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对我国盾构技术发展的一些看法 作者： 日期：第一章 二、对我国盾构技术发展的一些看法 隧道网 新闻来源：盾构隧道 121我国盾构技术概况我国盾构技术在解放前是个空白。新中国成立后，在第一个五年计划期间，在阜新煤矿的疏水道工程及1957年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构工法的尝试。但系统的全面的网格式挤压盾构法的实验是1963年于上海塘桥正式起步的。上海隧道公司于1966年又开始了事1022m的打浦路过江隧道的建造工程。1988年上海隧道公司又建成了113m的延安东路过江隧道。20世纪90年代以来上海隧道公司成功地掌握了土压平衡盾构(帕34m)工法(建造地铁隧道100km以上)和泥水平衡盾构工法(建造过江隧道5条，1122m)技术。迄今为止，仅由上海隧道股份有限公司用盾构法建造的各类隧道总长度已超过100km,，此外，近年该公司还开发了矩形盾构、双圆搭接土压盾构；另，广州地铁公司建造了广州地铁1号、2号线(复合盾构)；深圳地铁公司建造了深圳地铁l号线(复合盾构)；南水北调工程中线建造了穿越黄河河底的引水隧道(88m)；南京地铁公司建造了南京地铁1号线(634m)；天津地铁公司建造了天津地铁l号线(634m)；北京地铁公司建造了北京地铁5号线(62m)。再有，武汉、沈阳等城市的地铁也正在准备开工。这些都充分说明我国已步人了世界盾构技术的先进行列。但是我国盾构技术的发展还存在着不少不足之处。如盾构工法种类不多，各种特种异圆形断面及特种功能盾构工法应用少；地中盾构对接技术；竖井隧道的一体化施工技术；盾构直接切削竖井井壁的进、出洞技术等课题，目前均属空白。122对我国盾构技术发展的一些看法鉴于目前我国盾构技术的现状特点，这里作者对今后我国盾构技术开发的动向发表几点肤浅的看法，仅供参考。1出发点降低成本；提高质量；安全性好；适用范围广；施工现场占地少；施工高速化；使用寿命长；污染环境少；防灾能力强；有竞争力；隧道造型美观；便于设备回收。2做法机械化；智能化；信息化；省人省力化；设计合理化、标准化、规范化；施工计划、管理方法合理化；开发利用新材料；改善劳动环境，避免艰苦作业；设备节能化；废弃物的处理、再利用；设备维修、保养方便容易。3路线原有技术的改造；引进概念全新的新技术。1221健全掘进管理系统鉴于目前土压、泥水盾构工法国内已铺开的形势，故健全每个施工环节的掘进管理系统乃当务之急。1掘削面稳定管理应深入研究泥水(土压)盾构掘削面稳定的机理，稳定掘削面的措施。包括泥水(泥土)压力的管理、泥水(泥土)质量的管理、掘土量的管理；砾石处理设备、防止盾构后退的装置、防止背后注入浆液窜入掘削面的装置、泥水盾构舱内或管道系统压力异常的应急排水阀、更换土压计等传感器的装置、刀头磨耗检测装置及探查掘削面坍塌装置的设置，及运行自动化管理系统设置。2测量、方向控制的管理做好地表基准测量，洞内测量，中心测量，陀螺平面位置，水准仪确定盾构纵断位置的测量，确定合理的规范的方向修正量的方法，研究开发方向控制的新方法，开发管片自动组装等管理方法。3盾构运转管理运转管理包括总推力，切削扭矩，掘进速度，搅拌扭矩(泥水盾构)等多种掘进数据的采集、解析及自调整的自动化运转管理系统。4检修土砂密封状况、盾尾密封状况的检修，刀具磨耗量的检测，刀具更换装置的开发，液压驱动设备的检修，设备故障自诊断系统的开发。5背后注浆管理正确地选择符合注入要求的浆材、注人工法、注人参数(注入量、注入压力、注人速度等)、注入设备(应重点开发同步自动控制型的背后注入系统)。做好浆材质量及注人操作的管理。浆材质量管理包括：比重测定、浆液析水率、粘度、凝胶时间、凝胶前后强度的变化状况、凝胶固结体的一轴抗压强度等。注入操作管理，应严格控制作业顺序，作好日报记录。此外，对曲线施工的情形来说，应特别注意防止背后注入浆液窜向掘削面，致使推进反力偏斜造成隧道变形。为此应选用早期强度高，易控制填充范围的可塑性浆液。再有还应开发防止浆液窜入掘削面和超控部位的新措施，如设计设有盛浆袋的管片，或者在管片背面贴附尿烷泡沫等措施。6衬砌管理管片拼装方法要正确，应防止管片受损，要保持真圆度，防止管环的变形。