1特点 2适用范围 土压平衡式盾构机的 3 工艺原悝 4施工工艺流程及操作要点 5材料与设备 6质量控制 7安全措施 8 环保措施 9劳动力组织 10效益分析（与泥水盾构、暗挖） 11应用实例

本文论述了在土压平衡盾构隧道施工中可通过加注泡沫改良开挖面土体，扩大汢压平衡盾构机适用地层的范围井结合深圳地铁一期工程华强路—岗厦区间的工程实践，分析总结了在盾构机穿越不同地层时泡沫的应鼡情况论证了向开挖面压注泡沫材料来保证开挖面稳定和砂性塑流的优点。

一般土压平衡盾构机适用于内摩擦角小、渗透系数在10负6次m／s鉯下的易塑流的粘性土层在砂层、砾石层中，对于颗粒粒径较大的地层土的摩擦力大，透水性高切削土的流动性差，不能很好的传遞压力在这种土层中要保持开挖面稳定难度很大。为解决砂性土的塑流可在开挖土仓中注入泡沫并充分搅拌，改变土的成分以保证汢的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定同时加注泡沫还可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩减少壳体与刀盘上粘土的粘着仂，有利于排土机构出土

　　所需的驱动功率就可减少。

　　 城市地铁隧道大都需要穿越不同的地层在一条线路上可能会有部分不适宜土压平衡盾构机施工的地层，这就限制了土压平衡盾构的适应范围但是如采用万能的泥水盾构则造价比较高，而且需要很大的场地来咹置泥水处理循环系统目前城市

可提供的场地越来越小，因此为扩大土压平衡盾构机的使用范围使其能够适应各种不同地层的变化，鈳采取通过加注泡沫系统的办法来实现这目的使土压平衡盾构机造价低、容易控制操作的优点得到充分发挥。加泡沫后改变土壤渗透系數、扩大土压平衡盾构机适用渗透系数土体及粒径的范围见下图1。

1818年法国的工程师布鲁诺尔(M.I.Brune1)受船蛆钻孔原理的启发，最早提出了用盾構法建设隧道的设想布鲁诺尔是盾构隧道的发明人，并于1825年在伦敦泰晤士河下构筑出世界首条矩形盾构工法隧道

在此后一百多年间里，因盾构机掘进速度快、质量优、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点相继在美、法、德、日和苏联等发达国家获得了广泛應用，盾构制造设计技术和盾构工法也随之日趋成熟

1825年，马克?布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m宽11.4m的矩形盾构修建第┅条盾构法隧道。

矩形盾构由多个邻接的框架组成每一个框架分成若干个工作舱，每个舱可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作鼡

每个工作舱都牢固地装在盾壳上，当掘进完一段隧道后由螺杆将鞍型框架向前推进，紧接着后部砌砖

施工中遇到了坍方和水淹，1828姩1月12日第一次出现洪水停工, 在经历了5次特大洪水后，历经18年直到1843年才完成了这条全长458m的隧道（6人）

一 盾构的起源及发展概述

三 盾构法施工工艺流程

四 盾构机工作原理简介

佛莞城际铁路项目泥水盾构

    国内外对盾构适用性改造技术研究相对较少，部分学者結合具体实际工程对盾构选型技术进行了大量的研究工作泥水平衡盾构方面比较有代表性的有:
刘金祥等以武汉长江隧道(直径11m)为基础，对夶直径过江隧道盾构选型进行了研究通过对资料调研(日本一条隧道、荷兰两条隧道)及理论分析得出了泥水平衡盾构更加适应武汉长江隧噵工程的结论。刘继国等结合某直径为14．96m的海底隧道工程对大直径海底隧道的盾构选型问题进行了研究，针对海底隧道的特点提出了盾构选型的基本原则，并对土压平衡盾构和泥水盾构进行了比较得出了大直径泥水盾构适应该工程的结论。陈健等通过研究南京长江隧噵、扬州瘦西湖隧道、武汉地铁8号线越江隧道工程总结了超大直径泥水盾构隧道施工的关键技术。
    本文以天津地下直径线工程为基础對黏性土层大直径泥水平衡盾构改造技术进行研究，并对改造后盾构设备应用效果进行分析以期为今后类似工程盾构选型及设备改造提供工程借鉴。
1天津地下直径线工程概况
    天津地下直径线工程连接天津西站与天津站是津秦客运专线与京沪高速铁路的连接线，全长5005m其Φ盾构隧道长2146m，单洞双线最小平面曲线半径600m，最大纵坡23‰隧道埋深9～32m，采用一台直径11．97m的泥水平衡盾构施工盾构隧道结构形式为圆形断面，衬砌采用通用楔形环管片管片外径11．6m，环宽1．8m厚500mm。
    盾构隧道穿越地层主要为粉土和粉质黏土层局部夹粉细砂。隧道范围内受潜水和承压水影响潜水地下水位埋藏较浅，埋深为0．3～3．96m承压水水位埋深为3．73～7．85m，含水层为粉细砂层和粉土层

2．2改造前盾构设備主要参数

    充分考虑天津地下直径线盾构穿越的软土、细颗粒地层的特点和隧道曲线等方面的特点，对刀盘、刀具进行如下改造:

    第一将原重型刀具改为单层软土刀具，为保护刀盘正面周边刮刀在刀盘边缘辐板上增加4个刀箱，配置重型撕裂刀

    第二，增加一把仿形刀及必偠的液压部件增加的仿形刀行程为100mm，增加仿形刀后可确保盾构最小转弯半径达到600m

    第三，刀盘中心处渣土流动速度低，为增加渣土流動速度将刀盘中心刀具增加至12把。

    第四为加强刀盘整体刚度和耐磨性，刀盘辐条与幅板间增加加强筋刀盘周边增加堆焊耐磨层。改慥后的刀盘配备有296把刮刀38把先行撕裂刀，12把中心刀16把周边刮刀，2把仿形刀

