地铁盾构施工及相关配套技术发展现状及趋势分析

李国栋

（中国电建市政建设集团有限公司，山东 济南 250000）

地铁作为一种城市快速轨道交通系统正处在高速发展时期。随着我国城市轨道交通工程的发展，隧道工程项目施工规模和数量快速增加，其施工技术发展迅速。与其他施工方法相比，盾构施工方法在地铁修建中具有明显的优势[1]。与盾构施工方法相配套的是管片衬砌技术，与盾构机一体化实现，自动完成[2]。陈少秋[3]介绍了盾构法施工的主要施工工艺和技术要点，并介绍了盾构法地铁施工的特点。孙继锋[4]探讨了我国地铁盾构技术现状以及未来发展趋势。何川等[5]介绍了我国盾构法修建地铁的技术发展历程及发展趋势，总结了盾构法修建地铁隧道存在的技术问题，分析了地铁隧道的盾构开舱技术，并展望了我国地铁盾构隧道发展方向与研究趋势。郭紫刚[6]结合盾构机施工技术原理，分析其施工技术现状，进而分析其发展前景。崔国华等[7]简要介绍了集开挖、支护、衬砌等多种作业于一体的盾构机的发展、技术现状及新型盾构机的开发概况，分析了国内外盾构机的技术差距，展望了盾构机的发展趋势。

文章介绍了我国盾构施工技术的现状，并对比了国内外管片技术，发现我国虽然盾构机产化率很高，但是管片生产技术单一且管片在施工过程中易破损，进而影响工程的安全。因此，建议国家尽快制订并完善管片详细设计规范，保证管片设计合理并能安全使用，这一建议也给科研人员的研究方向提供了参考。

1 盾构机的发明与发展

1788年，英国人提议在伦敦泰晤士河下修建一条隧道，但因竖井施工深度不够而被迫停止；1792年又开始了另外一条隧道施工，但因涌水仅修了30m再次停工。1818年，法国人Brunel发明了盾构机（敞开式手掘式），并在1823年提出了采用盾构机下穿泰晤士河修建一条隧道；1825年英国国会批准后动工，但因地层沉降而终止了工程。1834年Brunel采用改进的铸铁框架盾构机再次施工隧道。1841年贯通时，他72岁，为盾构法修建水底隧道这一技术做出了卓越的贡献。另外，他还在1830年发明了饱和含水层防涌水的“压气式盾构”，在1865年首次制造了圆形盾构，并在1874年首创了在盾尾拼装管片作为衬砌结构后并进行注浆固定，为现代盾构法施工奠定了基础。1961年法国成功研制了泥水平衡盾构机，1974年日本研制了土压平衡盾构机，这两种盾构机成为现代盾构的主流机型。20世纪80年代，日本采用直径14.14m盾构机修建了外径13.9m的东京湾横断公路隧道；利用此技术和装备，英国和法国共同修建了英法海底隧道。

2 盾构机新技术的发展

为了满足各种工程的需要，一些新的盾构技术应运而生，不仅解决了传统的施工问题，还提高了施工精度和效率。近年来的新技术如下。

2.1 异形盾构

异形盾构即非圆形盾构，主要有椭圆形和矩形，其利用率比圆形大很多。我国宁波地铁创造性地开发了类矩形盾构，将两个分离式的圆形地铁区间隧道合并在一个类矩形隧道中，缩小了建筑限界，从而可以很好地避开城市繁华区地铁施工对周围建构筑物的影响。同时，还提高了隧道断面的利用率，大幅度降低了工程造价，解决了在中心城区至老城区的地铁建设中存在着的“地下空间不能封闭，周边设施不能触碰”的问题。当前我国许多盾构机生产厂家也研发出了矩形盾构机，但是一般用于短距离施工即类似顶管施工方面。

