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江玉生

（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 10083）

摘  要：本文在簡要介紹了北京地區(qū)盾構技術的歷史和應用現(xiàn)狀的基礎上，結合近6年來的北京地區(qū)盾構施工工程實踐和技術發(fā)展情況（以北京地鐵為主），總結了北京地區(qū)不同地層、不同型式盾構技術現(xiàn)狀和已經(jīng)取得的進展，提出了對北京地區(qū)未來盾構技術的發(fā)展建議。

關鍵詞：土壓盾構；北京典型地層；實時監(jiān)控；大直徑；參數(shù)控制

1  盾構技術應用概況

北京地區(qū)盾構施工技術始于20世紀50年代后期，1957年北京市政采用直徑2.0 m和2.6 m的手掘式盾構進行城市下水道施工，至1996年北京地鐵引入插刀式盾構，前后試驗斷斷續(xù)續(xù)約40年，盾構技術一直未在北京地區(qū)得到應用和發(fā)展[1-5]。直至1999年北京市政工程總公司在污水隧道工程中成功引進日本石川島播磨制造的現(xiàn)代化土壓平衡盾構，盾構施工技術在北京才獲得實質(zhì)性的工程應用。進入21世紀后，隨著軌道交通工程、鐵路工程、市政工程和水利工程的大規(guī)模建設，盾構施工技術在北京地區(qū)不同深度的淺埋典型地層中得到了廣泛的應用和發(fā)展，積累了相當?shù)慕?jīng)驗。

1.1  地鐵盾構應用情況

自2000年北京地鐵5號線首次引入土壓平衡盾構施工地鐵區(qū)間隧道開始，隨著5號線、4號線、10號線、機場線、9號線、大興線、6號線、8號線等線路的相繼全面開工建設，土壓平衡盾構施工技術在北京地鐵建設過程中得到了逐步擴大、進而全面廣泛應用和發(fā)展。部分已通車線路盾構應用情況如表1所示[3]。目前在施工的6號線（二期）、7號線、14號線、昌平線二期、16號線等新建線路中大量采用土壓平衡盾構技術修建區(qū)間隧道。馬上開工建設的北京地鐵8號線三期、6號線西延和即將開工建設的3號線、12號線、17號線等也將大量采用土壓平衡盾構進行區(qū)間隧道的施工。根據(jù)北京地鐵已有的建設經(jīng)驗及今后的建設形勢和規(guī)劃，盾構工法已經(jīng)成為地鐵區(qū)間隧道的主要工法。

表1  北京地鐵盾構應用情況統(tǒng)計（不完全統(tǒng)計）

Table 1  Applications of shields to Beijing Metro (incomplete statistics)

線路

區(qū)間總長（m）

盾構區(qū)間長度/所占百分比（m）/（%）

投入盾構臺數(shù)

