中国TBM盾构、掘进机的现状及存在的问题

中国盾构、掘进机的现状及存在的问题
中国工程院院士 王梦恕
北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心
Research Center of Tunneling and Underground Engineering，Beijing Jiaotong University

我国水下已建成的隧道施工方法有钻爆法、沉埋管段法、浅埋暗挖法、硬岩掘进机法等多种施工方法。其中水下盾构隧道主要集中在：长三角地区、珠三角地区、环渤海地区、长江流域等。已建成的水下盾构隧道有：
武汉长江公路隧道：
万里长江第一隧，盾构外径11.4m（两台盾构2.5亿元），双线四车道，长3.64km，总投资20.5 亿元，其中盾构施工段12亿，2008年通车。
南京长江公路隧道:
中国首次大规模穿越砂层及砂卵石地层的盾构水下隧道，盾构外径14.95m （两台盾构7.5亿元），双线6车道，长3.02km，总投资44亿元，2010年通车。
广深港高铁狮子洋隧道：
第一条盾构水下铁路隧道，高速铁路隧道，盾构外径10.8m，长10.8km,总投资33亿元，2011年双线贯通。
结论：盾构直径≤12m，经济、安全、施工风险小。
杭州庆春路隧道：
钱江第一隧，市政公路隧道，由原设计双向6车道改为双向4车道，盾构法外径11.7m，长3.765km,总投资20.9亿元,2010年通车。安全经济、风险小、速度快，运河隧道也同步建成。
重庆排水长江隧道：
国内首座内置输水管盾构法隧道，盾构法,长1.048km,外径6.32m,总投资1.0亿元,2005年通水.
规划用盾构法修建的水下隧道：
长30Km的琼州海峡海底隧道，将采用10m左右盾构法施工。
规划用TBM掘进机修建的水下隧道：
长123Km的渤海湾海峡海底隧道，将采用10m左右掘进机+钻爆法施工。
规划用钻爆法修建的水下隧道：
厦门西通道、湘江、浏阳河等将采用钻爆法施工。
正在用沉管法修建的水下隧道：
港珠澳大通道，沉管长度6Km。

TBM掘进机是山岭隧道高度机械化的开挖设备，与钻爆法相比，掘进机法虽然投资多，但具有施工快速、优质、安全、环保等特点。以下工程全部采用开敞式TBM，直径在10m左右。采用复合式衬砌结构。

双护盾、单护盾TBM具有四大缺点：
1）灵敏度低，很难精确快速调整到位；
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；
3）造价高，是开敞式TBM的1.3倍；
4）不能采用复合衬砌，只能采用造价高一倍的管片衬砌。

卡死现象很多，如在：台湾雪山隧道、中国引大济秦遂洞、入黄入晋工程、昆明掌鸣河隧洞等。
铁路隧道论证后已取消应用。

开敞式TBM的特点：
1）灵敏度高、长度/直径≤1，易精确调方向，可在±30mm内；
2）能够及时对不良地层进行及时支护，时空效应好，不易塌方；
3）衬砌随荷载调整，造价低。

支护形式：开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护。
快速施工：在磨沟岭砂页岩含水软弱地层中，达到了日掘进快支护41.3m和月掘进快支护574m。

土压平衡盾构的考虑

1、最适合土压平衡盾构机的地层：不稳定的粉砂。
2、含水的黄土地层：该地层不适合土压平衡盾构。
有时不需要水或只需要加很少量的水，通过搅拌形成塑性好的泥浆，将刀盘全部糊死。
应采用降水配合的开敞式网格盾构。
3、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。
土压平衡盾构泥土不可能在全断面形成压力，造成下沉量增大。

泥水平衡盾构的考虑

1、使用效果较好的地层：不稳定的软弱地层、高地下水位的地层、含水砂层、粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质。
2、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机。
实践证明，掘进断面越大，用泥水加压式盾构机的效果越好。
3、在减少刀头磨损、适应长距离推进方面也有优越性。

隧道最忌选在交界面标高。线路设在软土和弱风化岩交界面处，形成上软下硬地层，施工相当困难，选线标高应改。应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。

英文简称：ECL——Extruded Concrete Lining
概念：就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌，边推进边压缩混凝土。
特点：
1）筑造的衬砌质量高；
2）可极大地抑制了地层沉降，无须降低地下水；
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，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期。

小直径盾构的开发应配合采用压缩混凝土衬砌，这也是共同沟的发展方向。

60年代初在北京进行了1:5的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验，成功后，制造了Φ7.34m的压缩混凝土的网格式盾构，并进行了180m的掘进试验。优点：①可以超前预报； ②导洞超前可提高钻爆法扩大进度2~3倍；③光面爆破效果好，可以减少超挖，减少扰动约30%。
应用：新关角隧道，长32.6km。

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