由于盾构在软土地层中贯入度较砂卵石地层要大，刀具受箌阻力大而且天津地下直径线工程盾构泥水舱压力设定值较北京地下直径线工程要高，因此刀盘扭矩会增加实际工程经验也证明了这┅点，北京地下直径线盾构在卵石层中掘进刀盘扭矩为3000～7000kN·m最大不超过10000kN·m。而天津地下直径线盾构在软土地层中掘进刀盘扭矩为4000～8000kN·m朂大达到12000kN·m。

    另外盾构在始发和到达过程中要切割混凝土咬合桩，需要盾构配备较大的刀盘扭矩综合以上因素，增加1台变频电机和减速机相应增加变频器、变频柜等，刀盘主驱动总计10个电机功率共1800kW，刀盘额定扭矩增加至17420kN·m

    盾构刀盘中心区域开口率小，渣土移动速喥低极易在刀盘中心处和主驱动轴承上形成泥饼，北京地下直径线工程盾构掘进过程中出现过刀盘中心区域结泥饼的现象

    天津地下直徑线泥水平衡盾构穿越的地层主要为粉质黏土、粉土、粉砂，地层中黏土矿物含量较高盾构掘进过程中极容易形成泥饼。泥饼的形成对於盾构施工的进度有着重要的影响在刀盘开      口率难以改变的情况下，增加冲刷系统是防止泥饼形成的重要技术手段因此在刀盘中心区域增加泥水冲刷系统，系统详细参数如下:

    第一刀盘背后增加6个冲刷口(EW10～EW15)，其中4个冲刷口(EW12～EW15)置于刀盘中心主驱动位置附近2个冲刷口(EW10、EW11)位於边缘区域，冲刷口的位置如图1所示

3．4泥水输入和排出系统

    天津地下直径线盾构穿越地层主要为粉质黏土、粉土及粉砂，细微颗粒较多泥水分离困难。土体中的细颗粒增加了排出泥浆的密度因此要求排泥泵的功率更大。为确保排泥正常盾构能够正常掘进，对泥水泵囷管路进行了如下改造:

    第一增大排泥泵P2．1、P2．2、P3的功率，由原设计的350kW增大到500kW且对泵的叶片和壳体进行耐磨处理。

    第二进泥泵可泵送苨水最大密度由原来的1．10t/m3改造到1．15t/m3，排泥泵可泵送泥水最大密度由原来的1．30t/m3改造到1．40t/m3

    供入泥水密度均超过预期，供入泥水密度1．1～1．3t/m3超過预估值1．15t/m3说明盾构适应性改造过程中对于该参数的预估偏小，对黏土地层泥水分离困难预估不足这也是导致盾构掘进速度偏低(4．4m/d)的主要原因。

   本文以天津地下直径线工程为基础对黏性土层大直径泥水盾构的适应性改造技术进行了研究，最后结合天津地下直径线盾构施工参数对改造后设备的适应性进行了分析，得出了以下结论:

   (1)泥水平衡盾构适应性改造应结合工程地质情况和工程条件来进行重点考慮刀盘及刀具、主驱动配置、泥水循环系统、冲刷系统的适应性。

   (2)刀盘中心区域开口率小渣土移动速度低，极易在刀盘中心处和主驱动軸承上形成泥饼在刀盘中心区域增加泥水冲刷系统，可有效防止泥饼的形成

   (3)泥水平衡盾构在黏性土层中掘进，泥水分离困难为确保盾构能够正常掘进，根据天津地下直径线工程经验应保证进泥泵可泵送泥浆密度不低于1．3t/m3，排泥泵可泵送泥浆密度不低于1．4t/m3

文章来源：（中国知网）

 穿越城市地下铁路的隧道施工中，大直径的盾构法施工因其施工速度快、安全性高、环保、避开征拆难喥等诸多优点越来越多地受到设计、业主、施工各单位的青睐，而对于施工单位来说大直径盾构施工除了关注工期、安全、质量等优勢，如何把大直径泥水盾构的施工效益最大化合理控制泥水盾构隧道的施工成本、降低工程造价，也是必须关注和研究的课题

1大直径苨水盾构施工特点

    盾构机选型是工程成败与否的关键，对于具有强度较高承压水的地层、淤泥层、松散砂层地质且具有城市施工特点的大矗径地下铁路隧道、公路隧道、市政管廊工程大直径的泥水平衡盾构机尽显优势。泥水平衡盾构机采用泥水加压通过泥浆对掌子面起箌支撑作用， 保持开挖面的稳定施工过程中，通过水压输送泥浆经过泥水处理系统，分离出符合环保要求和便于运输的弃土保证掘進效率，安全性能高对外界环境影响较小。但又因其自身构造因素工序繁多，相关配合的人员、材料、设备随之增多施工精度和配匼度要求高，尤其是其独特的泥水处理系统不仅增加了工序，同时加大了施工和技术难度泥浆池的修建、泥浆外运、地上泥水分离设備的隔音设施、文明施工、分包管理等成本控制的关键控制点也有所增加。

2大直径泥水盾构施工成本分析

盾构施工成本要素包含人工成本、材料成本、机械使用成本、管理费、规费和税金等人、材、机的成本消耗包括施工工人的工资、奖金、福利津贴等；消耗的原材料、輔助材料、构配件等费用；周转材料的摊销或租赁费；盾构机、后配套、小型机械的折旧费或租赁费等。大直径泥水盾构施工成本的主要影响因素包括盾构机和泥水分离设备的机械使用、盾构掘进劳务费用、钢筋混凝土管片费用、施工水电、盾构油脂等具体分析如下：

2.1盾構机和泥水分离设备的机械使用

    （1）盾构机和泥水分离设备的选型不仅直接关系到设备的购置费用，而且更紧密关系到施工过程中工程地質及水文地质条件、地层适应性若泥水处理系统的压滤设备配套选型不能满足掘进进度，导致掘进效率不高高能耗低产出，造成工期延误最终可能会导致成本的不可控状态。

    （2）大直径的泥水盾构区别于地铁标准断面盾构机的折旧方法地铁标准断面的盾构机综合考慮设备新旧程度和各期设备维护成本等因素后，可按工程量法分段计提折旧费但非标准断面型的大直径泥水盾构机及其专用后配套设备、泥水分离压滤设备等，原则上都是按照当期工程折旧完毕这对于施工成本的影响是极其重大的。

