江玉生

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 10083）

摘  要：本文在简要介绍了北京地区盾构技术的历史和应用现状的基础上，结合近6年来的北京地区盾构施工工程实践和技术发展情况（以北京地铁为主），总结了北京地区不同地层、不同型式盾构技术现状和已经取得的进展，提出了对北京地区未来盾构技术的发展建议。

关键词：土压盾构；北京典型地层；实时监控；大直径；参数控制

1  盾构技术应用概况

北京地区盾构施工技术始于20世纪50年代后期，1957年北京市政采用直径2.0 m和2.6 m的手掘式盾构进行城市下水道施工，至1996年北京地铁引入插刀式盾构，前后试验断断续续约40年，盾构技术一直未在北京地区得到应用和发展[1-5]。直至1999年北京市政工程总公司在污水隧道工程中成功引进日本石川岛播磨制造的现代化土压平衡盾构，盾构施工技术在北京才获得实质性的工程应用。进入21世纪后，随着轨道交通工程、铁路工程、市政工程和水利工程的大规模建设，盾构施工技术在北京地区不同深度的浅埋典型地层中得到了广泛的应用和发展，积累了相当的经验。

1.1  地铁盾构应用情况

自2000年北京地铁5号线首次引入土压平衡盾构施工地铁区间隧道开始，随着5号线、4号线、10号线、机场线、9号线、大兴线、6号线、8号线等线路的相继全面开工建设，土压平衡盾构施工技术在北京地铁建设过程中得到了逐步扩大、进而全面广泛应用和发展。部分已通车线路盾构应用情况如表1所示[3]。目前在施工的6号线（二期）、7号线、14号线、昌平线二期、16号线等新建线路中大量采用土压平衡盾构技术修建区间隧道。马上开工建设的北京地铁8号线三期、6号线西延和即将开工建设的3号线、12号线、17号线等也将大量采用土压平衡盾构进行区间隧道的施工。根据北京地铁已有的建设经验及今后的建设形势和规划，盾构工法已经成为地铁区间隧道的主要工法。

表1  北京地铁盾构应用情况统计（不完全统计）

Table 1  Applications of shields to Beijing Metro (incomplete statistics)

线路

区间总长（m）

盾构区间长度/所占百分比（m）/（%）

投入盾构台数

刀盘型式

盾构穿越地层

5号线

14 470

5962（41%）

4（2台德国海瑞克，1台日本石川岛，1台日本日立）

2台面板，1台辐条，1台辐条面板

粉质粘土、粉细砂、中砂、卵石

4号线

21 085

12 976（61%）

9（4台德国海瑞克，2台日本石川岛，1台日本日立，2台日本三菱）

5台面板，2台辐条，2台辐条面板

粉质粘土，中粗砂，圆砾、卵石、砾岩

10号线

（一期）

19 006

6 900（36%）

5（3台德国海瑞克，2台日本石川岛）

3台面板，2台辐条

粉质粘土、粉土、细砂、圆砾、卵石

大兴线

9 118

4 794（52.6%）

6（4台德国海瑞克，2台日本石川岛）

4台面板，2台辐条

粉质粘土、粉土、粉细砂

6号线

（一期）

24 650

11 371（46.1%）

10（5台德国海瑞克，4台日本日立，1台日本小松）

5台面板，2台辐条，3台辐条面板

粉质粘土，粉土，粉细砂，圆砾

9号线

13 250

4240（32%）

6（2台德国海瑞克，2台日本石川岛，1台日本日立，1台加拿大拉瓦特

3台面板，3台辐条

卵石

8号线

（二期）

14503.5

9 807.6（67.6%）

12（1台中国中铁重工，2台德国海瑞克，2台法国法马通，3台石川岛，2台日本日立，2台日本小松）

2台面板，4台辐条，6台辐条面板，

粉质粘土、粉土、粉细砂、圆砾、卵石

10号线

（二期）

27 150

22 340（82.3%）

26（2台中国中铁装备，6台德国海瑞克，5台日本石川岛，6台日本小松，4台日本日立，2台法国法马通，1台加拿大拉瓦特）

7台面板，8台辐条，11台辐条面板

粉质粘土、粉土、粉细砂、卵石

注：区间总长仅指地下线长度，不含高架及地面线。

由表1可见北京地铁所采用的盾构以日本和德国设备为主，各厂家盾构分布情况见图1所示，其中日本盾构占52.6%，德国设备占35.9%，其它国家和国内制造的设备较少，随着盾构国产化的发展，国产盾构（如中铁装备和中铁重工等）也开始在北京地铁中进行应用，并且这个比例将会在未来的北京地铁盾构施工中得到进一步提高，预计会成为将来北京地铁盾构施工设备的主流。

