盾构隧道工程技术
第一节  盾构施工概况
一．盾构法基本概念
盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。当代城市建筑、公用设施和各种交通日益繁杂，市区明挖隧道施工，对城市生活的干扰问题日趋严重，特别在市区中心遇到隧道埋深较大，地质复杂的情况，若用明挖法建造隧道则很难实现。在这种条件下采用盾构法对城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设具有明显优点。此外，在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性及技术方面的优势而得到采用。
盾构法施工的概貌如图1所示。构成盾构法施工的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上，盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具。它是一个能支承地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈
内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
使用盾构法，往往需要根据穿越土层的工程地质水文地质特点辅以其他施工技术措施。主要有：
1． 疏干掘进土层中地下水的措施；
2． 稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；
3． 隧道衬砌的防水堵漏技术；
4． 配合施工的监测技术；
5． 气压施工中的劳动防护措施；
6． 开挖土方的运输及处理方法等。
图1 盾构施工概貌
1－盾构；2－盾构千斤顶；3－盾构正面网格；4－出土转盘；5－出土皮带运输机；6－管片拼装机；
7－管片；8－压浆泵；9－压浆孔；10－出土机；11－由管片组成的隧道衬砌结构；12－在盾尾空隙的压浆；13－后盾管片；14－竖井。
    盾构法是一种安全而有效的施工法，但不是万能施工法。为此有必要充分掌握盾构施工法
的特点。
二．盾构法的主要优点
1． 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。
2． 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。
3． 土方量外运较少。
4． 穿越河道时不影响航运。
5． 施工不受风雨等气候条件影响。
英吉利海峡海底隧道6． 隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。
7． 当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。
8． 只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工、进度上越有利。
三．盾构法存在的不足
1． 当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。
2． 在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。
3． 竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。
4． 盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。
5． 盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。
6． 在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较
高。
7． 用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。
第二节  盾构法隧道的发展历史
一．国外盾构法隧道的发展历史
盾构施工技术自1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道工程以来，已有170余年的历史。在这170余年的风风雨雨中，经过几代人的努力，盾构法已从一种只能在极少数欧美发达国家中才见应用的特殊技术，发展成为在发达国家中极为普通，在发展中国家中亦逐渐得到应用的隧道施工技术。
据说最早发明盾构法的思路是来自发明者的一个有趣的发现，英国的布鲁诺尔发现船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上。1818年布鲁诺尔在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并且在英国取得了该施工法的专利。1825年，布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。这条道路隧道的断面（11.4m×6.8m）相当大，施工中遇到了坍方和水淹，加上隧道的损坏，当时
处于难于进展的状态，由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法，隧道施工中两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，花了18年的时间才于1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。