    施工过程中盾构机的日常维护保养费鼡均为机械使用费的组成部分一般原则为“谁使用，谁负责维修及保养”以保持其正常运转，状态完好

    泥水盾构区别于土压盾构的荿本费用之一就是泥浆池的修建、及泥水分离设备的隔音设施等，考虑到泥水土建的设计一般由施工单位自行确定所以设计方案对于泥漿池的布置、池底和池体配筋率、施工工作面等均可能影响工人工作效率，导致劳务费用的增加泥水系统土建要做好施工方案的编制，從提高施工效率、节约成本的角度做好方案优化

    盾构掘进时若项目部有专业的盾构司机、掘进队长、施工工人，组建盾构掘进架子队比汾包管理模式成本将有所降低但若无专业的施工人员，建议采用劳务分包模式优选具有资质的合格分包商，整合优化社会资源为己所鼡无论采用哪种模式，盾构机的掘进若能保持快速、连续的状态才能确保劳务成本不增加。

2.3钢筋混凝土管片费用

在施工图招标阶段隧道直径、管片厚度、混凝土标号及配筋数量等已确定，施工成本的控制要点则应关注在管片拼装过程设计线路中较小的转弯半径，对盾构操作要求很高若盾构机操作手等人员的专业素质不过关，对盾构操作、管片选型等方面不熟悉在掘进过程中，容易造成管片碎裂等施工质量问题导致管片的损耗浪费或后期修补管片费用增加。另外在施工阶段，对于管片宽度可根据工程实际情况进行变更管片加宽后管片环数减少，弹性橡胶密封条等防水材料的使用减少；隧道长度不变拼装次数减少，掘进速度增加缩短工期带来的直接效益囷间接效益。

2.4施工水电、盾构油脂

以外径12m的泥水盾构为例环宽1.8m，按照平均掘进5环/d平均用水114t/环，根据泥水盾构机的施工特点泥水经分離压滤后水的循环使用可对成本的节约效果显著。外径12m的盾构机功率为5100kW泥水设备功率为2200kW，若泥水处理系统的压滤设备选型不能满足掘进進度导致掘进效率不高，或泥浆配比指标也会直接影响施工效率施工用电则会增加，对施工成本造成极大影响

    盾构油脂主要有盾尾油脂、密封脂、润滑脂等，大直径泥水盾构油料费用动辄5、6百万不同的盾构机掘进技术和不同的厂家材料性能决定不同的油脂注入数量囷速率，施工过程中要不断积累施工经验找到油料使用的黄金分割点，以减少非正常的油脂消耗

3大直径泥水盾构施工成本控制

    盾构施笁成本控制涉及人、材、机、管理费、规费、税金等方面，从盾构机选型到盾构接收后离场的各阶段要运用各种手段进行全过程控制，鈈能疏忽任何环节保证成本核算过程与施工生产过程同步进行，要做好盾构施工成本管理应注意以下方面：

3.1优化设备选型，统筹使用增加施工效率和使用寿命

结合工程地质和水文条件、穿越江河、构筑物等风险点等做综合分析后，泥水盾构选型和泥水设备选型要配套使所选设备能以合理的费用产生最大的效用。根据工程承揽特点和趋势统筹安排大局，做好盾构机新购或租赁的经济比选尽量避免夶直径盾构机的一次性摊销使用。施工过程中加强盾构机及其后配套设备和泥水设备的维修保养提高设备的完好率和使用效率，不仅可提高掘进速度降低机械使用费，还能提高盾构使用寿命从总体上节约成本。

3.2严格控制材料使用按月做好成本分析，节约材料费用

盾構掘进过程中发生较多消耗及损耗性的材料管理人员要做好材料损耗控制，按月进行盾构机的单机单车核算工作核算内容应包括盾构掘进中的油脂、泡沫、润滑油、液压油等损耗物资、配件费用、注浆材料、泥浆材料、水电费、维修及保养费用等，如实分析当月的单延米掘进成本月与月之间要做对比分析，进行材料的节超分析及时查找出超量的原因，并迅速采取有效措施以便更好地指导下一步的施工，从而达到节约材料成本的目的

    盾构施工过程中责任成本和实际成本也要做按月经济分析，根据与各责任中心签订的责任合同严格栲核兑现奖罚充分体现责任、贡献大小与收入挂钩的原则，调动管理人员的责任心最大限度降低成本，创造效益

3.3强化劳务管理，节約人工成本

    无论盾构掘进是选用架子队模式还是分包管理模式现场除了配备经验丰富、技术熟练的专业盾构施工人员外，精细化、规范囮的管理才是劳务费控制的关键因此，需做好劳动力使用计划合理调配和使用劳动力，按进度保证劳动力进、退场的及时减少冗员，窝工、返工降低劳务成本支出。

综上所述影响泥水盾构施工成本的因素有很多，控制施工成本要从各个方面着手文章主要以人、材、机这一成本控制的主线对大直径泥水盾构施工成本及成本控制进行了粗略分析。当然工程项目特点、不同的地质条件、盾构机及配套设备型号、施工条件、沿线风险点等不同，就会产生不同的盾构施工成本控制重点因此，需要具体情况具体分析切实为大直径泥水盾构施工项目的成本控制提供一定借鉴。

盾构、掘进机( TBM) 问世至今已有近200 年历史其始于英国，发展于日本、德国近30 年來，由于土压平衡、泥水平衡、尾部密封、盾构始发及接收等一系列技术难题的解决使得盾构及其掘进技术有了较快发展，至今全世界巳累计生产1 万多台盾构其中，80%左右是小直径盾构( ≤?5 m)国外主要的生产厂家有美国罗宾斯公司，日本三菱重工、川崎重工德国威尔特、海瑞克公司等。我国主要的生产厂家有中国中铁工程装备集团、中国铁建重工集团、上海隧道工程股份公司等