图1  北京地铁所采用盾构设备统计图

Fig.1 Percentage diagram of shield equipment in Beijing Metro

图2  北京地铁所采用盾构刀盘型式统计图

Fig.2 Percentage diagram of different types of cutting wheel used in Beijing Metro

面板式刀盘、辐条式刀盘和辐条面板式刀盘（刀盘开口率介于面板式和辐条式之间），在北京地铁均应用较多，如图2所示。面板式刀盘约占40%，辐条式和辐条面板式各占约30%。通过对9号线和10号线（二期）卵石地层盾构施工情况的经验来看，大、中、小粒径卵石地层中的盾构施工，如果大直径卵砾石不需要破碎的话，辐条式刀盘的适应性优于面板式刀盘。

1.2  水利及市政应用

北京市南水北调工程建设中大量采用了盾构施工技术，例如南干渠工程全长27.282 km，其中采用盾构技术修建的隧道长15.98 km，占全长的58.6%。目前正在施工的东干渠工程全长44.7 km，全部采用盾构法施工，预计投入盾构19台，实际投入盾构将会超过23台。

盾构技术在市政工程也得到了大量的应用，比如亮马河污水隧道、清河污水隧道、坝河污水隧道和凉水河污水隧道等市政工程均采用小直径（2.0 m~3.6 m）盾构法施工。

1.3  铁路工程应用

北京地区的铁路隧道工程施工中，除了大量的箱涵工程采用顶进法施工外，仅在北京地下直径线工程（北京西站—北京站）中采用了盾构法施工，如图3所示。

图3  北京地下直径线工程线路图

Fig.3 Beijing Underground Diameter Line

直径线工程是中国大陆第一条在城市里采用大直径气垫式泥水平衡盾构（开挖直径11.97 m，如图4所示）施工的地下电气化铁路隧道，盾构隧道长5.175 km。2008年8月盾构始发，2013年7月盾构到达。该工程的成功建设，为北京地下工程采用大直径泥水平衡盾构施工积累宝贵的经验。

图4  北京地下直径线工程泥水平衡盾构

Fig.4 The slurry shield used in Beijing Underground Diameter Line

2  盾构技术进展

2.1  典型地层掘进技术

北京地层总体特点是西北部颗粒粗、东南部颗粒细。就一般而言,在西部的各大河流冲洪积扇部位以厚层砂土和卵、砾石地层为主；向东于城市中心区大部分范围内，地层过渡为黏性土、粉土与砂土、卵砾石互层的多层状态；再向东北的东郊及北郊地区，则以厚层粘性土、粉土为主，表现出从上游到下游颗粒由粗到细的递变规律；东部砂卵（砾）石层中卵砾石颗粒较小（一般小于100mm）,西部及西北部砂卵（砾）石的颗粒相对较大，存在超大粒径的漂石，最大粒径可达1500mm以上，且各层的层位、层厚分布不稳定，有时尖灭，也有的呈透镜体夹层。图5为北京地铁不同盾构区间地层中揭露的砂卵石情况。

通过对大量的工程实践和相关经验教训的分析与总结，已经形成了一套北京地区典型地层盾构选型与地层适应性、渣土改良方法与改良剂的选取、盾构关键参数选择与控制、始发/到达、开舱检修等盾构施工关键技术，拓展了土压平衡盾构施工范围，为今后北京地区各种典型地层盾构施工提供了宝贵的经验，也可为其它城市或地区类似地层盾构施工提供借鉴[6-7]。其中，通过对各种典型地层近100个盾构区间关键参数的跟踪、调研及分析总结，得出了不同地层不同组段刀盘扭矩、盾构推力及控制土压力的控制范围，如表2~4所示。