刀盤型式

盾構穿越地層

5號線

14 470

5962（41%）

4（2臺德國海瑞克，1臺日本石川島，1臺日本日立）

2臺面板，1臺輻條，1臺輻條面板

粉質(zhì)粘土、粉細砂、中砂、卵石

4號線

21 085

12 976（61%）

9（4臺德國海瑞克，2臺日本石川島，1臺日本日立，2臺日本三菱）

5臺面板，2臺輻條，2臺輻條面板

粉質(zhì)粘土，中粗砂，圓礫、卵石、礫巖

10號線

（一期）

19 006

6 900（36%）

5（3臺德國海瑞克，2臺日本石川島）

3臺面板，2臺輻條

粉質(zhì)粘土、粉土、細砂、圓礫、卵石

大興線

9 118

4 794（52.6%）

6（4臺德國海瑞克，2臺日本石川島）

4臺面板，2臺輻條

粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂

6號線

（一期）

24 650

11 371（46.1%）

10（5臺德國海瑞克，4臺日本日立，1臺日本小松）

5臺面板，2臺輻條，3臺輻條面板

粉質(zhì)粘土，粉土，粉細砂，圓礫

9號線

13 250

4240（32%）

6（2臺德國海瑞克，2臺日本石川島，1臺日本日立，1臺加拿大拉瓦特

3臺面板，3臺輻條

卵石

8號線

（二期）

14503.5

9 807.6（67.6%）

12（1臺中國中鐵重工，2臺德國海瑞克，2臺法國法馬通，3臺石川島，2臺日本日立，2臺日本小松）

2臺面板，4臺輻條，6臺輻條面板，

粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂、圓礫、卵石

10號線

（二期）

27 150

22 340（82.3%）

26（2臺中國中鐵裝備，6臺德國海瑞克，5臺日本石川島，6臺日本小松，4臺日本日立，2臺法國法馬通，1臺加拿大拉瓦特）

7臺面板，8臺輻條，11臺輻條面板

粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂、卵石

注：區(qū)間總長僅指地下線長度，不含高架及地面線。

由表1可見北京地鐵所采用的盾構以日本和德國設備為主，各廠家盾構分布情況見圖1所示，其中日本盾構占52.6%，德國設備占35.9%，其它國家和國內(nèi)制造的設備較少，隨著盾構國產(chǎn)化的發(fā)展，國產(chǎn)盾構（如中鐵裝備和中鐵重工等）也開始在北京地鐵中進行應用，并且這個比例將會在未來的北京地鐵盾構施工中得到進一步提高，預計會成為將來北京地鐵盾構施工設備的主流。

圖1  北京地鐵所采用盾構設備統(tǒng)計圖

Fig.1 Percentage diagram of shield equipment in Beijing Metro

圖2  北京地鐵所采用盾構刀盤型式統(tǒng)計圖

Fig.2 Percentage diagram of different types of cutting wheel used in Beijing Metro

面板式刀盤、輻條式刀盤和輻條面板式刀盤（刀盤開口率介于面板式和輻條式之間），在北京地鐵均應用較多，如圖2所示。面板式刀盤約占40%，輻條式和輻條面板式各占約30%。通過對9號線和10號線（二期）卵石地層盾構施工情況的經(jīng)驗來看，大、中、小粒徑卵石地層中的盾構施工，如果大直徑卵礫石不需要破碎的話，輻條式刀盤的適應性優(yōu)于面板式刀盤。

1.2  水利及市政應用

北京市南水北調(diào)工程建設中大量采用了盾構施工技術，例如南干渠工程全長27.282 km，其中采用盾構技術修建的隧道長15.98 km，占全長的58.6%。目前正在施工的東干渠工程全長44.7 km，全部采用盾構法施工，預計投入盾構19臺，實際投入盾構將會超過23臺。

盾構技術在市政工程也得到了大量的應用，比如亮馬河污水隧道、清河污水隧道、壩河污水隧道和涼水河污水隧道等市政工程均采用小直徑（2.0 m~3.6 m）盾構法施工。

1.3  鐵路工程應用

北京地區(qū)的鐵路隧道工程施工中，除了大量的箱涵工程采用頂進法施工外，僅在北京地下直徑線工程（北京西站—北京站）中采用了盾構法施工，如圖3所示。

圖3  北京地下直徑線工程線路圖

Fig.3 Beijing Underground Diameter Line

直徑線工程是中國大陸第一條在城市里采用大直徑氣墊式泥水平衡盾構（開挖直徑11.97 m，如圖4所示）施工的地下電氣化鐵路隧道，盾構隧道長5.175 km。2008年8月盾構始發(fā)，2013年7月盾構到達。該工程的成功建設，為北京地下工程采用大直徑泥水平衡盾構施工積累寶貴的經(jīng)驗。

圖4  北京地下直徑線工程泥水平衡盾構

Fig.4 The slurry shield used in Beijing Underground Diameter Line

2  盾構技術進展

2.1  典型地層掘進技術

北京地層總體特點是西北部顆粒粗、東南部顆粒細。就一般而言,在西部的各大河流沖洪積扇部位以厚層砂土和卵、礫石地層為主；向東于城市中心區(qū)大部分范圍內(nèi)，地層過渡為黏性土、粉土與砂土、卵礫石互層的多層狀態(tài)；再向東北的東郊及北郊地區(qū)，則以厚層粘性土、粉土為主，表現(xiàn)出從上游到下游顆粒由粗到細的遞變規(guī)律；東部砂卵（礫）石層中卵礫石顆粒較小（一般小于100mm）,西部及西北部砂卵（礫）石的顆粒相對較大，存在超大粒徑的漂石，最大粒徑可達1500mm以上，且各層的層位、層厚分布不穩(wěn)定，有時尖滅，也有的呈透鏡體夾層。圖5為北京地鐵不同盾構區(qū)間地層中揭露的砂卵石情況。

