淺析盾構技術及其在珠江三角洲水資源配置工程中的應用

李尚革

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

淺析盾構技術及其在珠江三角洲水資源配置工程中的應用

李尚革

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

在簡述盾構技術原理和應用的基礎上，介紹了珠江三角洲水資源配置工程概況及其地質條件，淺析了盾構隧洞及工作井設計、泥水平衡盾構的施工工藝及盾構段造價分析及指標，以期為盾構技術在水利水電工程中的應用起到借鑒作用。

盾構技術；珠江三角洲；水資源配置工程

1 盾構技術概述

1.1 盾構的定義和類型

盾構又叫全斷面隧道掘進，是隧道掘進的一種。隧道掘進機主要分為兩類，一類用于硬巖層，稱作硬巖隧洞掘進機或TBM；另一類用于軟巖層，需要一邊挖掘一邊形成保護層，稱為軟巖隧洞掘進機，又稱為盾構機。

盾構機的“盾”是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤和壓力艙、支護圍巖的盾構鋼殼； “構”是指構成隧道襯砌的管片和壁后注漿體。實際上盾構機是一種既能支承地層的壓力、又能在地層中掘進的施工機具。以盾構為核心的一整套完整的建造隧洞的施工方法稱為盾構工法。

盾構類型一般有全開敞式盾構（手掘式盾構、半機械式盾構、機械式盾構）、半開敞式盾構（擠壓式盾構）、閉胸式盾構（土壓平衡盾構、泥水加壓平衡盾構）三種。

1.2 盾構工法的基本過程

（1）建造盾構井：包括盾構出發(fā)井和接收井。

（2）把盾構主機和配件分批吊入出發(fā)井中，并在預定進發(fā)掘進位置上組裝成整機，調試其性能使之達到施工要求。

（3）盾構從豎井墻壁上的開口處進發(fā)，沿隧道的設計軸線掘進。盾構機的掘進是靠盾構前部的旋轉刀盤切削土體，切削土體過程中必須始終維持開挖面的穩(wěn)定；靠艙內的出土器械(螺旋桿傳送系統(tǒng)或者泥漿泵)出渣；靠中部的推進千斤頂推進盾構前進；由后部的舉重臂和形狀保持器拼裝管環(huán)(也稱隧道襯砌)及保持形狀；隨后再由尾部的壁后注漿系統(tǒng)向襯砌與地層間的縫隙中注入填充漿液，以便防止隧道和地面下沉。

（4）盾構掘進到達預定終點的豎井時，盾構進入該豎井，掘進結束。隨后檢修盾構或解體盾構機運出。

上述施工過程中，切削面穩(wěn)定、盾構姿態(tài)控制、襯砌作業(yè)等三項工作最為關鍵，有人稱為盾構工法的三大要素。[1]

1.3 我國盾構技術的應用情況

我國在第1個5年計劃期間，在阜新煤礦的疏水道工程及1 9 5 7年的北京市下水道工程中進行過小口徑盾構技術的嘗試，但系統(tǒng)的全面的盾構試驗是l 963年于上海塘橋正式起步的。上海1966年開始的Φ10.22 m的打浦路過江隧道的建造工程、1988年建成的Φ11.3 m的延安東路過江隧道等都是應用盾構技術在軟土地層施工成功的例子。[2]20世紀90年代到21世紀初期,全國各城市的地鐵建設采用了不同盾構技術。例如：廣州地鐵1號(Φ6.14 m)、2號線(Φ6.28 m)，深圳地鐵1號線(Φ6.14 m)均采用復合盾構；南京地鐵1號線(Φ6.34 m)采用土壓平衡盾構；天津地鐵1號線(Φ6.34 m)采用土壓平衡盾構；北京地鐵5號線及4號線大部分區(qū)間隧道(Φ6.2 m)采用土壓平衡盾構等。

目前，盾構掘進技術已廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政等隧道工程，在水利水電工程中應用較少。南水北調工程中線曾用泥水式盾構建造了穿越黃河河底的引水隧道(Φ8.8 m)，并取得了成功。

2 盾構技術在珠江三角洲水資源配置工程的應用

2.1 珠江三角洲水資源配置工程概況

珠江三角洲地區(qū)是我國最早實施改革開放的地區(qū)，也是國家重要的經(jīng)濟中心區(qū)域，在全國經(jīng)濟社會發(fā)展和改革開放大局中具有突出的帶動作用和舉足輕重的戰(zhàn)略地位。深圳市、東莞市以及廣州市南沙區(qū)等區(qū)域地處珠江三角洲的核心地帶，在廣東省經(jīng)濟社會發(fā)展中占有極其重要的地位。[3]

