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上海盾构法隧道技术发展简史(长编)

作者:阿楼   阿樓博客裡  2019-5-10 14:53:42   来源:阿楼博客
上海盾构法隧道技术发展简史(长编)
《诗经·大雅·桑柔》:“大风有隧,有空大谷。”比喻好或坏的行为自有其根本。
《庄子·马蹄》:“当是时也,山无蹊隧,泽无舟梁。”
盾:古代打仗时可及时防护身体,挡住敌人刀箭等的牌。
掌五兵五盾。——《周礼·司兵》。注:“干橹之属。司戈盾、及舍设藩盾。”
盾威:指军心士气。盾橹:古代防护兵器。
 
欧洲
18 世纪60 年代,英国工业革命首先开始。1769 年,J.瓦特发明蒸汽机,工业革命后,蒸汽机逐步扩展到化工 、冶金 、采矿、机器制造、运输等部门。
 
1803,法国工程师布鲁诺尔发现隧道掘进原理,1806年,注册了盾构专利
1825-1842年,Thames隧道长460m,矩形网格盾构11.3×6.7,日进1.50m,London粘土,
砖砌结构
 
1863年1月10日,世界上第一条地铁在伦敦正式建成并投入运营
 
1869年,伦敦塔地铁长403m,盾构Φ2.20m
日进2.6m,铸铁衬砌
 
日本
1868年开始明治维新,由上而下、具有资本主义性质的全盘西化与现代化改革运动。
工业革命是一种社会结构的转变,从圈地运动开始,社会结构不再是以农村,家庭为基础,而是以城市为中心的结构变化,产生了巨大的社会能量,建立了城市即为工业区,工业区便是城市的工业化体系。
 
 
1800
-
1950
 
上海
 
上海开埠,1843年11月17日,根据《南京条约》和《五口通商章程》的规定,上海正式开埠。从此中外贸易中心逐渐从广州移到上海。外国商品和外资纷纷通进长江门户,开设行栈、设立码头、划定租界、开办银行。从此,上海进入历史发展的转折点,从一个不起眼的海边县城开始朝着远东第一大都市前进。
 
 
 
1886-1890年,伦敦城市南部地铁长10200m,盾构Φ3.10~3.45m,日进4.00m,初期用压缩空气,铸铁衬砌
 
1907-1911年,德国易北河隧道长920,盾构Φ5.95m,日进1.70m,气压施工(2.0~2.7ba r),内填钢与混凝土.
1909年6月(掘进6个月)由于空气持续逃逸造成压力调节中出现错误,最终导致了大规模漏气,在易北河上形成了6~8m高的水柱,大量水土进入盾构,六周后才恢复隧道掘进,平均日进尺1.5m/d,最高速率为3.25m/d。1911年秋隧道投入运营。
1935年5月,苏联出于军事方面的考虑,正式开通莫斯科地铁。莫斯科人口不到200万,规划地铁军事用途确是远见的。
莫斯科地铁深度达100多米,超过世界上任何国家。卫国战争莫斯科地铁就成为众多士兵和百姓躲避空袭的最好去处。
 
1917引进盾构技术,亚洲第一个盾构法国家
国铁羽越线折渡隧道总长4719m中一段,地质差中途停工。
 
 
1909年(宣统元年)
1912年(民国元年)
1932年(民国20年)
上海提出过修建越江隧道的建议。
1947年(民国35年)
上海市政府成立越江工程委员会,委托中国桥梁公司作越江工程的调查研究。同年,提出在中正东路(今延安东路)外滩建造隧道的建议。
1939
日本国铁关门隧道下行线门司方向的海底隧道部分,Φ7.182m,隧道总长725.8m。
 
 
1959年,用液体泥水支撑隧道工作面的想法由噶登纳(Elmer C.Gardner)成功地试用于一条直径为3.35m的排污隧道。
 
1957,东京地铁丸之内线采用了盾构法施工技术修建了一段区间隧道
 
1956年8月
上海市政建设交通办公室提交《上海市地下铁道初步规划(草案)》
1958年8月
上海地铁埋深浅、中、深三种方案研究论证
 
1957年,北京下水道工程曾经设想使用盾构法,采用直径2m或2.6m的盾构进行施工,由于种种原因未能实施。
 
1960年初,欧洲穿越天然不稳定和含水地层的隧道工程通用技术已经有降水法、气压法、地基加固法和冻结法,气压法是最经济有效。
1960年,斯内德瑞特提出用膨润土悬浮液的活动进行开挖面支撑。之后,罗瑞兹申请了用加压膨润土浆来稳定隧道开挖面的专利。
1961,名古屋地铁采用盾构施工技术成功修建了觉王山区间隧道。
日本的机械式盾构是和手掘式盾构同时研究发展起来的。
 
