盾构技术在中国的应用与发展

1盾构技术在中国的应用与发展ApplicationandDevelopmentforShieldMethodinChina王梦恕袁大军宋克志WangMengshu，YuanDajun，SongKezhi北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京中国BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，BeijingChina2005年8月28~9月1日2中日盾构技术交流大事记背景：21世纪是隧道与地下工程的世纪。日本是世界上隧道与地下工程非常发达的国家，盾构技术据世界领先水平；中国地域广阔，隧道地下工程建设正处于蓬勃发展时期。日本的盾构技术需要市场，中国盾构隧道需吸取先进技术，本着交流、促进、合作的原则，由日本早稻田大学、中国北京交通大学共同发起了中日盾构技术交流会，并得到了同济大学、西南交通大学等单位的大力支持。年鉴：第1届中日盾构技术交流会—2003年9月中国北京北京交通大学第2届中日盾构技术交流会—2004年6月中国上海同济大学第3届中日盾构技术交流会—2005年8月日本东京早稻田大学3世界盾构技术发展概况中国盾构技术的发展与应用中国盾构隧道工程市场前景分析中国应用盾构技术的几个特点中国盾构技术展望主要介绍内容4一、世界盾构技术发展概况1.盾构技术发展概要随着交通发展的需要，地铁工程越来越多的在各种软弱、富水地层中穿过。围绕掘进、开挖面稳定和支护衬砌三大要素及难题，出现了一系列的盾构型式，盾构技术也随着地下交通的发展而得到了飞跃的发展。1818年——Brunel盾构伦敦泰晤士河水底隧道1869年——Greathead盾构伦敦泰晤士河水底第二条隧道1887年——Greathead压气法盾构南伦敦铁路隧道中应用19世纪末——20世纪前半叶城市隧道工程促进了盾构技术的发展，出现了闭胸式盾构。其间，盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、前苏联以及我国，并得以不同程度的发展。分别于美国的巴尔的摩，法国巴黎，德国柏林，前苏联莫斯科、列宁格勒，日本东京，我国阜新、北京，用盾构建造了各种不同用途的隧道。520世纪60年代中期至80年代——盾构工法继续发展，其特点是完善圆形断面的各种平衡方式的盾构工法——压气盾构、挤压盾构（网格盾构）、插刀盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，盾构工法在地铁、上下水道、电力管线、通信用洞道、煤气管道等共同沟管道、水下隧道、公路隧道的建设中得到广泛应用。2.盾构在日本的发展1917年——日本国铁隧道建设中首次采用盾构工法1953年——日本关门隧道采用盾构工法1957年——日本地铁采用顶盖式盾构施工，这是城市隧道首次采用盾构1960年——日本名古屋地铁采用盾构施工1962年——东京下水道采用圆形盾构。此后，盾构逐渐用于小断面的市政管道建设1964年——日本下水道工程，最先采用泥水式盾构1974年——日本独立研究出土压式盾构1975年——日本研究出砾石泥水式盾构1981年——日本研究出加气泡盾构63.盾构技术发展阶段盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；（2）以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；（4）以大直径、大推力、大扭矩、多样化为特色的第四代盾构。7Brunel盾构伦敦Blackwall盾构隧道原始盾构8网格式盾构插刀盾构开敞式盾构9辐条式盾构面板式盾构闭胸式盾构10复合式盾构11荷兰Φ14.87泥水盾构易北河盾构Φ14.5m大直径盾构12二、中国盾构技术的发展与应用1.1950年初，在辽宁阜新煤矿使用手掘式盾构修建疏水巷道工程2.1957年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构工法的尝试。