图5  北京地铁不同盾构区间地层中揭露的砂卵石

Fig.5 Sandy gravels from different strata in Beijing Metro

表2  不同地层不同组段盾构刀盘扭矩控制范围表

Table 2 Control ranges of cutting wheel torque in different sections

地层

组段

控制范围

备注

粘土/粉质粘土/粘质粉土/粉土层

A

1500~2500 kN·m

当刀盘扭矩高于控制范围时，应加强土体改良效果，降低扭矩，不可降低土舱压力。

粉砂/细砂/中砂/粗砂等砂层

B

1500~3000 kN·m

砂卵石层

C

3000~4500 kN·m

复合地层

D、E

根据开挖面地层情况，参考A、B、C控制范围进行设定。

表3 不同地层不同组段盾构推力参考控制范围参考表

Table 3 Reference for thrusting force control in different sections

地层

组段

刀盘型式

控制范围

备注

粘土/粉质粘土/粉土层

A

辐条

面板、辐条面板

8 000~20 000 kN

①推力过小，且推进速度快，可能是遇到了地质疏松区域或地层中存在空洞。

②推力过大，且推进速度缓慢，可能是刀盘结泥饼。

③推力过大，且无推进速度，可能是遇到了障碍物或者极坚硬地层（如：钙质胶结的砂卵石层）。

粉砂/细砂/中砂/粗砂等砂层

B

辐条

18 000~30 000 kN

面板、辐条面板

10 000~25 000 kN

砂卵石层

C

辐条

18 000~30 000 kN

面板、辐条面板

10 000~25 000 kN

复合地层

D、E

根据开挖面地层情况，参考A、B、C控制范围进行设定。

表4 不同地层不同组段土压力控制范围表

Table 4  Reference for earth pressure control in different sections

地层

上覆地层情况

环境风险

组段

土压力控制范围

备注

粘土/粉质粘土/粘质粉土/粉土层

I级

AI

~1.2

①盾构推进过程中，土压力一直处于波动状态，应确保土压力时刻保持在设定的最低值以上。

②切不可为了降低刀盘扭矩，加快推进速度，降低土压力。

③一味提高土压力，对地表沉降并无益处，反而会造成刀盘扭矩大，加大对土体的扰动，加大地表沉降。

④土压力控制范围还应与地表沉降控制情况进行反分析，根据地表沉降情况及时进行相应调整。

II级

AII

~1.2

III级

AIII

~1.2

粉砂/细砂/中砂/粗砂等砂层

自稳性较好

I级

BI

~

II级

BII

~

III级

BIII

~

自稳性较差

I级

BI

~1.2

II级

BII

~1.2

III级

BIII

~1.2

砂卵石层

自稳性较好

I级

CI

~

II级

CII

~

III级

CIII

~

自稳性较差

I级

BI

~1.2

II级

BII

~1.2

III级

BIII

~1.2

混合地层

D、E组段

根据隧道穿越地层情况和上覆地层情况，参考A、B、C控制范围进行设定。

2.2  大直径土压平衡盾构及扩挖车站综合技术

北京地铁率先在大陆范围内采用大直径土压平衡盾构施工地铁区间隧道（单洞双线），然后扩挖形成车站的新技术。北京地铁14号线15标段东风北桥站~将台路站~高家园站~京顺路站盾构区间，采用直径10.22 m土压平衡盾构施工，如图6所示，盾构从东风北桥站始发，一次性掘进3 133.8 m到达京顺路站，然后采用暗挖法扩挖形成将台路站和高家园站，如图7所示。目前盾构施工已经完毕，暗挖法扩挖车站正在进行中。

大直径土压平衡盾构技术的关键在于盾构设备的配置（特别是相关扭矩、推力等参数的设置与地层的适应性匹配问题）、盾构施工关键参数的预测和设定、盾构施工过程关键施工参数的控制及其对地面沉降和地层变形的影响等，都与普通6.0 m左右的地铁盾构有着较大的不同。如何在设备制造前、制造过程中和施工阶段实现上述技术，是大直径盾构应用于地铁区间隧道（单洞双线）建设的重中之重；同时在大直径隧道中扩挖形成地铁车站，对大直径盾构隧道而言，需要有一个完整的技术方案，来确保盾构隧道本身的结构安全和扩挖车站施工过程的安全，这也是该项技术成败之关键。

大直径土压平衡盾构及扩挖车站综合技术的成功应用，将会极大提高北京地铁建设的工程技术水平，同时该技术对提高盾构利用率，降低地铁建设过程中地面拆迁和管线改移的工期和费用，减少地铁施工占用道路和场地及其施工对周围环境的影响，降低工程风险，节约工程成本，有着重大的意义。

