郑州环线盾构施工关键技术展望

城市轨道交通在缓解城市交通压力、推动城市化进程、改善城市环境方面具有巨大的优势。近年来，随着大中城市的经济发展和人口数量的增加，城市空间资源不足的问题逐渐呈现，部分城市交通拥堵逐渐成为常态化问题。发展城市轨道交通这种大运量、快速的交通运输方式，对缓解城市交通拥堵具有十分重要的意义。

国内外设置轨道交通环线的城市轨道交通网络的总体布局方案大多为“环线+辐射线”。环线的设置可以减轻因换乘而引起的交通拥挤压力，并在一定程度上引导城市的发展。环线是城市轨道交通系统的一个重要组成部分。

截止到2019 年，全世界已开通运营的环线一共有41 条，分布在32 个城市中。表11.0.1 统计了世界部分典型城市轨道交通环线的长度。

表11.0.1　世界典型城市轨道交通环线长度（不含在建）

近年来，越来越多的城市已经拥有或正在规划轨道交通环线，不同环线的运营长度存在较大差异，一方面受城市以及轨道交通系统自身规模的影响，另一方面也与建设时序和功能定位密切相关。在城市发展处于单中心的早期阶段建设的环线，其主要功能为支撑服务核心区客流需求，环线长度往往较短，如北京地铁2 号线、莫斯科地铁5 号线、伦敦地铁环线、巴黎地铁2/6 号线等，均在20 km 左右。后续开通环线或在网络中建设时序较后的线路，一般设置于城市次级圈层，串联城市各副中心区域，为中心城外围乘客提供快速的出行路径，这些线路的规模普遍较大。

总结分析国内外不同城市轨道交通环线的结构及实际发展情况发现，环线主要有以下三大功能。

1.自身沿线客流输送功能

环线的功能首先是串联线路沿线的客流，实现客流在本线上的输送。与其他线路相比，此类客流的平均乘距往往较短。

2.向心客流截流分流功能

在放射形的线网结构中，客流的主要流向是中心区。在放射形线网中添加环线后，环线与放射线相交处形成换乘点，原本经过市中心的过境客流可以绕过市中心利用环线完成出行，一定程度上疏解了进入城市中心区的客流，缓解了中心区的换乘压力。

3.引导和服务城市向多中心发展(www.xing528.com)

城市轨道交通的线网结构形态直接影响着城市空间布局的形成与发展。环线能有力地促进城市中心区外围一定范围内多个强可达性区域的形成，促进城市形态结构向多中心模式发展；而放射+环形的线网布局形式可以满足多中心模式下城市中心区与外围组团以及外围组团之间的联系。

随着盾构技术日趋完善，对中国盾构技术最新进展的分析，可以预见中国环线盾构技术将朝着以下几个方向发展。

1.超大断面盾构工程

盾构断面将挑战更大的尺寸极限。中国幅员辽阔，大江大河纵横，随着经济的飞速发展，城市交通、轨道交通、铁路、综合管廊跨江越海的需求急剧增多，与此同时，城市里越来越难以找出适合建设桥梁的空间。铁路方面，随着行车速度越来越高，为减少占地，单洞双线大断面隧道成为发展方向；公路方面，随着公路等级越来越高，车流量越来越大，必然导致公路车道增多而隧道断面越来越大。在此形势下，跨江越海的大直径盾构隧道工程越来越多。目前世界上最大的盾构设备为德国海瑞克生产的直径17.6 m 的泥水平衡盾构，用于香港屯门—赤鱲角海底公路隧道工程。隧道埋深方面，要求盾构能适应越来越大的埋深。由于上软下硬地层施工难度大，隧道线路最忌选在交界面处，应尽可能使盾构掘进断面位于全土层或全岩层中；其次覆土厚度太浅，往往影响地面交通，因此隧道选线具有埋深越来越大的发展趋势。穿江越海隧道越来越多，要求盾构密封性能挑战更高的水压极限；长距离隧道越来越多，要求盾构连续掘进长度越来越长；施工工期要求越来越紧，要求盾构掘进速度越来越快。

截至目前，我国已建和在建的超大断面城市隧道工程达26 项，占全球的62%，建设规模和发展速度引领世界，成绩显著。然而，在地下空间开发欣欣向荣的背景之下，隧道纵向不均匀变形引起的衬砌结构开裂和破坏、隧道渗水漏泥、内部结构纵向扭曲变形等现象频发，而目前针对超大断面盾构隧道纵向结构性状及设计模式方面的关键技术研究仍然较少。在未来更大更深更复杂的盾构隧道领域，引入大型模型试验、建立尺寸效应和隧道刚度有效率关系式、确定不同断面抗剪增大系数、精细化建模将会更加深入；在理论方面，盾构管片自身裂损机制及破坏性能、盾构管片横纵向刚度力学性能、盾构隧道结构受力分析方法、盾构管片连接设置力学性能等将有更大的突破。随着盾构隧道不断加大加深，盾构穿越的地层越来越多样化，周围地质更加复杂，对临近建筑物及附属设施的影响将有新的认识，未来环线盾构隧道力学性能理论将更加趋于完善，为极限盾构隧道的施工和运营提供最大的安全保障。

