瓊州海峽隧道超大直徑盾構新技術展望

陳 饋

(1．盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南鄭州 4 50001;2．天津大學，天津 3 00072)

0 引言

在《國家裝備制造業調整和振興規劃》“裝備制造業技術進步和技術改造投資方向”中，明確重點支持直徑≥10 m的盾構裝備制造及技術研發。國家“十二五”規劃中已經明確指出:“十二五”期間計劃修建的瓊州海峽跨海中線工程擬采用隧道方案。我國專家和學者對瓊州海峽跨海通道的研究已有20多年的歷史。江級輝［1］、王可鈞［2］、周心培［3］、譚忠盛等［4］對修建瓊州海峽隧道的可行性進行了研究;程振廷等［5］提出了對修建瓊州海峽隧道采用盾構法的意見和修建隧道工程的若干方案;郭陜云［6］對瓊州海峽盾構隧道方案工程技術要點進行了研究，提出中線鐵路盾構隧道方案為首選方案，并給出了中線鐵路盾構隧道方案的建議。然而，以上研究未涉及到能適應于瓊州海峽隧道施工的盾構成套裝備關鍵技術，而攻克具有自主知識產權的超大直徑復合式泥水盾構關鍵技術，研制出適合于我國特長跨海隧道施工的超大直徑復合式泥水盾構，則關系到跨海通道的建成與通車。

1 工程概況

1．1 工程位置

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南島之間，東西長約80．3 km，南北平均寬度約為29．5 km，其最小寬度為19．4 km，在等深線50 m之間有一深槽，長約70 km，平均寬度10 km，水深一般在80 m，最深處深160 m［7］。規劃及預可研階段對瓊州海峽跨海通道線位進行了全面研究，形成了東線、中線和西線3個方案，見圖1。

圖1 瓊州海峽跨海通道線位Fig．1 Alignment of Qiongzhou Strait Cross-sea Tunnel

由于東線海底地形起伏劇烈，最大水深約85 m，設計施工難度大，地震烈度為Ⅷ，靠近1605年瓊州海峽大地震震中，受地震和斷裂的影響比西線和中線大，橋梁方案與海口港至海安港輪渡通道沖突，隧道方案海峽南側與海口城市規劃不協調，對城市影響大，研究后予以舍棄。在工程方案中對西線和中線通道進行了比選，對公鐵合建、公鐵分建的橋梁和隧道方案分別進行了研究。就隧道而言，由于其受水深的影響較小，中線具有隧道短、與兩岸既有公路和鐵路連接順暢的明顯優勢，因此，著重對中線隧道方案進行研究。

公鐵合建方案盾構直徑達19．10 m，制造難度大(目前尚不能判斷其制造的可行性)，通風井施工難度大，運營風險大，防災救援要求高。鐵路兼顧汽車背負式運輸隧道技術難度相對較小，運輸可靠性高，無污染，通風較容易解決，因此，擬推薦鐵路兼顧汽車背負式運輸隧道方案。

1．2 工程地質

瓊州海峽跨海通道穿越的地層主要以粉細砂、粉質黏土及黏土為主，砂層及黏性土中石英含量高，密實膠結。其中，第四系砂層中石英含量為92%～99%，第三系砂層中石英含量為65%～96%。

1．3 方案概況

瓊州海峽跨海通道推薦采用的中線鐵路隧道方案，北接廣東湛江的粵海鐵路，在海南側接東、西環鐵路。隧址附近海峽寬度約21 km，沿線最大水深98 m。根據運量研究結論，隧道方案建設規模為4線鐵路，即2線客運專線+2線貨運專線，同時，貨運專線在運營初期可兼顧汽車背負式運輸功能。客運專線設計速度目標值為160～200 km/h，貨運設計速度目標值為160 km/h。中線鐵路隧道方案縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面圖Fig．2 Longitudinal profile of tunnel

隧道采用單管雙線+隔墻形式，共設置2管(見圖3)。在規劃研究及預可研階段，擬采用的隧道內徑為14．6 m，設置300 mm內襯和750 mm厚管片，隧道外徑16．7 m，救援通道寬度為1 500 mm。在可研究階段對隧道橫斷面進行了優化，優化后的隧道內徑為13．5 m，設置300 mm內襯和700 mm厚的管片，隧道外徑15．5 m，客線救援通道寬度為1 250 mm，貨線救援通道寬度為1 000 mm，利用隧道上部閑余空間設置專用排煙通道。中線鐵路隧道方案有貨線鐵路隧道和客線鐵路隧道2種，其主要參數對比如表1所示。

圖3 隧道結構示意圖Fig．3 Structure of tunnel

表1 貨線鐵路隧道方案和客線鐵路隧道方案主要參數對比Table 1 Parameters of passenger-dedicated tube and freight-dedicated tube of Qiongzhou Strait Tunnel