通過對大量的工程實踐和相關經(jīng)驗教訓的分析與總結，已經(jīng)形成了一套北京地區(qū)典型地層盾構選型與地層適應性、渣土改良方法與改良劑的選取、盾構關鍵參數(shù)選擇與控制、始發(fā)/到達、開艙檢修等盾構施工關鍵技術，拓展了土壓平衡盾構施工范圍，為今后北京地區(qū)各種典型地層盾構施工提供了寶貴的經(jīng)驗，也可為其它城市或地區(qū)類似地層盾構施工提供借鑒[6-7]。其中，通過對各種典型地層近100個盾構區(qū)間關鍵參數(shù)的跟蹤、調(diào)研及分析總結，得出了不同地層不同組段刀盤扭矩、盾構推力及控制土壓力的控制范圍，如表2~4所示。

圖5  北京地鐵不同盾構區(qū)間地層中揭露的砂卵石

Fig.5 Sandy gravels from different strata in Beijing Metro

表2  不同地層不同組段盾構刀盤扭矩控制范圍表

Table 2 Control ranges of cutting wheel torque in different sections

地層

組段

控制范圍

備注

粘土/粉質(zhì)粘土/粘質(zhì)粉土/粉土層

A

1500~2500 kN·m

當?shù)侗P扭矩高于控制范圍時，應加強土體改良效果，降低扭矩，不可降低土艙壓力。

粉砂/細砂/中砂/粗砂等砂層

B

1500~3000 kN·m

砂卵石層

C

3000~4500 kN·m

復合地層

D、E

根據(jù)開挖面地層情況，參考A、B、C控制范圍進行設定。

表3 不同地層不同組段盾構推力參考控制范圍參考表

Table 3 Reference for thrusting force control in different sections

地層

組段

刀盤型式

控制范圍

備注

粘土/粉質(zhì)粘土/粉土層

A

輻條

面板、輻條面板

8 000~20 000 kN

①推力過小，且推進速度快，可能是遇到了地質(zhì)疏松區(qū)域或地層中存在空洞。

②推力過大，且推進速度緩慢，可能是刀盤結泥餅。

③推力過大，且無推進速度，可能是遇到了障礙物或者極堅硬地層（如：鈣質(zhì)膠結的砂卵石層）。

粉砂/細砂/中砂/粗砂等砂層

B

輻條

18 000~30 000 kN

面板、輻條面板

10 000~25 000 kN

砂卵石層

C

輻條

18 000~30 000 kN

面板、輻條面板

10 000~25 000 kN

復合地層

D、E

根據(jù)開挖面地層情況，參考A、B、C控制范圍進行設定。

表4 不同地層不同組段土壓力控制范圍表

Table 4  Reference for earth pressure control in different sections

地層

上覆地層情況

環(huán)境風險

組段

土壓力控制范圍

備注

粘土/粉質(zhì)粘土/粘質(zhì)粉土/粉土層

I級

AI

~1.2

①盾構推進過程中，土壓力一直處于波動狀態(tài)，應確保土壓力時刻保持在設定的最低值以上。

②切不可為了降低刀盤扭矩，加快推進速度，降低土壓力。

③一味提高土壓力，對地表沉降并無益處，反而會造成刀盤扭矩大，加大對土體的擾動，加大地表沉降。

④土壓力控制范圍還應與地表沉降控制情況進行反分析，根據(jù)地表沉降情況及時進行相應調(diào)整。

II級

AII

~1.2

III級

AIII

~1.2

粉砂/細砂/中砂/粗砂等砂層

自穩(wěn)性較好

I級

BI

~

II級

BII

~

III級

BIII

~

自穩(wěn)性較差

I級

BI

~1.2

II級