图6 北京地铁14号线15标大直径土压平衡盾构

Fig.6 The large-diameter EPB used in Section 15, Metro Line 14, Beijing Metro

图7  北京地铁14号线15标盾构区间平面图

Fig.7 The Plan of Section 15, Line 14, Beijing Metro

2.3  气垫式泥水平衡盾构技术

北京地下直径线工程盾构从天宁寺始发经宣武门、前门到达崇文门，盾构施工地段属于北京老城区，施工环境复杂，穿越的地层包括卵石层、沙层、粉土层和粉质粘土层，涵盖了北京地区的三种典型地层。地下直径线工程取得了北京地区泥水盾构选型、刀具配置、变形控制、带压换刀等多方面的技术创新，如刀盘的开口率不宜小于35%、胶结地层的刀具配置应适当增加滚刀的数量和设置合理的不同刀具的高度差、穿越老旧城区不同年代房屋的影响范围以及带压开舱动火换刀技术等，为北京地区深埋地下工程泥水平衡盾构施工积累了丰富的经验[8-9]。

2.4  重叠隧道技术

北京地铁8号线和6号线（一期）在通过中心老城区时，受地面条件的制约和同站台换乘的需要，采用重叠隧道的布置方式，即两条隧道在竖直方向上上下布置。重叠隧道采用盾构法施工，通过该工程的科学实施和成功实践，形成了一套针对北京地层特点的重叠隧道施工关键技术，包括不同接近度条件下的隧道稳定技术、隧道接近度划分技术、合理的上下重叠盾构始发与到达技术等，可以指导今后类似工程的施工，同时也为重叠隧道的设计提供了可供参考的事实依据。

2.5  安全风险控制技术

最近6年来，北京地区盾构隧道建设过程中安全穿越了大量的地铁既有线、正在运营的国家铁路、重要的市政桥梁、河湖、城市主干路、房屋等重大风险工程，没有出现重大安全风险事件，确保了风险工程的安全。盾构穿越工程中积累了丰富的盾构施工安全风险控制技术，可以指导今后类似盾构工程的设计和施工。

北京市于2007年开始在北京地铁建设过程中广泛应用北京市轨道交通建设安全风险技术管理体系，体系运行6年来取得了良好的效果，有效规避了盾构隧道工程的风险，确保盾构施工没有出现大的安全风险事件，未造成较大不良社会影响和经济损失[10-13]。

2.6  实时监控技术

北京地铁所有盾构（北京市轨道交通建设管理有限公司建设的线路）自2007年以来全部实现盾构施工过程的远程实时监控和管理，盾构施工实时信息管理系统如图8所示。建设管理人员和技术人员等相关参建各方能够通过盾构施工实时监控系统，对全线每台盾构的施工情况进行实时监控，对盾构施工全过程进行可追溯的相关分析，对施工进度和过程质量进行管理，实现了盾构施工的信息化，提高了盾构施工的管理水平。

继北京地铁后，北京南水北调东干渠工程也引入了盾构实时监控技术，实现对工程中19台盾构同期施工的信息化管理[14-15]。

（a）登录界面

（b）监测数据的传输

（c）进度及风险工程监控

图8 盾构施工实时信息管理系统

Fig.8 Real time information management system for shield construction

3  盾构施工技术展望

3.1  深埋条件下盾构技术

北京地区中心城区浅层地下空间已经基本开发完毕，下一步将开发埋深在30~60 m的深层地下空间，例如拟建的北京地铁R1线和3号线、12号线、17线等，隧道埋深将达到60 m。深埋条件下，工程地质条件和水文地质条件将更加恶劣，这给盾构隧道工程的设计、盾构选型与制造和盾构隧道施工带来了极大的挑战[5]。

深埋条件下盾构施工技术作为未来发展方向，首先需回答北京地区通常埋深20 m左右的盾构施工技术、设计方法和计算理论等，在埋深达50 m左右的条件下是否仍然适用等基本问题，因此，必须在地下盾构管片厚度、管片接头和管片环间接头方式、不同地层条件下盾构形式（包括选型和控制指标系统）、盾构施工关键技术及其出土方式、大盾构暗挖施工与暗挖车站综合施工技术和地面建筑物沉降控制技术等方面展开深入研究探索，更好的满足城市地下空间快速发展建设的基本需要，同时也为我国其他大城市未来在深部地下空间建设地铁开发提供宝贵经验。

