约20km。1998年,上海黄浦江观光隧道工程购买国外二手φ7.65m铰接式土压平衡盾构,经修复后掘进机性能良好,顺利掘进隧道644m。

1996年,上海延安东路隧道南线工程1300m圆形主隧道采用从日本引进的φ11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。

1998年,上海隧道股份成功研制国内第1台φ2.2m泥水加压平衡顶管机,用于上海污水治理二期过江倒虹管工程,顶进1220m。

1999年5月,上海隧道股份研制成功国内第1台3.8m×3.8m矩形组合刀盘式土压平衡顶管机,在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m,建成2条过街人行地道。

2000年2月,广州地铁2号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的2台φ6.14m复合型土压平衡盾构,在珠江底风化岩地层中掘进。

2、网格挤压式盾构掘进机的应用

1965年6月,上海地铁60工程区间隧道采用由隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台φ5.8m网格挤压型盾构施工,总推力为3.724×104kn。隧道覆土约12m,掘进长度2×600m。盾构推进穿越的建筑物和地下管线均未受影响。1967年7月,地铁试验工程完成,这是我国首次采用盾构掘进机施工地铁隧道。

1967年3月,上海打浦路越江公路隧道采用φ10.2m网格挤压型盾构,掘进总长1324m。盾构总推力达7.84×104kn。盾构穿越地面以下深度为17~30m的淤泥质粘土层和粉砂层,在岸边段采用降水全出土、气压全出土和局部挤压方法施工,在江中段采用全气压局部挤压出土法施工。

1970年以来,上海又用网格挤压盾构在长江边和海边建成了6条φ3.6~4.3m的排水及引水隧道。北京、江苏、浙江、福建等省市也用盾构法建造了各种不同用途的小直径隧道。

1983年,上海建设第2条黄浦江越江公路隧道一延安东路隧道。1476m圆形主隧道采用盾构掘进施工,其中500m穿越黄浦江底,500m穿越市中心区建筑密集群。为提高掘进速度和确保隧道沿线的构筑物安全,上海隧道公司自行设计研制了φ11.3m网格型水力出土盾构,这是在网格挤压型盾构基础上发展起来的新颖掘进机。网格上布有30扇可开启和关闭的液压闸门,具有调控开挖面进土部位、面积和进土量的作用,可辅助盾构纠偏和控制地面沉降。网格上还布设了20只钢弦式土压计,可随时监测开挖面部位土压值的变化,首次在盾构掘进过程中实现信息化施工。开挖面高压水冲切土体,并采用大型泥浆泵接力输送泥浆,自动计量装置控制出土量,实现掘进、出土运输自动化。衬砌拼装机的回旋装置首次采用了带制动器的大扭矩液压马达,起重量达5t,运转平衡。盾尾密封装置吸收国外新技术,采用三道钢丝刷,并注入自行研制的盾尾油脂,确保了盾尾密封。盾构推力由尾部周围 48只油压千斤顶提供1.08×105kn推力,采用φ11.3m网格型水力出土盾构,顺利穿越江中段浅覆土层和浦西500m建筑密集区,保护了沿线的主要建筑物和地下管线。该盾构技术成果被评为国家科技进步二等奖和上海市科技进步一等奖。

3、土压平衡盾构掘进机的开发和应用

70年代以来,英国和日本分别开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新颖掘进机一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,土压盾构也得到广泛的应用。

1987年,上海隧道工程公司成立土压盾构攻关小组,在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基础上,研制了国内首台φ4.3m加泥式土压平衡盾构掘进机。

φ4.35m土压平衡盾构全部采用国产部件,由上海船厂制造,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,施工性能技术指标达到80年代国际先进水平,技术成果获90年国家科技进步一等奖。

在掌握了国际先进的土压盾构技术以后的10余年间,隧道公司又陆续设计制造了10余台φ3.8~6.34m土压平衡盾构,用于取排水隧道和地铁隧道。1993年,制造了1台φ6.34m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1294m。

1990年,国务院批准上海地铁1号线开工建设,圆形隧道选用7台φ6.34m土压平衡盾构推进。第 1台φ6.34m土压盾构于1991年6月始发推进,7台盾构掘进总长度17.374km,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,地面沉降控制在+1cm~-3cm。

1995年上海地铁2号线24km区间隧道开始掘进施工,地铁1号线工程所用的7台φ6.34m土压盾构经维修以后,继续用于2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,加上上海隧道股份制造的1台土压盾构,共计10台土压盾构用于隧道施工,并从日本三菱重工引进4台φ6.14m土压平衡盾构。

2000年开工兴建的地铁明珠线二期区间隧道仍使用这10台φ6.34m土压平衡盾构施工。

2000年,广州地铁2号线工程海珠广场至江南新村3423m区间隧道选用2台φ6.14m复合型土压盾构掘进施工。地铁隧道要从珠江底穿越,埋深16~28m,掘进地层主要为全风化岩。

2000年,北京地铁5号线工程进行区间隧道盾构掘进试验工程,引进1台土压平衡盾构掘进机。南京地铁1号线区间隧道也选用3台土压平衡盾构掘进机。

4、泥水加压平衡盾构的引进和开发应用

泥水加压平衡盾构是70年代英国最早开发和应用的,1975年起在日本得到广泛的应用。1994年,日本东京湾道路隧道工程采用了8台世界最大直径14.14m泥水加压平衡盾构掘进18.8km海底隧道,这是世界最先进、自动化程度最高的盾构掘进机。