珠江三角洲水資源配置工程的主要任務是從西江水系向珠江三角洲東部地區(qū)引水，實現(xiàn)珠江三角洲東、西部地區(qū)水資源優(yōu)化配置，解決東部地區(qū)城市資源性缺水問題，構建東部地區(qū)城市多水源格局，保障該地區(qū)及香港供水安全。[4]

工程輸水干線起點為鯉魚洲取水口，輸水線路由西向東布置，沿途經(jīng)過佛山市順德區(qū)、廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)、東莞市虎門鎮(zhèn)、長安鎮(zhèn)、深圳市寶安區(qū)，終點為深圳市羅田水庫西側調節(jié)池，總長度約92.0km，其中埋管長16.5km，雙線盾構（2D6000）隧洞長27.3km，單線盾構（D8500）隧洞長29.6km，隧洞長18.6km。詳見圖1。

2.2 盾構段的工程地質情況

根據(jù)地質勘測資料，輸水干線盾構段沿線地質情況如表1。

盾構隧洞洞身所處地層大部分屬于軟巖及土層，軟巖包括砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質粉砂巖等，巖石強度普遍較低，土層屬于第四系沖積土層，因此地質條件總體上能滿足盾構施工要求，不影響盾構隧洞斷面布置，經(jīng)過反復論證比較，最終采用泥水加壓平衡盾構施工技術完成隧洞掘進。

2.3 盾構隧洞設計及施工工藝

（1）雙線盾構斷面

鯉魚洲取水口～高新沙水庫段區(qū)間盾構，采用雙線盾構，結合施工方便及考慮盾構機的可重復利用性，采用地鐵通用的盾構隧洞結構型式。盾構隧洞結構采用預制鋼筋混凝土管片，外徑為6m，內徑5.4m，襯砌管片厚0.3m。為了確保供水安全，盾構隧洞采用雙層襯砌方案，即在管片隧洞內襯砌DN4800鋼管，壁厚22mm～26mm，材質Q235C。為使通水后內襯鋼管承受內水壓與管片承受外水壓相互分開，在隧道上部240°范圍內鋪設聚乙烯泡沫板，及沿隧道方向均布5根與隧道同長的DN50排水花管。內襯鋼管與管片之間回填C20自密實混凝土。

圖1 珠江三角洲水資源配置工程輸水線路平面布置圖

表1 珠江三角洲水資源配置工程輸水線路盾構段地質情況表

為減少兩盾構隧洞開挖的相互影響，盾構隧洞最小凈距暫按1倍開挖洞徑，最小凈距6000mm，同時施工時兩條盾構隧洞掌子面錯開一定距離施工。由于珠三角地區(qū)淺層地質以軟土為主，結合地質資料，同時控制由盾構施工產生的地面沉降，盾構頂最小覆土厚度不小于10m。如圖2所示：

圖2 雙線盾構隧洞標準斷面圖

（2）單線盾構斷面

高新沙水庫～羅田調節(jié)池段區(qū)間盾構，采用單線盾構，同樣考慮盾構機的可重復利用性及結合施工方便，采用標準的盾構隧洞結構尺寸。盾構隧洞結構采用預制鋼筋混凝土管片，外徑8500mm，內徑7700mm，管片厚度400mm。管片隧道內襯DN6400鋼管，壁厚34mm～38mm，材質Q235C。隧道上部240°范圍內鋪設聚乙烯泡沫板，沿隧道方向均布5根與隧道同長的DN50排水花管。內襯鋼管與管片之間回填C20自密實混凝土。如圖3所示：

圖3 單線盾構隧洞標準斷面圖

（3）盾構工作井

1）工作井的布置

參考上海、廣州、深圳及北京地鐵施工經(jīng)驗，盾構機一次連續(xù)掘進3km后，需要進行大修維護。因此，本工程工作井沿線布置間隔距離不大于3km。根據(jù)現(xiàn)場布置及施工條件，沿線大約每隔2.5km～3km設置1個工作井。

鯉魚洲取水口～高新沙水庫區(qū)間盾構段，雙線盾構工作井17個，其中出發(fā)井12個，接收井5個；高新沙水庫～羅田調節(jié)池區(qū)間盾構段，單線盾構工作井14個，其中出發(fā)井11個，接收井3個。工作井也作為輸水管道檢修巡視的通道入口。

