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关于软土地区盾构研制开发模式的探讨万芳

发布时间:2020-02-14 11:41:26 阅读: 来源:挂车厂家

关于软土地区盾构研制开发模式的探讨

摘 要:本文分析了软土地区的盾构应用水平与现状,对中外盾构的差距进行了剖析和总结,阐述了加强先进盾构研制的紧迫性,最后提出一套盾构研制模式 关键词:盾构 平衡盾构 盾构施工参数与工艺

A Study on Pattern of Research and Development of Shield for Soft Soil Areas

Ma Zhongzheng et al

Abstract:The present situation of application of shield in soft soil areas was analysed and the difference between the shields at home and abroad was summarized.The necessity of research on advanced shields was expounded and the pattern of the research on shield was suggested. Keywords:Shield, balanced shield, construction parameters and technology for shield1 目前软土地区的盾构应用研究情况 关于软土地区盾构的应用,上海是全国先进地区,盾构的研究与生产也相对活跃,以上海隧道工程公司为代表,从1963年开始,先后研制出挤压式、网格式、土压式、甚至异形(矩形)盾构,以及盾构技术的兄弟技术-顶管法(有土压平衡顶管与泥水平衡顶管),包括现在正在研究一种叫做ECL(现浇混凝土隧道衬砌)的盾构技术。但是,在90年代进行的几项重大工程所采用的盾构,都是进口的,地铁一号线采用7台法国制造的土压平衡盾构,最近的二号线除了使用一号线的7台盾构外,又新进口了2台盾构,延安东路复线隧道采用了最先进的泥水式平衡盾构,是日本制造;广州地铁也采用日本制造的土压平衡盾构。虽然目前我们也称能造多种形式的盾构,但国产盾构仅能用于周围环境要求不高的地区,不适合建筑密集地区、管线复杂地区、土质条件差的地区,当环境要求高、破坏后治理费用大时,综合考虑费效比后,还是不得不采用进口盾构。 在软土地区,国产盾构与进口盾构存在下面的差距: 1)体形与断面上:我们盾构机都是单体形式的,盾构机是一个刚体,因此体量越大,在运动方面限制也就越严格,断面全为一孔,即使建造距离很近的(1m~5m)复线隧道,也必须分上行与下行两线进行独立施工;而在直径较小的平衡式盾构中,国外盾构机已有多体形式,盾构机由2~3截构成,运动较灵活,截面有眼镜形、三心圆形、拱形、H&V(水平竖直形)等多种形式,断面尺寸规模较大(如日本东京湾的海底隧道采用的平衡盾构,直径达14m以上); 2)机械性能方面:国内最好的技术是全断面切割的刀盘技术,基本是在盾构机头部安装一个整体转动的圆盘,在上面布置若干刀头(可能局部有一些超挖刀头),转动方向固定,因此只能切割规则空间,全部是圆形空间(近来,上海隧道公司研制出切割矩形截面的技术),在刀头刀盘的组合与刀头刀盘的运动分解上,没有变化,盾构机运动的方向有严格限制(转弯半径与爬坡等);而国外盾构,能有多种切割方向,并且可伴随盾构机体位的改变而作相应调整,通过盾构机头的刀具的切割方向和刀盘的分解组合,生成多种异形空间(如矩形,椭圆形,眼镜形,扩大形等等),运动形状变化较多,除了转弯半径与爬坡方面的限制较小外,象H&V型盾构,在掘进过程中,可作水平与竖向的灵活转动,形成空间相对位置多样的多隧道,盾构机与尾部的连接方面,周到的机尾可与衬砌灵活地衔接; 3)地层稳定技术方面: 对于平衡式盾构而言,因为其平衡地层的技术体现盾构水平的关键技术,具有可比性。上海隧道公司1986年就研制出国内第一台土压平衡式盾构,泥水式平衡顶管也于1991年研制并设计生产,应用于上海合流污水治理一期9.1标工程施工,至于泥水平衡盾构国内还无研制。