? 近十年来中国超大直径盾构施工经验王吉云 (上海隧道工程有限公司， 上海 200232) 摘要：随着国内城市基础建设的快速发展，在采用盾构法建设隧道面临直径更大、埋深更大、距离更长以及地质条件更加复杂的情况下，中国已经应用不同的超大直径盾构完成了各类项目，文章结合工程案例对盾构设备、隧道内部结构施工、盾构始发和到达施工工艺、近距离穿越建(构)筑物等对国内超大直径盾构的应用进行了介绍，并探讨了相关施工技术经验。 关键词：盾构； 隧道施工； 超大直径 0 引言超大直径盾构隧道一般应用于公路或公路与轨道交通合建项目，其边界很难界定，20年前，直径10～11 m的盾构被认为是最大的，可以满足单层2车道需求；而近10年来，随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长，14 m及以上直径是当前的主流，可以满足双层4/6车道或单层3车道需求。本文所指超大直径盾构均为直径14 m以上。 国际上，1994年首次采用φ14.14 m盾构进行日本东京湾隧道施工；国内，2004年在上海上中路隧道引近荷兰绿色心脏φ14.87 m盾构进行施工。截至2016年6月，直径14 m及以上的盾构隧道项目有36例(含在建项目)，其中，国外有15例，国内有21例。国内外项目的简况如表1和表2所示。 由表2可知，国内直径14 m及以上的隧道主要应用于经济发达地区，已建成项目11项，在建项目10项。采用泥水平衡式盾构工法(德国海瑞克公司混合式盾构为主)[1]的17项，采用土压平衡式盾构工法的4项。公路隧道19项，公路隧道与轨道交通隧道合建2项(上海长江隧道和武汉三阳路隧道)。 超大直径盾构施工不可避免地要面临直径更大、埋深更大、距离更长以及地质条件更复杂等问题。以实际工程项目为背景，结合盾构设备及地质适应性、隧道内部结构、盾构始发和到达、近距离穿越建(构)筑物等施工关键技术对超大直径盾构施工进行探讨。 1 盾构设备及地质适应性“工欲善其事，必先利其器”，盾构设备是项目成败的关键。盾构设备的选择需要结合水文、地质、周边环境和沿线建(构)筑物等条件，兼顾设备的可靠性和技术先进性，满足工程项目要求。 超大直径盾构隧道因其先天的横断面尺寸及结构顶覆土要求，掘进过程中不可避免遭遇多个土层，目前国内的超大直径盾构隧道穿越地层的情况如图1所示。 表1 国外超大直径盾构隧道工程(截至2016年6月) Table 1 Super-large diameter shield tunnel projects abroad (as of June, 2016)  隧道名称所在国家规模盾构直径/类型设备厂商盾构隧道长度/km备注汉堡易北河第4隧道工程德国单管2车道14．2m/泥水德国海瑞克2．56建成通车银松森林隧道俄罗斯双管双层双向公铁两用14．2m/泥水德国海瑞克3．20建成通车莫斯科Lefortovo隧道俄罗斯单管单层3车道14．2m/泥水德国海瑞克6．90建成通车绿色心脏双线铁路隧道荷兰单管双线铁路隧道14．87m/泥水法国法玛通7．00建成通车尼亚加拉河引水隧道加拿大引水隧道14．4m/硬岩美国罗宾斯10．50建成使用阿拉斯加道路隧道美国单管双层4车道17．48m/土压日本日立船厂2．80在建东京外环公路隧道日本双管单层双向4车道16m/土压日本三菱、川崎、JTSC18在建东京地铁隧道日本双线地铁14．18m/土压日本IHI1．10建成通车东京湾公路隧道日本双管单层双向4车道14．14m/泥水日本三菱、川崎、日立、IHI18．80建成通车马德里30km隧道西班牙双管单层双向6车道15．2m/15．0m/土压德国海瑞克、日本三菱7．34建成通车塞维利亚公路隧道西班牙双管单层双向4车道14．00m/土压法国法玛通4．08在建水景公路隧道新西兰双管单层双向6车道14．41m/土压德国海瑞克4．80建成通车卡尔塔尼塞塔公路隧道意大利双管单层双向6车道15．08m/泥水法国法玛通3．90在建A1sparvo公路隧道意大利双管单层双向6车道15．55m/土压德国海瑞克5．164建成通车圣塔·露琪亚隧道意大利双管单层双向6车道15．87m/土压德国海瑞克7．50在建 表2 国内超大直径盾构隧道工程(截至2016年6月) Table 2 Super-large diameter shield tunnel projects in China (as of June, 2016)  隧道名称 所在城市规模盾构直径/类型设备厂商盾构隧道长度备注钱江隧道杭州双管单层双向6车道15．43m/泥水德国海瑞克3．245km×2建成通车纬七路南京长江隧道南京双管单层双向6车道14．93m/泥水德国海瑞克3．02km×2建成通车纬三路过江隧道南京双管双层双向8车道14．93m/泥水(IHI/三菱/cccc)南线4．135km北线3．557km建成通车上中路隧道上海双管双层双向8车道14．