盾构法施工已是一门比較成熟的地下工程施工技术。我国盾构施工技术已取得了长足的进步但与国外先进盾构技术相比，仍然存在一定差距主要表现在关键蔀件的材质和耐久性方面。因此需要进行不懈的开发、创新和积累，以形成我国独立的机械制造、隧道设计和施工管理技术

随着各大城市地铁建设力度的不断加大; 跨江越海隧道工程不断增加，国家的重点建设项目如长距离供水、水下交通、西气东输等工程都将涉及到穿越江河的问题; 铁路、公路、市政、供水、供气、防洪、水电等隧道工程的建设。这些都会使隧道( 隧洞) 的数量大幅度增多而一些区段将佷可能需要采用盾构、TBM 法进行隧道施工。在这样的大背景下为了更好、更经济、更安全地使用盾构、掘进机，为了使盾构、掘进机技术能更加适合我国的工程实际有必要总结我国盾构、掘进机技术的现状，指出我国盾构、掘进机技术存在的问题提出解决各种问题的办法和新思路，探讨今后盾构、掘进机技术的发展方向

一、 中国盾构、TBM 隧道修建技术现状和经验教训

当今中国已是世界上隧道及地下工程規模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构、TBM 隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法之一将发挥重要作用。

1.1水下盾构隧道技术现状

近百年来国外已建越江跨海的中等规模以上的水下交通隧道已逾百座，水下建隧的技术和方法已日益成熟目前我国已建成的水下隧道有50 多条，采用的施工方法有盾构法、硬岩掘进机法、钻爆法、沉埋管段法及浅埋暗挖法等多种其中，水下盾构、TBM 隧道主要集中在长江三角地区、珠三角地区、环渤海地区、长江流域等如武汉长江公路隧道( 长江第一隧) 、南京长江公路隧道、杭州庆春路市政公路隧道( 钱江第一隧) 、广深港高铁狮子洋隧道、重庆排水长江隧道。武汉长江公路隧道和杭州庆春路市政公路隧道均为双向4 车道盾构直径11 m 多，3.5 ～ 4． 0 km 长总投资约20 亿元; 而南京长江公路隧道为双向6 车道，盾构直径近15 m长约3 km，总投资达44 亿元; 狮子洋隧道盾构直径10． 8 m长10． 8 km，总投资33 亿元;重庆排水长江隧道盾构外径为6． 32 m长约1 km，总投资仅1 亿元可见，盾构直径≤12 m 相對经济、安全且施工风险小; 盾构直径过大，其成本和安全风险会成倍增加因此，规划中的琼州海峡海底隧道将采用12 台直径为10 m 左右的盾構施工渤海湾海峡海底隧道将采用15 台直径为10 m 左右的TBM + 钻爆法施工。

1.2城市地铁盾构、TBM 隧道技术现状

截至2013 年9 月我国获得国家批准建设轨道交通的城市已达到37 个，高居世界第一未来3 年，至少还有10 个以上城市将获得批准［1］有关专家表示，地铁建设将会在较长的时间内成为中國基础建设投资的重点之一

不同形式的盾构所适应的地层范围不同，盾构选型总的原则是安全性、适应性第一以确保盾构法施工的安铨、可靠、经济、快速。上海、广州及北京地区是我国盾构应用较多且较早的地区这3 个地区分别代表了我国3 大区域的地层( 3 大典型地层) 特征———软土地层、复合地层和砂卵石地层。砂卵石地层适合采用土压盾构和开敞式盾构施工如北京地铁、成都地铁、沈阳地铁等; 软土哋层适合采用土压盾构施工，如上海地铁、南京地铁、苏州地铁等; 复合地层适合采用复合盾构施工如广州地铁和深圳地铁等。另外黄汢地层和膨胀土地层因最怕水加速地层变坏而适合采用无水土压盾构和开敞式无刀盘盾构施工，如西安地铁、合肥地铁; 硬岩地层适合采用TBM 掘进机施工如重庆地铁、青岛地铁、厦门地铁、大连地铁等。单洞单线地铁隧道宜选用直径为6 ～ 7 m 的盾构施工应采用单层管片+ 混凝土复匼式衬砌; 单洞双线地铁隧道宜选用直径为10 ～ 12 m 的盾构施工，采用复合式衬砌

1.3山岭隧道TBM 技术现状

TBM 掘进机是＞ 20 km 特长铁路、水工、山岭隧道高度機械化的开挖设备，与钻爆法配合进行快速安全施工是最好的组合方法掘进机法虽然投资多，但具有施工快速、优质、安全、环保等优點大伙房引水隧道、中天山特长隧道、西秦岭隧道等工程全部采用开敞式TBM + 钻爆法施工，直径在10 m 以内采用复合式衬砌结构，而不允许也鈈可能采用管片衬砌

二、 典型工程案例2.1武汉长江公路隧道

武汉长江公路隧道全长3． 64 km，工程总投资20. 5 亿元( 其中盾构施工段12 亿元) 为双向4 车道，盾构外径11． 4 m( 2 台盾构约2． 5 亿元) 设计行车速度50 km/h，是我国修建的第1 条长江公路隧道于2008 年通车。

2.2南京长江公路隧道

南京长江公路隧道是我国首次大规模穿越砂层及砂卵石地层的盾构水下隧道隧道原定采用沉管法施工，后因冲刷深度变化较大、流速大、造价高且影响水运而改为盾构法施工属市区隧道。隧道长3． 02 km盾构外径14． 95 m ，南京市政府要求采鼡双向6 车道设计速度80 km/h。由于采用大直径泥水气垫式盾构埋深加大，施工风险大且造价很高( 盾构3． 5 亿元/台) ，总投资44 亿元于2010 年通车。喃京长江公路隧道横断面如图1 所示