2.盾构性能更优越

盾构适应性方面，要求盾构具有更高的地层适应性，在复杂地层中，盾构穿越地层既有岩石，又有软土和砂砾层，地层变化频繁，要求盾构设计特别是刀盘刀具必须能够适应各种不同地层。技术先进、质量可靠的长寿命盾构是保证工期的关键因素之一，也是盾构工程成功的关键因素，因此，要求盾构有更长的使用寿命。随着盾构施工水平的提高，劳动强度越来越低，操作人员的素质越来越高，要求盾构具有更复杂的功能、更简单的操作和更人性化的设计；随着隧道施工越来越注重安全和环保，则要求盾构具有更安全、更绿色环保的性能。

随着盾构适应性能要求的不断提高，对盾构机的技术不断更新，以适应更加复杂的不良地质。其中，盾构机的刀盘道具是其适应性能的重要组成部分。在未来研究中，刀盘形滚刀破岩机理和破岩力的预测模型都是建立在连续均质的岩石上，应对不均质、存在缝隙的岩石的破岩机理和破岩力进行进一步研究分析；复合地层中刀盘受力分析是建立在软硬分布均匀且分界线为水平线的复合地层模型上，有待进一步分析复合地层的实际情况，建立更准确的复合地层模型；刀盘受力分析计算同时考虑滚刀、切刀、刮刀的作用有待进一步加深，以适应更加复杂的周围环境；大部分研究滚刀磨损预测模型基于滚刀均匀磨损的前提建立，待进一步分析滚刀所受冲击载荷、滚刀断裂与滚刀偏磨的情况；盾构刀具布置优化待进一步结合刀盘结构、刀具布置半径和刀具布置极角等因素，形成完整的刀盘刀具适应性指南。随着计算机技术高速发展，离散元等精细化建模使探索刀盘适应性机制成为可能，未来刀盘设计和施工控制参数设置可根据精细化数值建模确定，可实现盾构掘进参数、岩土物理参数、地层特性的完美结合，将盾构和周围环境完全融合，实现完全的盾构自主适应性。

3.智能化建造

中国盾构技术的愿景是实现数字化设计、模块化制造、智能化掘进、远程化管理，即：输入地质参数和隧道结构参数，就能设计出适应工程地质和水文地质的盾构；盾构的施工则实现无人化智能掘进，实现在办公室远程控制盾构操作，在办公室直接从计算机屏幕上获取远程施工的盾构施工图像和参数，并发出指令进行盾构的控制和操作；技术人员只需在办公室就能管理好分布在全世界所有的在用盾构。

近年来，人工智能相关技术迅猛发展，各行各业通过人工智能技术赋予了新的动力。然而作为我国主要的支撑行业之一的基建行业，和人工智能的结合将会更加紧密。通过目前的人工算法与盾构参数设置及预测相结合，形成了连接互联网集系统管理模块、算法模块、参数预测模块以及系统运维模块四大功能于一体的盾构机参数预测系统，随着算法的不断更新和扩展，如随机森林、多项式回归、BP 神经网络，还有很多优秀的算法如支持向量机、朴素贝叶斯、卷积神经网络等将会更加深入在盾构施工中进行研究与探索。BIM 技术的诞生为工程界带来了全新的活力与转型升级，解决了工程领域的诸多难题，借助BIM 的可视化、可协调性、可模拟性、可优化性的特点，将BIM 技术应用于环线盾构隧道的建设中，可有效提高盾构隧道的设计、施工以及后期维护的效率；在三维模式下进行复杂节点结构设计和各专业管线的协同设计，可以有效解决在二维设计中由于沟通交流不到位导致的错、漏、碰、缺等问题；对工程项目的整体和各部分进行三维模拟，能高效解决深层次的管线协调问题，使不可见的地下工程变为可视的三维立体模型。将BIM 技术应用到综合管廊项目的建设中具有数据集成化优势、施工动态实时随地可视化远程监控、信息共享交流的优势。在BIM 设计施工中融入大数据和数值计算实时动态调整盾构施工参数，控制周边建筑物变形和地表沉降，实现对盾构隧道智能施工将是未来地下工程的发展方向。