87m/泥水法国法玛通1．28km×2建成通车上海长江隧道上海双管单层双向6车道15．43m/泥水德国海瑞克7．50km×2建成通车军工路隧道上海双管双层双向8车道14．87m/泥水法国法玛通1．50km×2建成通车虹梅南路隧道上海双管单层双向6车道14．93m/泥水德国海瑞克3．39km×2建成通车长江西路隧道上海双管单层双向6车道15．43m/泥水德国海瑞克1．50km×2建成通车A30沿江隧道上海双管单层双向6车道15．43m/泥水德国海瑞克5．09km×2在建北横通道隧道上海单管双层双向6车道15．56m/泥水德国海瑞克6．40km在建周家嘴路隧道上海单管双层双向4车道14．93m/泥水德国海瑞克2．572km在建外滩隧道上海单管双层双向6车道14．27m/土压日本三菱1．098km建成通车迎宾三路隧道上海单管双层双向4车道14．27m/土压日本三菱1．86km建成通车诸光路隧道上海单管双层双向4车道14．45m/土压德国海瑞克1．39km在建苏埃隧道汕头双管单层双向6车道拟购新机/泥水德国海瑞克3．0475km×2在建三阳路隧道武汉双管单层双向6车道15．76m/泥水德国海瑞克2．59km×2在建城南隧道芜湖双管单层双向6车道14．93m/泥水德国海瑞克3．85km×2在建 屯门至赤鱲角连接路海底隧道[2]香港单管双层双向4车道17．60m/泥水14．00m/泥水德国海瑞克4．20km在建龙山隧道香港双管单层双向4车道14．10m/土压中国北方重工4．80km在建瘦西湖隧道扬州单管双层双向4车道14．93m/泥水德国海瑞克1．28km建成通车横琴三通道珠海双管单层双向6车道14．93m/泥水德国海瑞克1．10km×2在建
图1 超大直径盾构隧道穿越地层情况(单位： m) Fig. 1 Soil layers crossed by super-large diameter shield (m) 表2中除个别项目位于华南地区外，其余基本沿长江流域分布。图1中，上海长江隧道、南京纬七路长江隧道、武汉三阳路长江隧道分别对应长江流域的入海口、下游、中游。受长江影响，地层中砂层埋深小，盾构切削断面中下部由粉细砂逐渐变为砂、砂含砾和泥岩。盾构刀盘配置的刀具由刮刀、铲刀向贝壳刀、滚刀转变，如图2所示。华南地区的地质复杂情况更甚于长江流域，以珠海横琴三通道隧道为例，埋深40 m左右就遇到强度接近100 MPa的花岗岩，仅仅依靠盾构设备直接切削，效率低下、施工可靠性差、风险大。因此，盾构设备本体配置应具有适应性和鲁棒性。具体做法有： 刀具可常压更换设计(见图2)；配置磨损监测系统；中心旋转接头设置冲刷装置防止刀盘渣土堆积；可伸缩式主驱动；配置超前探测装置，及时掌握刀盘正面的地质状况。除此之外，还需结合施工前岩石钻孔爆破、带压开舱换刀等辅助工法。珠海横琴第三通道水中钻孔爆岩及盾构通过破碎岩层的实际出渣情况如图3所示。  图2 超大直径盾构刀盘及可更换刀具设计 Fig. 2 Cutterhead and cutters of super-large diameter shield 2 隧道内部结构施工超大直径盾构隧道内部结构通常有2种布置形式，以通行车辆的结构层为标准划分为双层和单层，如图4所示。图中虚线标识的部分，施工中称为口字件或口型件，通常采用预制构件，建成后一般用作管线空间、预留轨道交通和救援车辆通道等。隧道内部一般采取纵向通风方式，根据隧道长度、通行车辆规格等要求，某些隧道顶部设置烟道板形成独立排烟通道。  (a) 水上钻孔爆岩作业  (b) 盾构穿越爆岩区域出渣情况  (c) 爆岩后取芯情况 图3 水中爆岩及盾构穿越出渣、取芯情况 Fig. 3 Blasting under water and mucking and core drilling 在盾构推进过程中采取预制和现浇相结合的方式组织内部结构施工。采用盾构车架上的专用吊具将口字型构件就位，形成隧道内部运输通道，两侧结构压重块和牛腿通过植筋与管片连接，现浇成型，牛腿完成后，进行两侧车道结构现浇作业，完成后实现多车道运输，见图5。充分利用超大直径盾构横断面空间，结合长距离运输，确保口字件上方通道到达盾构施工工作面，实现盾构推进和内部结构制作同时施工，以及隧道内部汽车水平运输，优化物流运输方式，提高物流运输效率。  (a) 内部结构双层布置  (b) 内部结构单层布置 图4 隧道内部结构布置(单位： mm) Fig. 4 Layout of internal structures of tunnel (mm) 隧道上部烟道结构在下部道路结构施工完成后、铺装层施工前进行，烟道牛腿采用植筋方式与管片连接，隧道内定制移动式模架施工；烟道板可预制可现浇，采用定制行车将预制烟道板架设就位；排烟口和射流风机位置为钢梁混凝土叠合结构，整体现浇成形。 