中線鐵路隧道方案在兩岸設置2座工作井，初步規劃擬采用4臺直徑為15．9 m的超大直徑泥水盾構自兩岸工作井兩兩向海中掘進，最終在海中地層實現對接。

2 國內外發展現狀

復合式泥水盾構泥水壓力通過氣壓間接控制，與直接控制型泥水盾構相比，其精度高，具有對周圍環境影響小、地表變形容易控制等優勢，能適用于不同類型的地層條件，具有良好的地層適應性和開挖面高精度平衡控制性能。因此，復合式泥水盾構被廣泛地應用于復雜地質條件下的大直徑水底隧道工程施工中。

國外已將高端計算機技術、激光導向技術、機械自動化技術等一系列智能化技術成功地應用于大直徑泥水平衡盾構施工中。如:1998年建成運營的日本東京灣道路隧道采用8臺φ14．14 m泥水盾構施工，2003年建成的德國易北河第四隧道采用1臺φ14．2 m泥水盾構施工，2004年貫通的荷蘭綠色心臟隧道采用1臺φ14．87 m泥水盾構施工。目前，國外超大直徑泥水盾構直徑已達15．43 m，集成了相關領域的高新技術，體現了超大直徑和智能化的發展趨勢。國際上，在盾構技術先進的國家中，超大直徑泥水盾構的設計、制造和施工技術已達到相當先進的水平，許多高科技應用于超大直徑泥水盾構中，使得超大直徑泥水盾構及其施工技術愈加完備、科學、安全可靠。

我國盾構的開發與應用始于1953年，東北阜新煤礦用手掘式盾構修建了直徑為2．6 m的疏水巷道。上海隧道工程股份有限公司于1992年從日本引進了1臺φ11．22 m大直徑泥水平衡盾構，完成了上海延安東路復線越江隧道工程的施工;2004年從荷蘭引進了1臺法國制造的φ14．87 m泥水盾構，用于上海中環線越江隧道施工。2005年，中鐵隧道集團有限公司與法國NFM公司聯合設計了2臺φ11．38 m大直徑泥水盾構，由沈陽北方重工組裝后，投入武漢長江公路隧道施工中。2006年，中鐵隧道集團有限公司采購了1臺法國NFM與北方重工聯合制造的φ11．97 m泥水盾構，用于北京鐵路地下直徑線施工，但由于刀盤刀具的設計與地質不適應，僅掘進66 m就無法繼續掘進，而后通過在刀盤前方開挖臨時豎井對刀盤進行了改造。2007年法國NFM與北方重工聯合制造了4臺φ11．18 m泥水盾構，用于廣深港獅子洋隧道施工。

國家科技部于2005年7月將泥水盾構的研究列入國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)進行專題立項，依托武漢長江公路隧道φ11．38 m大直徑泥水盾構及上海上中路引進的φ14．87 m大直徑泥水盾構進行“大直徑泥水盾構消化吸收與設計”科研攻關，該“863”項目由中鐵隧道集團有限公司牽頭承擔;2007年，上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團有限公司和浙江大學聯合承擔了國家“863”項目“泥水平衡盾構關鍵技術與樣機研制”，并成功研制了φ11．22 m直接控制型泥水盾構。目前，應用于軟土地層的大直徑泥水盾構樣機(φ11．22 m)已由上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團有限公司和浙江大學聯合研制成功，但適用于復雜地層施工的超大直徑復合式泥水盾構仍依賴于進口。

3 面臨的技術挑戰

“十五”和“十一五”期間，國家“863”計劃先進制造與自動化領域將全斷面隧道掘進機確立為重點項目，結合城市地鐵工程建設，啟動了盾構關鍵技術及裝備的研究，主要包括針對特定地層的盾構關鍵技術攻關、樣機研制、試驗技術與裝備、標準規范編制等。近10年來，在盾構刀盤刀具設計制造技術、液壓驅動與控制技術、盾構模擬試驗技術、測控技術及整機系統集成技術等方面取得了突破性進展，基本掌握了土壓平衡盾構、直接控制型泥水平衡盾構和復合式土壓平衡盾構的關鍵技術，完成了樣機的制造，初步形成了盾構設計、制造、安裝、調試的成套工藝技術;研制出了功能相對齊全的盾構模擬試驗平臺，初步具備了基礎技術的實驗條件;在盾構及施工技術方面，國內已取得專利500余項。這些創新成果縮小了我國盾構技術與國外的差距，為盾構技術攻關和裝備研制創造了條件。