3.60年代，为了修建北京地铁，自己研制过网格式压缩混凝土盾构施工技术，并成功地进行了试验.60年代北京地铁用盾构试验1360年代初在北京进行了1:5的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验，成功后，制造了Φ7.34m的压缩混凝土的网格式盾构，并进行了180m的间距试验。盾构压缩混凝土衬砌模拟试验60年压缩环与钢模板144.上海地区软土地基盾构发展历史155.1966年采用φ10.22m网格挤压式盾构修建打浦路过江隧道工程打浦路直径10.2m网格挤压型盾构掘进机166.1988年建成的φ11.3m的延安东路过江隧道等都是应用盾构技术在富水、软土地层施工成功延安东路直径11.3m网格型水力出土盾构掘进机177.2003年6月，当时中国最大的盾构法隧道翔殷路开工，采用直径为11.58m的超大型泥水平衡盾构掘进翔殷路盾构8.上海上中路隧道工程盾构直径达14.87m189.1995年，中隧集团研制了半断面插刀盾构，并在高速公路隧道施工中成功应用1910.中国国家863计划支持，中铁隧道集团、上海隧道公司研制出了有自主知识产权的“复合式盾构”、“先行号”盾构“先行号”盾构“Φ6.23m复合式盾构”2011.中国采用盾构修建地铁历史及规划60年代北京地铁用盾构掘进试验1990年上海开始建设地铁1号线1996年上海开始建设地铁2号线，后开始建设3号线、4号线、M8线、6号线1996年广州开始建设地铁1号线，后2号线、3号线、5号线2001年深圳地铁1号线,南京地铁1号线2002年北京开始建设地铁5号线1999年北京地铁5号线试验段采用盾构法设计施工2004年北京开始建设地铁4号线，10号线，机场线、奥运支线还有苏州、武汉、西安等地铁进入预科研阶段即将开工开始建设：杭州、沈阳、哈尔滨、成都等，2002年天津地铁1号线开工建设北京地下直径线9.5m盾构21初步预测2005-2015年间至少要建设500-1000公里，需要投资3000多亿元。全国每年建成20km的地铁投入运营。目前，已有30多个城市开展了城市轨道交通的前期工作。据不完全统计，我国地铁建设中，共有约60台盾构在使用中。22北京上海天津广州深圳南京重庆成都武汉沈阳长春杭州西安乌鲁木齐兰州合肥昆明哈尔滨佛山台北香港大连鞍山济南青岛高雄长沙已通车的城市前期工作城市在建设的城市苏州中国地铁建设计划23上海地铁规划24北京地铁4号线北京地铁5号线北京地铁10号线奥运支线北京机场线亦庄线昌平线顺义线房山线25广州地铁规划26南京地铁规划27深圳地铁规划深圳地铁1号线28天津地铁1号线29沈阳地铁规划30哈尔滨地铁规划31上海地铁建设用盾构在上个世纪90年代，修建上海地铁一号线的时候，区间隧道都采用盾构施工，共使用了7台盾构机，推进长度约为18.6km。以后在地铁二号线、明珠线和M8线的施工中，所有区间隧道都采用了盾构法施工，现在共有20余台盾构机在作业。32广州修建地铁一号线由日本青木公司采用了3台盾构机施工，造价昂贵，每延米约1万美元。2号线盾构施工每延米0.5万元。目前施工的三号线，共有15台盾构机在作业，即将开工的地铁四号线计划新购8台盾构机。每延米0.4万元33北京修建地铁五号线也采用了盾构法施工，进行了试验段的施工，并顺利完成。现在后期3台盾构机已到场组装。北京地铁4号线、10号线盾构施工招标已结束，计划采用13台盾构机，大部分为新购。但选型和必要性未认真研究，有些盾构区间无水，造成刀具刀盘磨耗严重。3412.中国用掘进机修建铁路隧道TB880E修建的秦岭18.4km铁路隧道TB880E掘进机35秦岭18.4km铁路隧道3613.安康至南京磨沟岭桃花铺铁路隧道(掘进机)，采用开敞式TBM在软岩中应用成功3714.辽宁大伙房输水隧道，开敞式TBM，4台Φ8mTBM施工，进度600m/月383915.