2.2 多圆盾构

日本于1989年成功研制了双圆盾构，由于节省地下空间资源、减少环境影响、降低设计成本等独特优势，被广泛应用于地铁、市政、能源等工程建设中，至今已完成13项双圆盾构隧道的建设。2003年，我国上海地铁8号线首次引进双圆盾构施工了3区间共长2688m，之后分别施工了6号线和10号线及2号线东延伸段，盾构单圆直径6.52m、双圆宽11.12m。

2.3 复合式盾构

2008年4月25日，由国家“863计划”资助、我国自主研发制造的首台复合式盾构机在河南下线。复合式盾构机同时配置了切削刀和滚刀，可以适应土质的掘进，也可以掘进上软下硬复合地层，还可以掘进全断面硬岩以及砂卵石地层，为我国地铁区间隧道的建设提供了技术支撑。

2.4 大断面盾构

随着盾构技术的发展，越来越大的盾构机被成功研制。我国为建设武汉地铁7号线三阳路长江隧道（上层为公路，下层为地铁），成功研制了15.76m的超大直径盾构机（我国最大）掘进复合地层（强风化泥质粉砂岩地层），并已于2018年4月贯通。

在国外，为解决西雅图南北交通问题，美国提出了修建地下隧道工程方案（2800m），由美国和西班牙的建筑工程联合承建，向日立造船公司订购生产了直径为17.45m的全球最大的盾构机，价格约为8000万美元，全长110m重达7000t。盾构断面的增大也对管片及管片接头的构件提出了更高的要求。

3 管片技术的发展

目前，盾构隧道多采用单层衬砌，双层衬砌使用较少，国内和欧美国家地铁修建皆是如此；而日本采用双层衬砌较多，这与日本地处地震高发带有关。制作管片的材料有混凝土、铸铁、钢材、复合材料等。管片的形状多为平板形、箱形、特殊的异形结构等形式。

3.1 钢筋混凝土管片

早期的盾构隧道采用铸铁管片、甚至钢管片，之后随着混凝土技术特别是混凝土预制块制作精度的提高，其逐渐被钢筋混凝土管片替代。平板型管片抗弯、抗压刚度较大，具有很强的防水性能，所以目前钢筋混凝土平板型管片应用范围最广。如我国第一条水底隧道黄浦江打浦路隧道于1965年5月动工，1970年9月建成，由8块钢筋混凝土平板型管片组成衬砌结构，其外径为10m、内径为8.8m。早期的管片预制采用固定模架人工预制，发展到目前以自动化流水线生产为主。现在的自动化管片生产线一般一环管片为6片，最后一片为封顶块，称为K或F块。

3.2 钢纤维混凝土管片

上海轨道交通6号线浦电路—蓝村路站上行线区间SK18+840～SK18+909内埋设了钢纤维复合混凝土管片，混凝土强度等级为C55、防水等级为P10。钢纤维复合混凝土管片解决了普通钢筋混凝土管片运输与安装中易破损和开裂影响耐久性的问题，但造价相对较高。

3.3 双圆盾构隧道管片

上海地铁所涉及的双圆盾构隧道衬砌每环11块管片，8A（标准块）+1B（大海鸥形）+1C（小海鸥形）+1D（柱形），均采用球墨铸铁预埋螺栓孔加短螺栓（M27），内径为5.7m、外径为6.3m、幅宽1.2m，采用C50、P10。

3.4 类矩形盾构隧道管片

宁波地铁4号线用类矩形盾构隧道管片一环分为11块，厚45cm、宽11.5m、高6.937m，环向螺栓40根M36螺栓（铸铁螺栓孔、短螺栓），纵向螺栓30根M30螺栓（斜螺栓），错缝拼装，设立柱，掺入了一定量的钢纤维。