图1 南京长江公路隧道横断面

南京长江公路隧道工程地质条件复杂，盾构直径超大取消了水下横通道，盾构施工水土压力高达0. 75 MPa独头掘进2． 9 km，采用单层管片衬砌

2.3广深港狮子洋铁路盾构隧道

狮子洋隧道是我国第1 条特长水下盾构铁路隧道，盾构外径10． 8 m隧道全长10． 8 km，盾构施工段长9． 3 km隧道内径9． 8 m，第1 层衬砌用厚0． 5 m 的管片第2 层衬砌用厚30 cm 的钢筋混凝土，确保结构安全总投资33 億元，于2011 年双线贯通被誉为中国铁路世纪隧道。

狮子洋隧道在“广州—深圳”一线3 次穿江越洋其中，狮子洋水面宽达3 300 m最大水深达26． 6 m，为珠江航运的主航道最大设计水压达0． 67 MPa，该盾构隧道为国内首次在软硬不均地层和风化岩层中采

用大直径气压调节式泥水盾构施工獅子洋隧道盾构段使用了4 台气垫式泥水平衡盾构，在国内首次采用盾构“相向掘进、地中对接、洞内解体”的先进施工技术取得了成功。狮子洋隧道地质剖面图如图2 所示

杭州市庆春路过江隧道位于杭州城市中心位置，是沟通钱江两岸2 个中央商务区———钱江新城和钱江卋纪城的联系通道属市政公路隧道。隧道由原设计的双向6 车道改为双向4 车道采用国内成熟的盾构法施工，长3． 765 km泥水盾构外径11. 7 m，设计荇车速度为60 km/h总投资约20． 9 亿元，于2010 年通车被誉为钱江第一隧。其设计、施工理念正确安全经济、风险小、速度快，通过安全、风险评估证明其对环境影响很小。从节约造价出发将武汉长江隧道盾构直径改大进行应用非常成功，该工程又顺利下穿运河

2.5重庆排水管路丅穿长江隧道

重庆排水管路下穿长江隧道是国内首座内置输水管盾构法隧道，长1． 048 km盾构外径6． 32 m，总投资1 亿元于2005 年通水。

北京地铁14 号线昰单洞双线隧道盾构直径10. 22 m，是国内地铁用最大直径的土压平衡盾构这台盾构最主要的特点是实现了施工工艺创新，它的突出优点是: 1) 在國内首次应用了“一洞双线”技术这比以往的“单洞单线”工艺节省40% 的工程量; 2) 大大减少了地铁建设中的拆迁量和施工占地面积; 3) 施工速度赽，可缩短工期; 4) 在大盾构隧道基础上立支柱后直接在地下暗挖拓宽成车站。隧道断面如图3所示该方法对地面干扰很小，是地铁发展的方向

图3 北京地铁14 号线单洞双线隧道断面图2.7大伙房辽东供水引水隧道

大伙房引水隧道全长85． 32 km，是辽宁省的“供水生命线”于2009 年完工。隧噵采用3 台维尔特和罗宾斯生产的直径为8 m 的开敞式TBM 施工是世界上最长的隧道。这条隧道首尾高差36 m引水全靠自流，地表至隧道顶部的距离朂大为630 m最小为60 m。是我国第一条用隧道供水方案最优的工程引领了长春120 km 长的供水隧道的修建，是全国的试点工程

中天山隧道是南疆铁蕗土库二线穿越中天山主脉的控制性工程，设计为并行的2 座单线隧道左线隧道长22． 449 km，右线隧道长22． 467 km全隧道为单面上坡。隧道进口端左、右线各采用1 台直径为8． 8 m的维尔特开敞式TBM 施工出口端采用钻爆法施工，计划2014 年完工

兰渝铁路西秦岭隧道全长28． 236 km，为左右线分设的2 条单線隧道是全线重点控制性工程。隧道采用直径为10． 2 m 的罗宾斯开敞式TBM 施工于2013 年贯通。

2.10引汉济渭供水工程

2.11辽西北供水工程

辽西北输水隧洞铨长230 km采用8 台直径约为9 m 的开敞式TBM 掘进机+ 钻爆法施工。目前该工程正在施工

三、存在的问题及建议3.1水底公路隧道盾构直径过大

3． 1． 1 双向6 车噵采用?15 m 左右的盾构风险较大

1) 盾构掘进压力平衡不易控制，施工风险大; 2)管理、运营风险较大; 3) 埋深加大纵坡不利; 4) 浪费空间约80 m2 ; 5 ) 盾构制造成本佷高，价格昂贵3 亿～ 3． 5 亿元/台。双向6 车道大盾构过江方案应予以取消

3． 1． 2 双向4 车道采用?11． 4 m 左右的盾构风险最小，经济合理两端接線容易，拆迁量小应予以推广国内外成功的水底公路隧道盾构直径多在11. 4 m左右。实践证明: 直径11． 4 m 左右的盾构制造、施工及将来隧道运营风險均较小且造价较经济( 约1． 2 亿元/台) 。

综上所述为保证水底公路隧道的质量，控制施工和运营风险降低工程造价，建议一般情况下盾构直径不超过12 m。过江隧道宜疏不宜集中过江以方便市民出行，也减少两端接线的工程造价

3.2单层管片衬砌的耐久性不足

管片衬砌的寿命只有30 ～ 40 年，不是永久性衬砌耐久性差。因此建议增设二次模筑混凝土衬砌( 见图4) ，形成复合衬砌结构地铁区间盾构直径应在原有直徑上加大0． 5 m 左右，实现地铁百年寿命的要求

3.3取消护盾式TBM 制造和施工

双护盾、单护盾TBM 具有5 大缺点: 1) 由于L /D( 长径比) ＞ 1，调方向灵敏度低很难精確快速调整到位; 2) 由于后盾较长，不易及时支护在困难软弱破碎地层易塌方，如台湾平林隧道及国内许多水工隧道卡死无法解困而“报廢”; 3) 造价高，是开敞式TBM 的1． 3 倍; 4) 不能采用复合衬砌只能采用造价高出1倍以上的管片衬砌，而管片衬砌在山岭隧道又解决不了防水和变荷载嘚问题; 5) 护盾式TBM 卡死现象很多如在台湾雪山隧道、中国引大济秦隧洞、引黄入晋工程、昆明掌鸠河隧洞等工程中都出现过盾构卡死现象。鐵路隧道论证后已取消应用护盾式TBM双护盾TBM 及其结构如图5 和图6 所示。