在大直徑泥水盾構的研制方面，我國各大盾構制造企業主要通過與國外盾構生產廠家合作制造過程中進行引進、消化、吸收，具備了大直徑泥水平衡盾構制造、安裝和調試能力，也成功試制了應用于軟土地層的大直徑泥水盾構樣機(直徑11．22 m);但尚未掌握超大直徑(12～16 m)復合式泥水盾構的總體設計、安裝、調試和系統集成技術，尤其是大埋深超大直徑復合式泥水盾構的總體設計、系統集成技術和高水壓條件下的盾構密封技術。用于大埋深、高滲透地層施工的超大直徑盾構，國外也沒有類似的盾構施工實例，在技術上面臨諸多挑戰。

結合瓊州海峽的建設條件，用于瓊州海峽隧道工程的高水壓超大直徑(16 m級)盾構有以下特點:1)直徑16 m級(15．9 m);2)單機最大掘進長度13 km;3)最大抵抗水壓1．7 MPa;4)具備海中土木對接條件。

3．1 挑戰1:超大直徑盾構設計制造技術

結構剛度要求高，設計時須考慮盾構的分塊，分塊必須合理，要考慮分塊制造，但組裝后，必須保證整體的制造與定位精度，要考慮分塊的起吊與運輸;超大直徑盾構大推力設計;超大直徑盾構大功率、大扭矩、高性能、節能、環保型變頻驅動技術。日本日立造船已成功制造出直徑為17．48 m的土壓盾構，用于西雅圖地下隧道施工，其設計理念可供參考。

3．2 挑戰2:超高水壓條件下盾構的密封技術

需解決主軸承密封、盾尾刷密封、管片接縫密封等耐超高壓的技術瓶頸。美國米德湖取水隧道工程實際承受的最大水壓為1．7 MPa，現有科學技術水平可完全解決本工程最大水壓力所帶來的防水與施工難題。

3．3 挑戰3:盾構特長距離掘進技術

需解決刀具的高耐磨和超高水壓條件下安全快速更換刀具的技術瓶頸。英吉利海峽隧道單機推進距離達到19．9 km。可設計采用預留備用刀具、高水壓下常壓換刀、伸縮刀具、分層布刀等方法實現長距離掘進。

3．4 挑戰4:特長隧道在超高水壓條件下的水下對接技術

需解決水下對接高可靠加固技術和高精度定位技術等技術瓶頸。水下對接隧道國外有東京灣海底隧道，國內有廣深港獅子洋客運專線隧道。瓊州海峽隧道的地層以軟土為主，可采用類似于東京灣海底隧道的加固手段，加大冷凍力度和范圍，也可采用機械對接和輔助工法對接相結合的工藝，以提高對接的可靠性，減少風險。

4 盾構新技術展望

針對瓊州海峽隧道超大埋深、超高水壓、超大斷面、特長距離及地質復雜多變的特點，在對國內外相關技術進行詳細調研的基礎上，重點研究高效破巖的長壽命刀盤刀具優化設計技術、超高水壓條件下盾構防水密封設計與制造技術、大功率高性能節能環保型變頻驅動技術、高水壓長距離掘進地中對接施工裝備技術等設計、制造、控制及施工關鍵技術。

4．1 高效破巖、長壽命刀盤刀具制造技術

針對盾構掘進過程中多變復雜的工程地質和多場耦合及突變載荷的盾構施工工況等工程環境所導致的刀盤刀具損壞，甚至發生安全事故的問題，需研發長壽命、高耐磨刀盤刀具材料，以大幅提高盾構掘進的地質適應性、可靠性和安全性。

4．2 超高水壓條件下盾構防水密封設計與制造技術

在海底等超高水壓環境下的盾構掘進，主軸承密封、盾尾密封、管片接縫密封的可靠性將決定其成敗。針對大埋深超高水壓條件下(水壓最高將達到1．7 MPa)盾構密封的高防水要求，通過研究主軸承密封、盾尾密封、管片接縫密封的材料、制造工藝及密封結構形式，開發新型高黏度密封油脂，研究多道高效密封技術，以確保超高水壓下的盾構施工安全。

4．3 超高水壓條件下常壓換刀裝置設計關鍵技術

采用帶壓換刀技術，人體能承受的水壓一般在0．45 MPa以下，而瓊州海峽隧道埋深大，土艙內水壓將高達 1．7 MPa，需潛水作業［8-9］。針對超高水壓(＞0．45 MPa)條件下的刀具快速更換難題，設計在常壓條件下進入刀盤輪幅的常壓換刀裝置，實現超高水壓下的常壓換刀，有效提高施工效率。

4．4 大埋深超大直徑盾構總體設計及集成技術

針對跨江越海隧道超大埋深、超高水壓、超大斷面、超大載荷、特長距離及地質復雜多變的特點，基于國內施工企業已有的相關施工數據，通過采用數值仿真、模擬試驗、現場試驗等方法進行研究，提出超大直徑復合式泥水盾構總體設計方案，自主創新形成一套針對特長海底隧道復雜地質條件的超大泥水盾構設計理論、系統集成方法和總體集成設計制造技術。