2）工作井結構

雙線盾構出發(fā)井為矩形，工作井長22m，寬30.0m，平均深約35m，出發(fā)井由四周地下連續(xù)墻和逆作法內襯墻，以及中間隔墻組成，轉角處設鋼筋砼支撐。地下連續(xù)墻墻厚1.4m，逆作法內襯墻厚1.5m，中間隔墻厚1.0m，角支撐尺寸1.2m×1.5m，層間間距4.5m。

雙線盾構接收井和單線盾構出發(fā)井、接收井均為圓形，工作井外徑30.0m，內徑23.2m，平均深約40m。工作井由地下連續(xù)墻和逆作法內襯墻組成。地下連續(xù)墻墻厚1.4m，逆作法內襯墻厚2.0m。

3）工作井地基處理

工作井洞口及底部為砂層、土層時，采用Φ1000mm旋噴樁封底、封底厚度10.0m，同時對推力墻后及進出洞口外一定范圍內土體進行旋噴樁加固。工作井洞口附近為強、弱風化巖石時，采用帷幕灌漿止水，帷幕灌漿間排距均為1.5m。

4）工作井工區(qū)布置

結合工程周圍環(huán)境，本著合理組織交通運輸，滿足盾構及其后配套設備進場、組裝、吊運下井、施工材料供應、始發(fā)掘進、泥漿處理、渣土運輸?shù)纫?，盾構施工工區(qū)由出發(fā)井及提升區(qū)、管片堆放區(qū)、材料及物資堆放區(qū)、地面泥水處理區(qū)、生活及辦公區(qū)等組成。

（4）盾構隧洞施工工藝

1）盾構開挖、管片襯砌

本工程盾構隧道外徑分別為Φ6m、Φ8.5m，其中Φ6m與常規(guī)地鐵盾構隧道型式一致，其管片從管片生產廠家外購。Φ8.5m的盾構隧道管片擬采用現(xiàn)場預制。

采用Φ6.0m、Φ8.5m泥水平衡式盾構機進行隧道開挖，龍門吊吊運砼管片入工作井，由管片運輸臺車水平運輸至盾構機進行安裝襯砌。

2）出渣、運渣

洞渣料經(jīng)排漿管泵送至沉淀池，經(jīng)泥水處理系統(tǒng)處置后，采用2m3反鏟挖、裝，10t～15t自卸汽車運輸至棄渣場。選用74kW推土機推平，輔以人工平整、清場。

3）同步注漿和二次注漿

盾尾同步注漿采用水泥砂漿，共設4個注漿點，分別位于1點、5點、7點、11點位置。當?shù)孛娉两递^大或隧道下坡且地下水豐富時，對管片背后二次注漿。注漿材料選用純水泥漿、砂漿或雙液漿。注漿壓力應略大于各注漿點位置的靜止水壓力。注漿設備采用注漿機或盾構機臺車上的同步注漿泵。

4）泥水處置工藝

泥水處置工藝采用一次預篩分、兩次旋流除砂分離、廢漿壓濾的處理工藝。盾構機排放泥漿至泥水處置系統(tǒng)中，預篩器將中3mm以上的砂礫篩除、經(jīng)旋流除砂分離裝置清除74um粒徑以上砂質、45um粒徑以上的泥質顆粒，處理后的泥漿可供盾構機循環(huán)使用，篩分和分離后的土渣則直接由自卸汽車棄至渣場。工程中多余廢棄的泥漿則采用壓濾工藝進行固液分離，分離后渣料含水率小于30%，適合自卸汽車運輸；濾液水固含濾≤5g/L，濾液水循環(huán)再利用，實現(xiàn)工程施工“零排放”。

5）盾構隧道縱坡控制技術

盾構隧道的施工縱坡控制是通過保證盾構姿態(tài)控制來實現(xiàn)的，在盾構姿態(tài)滿足隧道設計軸線要求的基礎上，遵循“頻糾偏、小糾偏、不超限”的原則，保證盾構隧洞的縱向坡度在設計坡度的范圍內。

盾構始發(fā)前姿態(tài)控制包括：分析工程地質情況對盾構姿態(tài)的影響，對盾構姿態(tài)影響較大的不同地層采取不同的處理措施；加強對盾構機的選型及監(jiān)造控制技術。