BII

~1.2

III級

BIII

~1.2

砂卵石層

自穩(wěn)性較好

I級

CI

~

II級

CII

~

III級

CIII

~

自穩(wěn)性較差

I級

BI

~1.2

II級

BII

~1.2

III級

BIII

~1.2

混合地層

D、E組段

根據(jù)隧道穿越地層情況和上覆地層情況，參考A、B、C控制范圍進行設定。

2.2  大直徑土壓平衡盾構及擴挖車站綜合技術

北京地鐵率先在大陸范圍內(nèi)采用大直徑土壓平衡盾構施工地鐵區(qū)間隧道（單洞雙線），然后擴挖形成車站的新技術。北京地鐵14號線15標段東風北橋站~將臺路站~高家園站~京順路站盾構區(qū)間，采用直徑10.22 m土壓平衡盾構施工，如圖6所示，盾構從東風北橋站始發(fā)，一次性掘進3 133.8 m到達京順路站，然后采用暗挖法擴挖形成將臺路站和高家園站，如圖7所示。目前盾構施工已經(jīng)完畢，暗挖法擴挖車站正在進行中。

大直徑土壓平衡盾構技術的關鍵在于盾構設備的配置（特別是相關扭矩、推力等參數(shù)的設置與地層的適應性匹配問題）、盾構施工關鍵參數(shù)的預測和設定、盾構施工過程關鍵施工參數(shù)的控制及其對地面沉降和地層變形的影響等，都與普通6.0 m左右的地鐵盾構有著較大的不同。如何在設備制造前、制造過程中和施工階段實現(xiàn)上述技術，是大直徑盾構應用于地鐵區(qū)間隧道（單洞雙線）建設的重中之重；同時在大直徑隧道中擴挖形成地鐵車站，對大直徑盾構隧道而言，需要有一個完整的技術方案，來確保盾構隧道本身的結構安全和擴挖車站施工過程的安全，這也是該項技術成敗之關鍵。

大直徑土壓平衡盾構及擴挖車站綜合技術的成功應用，將會極大提高北京地鐵建設的工程技術水平，同時該技術對提高盾構利用率，降低地鐵建設過程中地面拆遷和管線改移的工期和費用，減少地鐵施工占用道路和場地及其施工對周圍環(huán)境的影響，降低工程風險，節(jié)約工程成本，有著重大的意義。

圖6 北京地鐵14號線15標大直徑土壓平衡盾構

Fig.6 The large-diameter EPB used in Section 15, Metro Line 14, Beijing Metro

圖7  北京地鐵14號線15標盾構區(qū)間平面圖

Fig.7 The Plan of Section 15, Line 14, Beijing Metro

2.3  氣墊式泥水平衡盾構技術

北京地下直徑線工程盾構從天寧寺始發(fā)經(jīng)宣武門、前門到達崇文門，盾構施工地段屬于北京老城區(qū)，施工環(huán)境復雜，穿越的地層包括卵石層、沙層、粉土層和粉質(zhì)粘土層，涵蓋了北京地區(qū)的三種典型地層。地下直徑線工程取得了北京地區(qū)泥水盾構選型、刀具配置、變形控制、帶壓換刀等多方面的技術創(chuàng)新，如刀盤的開口率不宜小于35%、膠結地層的刀具配置應適當增加滾刀的數(shù)量和設置合理的不同刀具的高度差、穿越老舊城區(qū)不同年代房屋的影響范圍以及帶壓開艙動火換刀技術等，為北京地區(qū)深埋地下工程泥水平衡盾構施工積累了豐富的經(jīng)驗[8-9]。

2.4  重疊隧道技術

北京地鐵8號線和6號線（一期）在通過中心老城區(qū)時，受地面條件的制約和同站臺換乘的需要，采用重疊隧道的布置方式，即兩條隧道在豎直方向上上下布置。重疊隧道采用盾構法施工，通過該工程的科學實施和成功實踐，形成了一套針對北京地層特點的重疊隧道施工關鍵技術，包括不同接近度條件下的隧道穩(wěn)定技術、隧道接近度劃分技術、合理的上下重疊盾構始發(fā)與到達技術等，可以指導今后類似工程的施工，同時也為重疊隧道的設計提供了可供參考的事實依據(jù)。