4．5 超大直徑盾構制造工藝技術

針對超大直徑盾構對結構強度、剛度和穩定性及方便運輸的要求，在設計時必須考慮盾構的分塊，且分塊必須合理，既要考慮分塊制造，又要考慮分塊在組裝時的定位精度。針對國內超大直徑泥水盾構制造技術的發展滯后于施工技術的現狀，應突破性地解決超大直徑盾構的制造工藝技術，提高泥水盾構制造業的水平，加快高端泥水盾構國產化進程，提升我國超大直徑盾構裝備制造業的自主創新能力與核心競爭力。

4．6 大功率高性能節能環保型變頻驅動技術

針對超大直徑盾構對大功率變頻電機的需求，以及目前國內的變頻電機功率小、體積大的現狀，為適應超大直徑盾構工況復雜、空間有限、功率大的特點，研究大功率、小體積、高性能節能環保型變頻驅動技術，完成對高防護等級、大功率、小體積水冷變頻節能電機的技術研究，并開發出符合超大直徑盾構需求的、具有同步功能的、高效率的變頻驅動器，以適應超大直徑盾構掘進施工過程的柔順控制需求。

4．7 智能化檢測與控制技術

大埋深超大直徑盾構整機控制集成化、網絡化和智能化要求較高，可在吸收國外超大直徑泥水盾構控制系統的基礎上，開發出具有自主知識產權的盾構控制系統，并確保開發的控制系統能滿足超大直徑復合式泥水盾構整機控制的要求，實現系統控制和狀態檢測的集成化、網絡化和智能化。

4．8 高水壓特長距離掘進地中對接施工裝備技術

瓊州海峽隧道施工時，超大直徑盾構在1．7 MPa的高水壓條件下通過刀具更換(常壓進艙與減壓限排帶壓進艙相結合)進行超長距離掘進后，在高水壓條件下實現海中對接。針對高可靠對接加固技術和高精度定位技術的難題，研究采用機械對接裝備和輔助工法對接相結合的工藝，以提高對接的可靠性，減小盾構施工風險。

4．9 開挖面高精度平衡控制技術

開挖面的穩定性控制是超大直徑盾構施工的重難點和關鍵技術之一，控制不好會引起地面沉降、房屋塌陷等工程事故。開挖面的穩定是由地質條件、推進系統、刀盤驅動系統及泥水循環系統等共同作用的結果，高精度的泥水壓力檢測技術、用于泥水循環等系統的變轉速泵控技術、刀盤驅動系統與推進系統等多系統之間的參數協調控制技術等，都是需要進一步研究和掌握的技術。

4．10 新型破巖(切削)技術

高壓水射流破巖速度是常規刀具破巖速度的2～3倍。激光法屬于熔融和氣化方式，具有其他常規破巖方法所沒有的效率優勢，因此，需研究高壓水射流法［10-11］、激光法等在盾構破巖應用中的可行性。高壓水射流法和激光法破巖將是今后最具發展潛力的新型破巖方法，而新型破巖技術的實現必將促進盾構法技術的飛躍發展。

5 討論

21世紀是地下空間被快速開發利用的時期，隨著我國城市建設的發展，道路交通網絡，特別是跨江越海高速鐵路隧道、跨江越海公路隧道的建設任務越來越重。為適應跨江越海隧道工程建設不斷發展的需要，盾構正在向超大直徑、超長距離、超大埋深方向發展，要求盾構技術更大(更大的隧道斷面)、更快(能高效掘進，滿足工期要求)、更可靠(適應深埋、高水壓及多種復雜地質)，能應對各種地質風險，有效解決施工中遇到的各種難題。

目前，與需求不相適應的是國內所有的超大直徑復合式泥水盾構的關鍵技術和裝備均從國外引進，國內制造企業只能作為國外制造商的分包，僅做一些技術含量低、能耗大的結構件加工和組裝等工作，沒有真正涉及核心技術，與市場需求形成較大反差。因此，研制出能適應于超高埋深、超高水壓、特長距離和復雜多變地質條件下的超大直徑復合式泥水盾構，對于提升我國重大裝備制造水平、掌握超大盾構的自主設計與制造工藝技術具有重大的戰略意義，同時，也關系著跨海通道能否盡早建成。通過對大埋深超大直徑復合式泥水盾構的研制，可實現核心關鍵技術的突破，掌握大埋深超大直徑復合式泥水盾構的總體設計和制造的集成技術，擁有自主知識產權，使我國盾構成套裝備整體技術達到國際領先水平，最終使我國在國際盾構技術行業中具有較強的競爭優勢。

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