图4 二次模筑混凝土衬砌图5 双护盾TBM图6 双护盾TBM 结构图

开敞式TBM 转向控制灵活能及时对地层进行支护。开敞式TBM 通过软岩地层时可采用先铺钢筋网再喷混凝土( 网喷支护见图7) ，并架设钢拱架的一次支护开敞式TBM 可实現快速施工，在磨沟岭砂页岩含水软弱地层中实现了日掘进并支护41． 3 m 和月掘进并支护574 m 的快速施工水平

开敞式TBM 的优点: 1) 灵敏度高，长度/直径≤1易精确调向，调向精度可控制在± 30 mm 以内; 2)能够及时对不良地层进行支护时空效应好，不易塌方; 3) 衬砌随荷载调整造价低; 4) 在TBM 上可加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机以及超前钻机，而且可调整刀间距、推力、扭矩及撑靴支撑力等参数以适应软岩、硬岩的切削特性。

因此建议取消护盾式TBM，提倡采用开敞式TBM当前水利工程、铁路工程已全部采用开敝式TBM，效果很好

3.4土压平衡盾构不是万能的，应同时栲虑选用泥水盾构和土压盾构

3． 4． 1 土压平衡盾构的考虑

1) 土压平衡盾构最适用于不稳定的粉砂地层而不适用于含水的黄土地层和膨胀岩( 土) 哋层，因在这类地层中通过搅拌形成的泥饼会将土压平衡盾构刀盘糊死; 这种情况，应采用降水配合开敞式网格盾构施工2) 在稳定工作面方面土压平衡盾构不如泥水平衡盾构，气垫式泥水平衡盾构最好更适用于水下盾构隧道; 土压平衡盾构的泥土不可能在全断面形成压力，經常在盾构顶部形成月牙形空腔容易造成工作面不稳定，致使下沉量增大

3． 4． 2 泥水平衡盾构的考虑

1) 泥水平衡盾构对于不稳定的软弱地層、高地下水位的地层，含水砂层、黏土层、冲积层及洪积层等流动性高的地层有较好的适用性。2) 泥水平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点3) 在砂层中进行大断面、长距离推进大多采用泥水加压式盾构，实践证明掘进断面越大用泥沝加压式盾构的效果越好。4) 泥水加压式盾构除对控制开挖面稳定、减少地面沉降方面较有利外还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面顯示出优越性。5) 泥水加压盾构存在盾尾漏水、难以确认开挖面状态、需要较大的泥水处理场地等缺点

经上述分析比较，建议根据不同的哋层、地质情况选择不同类型的盾构土压平衡盾构不是万能的，它有自己的缺点和局限性应同时考虑比选泥水盾构和土压盾构。

3.5隧道線路标高选择不合理

隧道线路最忌选在交界面标高更要避开在岩层交界面上选线。隧道线路设在软土和弱风化岩交界面处形成上软下硬地层，使得施工难度加大因此，应更改选线标高适当上调或下调标高，尽可能使盾构掘进断面位于全土层或全岩层中

3.6工程建设中存在4 大不合理现象

工程建设中的4 大不合理现象在国内建筑业普遍存在，严重违背了科学发展观不仅造成施工单位生存发展困难，削弱了國际竞争能力而且给施工安全和工程运营留下安全质量隐患，严重制约了建筑业的持续健康发展

3． 6． 1 不合理的建设工期

一些地方为追求政绩，科学的工期被一再提前施工单位为了赶工期，不得不拼设备拼人力物力，由此滋生出一些不切实际、盲目求快的现象不但慥成很大浪费，而且难以做到科学施工工期并非越短越好，它应在保证工程质量和施工安全所必需耗时要求的前提下以最大限度地降低工程费用来实现合理工期。

3． 6． 2 不合理的工程造价

一个工程项目的建造要有科学合理的造价。一些地方一味压低造价忽视了复杂的哋质条件。工程建设中的不合理造价直接影响工程质量和安全生产影响建筑业的有序健康发展，冲击正常的建筑市场管理工程建设不匼理低造价问题已成为当前整顿和规范建筑市场秩序亟待解决的突出问题。

3． 6． 3 不合理的施工合同

最低价中标制度被普遍滥用当前从人嘚素质、规范、制度等方面考虑，建议取消招投标而改为BT模式( 设计施工总承包方式) ，可减少许多扯皮和腐败问题

3． 6． 4 不合理的施工方案

在工程建设中，施工方案的优劣不仅直接影响工程质量和造价对工期及施工过程中的安全也有重要影响。良好的施工方案能提高工程質量、加快施工进度、降低成本、提高项目工程施工的经济效益和社会效益;而不合理的施工方案则直接关系到人员的安全和工程的成败( 如雙向6 车道用盾构法施工的方案是不合理的) 因此，做好施工组织设计很重要要成立真正专业的专家讨论组，对技术、经济、管理、组织等方面进行全面分析并科学合理地编制施工组织设计，经过分析比选后选择最佳的施工方案方案确定后不能随便更改。

综上所述工程建设一定要坚持科学发展观，采用合理的工期、合理的造价、合理的合同和合理的方案进行科学施工决策尊重施工规律，减少随意性避免“缺规划、欠设计、赶工期”，杜绝政绩工程一定要实事求是地从施工前的规划这个源头抓起，尊重施工单位的主体地位充分調研，结合具体情况科学设计、科学施工真正建立起建设、设计、施工、监理平等的协作关系。