我们的平衡式盾构,通过对土仓内土压力的值的预先设定,以达稳定地层的效果,如果施工效果不好,再调整,是一种后滞式的土压纠正,由于开挖面上土层的原始应力比较复杂,这种预先设定与后滞调整的结果会使机头处的地面隆起或塌陷,因此地层稳定效果不是很好;国外平衡式盾构,由于在土仓内设置先进的土压传感器,配备实时反馈及调整的电气与计算机控制,因而能达到很好的地层稳定效果,这就是为什么上海及广州地铁引用外国盾构的重要原因; 4)材料方面:包括防水材料、支护泥浆、同步注浆与双液注浆的浆液、刀具技术、衬砌材料。我们目前在管片衬砌中,主要采用环向与纵向膨胀橡胶防水,与国外相比,还没有发展采用土工防水布等技术;注浆的浆液扩散,若想获得理想与可控制的效果,需要提高浆液扩散传感、监控与探测技术;衬砌材料上,目前全采用预制管片,还没有现浇混凝土衬砌(目前处于研究阶段);国内的刀具使用寿命也有待提高; 5)电气特性:国内盾构机的电气方面,主要是挖掘电力、运输与照明电力等比较基本的电力提供,在用电气物理装置探测与传感土压、变形与运动、进行反馈与控制方面,应用得较少;国外先进的盾构,在三个层次上实现功能:机械特性←电气特性←计算机特性,在开挖面与盾构周边必要的位置布置各监控点,采集盾构运行状态的多种模拟信号并经计算机分析整理,发送控制信号,进行无人化的精确操作; 6)计算机处理与控制:国产的盾构机很少利用计算机进行实时的信息处理,而计算机控制几乎没有。上海地铁一号线引用的法国盾构及延安东路复线隧道的日本盾构都有先进的计算机信息处理与控制系统,既减少了人员劳动强度,又增加盾构机的工作效率与施工精度,通过实时数据分析处理、快速反馈、工程状态显示、实时控制,方便现场人员实时决策,达到信息化施工; 7)探测与反馈方面:由于盾构机是暗挖施工,地层中许多埋设物如果不事先发现,往往容易损坏埋设物和盾构机刀头。国内对周边地层的了解依赖图纸和钻孔调查,对历史久远的不明埋设物缺乏对策,例如,延安东路复线隧道在浦东近黄浦江段,盾构机切割到一大楼下早期的构筑物,停工很长时间;国外比较重视盾构机沿线周边地层不明物的探测,有超声波、红外线与激光等多种辅助探测与反馈设备; 8)衬砌技术:目前,国内主要采用管片衬砌,管片衬砌的一项关键技术是拼缝的形式,拼缝分为通缝与错缝两种形式,前者对施工精度要求不高,便于施工,但由于纵环相通,整体刚度和限制变形能力不高,对隧道结构与周围地层稳定有影响,错缝对施工精度要求高,但可克服前者的其他缺点。国内一般采用错缝形式(广州地铁由于全套采用日本的技术,采用通缝形式,但也似乎由于吸收不够完全,仍然出现压裂现象),国外(如日本)采用错缝的形式居多,可以提高整个隧道的牢固程度。 从目前的盾构技术开发与应用来看,国内与国外存在上述8点差距;从开发研究来看,国内基本上滞于机械与材料的研究(较高层面的研究,往往是建立在进口盾构机基础上外围衍生研究。上海延安东路复线隧道由于进口了最先进的泥水式盾构机,为了保证工程顺利进展,针对性进行较高水准的研究,从地面沉降机理、泥水盾构的工艺、施工参数、模糊控制模型、智能数据库等等进行较系统的研究,整个工程和研究代表国内的最高水平,但由于其是建立在国外主体技术之上的衍生研究,可重复性与可推广性不高),在其他几个方面既没重视,也无进展,尤其是电气方面与计算机方面,在传统的“土木”概念中,一直缺乏对此高于机械特性之上的二者的研究;国外,如日、法、德等国,当前已有的应用成果处于领先之外,还在进一步研制适用范围更广、开挖深度更深、技术自由度更大的技术,尤其是日本,除了目前能用盾构开发出各种异形空间外,依赖于盾构技术的研制开发,提出大深度开发地下空间的种种构想,包括建造地下城市,深度常常到达地下百米以上,没有盾构技术的进步,这是不可能的事。 综上所述,从盾构技术已有成果来看,落后国外先进水平很多,从目前研究现状来看,我们还没有足够的重视和投入,但实际上,我们想赶上国外先进水平,单纯引进已不是办法,研究与开发工作没有加速趋势,更无从赶上。但是,我国有制度上的优势,便于集中大量人力、物力与财力从事任何重大研究,只要给予足够重视与投入,作为地下空间开发的重要手段——盾构及外围的系统技术肯定会有巨大进展。