中国的江（海）底隧道南水北调工程中线建造了穿越黄河河底的引水隧道(TBM)重庆主城越江排水隧道(Φ6.7m泥水式硬岩盾构)城陵矶西气东输越江隧道(Φ3.185m泥水盾构)三江口西气东输越江隧道(Φ4.3m泥水盾构)武汉长江公路隧道（长江第一隧道）(Φ11.4m泥水盾构)上海崇明越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)南京长江越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)上海上中路越江隧道(Φ14.87m泥水盾构)杭州钱塘江越江隧道越江隧道(Φ11.4m泥水盾构)40武汉长江公路隧道、双向4车道江中取消横通道41上中路公路隧道上海崇明越江公路隧道（双向6车道）42南京长江越江公路隧道（双向6车道）43三、中国盾构工程市场前景分析1.盾构施工主要市场分布我国近期盾构施工市场主要分布在以下三类城市：（1）区域地区经济龙头城市：以北京、上海、广州等城市为代表；（2）人口密集的特大城市：以天津、南京、武汉、哈尔滨、沈阳、重庆等城市为代表；（3）经济发达的大城市：以深圳、青岛、苏州、杭州等城市为代表。（一）地铁盾构工程442.盾构机需求数量预测上海地铁近几年计划使用38台盾构机，地铁公司拥有25台（含现有），施工单位13台为施工单位所有。38台中其中5台为日本双圆盾构机。广州目前施工的三号线，共有15台盾构机在作业，即将开工的地铁四号线、五号线计划新购8台盾构机。北京已开工的4、5、10号线计划使用15～17台盾构机，近期规划建设的6、7、9号线，主要在市区内施工，也会使用一些盾构机。45南京地铁二号线即将开工建设，需要8台盾构机杭州地铁一号线需要8～10台盾构机。苏州地铁一号线需要7～9台盾构机。沈阳地铁一号线需要5～7台盾构机成都地铁一号线需要约6台盾构机据不完全统计，到2010年，全国地铁施工共需要盾构机约为120多台次，目前国内在使用的盾构机约为60台，市场缺口较大。463.盾构工程市场预测在一个地铁项目中，一台盾构机施工周期为2年左右的时间，承担约3公里长的单线隧道，120多台次的盾构机可施工540～720公里长的单线隧道（每台盾构机按1.5～2次施工），工程总造价约170～230亿元（单线隧道每延米按3.2～3.5万元计）。（二）水底隧道中国江河湖海众多，海岸线绵延万余公里，越江、跨海隧道大有前景。47跨海隧道远景大连——烟台渤海湾（暗挖、盾构及掘进机法）青岛——黄道胶州湾（钻爆法）长江口（盾构法）钱塘江口（盾构法）厦门海底隧道（钻爆法）台湾海峡隧道（钻爆法、TBM）珠三角、伶仃洋（沉管、盾构法）琼州海峡隧道（盾构法）48港珠澳海底隧道49港珠澳海底隧道规划建设50（三）市政管道建设目前，我国老化的市政基础设施需要改建，城市快速发展急需新建大量的通讯、电缆、上下水道、煤气等设施。过去建设往往都是给马路“开堂破肚”，给城市环境及交通造成了很大的影响，市政设施发展的趋势是建设大量的城市共同沟及地下管廊，将各类管线置入共同沟内，给管线铺设、运营、检修及城市环境等都提供了极大的便利。国外发展经验证明，共同沟及地下管廊建设采用小直径盾构或顶管进行施工，具有安全、快速、有利于保护城市环境等优点，是首选施工设备。目前，Φ3.5m压缩混凝土开敞式盾构机的设计预施工正在进行。51北京市政隧道建设φ2700盾构接收井φ3000盾构接收井φ2700及φ3000盾构始发井新建φ2700盾构污水管线新建φ3000盾构污水管线南环高速公路接入D400污水管接入D400污水管接入D400污水管接入D400污水管接入D2000污水管大面积稻田大面积稻田南快速干线华接入沥窖污水处理厂北接入D400污水管52（四）盾构工程市场列强分析目前已经进入地铁盾构施工市场的单位近20家，其中上海4家、广州3家、北京3家、天津1家、铁道部7家。其中实力比较强的单位有：隧道局、上海隧道股份、上海机施、上海基础、广州盾建、北京市政、北京城建等单位。（三）市场预测据专家预测，仅2010年前的10年间就需购置Φ3~9m岩石和盾构掘进机190余台，若包括微型掘进机在内，将超过200台。远期估计，随着城市立体化、管线入地化趋势的到来，盾构和掘进机将超过千台。53（五）盾构工程市场的几个特点（1）随着工程总承包的推广，盾构施工手段是以后承揽地铁工程的必要条件之一。（2）掌握盾构施工技术的单位数量较多，市场准入标准提