地鐵盾構(gòu)施工及相關(guān)配套技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

李國棟

（中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

地鐵作為一種城市快速軌道交通系統(tǒng)正處在高速發(fā)展時(shí)期。隨著我國城市軌道交通工程的發(fā)展，隧道工程項(xiàng)目施工規(guī)模和數(shù)量快速增加，其施工技術(shù)發(fā)展迅速。與其他施工方法相比，盾構(gòu)施工方法在地鐵修建中具有明顯的優(yōu)勢[1]。與盾構(gòu)施工方法相配套的是管片襯砌技術(shù)，與盾構(gòu)機(jī)一體化實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)完成[2]。陳少秋[3]介紹了盾構(gòu)法施工的主要施工工藝和技術(shù)要點(diǎn)，并介紹了盾構(gòu)法地鐵施工的特點(diǎn)。孫繼鋒[4]探討了我國地鐵盾構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。何川等[5]介紹了我國盾構(gòu)法修建地鐵的技術(shù)發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢，總結(jié)了盾構(gòu)法修建地鐵隧道存在的技術(shù)問題，分析了地鐵隧道的盾構(gòu)開艙技術(shù)，并展望了我國地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)展方向與研究趨勢。郭紫剛[6]結(jié)合盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)原理，分析其施工技術(shù)現(xiàn)狀，進(jìn)而分析其發(fā)展前景。崔國華等[7]簡要介紹了集開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)于一體的盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展、技術(shù)現(xiàn)狀及新型盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)概況，分析了國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)差距，展望了盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展趨勢。

文章介紹了我國盾構(gòu)施工技術(shù)的現(xiàn)狀，并對(duì)比了國內(nèi)外管片技術(shù)，發(fā)現(xiàn)我國雖然盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)化率很高，但是管片生產(chǎn)技術(shù)單一且管片在施工過程中易破損，進(jìn)而影響工程的安全。因此，建議國家盡快制訂并完善管片詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)范，保證管片設(shè)計(jì)合理并能安全使用，這一建議也給科研人員的研究方向提供了參考。

1 盾構(gòu)機(jī)的發(fā)明與發(fā)展

1788年，英國人提議在倫敦泰晤士河下修建一條隧道，但因豎井施工深度不夠而被迫停止；1792年又開始了另外一條隧道施工，但因涌水僅修了30m再次停工。1818年，法國人Brunel發(fā)明了盾構(gòu)機(jī)（敞開式手掘式），并在1823年提出了采用盾構(gòu)機(jī)下穿泰晤士河修建一條隧道；1825年英國國會(huì)批準(zhǔn)后動(dòng)工，但因地層沉降而終止了工程。1834年Brunel采用改進(jìn)的鑄鐵框架盾構(gòu)機(jī)再次施工隧道。1841年貫通時(shí)，他72歲，為盾構(gòu)法修建水底隧道這一技術(shù)做出了卓越的貢獻(xiàn)。另外，他還在1830年發(fā)明了飽和含水層防涌水的“壓氣式盾構(gòu)”，在1865年首次制造了圓形盾構(gòu)，并在1874年首創(chuàng)了在盾尾拼裝管片作為襯砌結(jié)構(gòu)后并進(jìn)行注漿固定，為現(xiàn)代盾構(gòu)法施工奠定了基礎(chǔ)。1961年法國成功研制了泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，1974年日本研制了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，這兩種盾構(gòu)機(jī)成為現(xiàn)代盾構(gòu)的主流機(jī)型。20世紀(jì)80年代，日本采用直徑14.14m盾構(gòu)機(jī)修建了外徑13.9m的東京灣橫斷公路隧道；利用此技術(shù)和裝備，英國和法國共同修建了英法海底隧道。

2 盾構(gòu)機(jī)新技術(shù)的發(fā)展

為了滿足各種工程的需要，一些新的盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，不僅解決了傳統(tǒng)的施工問題，還提高了施工精度和效率。近年來的新技術(shù)如下。

2.1 異形盾構(gòu)

