浅析盾构技术及其在珠江三角洲水资源配置工程中的应用

李尚革

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

浅析盾构技术及其在珠江三角洲水资源配置工程中的应用

李尚革

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

在简述盾构技术原理和应用的基础上，介绍了珠江三角洲水资源配置工程概况及其地质条件，浅析了盾构隧洞及工作井设计、泥水平衡盾构的施工工艺及盾构段造价分析及指标，以期为盾构技术在水利水电工程中的应用起到借鉴作用。

盾构技术；珠江三角洲；水资源配置工程

1 盾构技术概述

1.1 盾构的定义和类型

盾构又叫全断面隧道掘进，是隧道掘进的一种。隧道掘进机主要分为两类，一类用于硬岩层，称作硬岩隧洞掘进机或TBM；另一类用于软岩层，需要一边挖掘一边形成保护层，称为软岩隧洞掘进机，又称为盾构机。

盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳； “构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。实际上盾构机是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具。以盾构为核心的一整套完整的建造隧洞的施工方法称为盾构工法。

盾构类型一般有全开敞式盾构（手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构）、半开敞式盾构（挤压式盾构）、闭胸式盾构（土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构）三种。

1.2 盾构工法的基本过程

（1）建造盾构井：包括盾构出发井和接收井。

（2）把盾构主机和配件分批吊入出发井中，并在预定进发掘进位置上组装成整机，调试其性能使之达到施工要求。

（3）盾构从竖井墙壁上的开口处进发，沿隧道的设计轴线掘进。盾构机的掘进是靠盾构前部的旋转刀盘切削土体，切削土体过程中必须始终维持开挖面的稳定；靠舱内的出土器械(螺旋杆传送系统或者泥浆泵)出渣；靠中部的推进千斤顶推进盾构前进；由后部的举重臂和形状保持器拼装管环(也称隧道衬砌)及保持形状；随后再由尾部的壁后注浆系统向衬砌与地层间的缝隙中注入填充浆液，以便防止隧道和地面下沉。

（4）盾构掘进到达预定终点的竖井时，盾构进入该竖井，掘进结束。随后检修盾构或解体盾构机运出。

上述施工过程中，切削面稳定、盾构姿态控制、衬砌作业等三项工作最为关键，有人称为盾构工法的三大要素。[1]

1.3 我国盾构技术的应用情况

我国在第1个5年计划期间，在阜新煤矿的疏水道工程及1 9 5 7年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构技术的尝试，但系统的全面的盾构试验是l 963年于上海塘桥正式起步的。上海1966年开始的Φ10.22 m的打浦路过江隧道的建造工程、1988年建成的Φ11.3 m的延安东路过江隧道等都是应用盾构技术在软土地层施工成功的例子。[2]20世纪90年代到21世纪初期,全国各城市的地铁建设采用了不同盾构技术。例如：广州地铁1号(Φ6.14 m)、2号线(Φ6.28 m)，深圳地铁1号线(Φ6.14 m)均采用复合盾构；南京地铁1号线(Φ6.34 m)采用土压平衡盾构；天津地铁1号线(Φ6.34 m)采用土压平衡盾构；北京地铁5号线及4号线大部分区间隧道(Φ6.2 m)采用土压平衡盾构等。

目前，盾构掘进技术已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政等隧道工程，在水利水电工程中应用较少。南水北调工程中线曾用泥水式盾构建造了穿越黄河河底的引水隧道(Φ8.8 m)，并取得了成功。

2 盾构技术在珠江三角洲水资源配置工程的应用

2.1 珠江三角洲水资源配置工程概况

珠江三角洲地区是我国最早实施改革开放的地区，也是国家重要的经济中心区域，在全国经济社会发展和改革开放大局中具有突出的带动作用和举足轻重的战略地位。深圳市、东莞市以及广州市南沙区等区域地处珠江三角洲的核心地带，在广东省经济社会发展中占有极其重要的地位。[3]

珠江三角洲水资源配置工程的主要任务是从西江水系向珠江三角洲东部地区引水，实现珠江三角洲东、西部地区水资源优化配置，解决东部地区城市资源性缺水问题，构建东部地区城市多水源格局，保障该地区及香港供水安全。[4]

工程输水干线起点为鲤鱼洲取水口，输水线路由西向东布置，沿途经过佛山市顺德区、广州市番禺区、南沙区、东莞市虎门镇、长安镇、深圳市宝安区，终点为深圳市罗田水库西侧调节池，总长度约92.0km，其中埋管长16.5km，双线盾构（2D6000）隧洞长27.3km，单线盾构（D8500）隧洞长29.6km，隧洞长18.6km。详见图1。

2.2 盾构段的工程地质情况

根据地质勘测资料，输水干线盾构段沿线地质情况如表1。

盾构隧洞洞身所处地层大部分属于软岩及土层，软岩包括砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩等，岩石强度普遍较低，土层属于第四系冲积土层，因此地质条件总体上能满足盾构施工要求，不影响盾构隧洞断面布置，经过反复论证比较，最终采用泥水加压平衡盾构施工技术完成隧洞掘进。