1994年,上海延安东路隧道南线1300m圆形主隧道施工引进日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加压平衡盾构。

泥水盾构设有掘进管理、泥水输送、泥水分离和同步注浆系统。掘进管理和姿态自动计测系统能及时反映盾构开挖面水压、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤顶顶力和行程、刀盘扭矩、盾构姿态、注浆量和压力等参数,便于准确设定和调整各类参数。泥水输送系统和泥水处理系统。

延安东路南线隧道工程施工的φ11.22m泥水加压盾构具有自动化程度高、盾构掘进对周围地层影响小的优点。盾构穿越厂房、防汛墙、地下人行道、高层建筑十分安全,沉降量小于2cm。掘进速度一般为6m/d,最高达12m/d。

广州地铁1号线工程于1996年引进2台φ6.14m泥水加压平衡盾构,掘进5852m。掘进地层为粉细砂、中砂、粗砂、粉质粘土和风化岩。

上海隧道股份在消化吸收φ11.22m泥水平衡盾构基础上,基本掌握了泥水加压盾构的设计计算方法,并于1997年自行设计制造了1台φ2.2m泥水加压平衡顶管机,用于上海合流二期过江倒虹管隧道工程,在高水压的砂性地层中顺利掘进1220m,其技术成果达到国际先进,被评为1999年上海市科技进步二等奖。

5、异形盾构掘进机的研究和应用

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,尤其在人行地道和车行隧道工程中,矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本在80年代开发应用了矩形隧道,在90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构,并完成了多条人行隧道、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。

上海隧道股份于1995年开始研究矩形隧道技术,1996年研制1台2.5m×2.5m可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、沉降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月,上海地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道采用1台3.8m×3.8m组合刀盘矩形顶管掘进机施工,掘进距离124m。

近年来,上海隧道股份研究所开展了对双圆隧道和多圆隧道掘进工程的可行性研究,进行了双圆隧道结构的模拟试验,为我国异形隧道的发展做了技术储备工作。

6、我国目前盾构掘进机水平

我国从90年代以来,已成功地研制了直径3.8~6.34m的土压平衡盾构掘进机10余台,用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程,技术水平已接近国际先进,在隧道导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距,在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。在直径1.2~3m的顶管掘进机方面,我国已经先后研制了先进的反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水加压顶管机,国内已完全有能力制造国产机械,替代进口设备。

最近,上海已研制了国内第一台3.8m×3.8m组合刀盘土压平衡式矩形顶管机,完成了2条62m长的地下人行通道,使我国在异形盾构的开发研究方面挤入世界先进行列。在微型隧道掘进机方面,我国也已研制了直径600~800mm的中心螺杆出土顶管机、夯管顶管机和水平定向钻机等设备。

上海隧道工程股份有限公司机械厂是盾构掘进机*造厂。1995~1999年,该厂制造各类盾构32台(其中制造46m地铁盾构5台,修复9台,制造φ3~5m盾构6台,制造φ1.5~φ3m盾构10台,制造矩形盾构2台)。土压平衡盾构的设计制造技术水平已接近国际先进水平,国产化率达70%,掌握了泥水加压盾构的设计制造技术,并制造了1台直径2.64m的泥水加压盾构。在 tbm掘进机方面,已具备设计制造能力,并为国外厂商制造安装了2台φ4.88mtbm掘进机。1999年为广州地铁2号线改制了2台φ6.lm的复合型盾构掘进机。上海隧道股份研究所具有设计开发国外各种盾构掘进机的能力,并有20余项盾构掘进机的成果获国家、建设部、上海市科技进步奖。

7、我国隧道掘进机展望

面对21世纪我国城市地下空间开发利用的广阔市场,在2000~2009年10年间,我国将有20余座城市建设地铁,至少将建250km。而采用盾构掘进机施工将是必然的选择,正在建设中的深圳地铁和南京地铁采用盾构掘进区间隧道;广州地铁2号线、上海地铁3号线、北京地铁5号线均采用盾构法施工。

φ6m的地铁盾构的需求量约达40余台,铁路隧道将有部分采用tbm掘进机,在今后10年内φ8.6m的tbm掘进机需求量约为6台。水电隧道将有相当一部分采用tbm掘进机,φ4m的tbm掘进机的需求量约20台。其它城市管道的建设,φ1.5~5m的盾构掘进机需求量约为100台。因此,盾构国产化替代进口是我们的目标和主要任务,以每台φ6m的地铁盾构500万美元计算,40台盾构若全部进口将花外汇2亿美元。铁路隧道φ8.5m的tbm掘进机每台3000万美元,进口约需1.8亿美元。水电隧道φ4.5m的tbm掘进机每台1000万美元,20台约需2亿美元。2000~2009年盾构需求预测见下表。

2000~2009年国内各类盾构的需求量预测表

盾构机型 直径(m) 台数 单价(万美元/台)引进费用(亿美元) 备注

土压平衡盾构

泥水加压盾构 6 70 500 3.5 掘进地铁500km

3~5 100 200~400 3 掘进市政隧道600km

复合型盾构 6 15 600 0.9 掘进地铁120km

tbm掘进机 4~5 20 1000 2 掘进水电隧道200km

8~9 6 3000 1.8 掘进铁路隧道60km

总计 181 11.2

由上表预测,今后10年我国隧道掘进机的市场可达10亿美元,若有60%采用国产掘进机,至少可节省外汇6亿美元,并可振兴我国的掘进机制造业。

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