異形盾構(gòu)即非圓形盾構(gòu)，主要有橢圓形和矩形，其利用率比圓形大很多。我國寧波地鐵創(chuàng)造性地開發(fā)了類矩形盾構(gòu)，將兩個(gè)分離式的圓形地鐵區(qū)間隧道合并在一個(gè)類矩形隧道中，縮小了建筑限界，從而可以很好地避開城市繁華區(qū)地鐵施工對(duì)周圍建構(gòu)筑物的影響。同時(shí)，還提高了隧道斷面的利用率，大幅度降低了工程造價(jià)，解決了在中心城區(qū)至老城區(qū)的地鐵建設(shè)中存在著的“地下空間不能封閉，周邊設(shè)施不能觸碰”的問題。當(dāng)前我國許多盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家也研發(fā)出了矩形盾構(gòu)機(jī)，但是一般用于短距離施工即類似頂管施工方面。

2.2 多圓盾構(gòu)

日本于1989年成功研制了雙圓盾構(gòu)，由于節(jié)省地下空間資源、減少環(huán)境影響、降低設(shè)計(jì)成本等獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于地鐵、市政、能源等工程建設(shè)中，至今已完成13項(xiàng)雙圓盾構(gòu)隧道的建設(shè)。2003年，我國上海地鐵8號(hào)線首次引進(jìn)雙圓盾構(gòu)施工了3區(qū)間共長2688m，之后分別施工了6號(hào)線和10號(hào)線及2號(hào)線東延伸段，盾構(gòu)單圓直徑6.52m、雙圓寬11.12m。

2.3 復(fù)合式盾構(gòu)

2008年4月25日，由國家“863計(jì)劃”資助、我國自主研發(fā)制造的首臺(tái)復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)在河南下線。復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)同時(shí)配置了切削刀和滾刀，可以適應(yīng)土質(zhì)的掘進(jìn)，也可以掘進(jìn)上軟下硬復(fù)合地層，還可以掘進(jìn)全斷面硬巖以及砂卵石地層，為我國地鐵區(qū)間隧道的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

2.4 大斷面盾構(gòu)

隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來越大的盾構(gòu)機(jī)被成功研制。我國為建設(shè)武漢地鐵7號(hào)線三陽路長江隧道（上層為公路，下層為地鐵），成功研制了15.76m的超大直徑盾構(gòu)機(jī)（我國最大）掘進(jìn)復(fù)合地層（強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層），并已于2018年4月貫通。

在國外，為解決西雅圖南北交通問題，美國提出了修建地下隧道工程方案（2800m），由美國和西班牙的建筑工程聯(lián)合承建，向日立造船公司訂購生產(chǎn)了直徑為17.45m的全球最大的盾構(gòu)機(jī)，價(jià)格約為8000萬美元，全長110m重達(dá)7000t。盾構(gòu)斷面的增大也對(duì)管片及管片接頭的構(gòu)件提出了更高的要求。

3 管片技術(shù)的發(fā)展

目前，盾構(gòu)隧道多采用單層襯砌，雙層襯砌使用較少，國內(nèi)和歐美國家地鐵修建皆是如此；而日本采用雙層襯砌較多，這與日本地處地震高發(fā)帶有關(guān)。制作管片的材料有混凝土、鑄鐵、鋼材、復(fù)合材料等。管片的形狀多為平板形、箱形、特殊的異形結(jié)構(gòu)等形式。

3.1 鋼筋混凝土管片

早期的盾構(gòu)隧道采用鑄鐵管片、甚至鋼管片，之后隨著混凝土技術(shù)特別是混凝土預(yù)制塊制作精度的提高，其逐漸被鋼筋混凝土管片替代。平板型管片抗彎、抗壓剛度較大，具有很強(qiáng)的防水性能，所以目前鋼筋混凝土平板型管片應(yīng)用范圍最廣。如我國第一條水底隧道黃浦江打浦路隧道于1965年5月動(dòng)工，1970年9月建成，由8塊鋼筋混凝土平板型管片組成襯砌結(jié)構(gòu)，其外徑為10m、內(nèi)徑為8.8m。早期的管片預(yù)制采用固定模架人工預(yù)制，發(fā)展到目前以自動(dòng)化流水線生產(chǎn)為主。現(xiàn)在的自動(dòng)化管片生產(chǎn)線一般一環(huán)管片為6片，最后一片為封頂塊，稱為K或F塊。