从隧道内作业风险角度考虑，目前的内部结构施工作业还存在需改进之处，是否可借鉴节段梁拼装的方式实现内部结构整体式预制拼装，还需要设计方和施工方共同努力。  (a) 纵剖面图  (b) 横断面图 (c) 俯视图 图5 隧道内部结构施工组织划分 Fig. 5 Construction organization divisions of internal structures of tunnel 3 盾构始发和到达特殊施工工艺盾构始发和到达一直是盾构施工的关键工序，超大直径盾构因其尺寸大，增大了工作井的埋深，相应地也增加了施工风险，此外，长距离施工还要求始发位置不仅仅是个工作井。因此，需采取针对性措施。 为配合盾构及后续车架安装，始发位置结构由工作井和后续明挖结构组成。工作井及明挖结构设计中充分考虑盾构安装界线尺寸，同时考虑盾构施工阶段大跨度结构的整体稳定性，采取相关措施控制其变形，保证在竖向大跨度无支撑的临时工况条件下进行盾构安装调试。为保证盾构始发的安全，需对洞口土体进行地基加固，目前采用水泥基材料进行加固得到了广泛应用，个别项目因地质特殊采用了冻结、防渗墙等加强手段。上海长江隧道采用了三轴搅拌桩地基加固，工作井及明挖段采用板撑加固，既减小了工作井施工过程中的围护变形，又确保了盾构始发安全，如图6所示。 为简化盾构到达施工工艺，省去人工凿除洞门环节、加快施工效率、减小到达过程中工作井两侧水土压力失衡的风险，采用盾构水中到达的方式。为配合该施工工艺，盾构到达施工前，对洞口土体进行加固，在预留洞圈位置对地下连续墙进行特殊处理，采用玻璃纤维强化塑料筋(GFRP)代替普通钢筋，盾构直接切削围护墙体进入工作井。盾构一旦进入接收井，随着盾构周围摩擦力的消失以及正面水压力的降低，导致原来处于压紧状态的管片在止水橡胶条膨胀作用及盾尾的拉扯下易出现松动，因此，最后10环需进行特殊管片拼装。特殊管片构造包括剪力销和预应力螺栓，如图7所示。 (a) 纵剖面图 (b) 盾构始发井及结构临时加强板撑 (c) 始发地基加固 图6 超大直径盾构整体始发 Fig. 6 Overall launching of super-large diameter shield (a) 水中到达示意图 (b) 盾构水中到达周围情况 图7 超大直径盾构水中到达 Fig. 7 Receiving technology of super-large diameter shield in water 4 近距离穿越建(构)筑物超大直径盾构在城市密集区域内近距离施工对周边建(构)筑物会产生影响，为确保隧道施工及周边建(构)筑物的安全，盾构在穿越施工过程中，根据被保护对象与隧道相对位置关系及建筑物现状特点，采用分类分区域保护技术保护建(构)筑物。对距离<5 m的被保护对象采用类似fcec(全回转套筒施工工法)隔离桩或mjs(全方位高压喷射施工工法)隔离桩保护；对5=""><><10 m的被保护对象采用常规手段进行保护；对距离="">10 m的被保护对象采用控制盾构施工参数进行保护。大直径隧道工程穿越重要建(构)筑物，尤以长江西路隧道工程和外滩隧道工程为代表，如图8和图9所示。
图8 长江西路隧道穿越逸仙路高架和3号线高架 Fig. 8 Shield tunnel on West Changjiang Road crosses Yixian Viduct and Metro Line No. 3 图9 外滩隧道穿越重要建(构)筑物 Fig. 9 Shield tunnel crosses buildings 长江西路隧道施工为近距离叠次穿越逸仙路高架和3号线高架，盾构先南线依次近距离穿越高架桩基，在浦西工作井内调头施工后，随后北线依次近距离穿越高架桩基，最近距离仅1.05 m。穿越时对高架桩基采用MJS隔离桩保护，同时在管片端面设置剪力销，最终南线盾构顺利穿越逸仙路高架和3号线高架，隧道轴线、3号线高架和逸仙路高架累计沉降均控制在设计要求及标准范围内，其中立柱最大沉降值为9.3 mm。 外滩隧道施工连续近距离穿越浦江饭店、和平饭店和海关大楼等多个历史保护建筑物[3]。位于出洞段的浦江饭店与隧道边最小净距为1.7～4.5 m，与隧道顶净距为14.5～17.6 m，穿越时采用FCEC隔离桩保护，最终盾构成功穿越浦江饭店，浦江饭店的最大沉降为6 mm；上海大厦与隧道距离5.2～5.9 m，穿越时采用常规的注浆隔离加固法保护，最终盾构成功穿越上海大厦，上海大厦的部分测点最终变形表现为隆起，最大变形为5.3 mm；苏州河南岸距离隧道>10 m的历史建筑物群(如上海海关距离11 m，友邦大厦15 m，中国银行22 m等)，施工时主要采用过程控制的措施对其进行保护，最终盾构成功穿越历史建筑群，历史建筑群的最大沉降小于10 mm。 5 结论与体会从国内首条超大直径隧道开始，中国14 m以上超大直径盾构数量已达17台，掘进里程累计90 km。