 
1960
 
盾构法的可行性
人的安全
 
开挖模式
管片结构
隧道防水
 
1960年2月,成立上海市隧道工程局
1962年2月,成立上海市城建局隧道处
 
1962年2月,开始启动塘桥试验隧道工程。塘桥试验隧道由于仅是为了做试验,长度有一定限制,直径仅为4.2m。在两种有代表性的地层下进行掘进试验,试验隧道采用一台由上海新建机械厂制造的普通敞胸盾构。施工中,试验了用降水或用气压来稳定粉砂层及软粘土地层。在经过反复的论证和地面试验之后,选用有螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌,还选用环氧煤焦油作为接缝防水材料。试验获得成功,采集了大量盾构法隧道数据资料。
 
1964,大阪市地铁2号线古町工区(总长447m)的区间隧道采用了外径6.970m(隧道外径6.8000m)的大断面机械式盾构。同年,东京下水道局神谷3丁目2区(总长668.4m)采用了外径3.410m的(隧道外径3.3m)机械式盾构,标准施工月进度达360m。
 
1965年3月,上海隧道建设公司根据试验隧道所取得的经验,用两台直径5.8m的网格盾构在与试验隧道相似的软粘土层中开挖了两条平行的地铁区间隧道,隧道长660m。从工作井开始的一段隧道是用降水施工的,当用喷射井点将粉砂层中的地下水疏干之后,在其下卧的软粘土层中盾构可以在常压下施工,在安装了闸墙及人行闸、材料闸之后,就可改用气压施工。上海网格盾构是在塘桥试验隧道的经验基础上发展起来的,适用于软粘土或粘性土地层的一种盾构。盾构的正面装有支承切口环上的网状钢格栅,盾构向前推进时,土壤通过网格上的开孔挤入盾构,再由转盘将其提升到皮带输送机,然后运出盾构,装入土箱运至地面。当盾构停止推进时,网格具有支护开挖面,防止其坍塌的作用,从而免除习用的正面支撑体系。该隧道采用有螺栓连接的干板形钢筋混凝土管片作为衬砌结构,每环管片由两块标准、两块邻接和一块封顶管片拼装而成,采用了环氧煤焦油作为接缝防水材料。
1965年8月,成立上海市隧道工程公司和上海市隧道工程设计院。
1968年5月,上海市隧道工程公司与上海市隧道工程设计院合并,成立上海市隧道建设公司。
 
1967,日本近畿铁道难波线上本町难波间1488m区间隧道采用了外径为10.041m(隧道内径9.900m)的机械式盾构。
 
 
 
 
 
 
至此,日本盾构法隧道技术开始了突飞猛进的发展。在短短的30余年之内共制造了2000多台盾构掘进机,盾构法隧道技术水平在世界上领先。
 
 
 
1963年,佐藤工業株式会社寻求在地下水位以下松软且流动的地层中掘进隧道的方法,开发了土压平衡盾构技术,压缩空气和泥水盾构掘进机在日本已得到成功的应用,开发土压平衡盾构是因为在日本许多大城市中对环境有严格的规定及法律。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1975年,欧洲对两条隧道用膨润土泥水盾构进行开挖:一条是英国沃林顿的排污隧道,采用英国制造的泥水盾构;另一条是汉堡威廉堡排污隧道,采用德国制造的泥水加压盾构。80年代初,欧洲对这两种盾构又作了改进,创造出一种施工安全性好、地面沉降量小、而且不用压缩空气的软土隧道盾构,如英国爱德蒙努尔公司泥水盾构开挖直径为2.87m 的沃林顿排污隧道。
 
1970年,日本铁道建设公司在京叶线森崎运河下羽田隧道工程中采用了直径7.29m泥水加压盾构,是当时最大直径的泥水加压平衡盾构,施工长度为865m×2条=1712延米。
 
 
1970年代
 
因备战之需
盾构法开启
工程应用
 
1970年11月,上海隧道建设公司承接大屯煤矿竖井,采用隧道机械厂制造的外径5m手掘式盾构掘进机。盾构长度8.2m,千斤顶16只。隧道衬砌采用C40钢筋混凝土管片,双排螺栓连接,局部附加浇筑混凝土。为防止盾构突然下沉,设计千斤顶总推力480t,实际施工中推下去压力较大,工作压力为340kg/ cm2(原设计为140kg/cm2),实际最大推力达到3200t。盾构推进长度120m,1971年9月盾构推进,1973年2月推进结束。
 
 
 
1973年12月,隧道公司承担上海金山石油化工总厂四号出水口排水隧道建设,采用直径3.5米网格盾构施工。之后石化厂三期生产区排水隧道和第二热电厂取排水隧道等均采用网格盾构施工,施工技术逐渐成熟。
 
 
 
1975年,上海隧道建设公司承建上海石化总厂的两条平行海底取水隧道,先后采用两台闭胸盾构建造,隧道外径4.2m,长约1.6km。地质情况与排水隧道基本相同,取水隧道的施工和设计与前面介绍的相同。
 
 
 
 
 