4 管片连接技术的发展

4.1 管片拼装方式

管片的拼装分为通缝拼装和错缝拼装两种方式。在隧道横断面和纵断面上连接管片环的部分分别称为管片接头和管片环接头，即纵缝和环缝。初期管片接头通常是刚性的，刚性越高，越安全。经过长期的研究实践，这种观点逐渐被后来的柔性结构理念所取代。常用的拼装方式多为错缝，有两环一组和三环一组错缝拼装，封顶块多在拱顶90°范围内，也有通缝拼装，如上海地铁。通常采用直线环、左转弯环和右转弯环来模拟盾构隧道线形，需进行专门的排版设计、编号管理。为了减少模板类型和简化管片的管理，深圳地铁1号线首次采用了通用管片拼装，即仅用一种楔形环管片，调整封顶块的不同位置来模拟隧道线形。通用管片仅需一种钢模，无须排版编号，施工方便、经济性好，盾构测量系统自动选择下一环管片封顶块位置。目前，通缝与错缝拼装方式的比较和选择还没有得到令人满意的解决。

4.2 螺栓

我国地铁常用的螺栓形式为弯螺栓（环向和纵向），也有环向螺栓采用弯螺栓，纵向螺栓采用斜螺栓。通常在双圆盾构隧道管片中采用短螺栓，在类矩形盾构隧道中采用短螺栓和斜螺栓。在广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构隧道管片中环向和纵向均采用了斜螺栓。近几年，随着综合管廊的快速发展，开始应用直螺栓连接管片的环缝和纵缝，直螺栓可以单排也可以双排，抗弯能力直螺栓＞弯螺栓＞斜螺栓。直螺栓不会像弯螺栓那样导致管片混凝土垂直于螺栓长度方向拉坏，但螺栓孔较深，对混凝土的削弱比较多，安装没有弯螺栓方便。

4.3 连接键管片技术

上海地铁18号线出入线隧道引进了日本连接键管片进行了预制与现场拼装试验，该管片的连接有以下两种接头：（1）块间楔形连接式接头，用A接头楔入B接头内的连接方式来代替一般的螺栓接头，是一种将管片块间强制连接的接头。（2）环间插销式接头，预先在管片环间接头面中埋设B接头，拼装时只要把A接头插入就可实现环与环间的快速连接，A接头压入扩开B接头内部的插入嵌条，嵌条便填补在A接头和B接头之间的空隙处，紧密咬合。

该管片的连接键为国外进口部件，包括环向连接键和纵向连接键。该管片接头抗弯、抗剪强度大，连接便利，且无须设置螺栓孔，管片内弧面无孔洞，提高了管片的整体刚度，接头自动化拼装程度高，减少了螺栓孔封堵处理工作量，但对管片生产、埋件定位的精度要求较高。

5 国内外管片生产技术对比

目前我国地铁工程领域应用的管片形式较单一，以带螺栓孔的钢筋混凝土平板型管片为主，偶有掺入钢纤维的管片，仅有上海的双圆盾构和宁波的类矩形盾构采用了预埋铸铁螺栓孔，联络通道和始发负环有应用钢管片。而国外的管片种类特别多，特别是日本开发了很多种类的管片，如连接键管片等。在引进日本的技术基础上，上海地铁18号线首次应用了无螺栓孔连接型管片，但其连接键还依赖进口，且预制与拼装及力学性能等技术均不成熟，还需要进一步详细研究并国产化，真正掌握无螺栓孔管片新技术，并广泛应用。

6 结束语

目前，我国无论在盾构机还是配套的管片生产技术方面都和国外有相当大的差距。2019年7月我国首台采用自主技术和多项国产核心零部件设计制造的复合地层超大直径泥水盾构机“振兴号”在中交天和机械设备制造有限公司常熟基地下线，标志着我国盾构机国产化率达到90%以上。从中也可以看出部分主要配件需依赖进口，管片生产和验收技术单一，不适应市场的发展，且现有的管片本身有许多的缺陷，如施工过程中管片拼装错台、管片破损，螺栓孔处渗漏等。而且我国目前还没有关于盾构隧道管片详细设计的规范可以参照，很多设计部门都是根据设备厂家提供的方法进行设计，甚至直接模仿。然而，这部分工作是盾构隧道结构设计中最关键的部分，设计是否合理直接影响工程的安全、造价及使用。因此，如何制订并完善管片详细设计规范，仍是我国有关施工设计单位及专家需要研究的重要课题。