超大规模隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、开发和应用。盾构法隧道在大直径、大深度、长距离和复杂地层掘进的应用技术在国内得到了长足发展。多条超大直径隧道工程的成功建成 标志着我国在超大直径隧道建设领域内的技术已达到国际先进水平。 参考文献(References)： [1] 海瑞克集团. 泥水气平衡盾构原理介绍[EB/OL].[2016-07-27].http://www./cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html.(Herrenknecht. Working principle of slurry-air pressure balance shield[EB/OL].[2016-07-27]. http://www./cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html. (in Chinese)) [2] 宝嘉香港有限公司. 屯门至赤鱲角连接路海底隧道简介[EB/OL].[2016-07-27].http:///projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(Dragages Hong Kong. Introduction of under sea tunnel of Tuen Mun-Chulocock Island Section[EB/OL].[2016-07-27]. http:///projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(in Chinese)) [3] 黄德中，马元. 上海外滩通道超大直径土压平衡盾构施工技术[J].地下工程与隧道,2010(1)： 15-17，52.(HUANG Dezhong, MA Yuan. Extra-large diameter earth pressure balance shield construction technology for Shanghai Bund Passage Project[J]. Underground Engineering and Tunnels, 2010(1)： 15-17，52.(in Chinese)) Super-large Diameter Shield Tunneling Technologies in China in Recent Decade WANG Jiyun (Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd., Shanghai 200232, China) Abstract：The shield tunnel develops towards larger diameter, deeper, longer and more complex geological conditions in China with the rapid development of urban construction. There are many tunnels bored by super-large diameter shield had been finished. The applications of super-large diameter shield in China are presented in terms of shield equipment, construction of internal structure, shield launching and receiving and crossing adjacent buildings; and relevant construction technologies are introduced. Keywords：shield; tunnel construction; super-large diameter 收稿日期：2016-07-27; 修回日期：2016-11-07 作者简介：王吉云(1976—)，男，上海人，1998年毕业于同济大学，岩土工程专业，硕士，教授级高级工程师，主要从事地下工程的研究工作。E-mail: 13788971622@126.com。 DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.011 中图分类号：U 455.3 文献标志码：A 文章编号：1672-741X(2017)03-0330-06 |
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