2 加强国产盾构研制的紧迫性 80年代初,联合国自然资源委员会正式将地下空间确定为重要的自然资源,国家建设部也于1997年12月1日颁布《城市地下空间开发利用管理规定》,对于特大型城市,地下空间开发已到迫在眉睫的地步,而地下空间开发技术直接关系到开发成本和开发形态,依赖进口不适合我国的国情,只有加强研制才是出路。具体有以下措施: 1)先进的盾构技术是大城市地下空间拓展的根本保障。全国大城市,尤其是沿海的大城市(比如上海,大规模建造高层的时期已经过去,而城市空间需求却与日俱增)人口密集,且有增加之势,人均城市空间资源趋少,公用城市空间捉襟见肘,不得不向地下寻求更多空间。从目前开发技术来看,浅层开发多采用明挖法,盾构主要应用于地铁和管线隧道,地下空间开发量只是总开发空间的极小一部分,城市要大规模地向下延伸,必须以完备的盾构技术为前提; 2)降低成本,节约造价,是地下空间大规模开发、降低成本、提高效益的前提。进口盾构及外围技术,毕竟花资巨大。拿上海来说,一号线进口的法国盾构平均每台300多万美元,二号线增购的盾构机平均每台400多万美元,延安东路复线隧道的泥水盾构总计进口投资人民币1亿元,广州地铁也由日本进口。随着批准建造地铁城市的增加和技术所限,进口资金还在投入,如果国产技术能达到要求,将可大大节约资金,降低造价;如果投入用于进口盾构机具资金的十分之一来研制开发,就有可能开发成功; 3)盾构及外围技术是一个系统技术,需要采用系统配套、分工协作的方法来研究,不能主要局限于材料与机械技术。若想减少乃到消除前述的8点与国外先进技术的差距,必须从技术系统的角度来规划与实施盾构技术的研制工作。

3 研制模式 下面,从几个方面谈谈先进的盾构技术开发研制模式。3.1 研究目标 1)不依赖进口,可开发出适合多种地区的先进盾构; 2)研制出适应各种地下空间开发需求的一套可操作性极强的盾构技术、开发模式,依此模式,可用盾构法开发出任意形状的点线面空间; 3)为地下空间建设行业提供强有力的技术手段,提高开发地下空间的技术经济效益及社会环境效益; 4)建立多专业联合研制、联合攻关的社会协作模式。3.2 途 径 1)多专业联手:需要地下工程、机械、材料、电气与计算机等至少五个专业的牢固结合。 2)高校、企业联手:目前,盾构研制通常都是通过生产单位,根据工程的具体需要进行单独设计生产的,对于国外先进水平与生产理论的信息掌握不是很充分。通过高校的专家、学者的参与,可以使盾构研制不再就事论事,能使其在一个前后贯穿的研制与积累的路线上进步,而企业的生产一线的具体需求和经验,又可加速高校研究成果的应用与转化。 3)试验与生产结合:在许多城市,如上海与广州,地铁正在紧张进行,工程进展中提出许多研究课题和要求,这是盾构研制与应用的最好的生产背景,也是很多成果能得以应用的大好时机,比单纯做试验段既经济又有实际意义。3.3 研究路线见图-1。

4 结 语 应当说,在地下工程空间开发的介质技术与研究方面,我们可与国际先进水平看齐,差距表现在地下空间的科学认识、规划、法规管理、设计施工与机具技术,而机具技术又是前者得以实现的最终途径,可以说,机具技术由于是地下空间开发中诸过程的一个关键节点,体现一个国家地下空间开发水平的高低,同时又是地下空间开发的技术自由度。在这方面,我们确实与日本等国有不容忽视的差距,由于这个原因,在软土地质的城市,上海地铁、广州地铁,不得不用法国和日本的盾构及相关的外围技术。本文对我国软土地区的盾构开发提出一些看法,希望能唤起领导重视与工程专家的积极参与,增加投入,加大研究力度和加快技术开发周期,从而使我国在盾构技术上赶超先进国家,为响应建设部号召、迎接大规模的地下空间开发作技术上的准备。查阅:已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图(更新中)查阅:2012年全国各省市城市轨道交通项目概览(更新中)查阅:城市轨道交通中标企业

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