开发管片自动组装系统。自动系统的优点是安全、省力、组装精度高、可靠性好、工作效率高。关键技术是遥控系统(管片供给系统、管片夹持系统、管片定位系统、螺栓紧固系统)。7防渗施工盾构隧道的防水功能主要取决于一次衬砌管片组装接头止水性能(拼接缝处止水材料性能、管片接头螺栓孔的止水性能、背后注浆孔的止水性、堵缝填充材的止水性能)的好坏。所以提高管片的组装精度，减少裂缝、错位至关重要。当然背后注入及二次衬砌性能的好坏也对防水性能有影响，但这些属辅助防水措施。止水封条管片止水应根据施工要求，按图121的程序确定封条及密封沟槽的形状、尺寸。经度验确认效果后再行施工。图121封条沟槽形状尺寸确定就封材而言，选用遇水膨胀型封材为好。特别是膨胀方向可控制型封材效果更佳，不仅长期止水性能好，同时还具有料薄、对组装精度和施工影响小的优点。螺栓孔止水施工应注意检查衬垫填缝材料合成橡胶或合成树脂的质量。注浆孔止水施工为了提高注入孔的封装止水性能，常在注入孔外围安装遇水膨胀橡胶环；注入孔内侧封盖上也添加一个遇水膨胀橡胶环。此外，还应在管片背面注入孔周围及易损伤的部位，或者金属紧固件的周围事先喷涂树脂类涂层，以提高防水效果。在管片内侧事先预留一个填堵沟，以便填充堵漏封材。当地下水中含有海水成分时，应在管片外侧喷涂防腐涂层。1222与盾构有关的开发内容1新型盾构机的开发超大口径圆形断面盾构机(1518m)越江隧道(如上海崇明隧道=152m)、海湾隧道(如上海至宁波的海底隧道、台湾与大陆间的海峡隧道)等可考虑超大口径盾构工法。小口径圆形盾构机(1m)适用于市内各种浅层管道的设置，用途极广。但方向不易控制，掘削中遇到硬块(混凝土块、砖块、铁器管、铁器等)时掘削困难。异圆形断面盾构机主要有：矩形盾构机(提高隧道内空断面的利用率)，椭圆形盾构机，马蹄形盾构机，多圆搭接站盾构机(三圆搭接、两圆搭接等)。 特种盾构机主要有：直角分岔盾构机，异径母子盾构机，球体盾构机，复合盾构机(系指硬岩、软土皆可掘削的盾构机)。2有关刀具方面的研究课题研究刀盘、刀具形状、数量、布设形式与土质、掘削速度等参数的关系，以便寻求最佳设计方案。寻求耐磨、耐热、耐腐蚀、高硬度的材料制作刀具。研究刀具的更换方法。开发刀具寿命探测和估算的方法。研究游动刀具、滚筒、环形刀具、环形+筒形组合刀具、偏心轴转动刀具、摆动臂刀具等各种切削刀具的性能、优缺点，以便针对不同的用途，择优录选。3稳定掘削面的技术课题掘削面稳定性的理论分析。研究利于掘削面稳定的刀盘构造形式。稳定掘削面的措施，特别是大断面掘削面的稳定措施，如现场掘削面水平钻引注浆等措施。开发监测掘削面土体稳定状况的方法(地下雷达、弹性波法、电探查法、超声波法、中子线法)。4姿态控制技术课题激光、陀螺并用的盾构自动方向控制系统的开发。压力控制式自动方向控制系统的开发。把模糊控制论用于盾构姿态控制技术的开发。电磁法盾构机(小型)的位置、方向的测定；小型盾构机的位置、方向测定及控制方法的开发。5ECL工法的有关课题研究开发流动性好、高强度钢纤维混凝土。开发更合理的盾尾内架设钢筋和浇注混凝土的方法。开发PCECL工法(即使用预制混凝土内框的掘削、衬砌同时施工的工法)。该工法的优点是合成衬砌强度高、止水性能好、洞内无组装钢筋的工序，故工期短。6长距离掘进方面的开发课题对作长距离掘进的盾构工法的技术要求(开发课题)如下：耐久性好的盾构机。要求掘削机构可对多种不同的土质作稳定切削。建立高精度的施工测量系统。包括隧道轴线的测量和盾构机的位置、方向的控制精度及管片的拼装精度的测量。7高速施工方面的开发课题盾构机构造上的改进适当提高千斤顶的速度(如01mmin)，设置切削转速可控装置进而控制进刀深度；设置制冷装置；适当扩大刀盘缝隙开口率；设置事故诊断装置；增加滚筒式刀头(卵石层)。提高管片的组装速度或者采用边掘进边组装的方法泥水送排系统：采用双线路排泥系统强化排泥系统。泥水处理系统：提高泥水处理能力以便与双线排泥系统相适应；防止掘削土砂粘附腔体内壁的措施。物流系统：建立适应缩短掘削周期的材料供给系统。管理系统：建立一套与高速施工相匹配的施工管理系统。8高水压施工时的一些技术措施改进盾构机的止水结构，提高止水性能提高土砂入口的密封止水性能；开发分散压力提高盾尾耐压性能和确保弹力的止水性能好的压力平衡式尾封装置。