3.2 鋼纖維混凝土管片

上海軌道交通6號(hào)線浦電路—藍(lán)村路站上行線區(qū)間SK18+840～SK18+909內(nèi)埋設(shè)了鋼纖維復(fù)合混凝土管片，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55、防水等級(jí)為P10。鋼纖維復(fù)合混凝土管片解決了普通鋼筋混凝土管片運(yùn)輸與安裝中易破損和開裂影響耐久性的問題，但造價(jià)相對(duì)較高。

3.3 雙圓盾構(gòu)隧道管片

上海地鐵所涉及的雙圓盾構(gòu)隧道襯砌每環(huán)11塊管片，8A（標(biāo)準(zhǔn)塊）+1B（大海鷗形）+1C（小海鷗形）+1D（柱形），均采用球墨鑄鐵預(yù)埋螺栓孔加短螺栓（M27），內(nèi)徑為5.7m、外徑為6.3m、幅寬1.2m，采用C50、P10。

3.4 類矩形盾構(gòu)隧道管片

寧波地鐵4號(hào)線用類矩形盾構(gòu)隧道管片一環(huán)分為11塊，厚45cm、寬11.5m、高6.937m，環(huán)向螺栓40根M36螺栓（鑄鐵螺栓孔、短螺栓），縱向螺栓30根M30螺栓（斜螺栓），錯(cuò)縫拼裝，設(shè)立柱，摻入了一定量的鋼纖維。

4 管片連接技術(shù)的發(fā)展

4.1 管片拼裝方式

管片的拼裝分為通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝兩種方式。在隧道橫斷面和縱斷面上連接管片環(huán)的部分分別稱為管片接頭和管片環(huán)接頭，即縱縫和環(huán)縫。初期管片接頭通常是剛性的，剛性越高，越安全。經(jīng)過長期的研究實(shí)踐，這種觀點(diǎn)逐漸被后來的柔性結(jié)構(gòu)理念所取代。常用的拼裝方式多為錯(cuò)縫，有兩環(huán)一組和三環(huán)一組錯(cuò)縫拼裝，封頂塊多在拱頂90°范圍內(nèi)，也有通縫拼裝，如上海地鐵。通常采用直線環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)和右轉(zhuǎn)彎環(huán)來模擬盾構(gòu)隧道線形，需進(jìn)行專門的排版設(shè)計(jì)、編號(hào)管理。為了減少模板類型和簡化管片的管理，深圳地鐵1號(hào)線首次采用了通用管片拼裝，即僅用一種楔形環(huán)管片，調(diào)整封頂塊的不同位置來模擬隧道線形。通用管片僅需一種鋼模，無須排版編號(hào)，施工方便、經(jīng)濟(jì)性好，盾構(gòu)測量系統(tǒng)自動(dòng)選擇下一環(huán)管片封頂塊位置。目前，通縫與錯(cuò)縫拼裝方式的比較和選擇還沒有得到令人滿意的解決。

4.2 螺栓

我國地鐵常用的螺栓形式為彎螺栓（環(huán)向和縱向），也有環(huán)向螺栓采用彎螺栓，縱向螺栓采用斜螺栓。通常在雙圓盾構(gòu)隧道管片中采用短螺栓，在類矩形盾構(gòu)隧道中采用短螺栓和斜螺栓。在廣深港鐵路客運(yùn)專線獅子洋隧道盾構(gòu)隧道管片中環(huán)向和縱向均采用了斜螺栓。近幾年，隨著綜合管廊的快速發(fā)展，開始應(yīng)用直螺栓連接管片的環(huán)縫和縱縫，直螺栓可以單排也可以雙排，抗彎能力直螺栓＞彎螺栓＞斜螺栓。直螺栓不會(huì)像彎螺栓那樣導(dǎo)致管片混凝土垂直于螺栓長度方向拉壞，但螺栓孔較深，對(duì)混凝土的削弱比較多，安裝沒有彎螺栓方便。