2.5  安全風險控制技術

最近6年來，北京地區(qū)盾構隧道建設過程中安全穿越了大量的地鐵既有線、正在運營的國家鐵路、重要的市政橋梁、河湖、城市主干路、房屋等重大風險工程，沒有出現(xiàn)重大安全風險事件，確保了風險工程的安全。盾構穿越工程中積累了豐富的盾構施工安全風險控制技術，可以指導今后類似盾構工程的設計和施工。

北京市于2007年開始在北京地鐵建設過程中廣泛應用北京市軌道交通建設安全風險技術管理體系，體系運行6年來取得了良好的效果，有效規(guī)避了盾構隧道工程的風險，確保盾構施工沒有出現(xiàn)大的安全風險事件，未造成較大不良社會影響和經(jīng)濟損失[10-13]。

2.6  實時監(jiān)控技術

北京地鐵所有盾構（北京市軌道交通建設管理有限公司建設的線路）自2007年以來全部實現(xiàn)盾構施工過程的遠程實時監(jiān)控和管理，盾構施工實時信息管理系統(tǒng)如圖8所示。建設管理人員和技術人員等相關參建各方能夠通過盾構施工實時監(jiān)控系統(tǒng)，對全線每臺盾構的施工情況進行實時監(jiān)控，對盾構施工全過程進行可追溯的相關分析，對施工進度和過程質(zhì)量進行管理，實現(xiàn)了盾構施工的信息化，提高了盾構施工的管理水平。

繼北京地鐵后，北京南水北調(diào)東干渠工程也引入了盾構實時監(jiān)控技術，實現(xiàn)對工程中19臺盾構同期施工的信息化管理[14-15]。

（a）登錄界面

（b）監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸

（c）進度及風險工程監(jiān)控

圖8 盾構施工實時信息管理系統(tǒng)

Fig.8 Real time information management system for shield construction

3  盾構施工技術展望

3.1  深埋條件下盾構技術

北京地區(qū)中心城區(qū)淺層地下空間已經(jīng)基本開發(fā)完畢，下一步將開發(fā)埋深在30~60 m的深層地下空間，例如擬建的北京地鐵R1線和3號線、12號線、17線等，隧道埋深將達到60 m。深埋條件下，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件將更加惡劣，這給盾構隧道工程的設計、盾構選型與制造和盾構隧道施工帶來了極大的挑戰(zhàn)[5]。

深埋條件下盾構施工技術作為未來發(fā)展方向，首先需回答北京地區(qū)通常埋深20 m左右的盾構施工技術、設計方法和計算理論等，在埋深達50 m左右的條件下是否仍然適用等基本問題，因此，必須在地下盾構管片厚度、管片接頭和管片環(huán)間接頭方式、不同地層條件下盾構形式（包括選型和控制指標系統(tǒng)）、盾構施工關鍵技術及其出土方式、大盾構暗挖施工與暗挖車站綜合施工技術和地面建筑物沉降控制技術等方面展開深入研究探索，更好的滿足城市地下空間快速發(fā)展建設的基本需要，同時也為我國其他大城市未來在深部地下空間建設地鐵開發(fā)提供寶貴經(jīng)驗。

3.2  大直徑盾構技術

北京已經(jīng)在多次論證南北向的長距離地下公路方案，可以預見隨著地下公路的規(guī)劃建設，大直徑盾構將會得到大量應用，至于選擇大直徑土壓平衡盾構還是泥水平衡盾構，將取決于地層條件和地下水的狀況。在總結北京地鐵14號線大直徑土壓平衡盾構（直徑10.22 m）和北京地下直徑線泥水平衡盾構施工經(jīng)驗和教訓的基礎上，提早進行大直徑盾構技術的相關研究是非常必要的[16-18]。

