西气东输城陵矶底穿长江隧道工程盾构施工与盾构机

 2004年12月上旬我有幸在中铁隧道集团二公司的安排下，调查了解了城陵矶长江穿江隧道工程施工过程与经验以及使用的盾构机选型与实践，获益匪浅，简述如下。
1 工程概况
    城陵矶长江穿越隧道工程之用途，是要在隧道内铺设一条φ611mm的天然气压力输气管。这乃是川气东送忠武管线（四川忠县至湖北武汉）的支管，是从湖北潜江接出，通向湖南长沙、湘潭的输气管。
      为此，设计确定隧道位于城陵矶下游约4km处，全长2756.379m，在长江两岸各设一施工竖井。南岸为φ7.5m的盾构发送井，井深35.5m。因所选盾构为φ3.201m，全长15.339m，在长度方向乃分为4段，各段长度分别为3097mm、4194mm、5020mm、4063mm，其外径则从前到后依次递减，为3185、3180、3175、3170mm，以减小推进阻力。为了盾构组装和始发的需要，盾构机下井前要在隧道方向用钻爆法打一13m长的始发洞；同时为了给始发提供电源，而盾构机的配电柜和变压器又设置于盾构机后配套的两台拖车上，二拖车的长宽高尺寸分别为6430×2289×2063mm和6835×2154×2043mm，为此需在盾构始发洞的相对方向预先打一l×b×h=8400×4500×2750mm的盲洞以放置这两台拖车。图1为施工竖井、始发洞与后盲洞示意图。

      北岸施工竖井直径4m、井深67.5m，设计安排用盾构机从南岸φ7.5m施工竖井始发，以人民币3.5万元/m的单价向北完成1711m长度，与此同时用钻爆法从北岸φ4.0m施工竖井始发，以人民币1.0万元/m的单价，向南完成相同断面的1045m的长度。但实践中钻爆法段困难重重，盾构法段即使因变压器故障被迫停工一个月，仍先到达分界点。为了工程的早日完工，中铁隧道二处城陵矶工程项目部在征得投资方（甲方）的同意后，以人民币2.7万元/m的单价用盾构法施工追加300m，也就是说，南段盾构法施工实际完成隧道长度2011m，北段钻爆法施工实际完成隧道长度745m，二者完成的任务粗略地是3:1的关系。
      西气东输城陵矶穿越长江隧道这一重点工程在中铁隧道集团二处项目部全体员工的日夜奋战下，盾构段以最快日进22m、最快月进369m的速度于2004年7月18日到达2011m的调整后的分界点，9月10日盾构全部拆出、后续工作完成、场地清理完毕，继之于2004年10月18日全部贯通竣工交付。比之合同规定完工工期2005年元月8日提前了82天，为后续的输气管道铺设工程的提前提供了时间，从而为中央电视台上宣布历时4年的西气东输工程已于2004年全部完工这一巨大胜利作出了他们的贡献。
2 盾构机
      在我一生从事于各种工程机械的教学与科研的实践过程中目睹和经历了无数大大小小的盾构机、看到最小的盾构机是1999年8月在日本东京日本钢管株式会社（NKK）看到的一台φ1900mm的盾构，比我的身长略高一点，里面布置的各种元件管线密密麻麻，不用说进人，就是各元件的检查调整、故障排除都不知怎样下手。当时马上萌发的念头就是与其设计这类微型盾构，不如尽量用顶管法取代，从此以后也就特别关注微型盾构技术。因其空间有限，比大中型盾构的设计和使用要困难得多，见此盾构后觉得增加长度是小盾构发展的有效途径。
      图2为城陵矶工程选用的德国海瑞克AVN2440DS盾构机主机总图，这是一台复合式泥水加压盾构，全长15.339m、直径仅φ3.201m。为了提高盾构的灵敏度，也为了盾构出发井直径不至于太大，盾构在长度方向分了4段。第一段设置刀盘、刀盘支承轴承与密封装置、刀盘驱动减速器和压力舱等；第二段设置刀盘驱动电动机等；第三段设置泥浆泵、12个推进液压缸等；第四段设置管片拼装器，4道盾尾密封等。这样，用增加盾构长度的方法解决了小盾构作业空间狭小的困难。

此盾构机的主要技术性能参数如下述。
工程条件：最小曲率半径R_min  1000m   
最小纵坡 i_max  25‰  
最大覆盖土层厚度  50m
最大水压  0.66MPa    
管片外径 φ2.94m    内径 φ2.44m 
宽度  1m
盾构尺寸：切口环直径 φ3.201m     
盾尾直径 φ3.170m  长度 15.339m
刀盘：直径   φ3.201m     最大扭矩  90.2tm    
正反转转速   (0~6.8)r/min
  刀盘开口度 32%  驱动功率 250kW
刀具：12英寸滚刀  单刃中心刀4  双刃正刀6  
边刀3  切刀 30  刮刀与边刮刀  6+6
推进油缸：数量 12  行程  2300mm  
最大总推力  1700t  最大推进速度  6cm/min
铰接油缸：8个
泥水系统：送泥泵一台  6.66m3/min,132kW  
送泥管内径  250mm  
排泥泵三台  6.66m3/min,160kW  
排泥管内径  200mm  管道伸缩长度 各为4.5m
注浆系统：注浆泵12m3/h,30kW  导向系统：200m激光导向
变压器：  容量850kVA   电压10000/400V
盾构全长：连后配套 67m
3 评述
      1）城陵矶穿越长江隧道工程用盾构法为主（完成2011m）、钻爆法为辅（完成745m）的设计思路有一定的道理，可取钻爆法单价低的好处。比之单纯用盾构南岸井出发、北岸井到达，再拆出盾构机，可以用较小直径（φ4m）的北岸井以降低工程造价，可以提前工期。但代价是刀盘要切割后才能退出，盾壳则不能取出，只能在隧道内拆出全部能拆出的部件和管线，再另制盾壳重新组装重复使用，此项损失为442万元人民币。
      2）盾构全套设备的购置费是311万美元，折合成人民币约2790万元。中铁隧道集团二处从城陵矶工程得到的工程款，仅盾构隧道一项为1711×3.5+300×2.8=6828.5万元人民币。此款用以支付基本折旧费的一部分以及人工费、消耗材料费、电费和衬砌管片制作运输费等一应费用后能够略有盈余，这是好事。
      3）此φ3.201m直径的小盾构，盾壳却用40mm厚的钢板卷制，可见制造商对设备坚固的重视。
      4）全长2011.4m的盾构隧道，衬砌管片拼装好后的内径为2.44m，其内安装的输气压力钢管直径仅为0.611m，可见小盾构不容易施工作业，工程完工后还要在隧道内注水以保持隧道内外的水压平衡。


      5）从工程实际出发，城陵矶穿长江隧道工程选用泥水加压盾构，用海瑞克复合式盾构是恰当的，选型正确。正因为从种种考虑没有用土压平衡盾构，刀盘乃可采用中心支承，其径向轴承与二推力轴承尺寸可小。
      6）盾构机能否成功使用的一个重要关键是它的密封技术。本机前端刀盘支承轴承用了4道唇形密封以保证主轴承润滑脂不外溢、土仓脏污不内侵到主轴承；本机末端与已拼好的衬砌环间的密封用了四道钢丝刷，而在1~2段、2~3段、3~4段之间则采用中空圆断面环形充气密封（象自行车内胎），效果不错。当然对密封技术的强调决不是说其它方面不重要，诸如盾构正确的导向控制技术、同步注浆技术等等都是要一丝不苟认真做好的。