2.3 盾构隧洞设计及施工工艺

（1）双线盾构断面

鲤鱼洲取水口～高新沙水库段区间盾构，采用双线盾构，结合施工方便及考虑盾构机的可重复利用性，采用地铁通用的盾构隧洞结构型式。盾构隧洞结构采用预制钢筋混凝土管片，外径为6m，内径5.4m，衬砌管片厚0.3m。为了确保供水安全，盾构隧洞采用双层衬砌方案，即在管片隧洞内衬砌DN4800钢管，壁厚22mm～26mm，材质Q235C。为使通水后内衬钢管承受内水压与管片承受外水压相互分开，在隧道上部240°范围内铺设聚乙烯泡沫板，及沿隧道方向均布5根与隧道同长的DN50排水花管。内衬钢管与管片之间回填C20自密实混凝土。

图1 珠江三角洲水资源配置工程输水线路平面布置图

表1 珠江三角洲水资源配置工程输水线路盾构段地质情况表

为减少两盾构隧洞开挖的相互影响，盾构隧洞最小净距暂按1倍开挖洞径，最小净距6000mm，同时施工时两条盾构隧洞掌子面错开一定距离施工。由于珠三角地区浅层地质以软土为主，结合地质资料，同时控制由盾构施工产生的地面沉降，盾构顶最小覆土厚度不小于10m。如图2所示：

图2 双线盾构隧洞标准断面图

（2）单线盾构断面

高新沙水库～罗田调节池段区间盾构，采用单线盾构，同样考虑盾构机的可重复利用性及结合施工方便，采用标准的盾构隧洞结构尺寸。盾构隧洞结构采用预制钢筋混凝土管片，外径8500mm，内径7700mm，管片厚度400mm。管片隧道内衬DN6400钢管，壁厚34mm～38mm，材质Q235C。隧道上部240°范围内铺设聚乙烯泡沫板，沿隧道方向均布5根与隧道同长的DN50排水花管。内衬钢管与管片之间回填C20自密实混凝土。如图3所示：

图3 单线盾构隧洞标准断面图

（3）盾构工作井

1）工作井的布置

参考上海、广州、深圳及北京地铁施工经验，盾构机一次连续掘进3km后，需要进行大修维护。因此，本工程工作井沿线布置间隔距离不大于3km。根据现场布置及施工条件，沿线大约每隔2.5km～3km设置1个工作井。

鲤鱼洲取水口～高新沙水库区间盾构段，双线盾构工作井17个，其中出发井12个，接收井5个；高新沙水库～罗田调节池区间盾构段，单线盾构工作井14个，其中出发井11个，接收井3个。工作井也作为输水管道检修巡视的通道入口。

2）工作井结构

双线盾构出发井为矩形，工作井长22m，宽30.0m，平均深约35m，出发井由四周地下连续墙和逆作法内衬墙，以及中间隔墙组成，转角处设钢筋砼支撑。地下连续墙墙厚1.4m，逆作法内衬墙厚1.5m，中间隔墙厚1.0m，角支撑尺寸1.2m×1.5m，层间间距4.5m。

双线盾构接收井和单线盾构出发井、接收井均为圆形，工作井外径30.0m，内径23.2m，平均深约40m。工作井由地下连续墙和逆作法内衬墙组成。地下连续墙墙厚1.4m，逆作法内衬墙厚2.0m。

3）工作井地基处理

工作井洞口及底部为砂层、土层时，采用Φ1000mm旋喷桩封底、封底厚度10.0m，同时对推力墙后及进出洞口外一定范围内土体进行旋喷桩加固。工作井洞口附近为强、弱风化岩石时，采用帷幕灌浆止水，帷幕灌浆间排距均为1.5m。

4）工作井工区布置

结合工程周围环境，本着合理组织交通运输，满足盾构及其后配套设备进场、组装、吊运下井、施工材料供应、始发掘进、泥浆处理、渣土运输等要求，盾构施工工区由出发井及提升区、管片堆放区、材料及物资堆放区、地面泥水处理区、生活及办公区等组成。

（4）盾构隧洞施工工艺

1）盾构开挖、管片衬砌

本工程盾构隧道外径分别为Φ6m、Φ8.5m，其中Φ6m与常规地铁盾构隧道型式一致，其管片从管片生产厂家外购。Φ8.5m的盾构隧道管片拟采用现场预制。

采用Φ6.0m、Φ8.5m泥水平衡式盾构机进行隧道开挖，龙门吊吊运砼管片入工作井，由管片运输台车水平运输至盾构机进行安装衬砌。

2）出渣、运渣

洞渣料经排浆管泵送至沉淀池，经泥水处理系统处置后，采用2m3反铲挖、装，10t～15t自卸汽车运输至弃渣场。选用74kW推土机推平，辅以人工平整、清场。

3）同步注浆和二次注浆

盾尾同步注浆采用水泥砂浆，共设4个注浆点，分别位于1点、5点、7点、11点位置。当地面沉降较大或隧道下坡且地下水丰富时，对管片背后二次注浆。注浆材料选用纯水泥浆、砂浆或双液浆。注浆压力应略大于各注浆点位置的静止水压力。注浆设备采用注浆机或盾构机台车上的同步注浆泵。