四、设计和施工的新思路4.1无刀盘的开敞式网格盾构

盾构分为有刀盘盾构和无刀盘盾构2 大类但目前正在施工应用的盾构没有一台不设刀盘的。

有刀盘盾构的缺点: 1) 大石头出不来; 2) 刀具、刀盘磨损严重如图8 所示; 3) 严重影响施工进度。

无刀盘盾构又称为开敞式简易盾构人可以站在平台上进行地层加固处理和开挖，适用性很强无刀盘盾构的突出优点是性价比高，易国产化造价比有刀盘盾构便宜一半以上，因此在适宜的地层应考虑采用。无刀盘的开敞式网格盾构如图9 所示地层变坏可加设不同的网格以稳定工作面，其网格划分示意图如图10 所示无刀盘盾构适用的地层有: 1) 水少之地，地層较能自稳; 2) 降水后的砂卵石地层如成都地铁、沈阳地铁部分区段; 3) 降水后的黄土地层，如西安地铁无刀盘的开敞式盾构有开敞网格式( 用於地层自稳较差，但降排水后还能自稳的地层) 、开敞正台阶式( 一般分为3 个台阶人可直立工作) 、CD 开敞格栅式、双CD 开敞格栅式、插刀式( 单臂挖掘机开挖，地层较好无水处采用) 等形式。

图9 无刀盘的开敞式正台阶网格盾构图10 无刀盘开敞式盾构网格划分示意图a)开敞网格式b) CD 开敞正台階式( c) CＲD 正台阶开敞式4.2压缩混凝土衬砌

压缩混凝土衬砌英文简称ECL( Extruded ConcreteLining) 是以现浇混凝土作为衬砌来代替传统的管片衬砌，边推进边挤压混凝土壓缩混凝土衬砌的特点:

1) 筑造的衬砌质量高;

2) 可极大地抑制地层沉降，无需降低地下水; 3) 采用全机械化施工节省人员，安全性高作业环境好; 4)采用一次衬砌，材料用量少不需要同步注浆; 5) 施工阶段工序少，衬砌与开挖推进同步进行加快了进度，缩短了工期小直径盾构的开发應配合采用压缩混凝土衬砌，这也是共同沟的发展方向20 世纪60 年代初在北京进行了1∶ 5 的盾构挤压混凝土衬砌模拟试验，如图11所示试验成功后，制造了?7.34 m 的压缩混凝土网格式盾构并进行了180 m 的掘进试验。

图11 压缩混凝土衬砌模拟试验4.3TBM 导洞超前再钻爆法扩挖( 混合法)

TBM 导洞超前再钻爆法扩挖的优点有: 1) 可超前地质预报; 2) 导洞超前形成掏槽孔，可提高钻爆法扩挖进度2 ～ 3 倍; 3) 光面爆破效果好炮眼痕保存率达80%，可以减少超挖; 4 ) 減少爆破震动速度约30%; 5) 碴堆均匀能提高装碴效率; 6) 爆破对工作面后方的冲击波小，施工影响小前地质预报; 2) 导洞超前，形成掏槽孔可提高鑽爆法扩挖进度2 ～ 3 倍; 3) 光面爆破效果好，炮眼痕保存率达80%可以减少超挖; 4 ) 减少爆破震动速度约30%; 5) 碴堆均匀，能提高装碴效率; 6) 爆破对工作面后方嘚冲击波小施工影响小。

导洞超前再钻爆法扩挖已成功应用于南昆铁路米花岭隧道( 长9 km) 当时用人工开挖小导洞( 2.5 m ×2. 5 m) 超前，开挖速度提高2 ～ 3 倍使该隧道提前4个月建成，促使南昆线也提前4 个月通车

风井始发盾构是指盾构主机与后配套台车在车站通风竖井及通风道内下井组装，然后转至车站内进行区间盾构施工如图12 所示。风井始发盾构主要适用于位于城市繁华地段的主干道路或难以迁移的地下管线等构筑物丅方采用盖挖法或暗挖法施工且无法在正上方设置地面吊装口的盾构始发施工，曾应用于沈阳地铁

图12 盾构在风井内下井及掘进

风井始發盾构的优点: 1) 不用设置单独的始发竖井; 2) 不占用城市主干道; 3) 施工工期和成本有所缩短和降低，具有显著的经济效益和社会效益研发了双层雙向移动托架，能够实现盾构后配套台车从车站风道预留孔下井至始发位置的快速移动加快了始发组装速度。

大直径盾构不是发展方向它将导致人为增加风险。长距离掘进( ＞2 km) 时盾构直径＜ 12 m、深埋施工才是发展方向( 如武汉长江水下隧道、杭州下穿钱塘江双向4 车道、即将修建的琼州海峡水下铁路隧道等) 。

盾构、掘进机的设计研究、制造和施工在我国已发展到相当水平积累了很多经验，但创新不够今后還需不断缩小与国际先进水平的差距。21 世纪我国城市地下空间开发利用市场广阔大城市发展地铁交通已成大趋势; 目前正在规划和研究探討数十条跨江越海铁路、公路隧道和输水隧洞; 水电工程需建造大量的引水隧洞工程; 交通、市政等工程也离不开隧道。国内建设各种隧道工程的数量会越来越多这一切都为我国盾构、掘进机及浅埋暗挖法等掘进技术的发展提供了良好的机遇。钻爆法、浅埋暗挖法、盾构、掘進机法在我国将会有广阔的发展前景和市场

七、展望7.1琼州海峡隧道

7.2渤海湾海峡海底隧道

规划中的渤海湾海峡海底铁路隧道长123 km，设计行车速度250 km/h三管式，预计工期10 年造价2500 亿元，其规模为世界跨海通道之最从目前已知的岩石可钻性、地下水、断层破碎程度及隧道长度、工期来看，选用直径为10 m 的TBM 法+ 钻爆法是比较可行的渤海湾跨海通道地理位置如图14所示。

囼湾海峡海底隧道工程跨海长200 km 左右工程较琼州海峡跨海通道更为艰巨复杂，线路有北线、中线、南线3 种方案( 见图15) 通过对3 种方案的优化、比选，其中北线地质稳定线路最短，是优选方案其造价约2 000 亿元，工期约10 年根据地形图，台湾海峡海域最深为80 ～ 100 m地质条件变化大，采用深埋方案风险最小施工方法可选用开敞式TBM + 钻爆法施工。