管片、接头及密封圈上的措施采用轴向插入型K管片。对海底隧道而言，管片对高压海水应具备抗腐蚀性。接头应采用连接螺栓不露在表面的平板型RC管片，提高接头的轴力性能；研制长期耐久性、稳定性好的密封圈材料，并探讨封材形状与沟槽的关系。9特大口径工法的技术课题有人把=14m称为大口径，把=1617m称为特大口径，把=1920m称为超特大口径。不过这种划分方法并未形成规范。防止拉大内、外刀盘速度差的措施。为确保掘削土砂流动性，应对腔内土砂的密结性采取一定的措施。现场组装盾构机时的问题：A由于地面运输的限制，整机分解件较多，故确保高的组装精度困难。特别是刀盘的承力轴的分解组装精度对掘进的影响极大。B轴的分割段数越多接头越多，加固部件越多，质量越大。C掘削轴在现场组装为一个整体后，运入竖井之前，应考虑起重机的外伸距离及实际的上吊荷重。D不得倾斜的大型部件(150t)的运输问题的考虑。制造设备的问题A生产制造厂家必须具备大型立式旋盘以便满足加工的需要。B厂家组装、修改问题。构造上的问题A千斤顶的条数与布设(高压千斤顶)问题。B驱动刀盘的电动机、高压液压器械等的选用问题。10小曲率半径施工时的技术处理对盾构机的要求A机长要短；B设置修边刮刀；C设置中折机构；D设置刀盘偏心机构、刀盘弯曲机构。对管片的要求采用楔形管片，管片宽度要窄；采用增加肋材，增加加固外壳，增加接头螺栓等措施提高管片的抗压强度。采用辅助工法(注浆工法，冻结法等)加固地层。选用恰当的背后填充注浆工法。11大坡度施工中的技术课题应根据坡度技术要求(目前已有20坡度的施工实例)和现场状况，恰当地选择洞内运输管片及其它施工材料的运送设备(台车、电瓶车、轨道方式)。总结安全装置的设计方法和制定合适的安全设施。12地中对接技术中的关键课题重点开发机械式直接地中对接技术。其中的关键性课题是：电磁法定位技术；中子探查技术；水平钻孔技术及冷冻技术；母子盾构法接合技术。1223竖井技术开发课题1千斤顶推托式沉箱井筒倾斜修正装置的开发。2开发现场浇筑凝土构筑井筒式的地锚反力千斤顶压沉沉箱(开口沉箱、压气沉箱)竖井工法。该工法具有可全面提高施工质量，确保垂直精度，缩短工期，降低成本，对周围地层变位影响小，适于近接施工，特别是压气沉箱更具魅力。3管片现场拼装井筒地锚反力千斤顶压沉沉箱竖井工法及SOCS工法的开发。4大断面、大深度地下连续墙式竖井施工工艺的改进。5开发球体盾构竖井隧道一体化施工技术。该工法的优点是井筒薄、工期短、成本低。6盾构直接进井、出井的NOMST工法的开发。该工法的优点是盾构可以直接掘削PAN筋材特制混凝土井筒，故可略去进、出井井口的地层加固。成本低，工期短。1224管片制作及拼装技术课题1管片设计新理论、特别是异圆管片的设计理论。侧重矩形管片、球体管片、曲线管片(蜂窝管片等)、站盾构管片的开发。2管片自动拼装技术(包括设备和方法)开发。3新的管片防水接缝材料、施工方法、操作设备的研究，电磁式粘接机的研制。4插接管片技术。1225掘削废泥排除技术课题1开发管道泵排泥技术。2废泥洞内处理回填技术掘削废泥在洞内处理后，通过管道泵压直接回填到站开挖回填部位。要求被处理后的废泥的特性与回填部位的土体的特性基本一致。有报导说这种回填技术的采用使工程造价下降50。1226新的注入材料，注入工法的开发1材料常温下水中固化沥青类新型复合材料。这种材料系由沥青乳剂和水泥固化剂及液态高吸水性聚合物混合而成。它具有极好的防渗性和柔性，如把这种材料作为盾构隧道的背后注入材料，则隧道的防渗性能和耐震性能可望大幅度提高。添加澎润剂的CB浆材的开发。这种浆液的填充性好，适于作为背后注入的浆材使用。此外，还应探讨新的膨润剂及其最佳的添加量。防冻浆材的开发。通常水灰比大的背后注入浆材冻结时会出现体积膨胀，解冻时背后注入浆材的性能受损，故注入效果变差。加上体积缩小，致使沉降大。另外，即使水灰比不大的浆液注入地层后，在强度未达到预定值以前实施冻结的情况下，浆材的固结特性仍然受到破坏，即解冻后的固结效果变差。为了解决这个问题，应开发添加解冻剂和粉煤灰类适于冻结地层中使用的背后注入浆材(亦称防冻浆材)。2注入工法应重视注入效果更好的新的注入工法的开发。如FDC工法(劈裂方向可控的注入工法)；SUPERJET工法(超高压大流量整流喷射法)；XJet工法(交叉喷射法)；JACSMAN工法(机械搅拌交叉喷射法)