4.3 連接鍵管片技術(shù)

上海地鐵18號(hào)線出入線隧道引進(jìn)了日本連接鍵管片進(jìn)行了預(yù)制與現(xiàn)場拼裝試驗(yàn)，該管片的連接有以下兩種接頭：（1）塊間楔形連接式接頭，用A接頭楔入B接頭內(nèi)的連接方式來代替一般的螺栓接頭，是一種將管片塊間強(qiáng)制連接的接頭。（2）環(huán)間插銷式接頭，預(yù)先在管片環(huán)間接頭面中埋設(shè)B接頭，拼裝時(shí)只要把A接頭插入就可實(shí)現(xiàn)環(huán)與環(huán)間的快速連接，A接頭壓入擴(kuò)開B接頭內(nèi)部的插入嵌條，嵌條便填補(bǔ)在A接頭和B接頭之間的空隙處，緊密咬合。

該管片的連接鍵為國外進(jìn)口部件，包括環(huán)向連接鍵和縱向連接鍵。該管片接頭抗彎、抗剪強(qiáng)度大，連接便利，且無須設(shè)置螺栓孔，管片內(nèi)弧面無孔洞，提高了管片的整體剛度，接頭自動(dòng)化拼裝程度高，減少了螺栓孔封堵處理工作量，但對(duì)管片生產(chǎn)、埋件定位的精度要求較高。

5 國內(nèi)外管片生產(chǎn)技術(shù)對(duì)比

目前我國地鐵工程領(lǐng)域應(yīng)用的管片形式較單一，以帶螺栓孔的鋼筋混凝土平板型管片為主，偶有摻入鋼纖維的管片，僅有上海的雙圓盾構(gòu)和寧波的類矩形盾構(gòu)采用了預(yù)埋鑄鐵螺栓孔，聯(lián)絡(luò)通道和始發(fā)負(fù)環(huán)有應(yīng)用鋼管片。而國外的管片種類特別多，特別是日本開發(fā)了很多種類的管片，如連接鍵管片等。在引進(jìn)日本的技術(shù)基礎(chǔ)上，上海地鐵18號(hào)線首次應(yīng)用了無螺栓孔連接型管片，但其連接鍵還依賴進(jìn)口，且預(yù)制與拼裝及力學(xué)性能等技術(shù)均不成熟，還需要進(jìn)一步詳細(xì)研究并國產(chǎn)化，真正掌握無螺栓孔管片新技術(shù)，并廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)束語

目前，我國無論在盾構(gòu)機(jī)還是配套的管片生產(chǎn)技術(shù)方面都和國外有相當(dāng)大的差距。2019年7月我國首臺(tái)采用自主技術(shù)和多項(xiàng)國產(chǎn)核心零部件設(shè)計(jì)制造的復(fù)合地層超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)“振興號(hào)”在中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司常熟基地下線，標(biāo)志著我國盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上。從中也可以看出部分主要配件需依賴進(jìn)口，管片生產(chǎn)和驗(yàn)收技術(shù)單一，不適應(yīng)市場的發(fā)展，且現(xiàn)有的管片本身有許多的缺陷，如施工過程中管片拼裝錯(cuò)臺(tái)、管片破損，螺栓孔處滲漏等。而且我國目前還沒有關(guān)于盾構(gòu)隧道管片詳細(xì)設(shè)計(jì)的規(guī)范可以參照，很多設(shè)計(jì)部門都是根據(jù)設(shè)備廠家提供的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，甚至直接模仿。然而，這部分工作是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分，設(shè)計(jì)是否合理直接影響工程的安全、造價(jià)及使用。因此，如何制訂并完善管片詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)范，仍是我國有關(guān)施工設(shè)計(jì)單位及專家需要研究的重要課題。