4）泥水处置工艺

泥水处置工艺采用一次预筛分、两次旋流除砂分离、废浆压滤的处理工艺。盾构机排放泥浆至泥水处置系统中，预筛器将中3mm以上的砂砾筛除、经旋流除砂分离装置清除74um粒径以上砂质、45um粒径以上的泥质颗粒，处理后的泥浆可供盾构机循环使用，筛分和分离后的土渣则直接由自卸汽车弃至渣场。工程中多余废弃的泥浆则采用压滤工艺进行固液分离，分离后渣料含水率小于30%，适合自卸汽车运输；滤液水固含滤≤5g/L，滤液水循环再利用，实现工程施工“零排放”。

5）盾构隧道纵坡控制技术

盾构隧道的施工纵坡控制是通过保证盾构姿态控制来实现的，在盾构姿态满足隧道设计轴线要求的基础上，遵循“频纠偏、小纠偏、不超限”的原则，保证盾构隧洞的纵向坡度在设计坡度的范围内。

盾构始发前姿态控制包括：分析工程地质情况对盾构姿态的影响，对盾构姿态影响较大的不同地层采取不同的处理措施；加强对盾构机的选型及监造控制技术。

盾构始发姿态控制包括：准确控制反力架和始发基座定位，安装时保证盾构机中心坡度与隧道设计轴线坡度保持一致；同时进行始发基座防旋块及防偏移型钢设置，防止盾构机在基座上产生旋转和横向位移；为了防止盾构机主机重心前移，产生叩头，洞口设置钢环内导轨。

盾构掘进姿态控制包括：管片选型及拼装选择控制、分区千斤顶控制、仿行刀和铰接联合控制术、壁厚注浆控制及测量校核控制。

盾构到达姿态控制；在盾构机距离到达位置50m开始，采取一切可以采用的姿态控制技术，与隧道设计轴线偏差在15mm内，保持此状态向前掘进达预定位置。

2.4 盾构段的造价分析及指标

根据《水利工程设计概(估)算编制规定》(水总[2014]429号文)、《水利建筑工程概算定额》(水总[2002]116号文)、《水利工程概预算补充定额》(水总[2005]389号文)、《水利工程施工机械台时费定额》(水总[2002]116号文)、《水利工程概预算补充定额(掘进机施工隧洞工程)》(水总〔2007〕118号文)，并按照2015年工程所在地第四季度材料价格水平，对盾构段进行造价分析，造价指标如表2、表3：

表2 珠江三角洲水资源配置工程输水线路双线盾构段（2D6000）造价指标表

表3 珠江三角洲水资源配置工程输水线路单线盾构段（D8500）造价指标表

在上述两个造价指标表中，盾构工程包含盾构安装调试及拆除、刀盘式泥水平衡盾构掘进（负环段、出洞段、正常段、进洞段）、钢筋混凝土管片（预制、运输及安装）、管片的止水及嵌缝、负环管片拆除、衬砌压浆及洞渣料运输等工作内容，相应的单价是按照水利工程隧洞掘进机施工概算定额进行测算分析；刀盘式泥水平衡盾构掘进机摊销费用是根据水利工程隧洞掘进机施工机械台时费定额进行摊销的。主要采用定额目录如图4。

图4 水利工程隧洞掘进机施工概算定额及施工机械台时费定额目录图[5]

3 结语

珠江三角洲水资源配置工程是国务院批准实施的《珠江流域综合规划(2012～2030年)》和全国172项节水供水重大水利工程项目之一。2014年l2月水利部和广东省政府联合批复了《珠江三角洲水资源配置工程建设总体方案》。本文从珠江三角洲水资源配置工程实际出发，阐述了泥水加压平衡盾构设计及应用情况、并进行了造价分析，供同类工程借鉴和参考，其在水利水电工程中应用前景更加光明。

[1] 刘远书，于澎涛，段瑞瑞.盾构施工技术及其在南水北调中线穿黄工程中的应用[J].水资源，2009，(5)：10-12.

[2] 陈丹，袁大军，张弥.现代城市轨道交通[J].现代城市轨道交通，2005，(5)：25-29.

[3] 严振瑞，等．珠江三角洲水资源配置工程关键技术问题思考[J].水利规划与设计，2015，(11)：48-51.

[4] 滕军，等．珠江三角洲“西水东调”工程规划报告[R].广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2012．

[5] 水利工程概预算补充定额（掘进机施工隧洞工程）[M]．郑州：黄河水利出版社，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，工程师，硕士，从事水利水电工程造价管理及咨询工作。