 
1978年,隧道公司地铁漕溪路段试验工程启动。1980年地铁试验工程一期动工,漕宝路站~151井区间段隧道全长1232米,采用直径6.4米网格盾构+泥水加压+局部气压,试验掘进前拆除了大刀盘,并改成固定网格。试验隧道内径5.5米,覆土5~8米,为装配式钢筋混凝土管片衬砌结构,1982年贯通。试验段盾构掘进误差控制在10厘米左右,地表沉降控制在5~10厘米,取得较全面盾构施工数据。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1980年代
开挖模式
1980年10月,隧道公司承建的1号线试段验直径6.4米网格盾构近距穿越漕溪公园一座宫殿建筑,如何控制沉降和保护建筑成为工程难题。在试验段布设监测实测地表沉降,取得盾构掘进参数控制和土体变形的规律,形成施工参数,优化施工方案,通过隧道壁后连续补注浆措施,使建筑物沉降控制在2cm以内,保护了该宫殿建筑.
1983年完成了上海地铁试验段第一批试验报告。
1960年至1984年24年中,上海先后进行三次较大规模盾构法隧道试验工程,网格盾构施工技术也日趋成熟,建成隧道2504米,为上海地铁1号线工程启动打下技术基础。
1985年3月,成立上海市地铁建设公司、上海市隧道工程设计院,上海市隧道工程公司。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1990年
1990年1月,上海地铁1号线采用法国直径6.34米土压平衡盾构施工,覆土在5~19米之间。盾构推进切削下来土体充满土舱时,保持其被动土压与掘削面土压的基本平衡,改变了原来网格盾构利用网格进行挤压切削和支撑开挖面的方式,使得掘削面与盾构面处于更加稳定和平衡状态。盾构由计算机控制,具有掘进自动限时、维护正面土压稳定、盾构同步注浆等功能。1号线1号盾构在151井至上海体育馆站区间施工中两次穿越覆土7.3米铁路沪杭内环线。盾构推进采用激光导向及时纠偏,控制盾构姿态,监测信息指导施工,地表沉降小于30毫米。根据上海地层条件和施工参数,取消了法国7台盾构超挖刀。
1992年6月,隧道公司承建的上海火车站~汉中路站~新闸路站区间,采用7号加泥式土压平衡盾构施工,穿越全断面粉砂及部分粉砂复杂地层、区间沿线老式木结构民房、以及一些混合结构的厂房、小学建筑群。1992年7月,上海体育馆站~漕宝路区间首次采用冻结法与试验隧道衔接,冻结法技术开始在地铁区间联络通道工程中推广应用。
1993年,上海市隧道工程公司更名为上海隧道工程股份有限公司。
1994年12月,隧道公司“地铁盾构同步注浆材料和压送工艺”获1994年上海市科学进步三等奖,“上海市地区地铁区间隧道盾构施工专家系统”获1996年上海市科学进步三等奖,“地铁盾构施工对周围环境影响的研究”获1995年建设部科技进步三等奖。
1996年9月,隧道公司2号线一期杨高路站~东方路站盾构区间采用盾构均衡法施工,加上发泡技术和信息咨询系统技术的应用,穿越了灰色淤泥质黏土和灰色黏土地层中的上游引水箱涵、民房、厂房、市政地下管线,其中箱涵地板距隧道衬砌顶端仅2.2米。同年12月静安寺~石门一路区间曲线段施工,设计开发了“地铁隧道盾构轴线控制系统”,通过建立基本数据库,录入每环的设计要求、施工数据、测量数据,合理、适量的对盾构行驶方向进行纠偏,提高了隧道轴线精度,减少对土体的扰动。盾构穿越名城广场地下室,盾构顶距地下室底板仅1.9米。“地铁盾构掘进导向系统研究”获1999年建设部科技进步三等奖。1997年10月,陆家嘴路站~东昌路站2条区间之间联络通道和泵站施工采用刀排式土压平衡矩形顶管机施工,实行了信息化施工,该技术获1999年上海市科学进步三等奖。此时,2号线建设已经全面推广应用上海自主开发的“土压平衡盾构监控系统研制与应用”,该技术获2000年上海市科技进步三等奖。
1998年3月,隧道股份承建的陆家嘴路站~河南中路站区间,穿越全断面粉砂土层和穿越黄浦江施工中,运用“盾构法隧道施工专家系统”,施工人员将完整的地面、地下工程数据输入专家系统,由专家系统提供了每环合理的注浆量、推进速度等施工参数,最终确保盾构顺利地穿越全断面粉砂土层和黄浦江,将两岸的防汛墙沉降有效地控制在4毫米以内。1998年5月,人民公园站~河南中路站区间穿越运营中的1号线(最小净距仅1米)施工中,加强对1号线的监测,确保及时优化调整掘进施工的参数,真正做到信息化动态施工管理,将盾尾脱出时该环沉降控制在3.5mm左右,并及时监控后阶段隧道沉降的变化情况,以补注双液浆加固。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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