3.2  大直径盾构技术

北京已经在多次论证南北向的长距离地下公路方案，可以预见随着地下公路的规划建设，大直径盾构将会得到大量应用，至于选择大直径土压平衡盾构还是泥水平衡盾构，将取决于地层条件和地下水的状况。在总结北京地铁14号线大直径土压平衡盾构（直径10.22 m）和北京地下直径线泥水平衡盾构施工经验和教训的基础上，提早进行大直径盾构技术的相关研究是非常必要的[16-18]。

3.3  狭小场地条件下的技术

盾构施工需要一定的场地要求，中心城区占地非常困难，如何在狭小场地条件下，引入新技术和新工艺，对施工场地进行重新规划，从而满足盾构施工要求。这项新技术的研究将扩展盾构技术的应用范围，同时会带来较大经济和社会效益。比如改变土压平衡盾构的出土方式、暗挖车站条件下的盾构区间施工技术、符合环境保护条件且与盾构出土方式相适应的地面渣土运输方式的改革等，都将极大提高盾构施工技术的应用范围。

3.4  敞开式盾构技术

北京地区西部和西南部的无水卵石层稳定性较好，具有一定的自稳时间，比较适合采用敞开式盾构施工地铁隧道。目前已经计划在北京地铁6号线二期15标段郝家府站~东部新城站开始进行敞开式盾构试验段的研究和工程实践工作，采用三一重工制造的敞开式盾构掘进约200 m长的试验段。项目集盾构设计、制造、施工等多项技术为一体，研究成果可以推动敞开式盾构在北京地区的应用，是普通暗挖法隧道施工的有效替代方法，能够有效节约工程成本和降低暗挖法带来的工程风险，具有较大的经济效益和社会效益。

4  建议

近些年来，北京地区盾构技术得到较大的发展，通过各参建单位和人员的共同努力取得了瞩目的成绩。但是相关技术研究大多只停留在工程完工后进行技术总结，很少提前进行相关研究工作，盾构施工技术的科研和教育培训等工作远远落后于工程实践的发展现状。今后盾构技术必将在北京地区得到更加广泛的应用，技术研究和相关人员教育与培训工作也应做到提前规划，以便更好的指导盾构隧道建设。

参考文献：

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作者简介：

江玉生，1964年10月出生，山东临朐人。中国矿业大学（北京）教授，博士生导师，地下工程系副主任。自1988年起至今一直从事煤矿软岩巷道和隧道与地下工程理论与技术方面的设计、咨询与施工方面的教学、科研和工程应用工作。

1988年~1996年，主要从事煤矿软岩巷道支护理论与技术的工程实践，遍及江苏、安徽、山东、辽宁、内蒙古、河南等省的煤矿软岩矿区；1996年~1999年，参加小浪底水里枢纽的建设工作，主要从事国际II标和III标的隧道与地下洞室稳定性评价与施工技术，期间1997~1998年，在德国慕尼黑工业大学和法兰克福从事盾构与TBM隧道工程理论与技术的研究和工程实践；2000年~2003年底，在新加坡DTSS T-06项目上任总工程师，从事盾构和TBM方面的技术与管理工作，解决了DTSS T-06项目TBM隧道施工中遇到的土岩混合断面土压平衡盾构施工技术难题；2004年~至今，主要从事与盾构和TBM工程理论与技术相关的工程研究、咨询服务等工作，特别是盾构与TBM施工的安全风险管理工作。

曾任南水北调中线局穿黄工程盾构专家组组长和铁道部盾构与TBM专家组成员，国家TBM重点实验室（北方重工）学术委员会委员，北京市轨道交通建设指挥部专家组专家，北京市轨道交通管理有限公司盾构专家组秘书长、盾构咨询组组长。

国家自然科学基金重点项目 - 煤矿长距离斜井TBM（盾构）施工基础理论与工程应用的首席专家（项目负责人），在京中央高校重大成果转化项目 - 北京地铁隧道盾构施工与地面变形联合实时监控设备与系统开发的项目负责人，发表相关专业论文40多篇，其中被SCI和EI等检索的文章20多篇，出版专著4部，实用新型和发明专利3项，软件著作权5项，获得省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖2项。