3.3  狹小場地條件下的技術

盾構施工需要一定的場地要求，中心城區(qū)占地非常困難，如何在狹小場地條件下，引入新技術和新工藝，對施工場地進行重新規(guī)劃，從而滿足盾構施工要求。這項新技術的研究將擴展盾構技術的應用范圍，同時會帶來較大經(jīng)濟和社會效益。比如改變土壓平衡盾構的出土方式、暗挖車站條件下的盾構區(qū)間施工技術、符合環(huán)境保護條件且與盾構出土方式相適應的地面渣土運輸方式的改革等，都將極大提高盾構施工技術的應用范圍。

3.4  敞開式盾構技術

北京地區(qū)西部和西南部的無水卵石層穩(wěn)定性較好，具有一定的自穩(wěn)時間，比較適合采用敞開式盾構施工地鐵隧道。目前已經(jīng)計劃在北京地鐵6號線二期15標段郝家府站~東部新城站開始進行敞開式盾構試驗段的研究和工程實踐工作，采用三一重工制造的敞開式盾構掘進約200 m長的試驗段。項目集盾構設計、制造、施工等多項技術為一體，研究成果可以推動敞開式盾構在北京地區(qū)的應用，是普通暗挖法隧道施工的有效替代方法，能夠有效節(jié)約工程成本和降低暗挖法帶來的工程風險，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

4  建議

近些年來，北京地區(qū)盾構技術得到較大的發(fā)展，通過各參建單位和人員的共同努力取得了矚目的成績。但是相關技術研究大多只停留在工程完工后進行技術總結，很少提前進行相關研究工作，盾構施工技術的科研和教育培訓等工作遠遠落后于工程實踐的發(fā)展現(xiàn)狀。今后盾構技術必將在北京地區(qū)得到更加廣泛的應用，技術研究和相關人員教育與培訓工作也應做到提前規(guī)劃，以便更好的指導盾構隧道建設。

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作者簡介：

江玉生，1964年10月出生，山東臨朐人。中國礦業(yè)大學（北京）教授，博士生導師，地下工程系副主任。自1988年起至今一直從事煤礦軟巖巷道和隧道與地下工程理論與技術方面的設計、咨詢與施工方面的教學、科研和工程應用工作。

1988年~1996年，主要從事煤礦軟巖巷道支護理論與技術的工程實踐，遍及江蘇、安徽、山東、遼寧、內(nèi)蒙古、河南等省的煤礦軟巖礦區(qū)；1996年~1999年，參加小浪底水里樞紐的建設工作，主要從事國際II標和III標的隧道與地下洞室穩(wěn)定性評價與施工技術，期間1997~1998年，在德國慕尼黑工業(yè)大學和法蘭克福從事盾構與TBM隧道工程理論與技術的研究和工程實踐；2000年~2003年底，在新加坡DTSS T-06項目上任總工程師，從事盾構和TBM方面的技術與管理工作，解決了DTSS T-06項目TBM隧道施工中遇到的土巖混合斷面土壓平衡盾構施工技術難題；2004年~至今，主要從事與盾構和TBM工程理論與技術相關的工程研究、咨詢服務等工作，特別是盾構與TBM施工的安全風險管理工作。

曾任南水北調(diào)中線局穿黃工程盾構專家組組長和鐵道部盾構與TBM專家組成員，國家TBM重點實驗室（北方重工）學術委員會委員，北京市軌道交通建設指揮部專家組專家，北京市軌道交通管理有限公司盾構專家組秘書長、盾構咨詢組組長。

國家自然科學基金重點項目 - 煤礦長距離斜井TBM（盾構）施工基礎理論與工程應用的首席專家（項目負責人），在京中央高校重大成果轉(zhuǎn)化項目 - 北京地鐵隧道盾構施工與地面變形聯(lián)合實時監(jiān)控設備與系統(tǒng)開發(fā)的項目負責人，發(fā)表相關專業(yè)論文40多篇，其中被SCI和EI等檢索的文章20多篇，出版專著4部，實用新型和發(fā)明專利3項，軟件著作權5項，獲得省部級科技進步一等獎3項、二等獎2項、三等獎2項。