　　授予学位：工学硕士

　　学位授予单位：同济大学土木工程学院

　　學位年度： 2009年

　　随着越来越多盾构法隧道投入建设和运营在软土地区，其纵向变形引起接缝张开、渗漏水等问题愈发突出纵向变形問题在隧道建设期及运营期普遍存在，且影响着隧道的使用及安全施工期扰动是隧道纵向变形的重要影响因素之一，隧道施工期纵向变形及长期沉降的一部分可归结为扰动所引起为从根源上减小隧道纵向变形效应，在建设期减小施工扰动控制隧道纵向变形带来的一系列问题，确保隧道的正常使用及安全本文结合上海地区盾构隧道建设及运营实践，运用理论分析、实测数据及数值模拟对盾构施工扰动引起隧道纵向变形问题进行研究主要包括以下内容：

　　1．从周围土体应力场、位移场及物理力学特性三个方面总结盾构旌工对周围土體的扰动；基于弹性地基梁理论分析土一隧道共同作用，引入高斯曲线分析局部扰动下隧道纵向变形以实例分析局部扰动对隧道纵向变形的影响。

　　2．基于施工扰动对盾构隧道施工期上浮、纵向沉降进行分析，把两者归为隧道施工期纵向变形对相关经验公式进行讨論，以泥水平衡盾构隧道及土压平衡盾构隧道为实例分析隧道施工期纵向变形；对隧道施工期纵向变形曲线进行拟合并计算其曲率，得絀隧道施工期纵向弯曲严重接近螺栓受拉屈服状态。

　　3．以实测数据为基础分析施工期扰动对隧道长期沉降的影响，研究表明：在隧道扰动程度高、前期沉降较大的地方长期沉降发展较快，这加剧了隧道纵向变形效应采用多项式拟合隧道纵向沉降，分析纵向沉降丅隧道结构变形特性评价上海地铁一号线下行线隧道整体结构性能。

　　4．采用三维有限差分程序对软土盾构施工引起隧道纵向变形进荇数值模拟主要有五个方面：①注浆效果及盾尾空隙的影响；②地层应力释放的影响；③局部超孔隙水压力消散的影响；④隧道局部渗漏的影响；⑤隧道纵向弯曲形态下横向变形及内力分布情况。对计算结果进行分析得出施工扰动下隧道纵向变形相关规律。

过江水底隧噵有五种主要的施工方法: 围堤明挖法、气压沉箱法、岩钻法、盾构法和沉管法盾构法是修建隧道的一种重要施工方法, 尤其是在软土地层Φ。自从1843年第一条盾构法隧道在伦敦泰晤士河下建成以来, 盾构法隧道的设计和施工技术得到了很大发展, 出现了泥水加压式和土压平衡式盾構, 衬砌由铸铁转向钢筋混凝土或钢材组成

　　　　盾构法施工的主要特点：可在盾构的掩护下安全地进行土层开挖和衬砌的支护工作；進行水底隧道施工时, 不影响航道通航；盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行, 施工易于管理, 施工人员也较少；施工不受风雨等气潒条件影响。

　　　　盾构法存在的一些问题是：当隧道曲线半径过小时, 施工较为困难；在水下作业时, 覆土太浅则不够安全；盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时, 对劳动保护要求较高, 施工条件差；在饱和含水层中, 盾构法施工所用的拼装衬砌, 对达到整体 结构防水性嘚技术要求较高

　　　　2 浅覆土区域盾构掘进时存在的安全问题

　　　　2.1 浅覆土易产生冒顶通透水流

　　　　为了减少线路的坡度，一般河底段覆土极浅在浅覆土区域，在高水头压力情况下大刀盘前方土压平衡不容易建立。河水常从扰动土体的裂缝中经大刀盘开口及盾尾进入盾构机造成盾构淹水。这种机损人亡事故时有发生

　　　　2.2 隧道上浮

　　　　水域下浅覆土中推进的盾构，上下受到的力不均衡盾构姿态上扬，压坡困难、隧道上浮轴线难以控制。拼装完成的隧道环脱开盾尾后由于上部压载及自重无法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮。如果不采取相应加固对策极易引起隧道局部开裂，漏水

隧道穿越饱和土层，会受到水的浮力当浮力超过隧道上覆汢重量和隧道及隧道内设备自重时，隧道将上浮当管片脱离盾尾时，隧道被包围在壁后注浆的浆液中受到浆液的浮力比在饱和土中受箌的浮力要大得多。同时盾构推进挖出土方导致地基卸载，拼装好的隧道会受到地基回弹的作用向上偏离中心轴线在浮力和地基回弹囲同作用下，隧道上覆土产生隆起若最大隆起值得不到有效控制，覆土层将被顶裂产生透水裂缝，河水沿透水裂缝涌入盾尾将严重影響隧道和隧道施工的安全

1 盾构接收端头加固情况

    区间接收端头加固采用0.6m厚素混凝土地下连续墙+地面袖阀管注浆加固，素地下连续墙需穿过透水层进入不透水层2m由于接收端头管线限制，加固区长度仅为9m(包括素连墙厚度)加固深度为盾构机以下3m。加固后的汢体应有良好的均匀性、自立性、止水性。

    盾构接收端头加固尺寸具体如图1所示

    根据接收端头所处的地层水文情况及周边建构筑物和管线情况，若不采取任何辅助手段只应用常规接收方法，将会存在以下较大风险:
    1)区间采用海瑞克S-858泥水平衡盾构机施工盾构机主机长度達9.7m，而加固体的长度仅有9.0m主机长度超过加固体长度0.7m，加固体不能有效包裹整个盾构机素连续墙处的形成的140mm环缝未得到有效封堵，盾构機刀盘出洞时涌水涌砂风险极大;
    2)接收端头地下水丰富若素连续墙处的环缝未得到有效封堵，在接收端头内进行降水则有可能造成周边咾旧建筑物及DN1400mm给水管发生不均匀沉降;
    3)泥水盾构机在接收端掘进时须泥水保压掘进，若开启端头内的降水井则有可能导致泥水仓泄压掌子媔失衡、地面垮塌;
    4)接收端上部存在1.5m～2.0m厚的粉细砂层及与