盾構始發(fā)姿態(tài)控制包括：準確控制反力架和始發(fā)基座定位，安裝時保證盾構機中心坡度與隧道設計軸線坡度保持一致；同時進行始發(fā)基座防旋塊及防偏移型鋼設置，防止盾構機在基座上產生旋轉和橫向位移；為了防止盾構機主機重心前移，產生叩頭，洞口設置鋼環(huán)內導軌。

盾構掘進姿態(tài)控制包括：管片選型及拼裝選擇控制、分區(qū)千斤頂控制、仿行刀和鉸接聯(lián)合控制術、壁厚注漿控制及測量校核控制。

盾構到達姿態(tài)控制；在盾構機距離到達位置50m開始，采取一切可以采用的姿態(tài)控制技術，與隧道設計軸線偏差在15mm內，保持此狀態(tài)向前掘進達預定位置。

2.4 盾構段的造價分析及指標

根據(jù)《水利工程設計概(估)算編制規(guī)定》(水總[2014]429號文)、《水利建筑工程概算定額》(水總[2002]116號文)、《水利工程概預算補充定額》(水總[2005]389號文)、《水利工程施工機械臺時費定額》(水總[2002]116號文)、《水利工程概預算補充定額(掘進機施工隧洞工程)》(水總〔2007〕118號文)，并按照2015年工程所在地第四季度材料價格水平，對盾構段進行造價分析，造價指標如表2、表3：

表2 珠江三角洲水資源配置工程輸水線路雙線盾構段（2D6000）造價指標表

表3 珠江三角洲水資源配置工程輸水線路單線盾構段（D8500）造價指標表

在上述兩個造價指標表中，盾構工程包含盾構安裝調試及拆除、刀盤式泥水平衡盾構掘進（負環(huán)段、出洞段、正常段、進洞段）、鋼筋混凝土管片（預制、運輸及安裝）、管片的止水及嵌縫、負環(huán)管片拆除、襯砌壓漿及洞渣料運輸?shù)裙ぷ鲀热?，相應的單價是按照水利工程隧洞掘進機施工概算定額進行測算分析；刀盤式泥水平衡盾構掘進機攤銷費用是根據(jù)水利工程隧洞掘進機施工機械臺時費定額進行攤銷的。主要采用定額目錄如圖4。

圖4 水利工程隧洞掘進機施工概算定額及施工機械臺時費定額目錄圖[5]

3 結語

珠江三角洲水資源配置工程是國務院批準實施的《珠江流域綜合規(guī)劃(2012～2030年)》和全國172項節(jié)水供水重大水利工程項目之一。2014年l2月水利部和廣東省政府聯(lián)合批復了《珠江三角洲水資源配置工程建設總體方案》。本文從珠江三角洲水資源配置工程實際出發(fā)，闡述了泥水加壓平衡盾構設計及應用情況、并進行了造價分析，供同類工程借鑒和參考，其在水利水電工程中應用前景更加光明。

[1] 劉遠書，于澎濤，段瑞瑞.盾構施工技術及其在南水北調中線穿黃工程中的應用[J].水資源，2009，(5)：10-12.

[2] 陳丹，袁大軍，張彌.現(xiàn)代城市軌道交通[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005，(5)：25-29.

[3] 嚴振瑞，等．珠江三角洲水資源配置工程關鍵技術問題思考[J].水利規(guī)劃與設計，2015，(11)：48-51.

[4] 滕軍，等．珠江三角洲“西水東調”工程規(guī)劃報告[R].廣州：廣東省水利電力勘測設計研究院，2012．

[5] 水利工程概預算補充定額（掘進機施工隧洞工程）[M]．鄭州：黃河水利出版社，2007：2-4.

A Brief Analysis of Shield Technology and Its Application in Water Resources Allocation Project in the Pearl River Delta

LI Shang-ge
(Guangdong Provincial Investigation, Design and Research Institute of Water Conservancy and Electric Power,Guangzhou 510635, China)

Based on a brief introduction of principles and applications of shield technology, this paper gives an overview of water resources allocation project in the Pearl River Delta and its geological condition, and analyzes the design of shield tunnels and working wells, construction technology of slurry-balanced shield as well as the cost estimation & index of shield sections. The author provides a reference for the application of shield technology in water conservancy and hydropower projects.

shield technology; the Pearl River Delta; water resources allocation project

U455.43

A

1672-2841（2016）01-0021-05

2016-02-15

李尚革，男，工程師，碩士，從事水利水電工程造價管理及咨詢工作。