1865年巴尔劳首次采用圆形盾构，并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。1869年，他用圆形盾构在泰晤土河底下建成了外径为2.21m 的隧道。在盾构穿越饱和含水地层时，施加压缩空气以防止涌水的气压法最先是在1830年由口切兰斯爵士（Lord Cochrance）发明的。1874年，在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中建造内径为3.12m的隧道时，格雷塞德（Henry Greathead） （1844～1896）综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构法发展起了重大的推动作用。1880～1890年间，在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4m，长1800余m的水底铁路隧道。二十世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广。30～40年代在这些国家已成功地使用盾构建成内径自3.0～9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用设施管道等。苏联40年代初开始使用直径为6.0～9.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等
市修建地下铁道的区间隧道及车站。
从20世纪60年代起，盾构法在日本得到迅速发展，除了大量在东京、大阪、名古屋等城市的地下铁道建设中外，更多地是用在下水道等市政公用设施管道建设中。70年代，日本及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。
值得一提的是日本的盾构发展情况。日本是欧美国家以外第一个引进盾构施工技术的国家。1939年的关门隧道是日本首次采用盾构施工技术的隧道工程。由于战争及战后困难时期的缘故，此项技术一直没有得到发展。直到1957年东京地铁的丸之内线采用盾构施工技术修建了一段区间隧道，1961年名古屋地铁采用此法修建了觉王山区间隧道取得圆满成果之后，盾构施工技术在日本有了飞速的发展。在短短的20余年之内共制造了2000余台盾构，在世界上处于领先地位。日本的机械式盾构是和手掘式盾构同时研究发展起来的。1963年，大阪市上水道大淀送水管工程（总长227m）首次应用了外径2.592m（隧道外径2.35m）的机械式盾构。1964年，大阪市地下铁道2号线谷町工区（总长447m）的区间隧道中，采用了外径6.97
m（隧道外径6.8m）的大断面机械式盾构。同年，在东京都下水道局神谷3丁目2区（总长668.4m）采用了外径3.4m的（隧道外径3.30m）机械式盾构，标准施工月进度达360m。1967年，日本近畿铁道难波线上本町难波间1488m区间采用了外径为10.041m （隧道内径9.90m）的机械式盾构。从此，人们对机械式盾构更为关注，使能够用于日本那样复杂地层的各种机械盾构进一步得到了发展。特别是小断面盾构，在缩短工期的研究中也取得了很大的进步。同时在软弱地基中还研制了挤压式盾构。
1993年建成的、连接英法两国的英吉利海峡隧道，全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m。这条隧道全部采用盾构法技术施工，英国一侧共用6台盾构，3台施工岸边段，3台施工海底段，施工海底段的盾构要向海峡中单向推进21.2km ，与从法国侧向英国方向推来的盾构对接。法国侧共用6台盾构，2台施工岸边段，3台施工海底段。海峡隧道由2条外径8.6m的单线铁路隧道及1条外径为5.6m米的辅助隧道组成。由于海底段最大深度达100m，因此无论盾构机械还是预制钢筋混凝土管片衬砌结构均要承受10个大气压的水压力，又由于单向推进21.2km ，盾构推进速度必须达到月进1000m的速度才能在3年左右的时间内完成，因此盾构的构造及其后续设备均须采用高质量的耐磨耗及腐蚀的材料。所以该隧道的修建标志着盾构施工技术的最新水平。
近年来，日本把机械式盾构作了改进，研制出了用加压泥浆稳定开挖面的泥水加压盾构和利用开挖出的土体作平衡开挖面的土压平衡盾构。
二．盾构的分类及适用条件
    盾构的的形式可以从各个方面进行分类。
按手工和机械划分为：手掘式，半机械式，机械式三大类。
以工作面挡土方式划分：敞开式，密闭式。
以气压和泥水加压方式划分：气压式，泥水加压式，土压平衡式，加水式，高浓度泥水加压式，加泥式。
1．手掘式盾构。手掘式盾构是盾构的基本形式，世界上仍有工程采用手掘式盾构，如图2所示。按不同的地质条件，开挖面可全部敞开人工开挖；也可用全部或部分的正面支撑，根据开挖面土体自立性适当分层开挖，随挖土随支撑。开挖士方量为全部隧道排土量。这种盾构便于观察地层和清除障碍，易于纠偏，简易价廉，但劳动强度大，效率低，如遇正面坍方，易危及人身及工程安全。在含水地层中需辅以降水、气压或土壤加固。
这种盾构由上而下进行开挖，开挖时按顺序调换正面支撑千斤顶，开挖出来的土从下半部用皮带运输机装入出土车，采用这种盾构的基本条件是：开挖面至少要在挖掘阶段无坍塌现象，因为挖掘地层时盾构前方是敞开的。
    手掘式盾构的适用地层：手掘式盾构有各种各样的开挖面支撑方法，从砂性土到粘性土地层均能适用，因此较适应于复杂的地层，迄今为止施工实例也最多，该形式的盾构在开挖面出现障碍物时，由于正面是敞开的，所以也较易排除。由于这种盾构造价低廉，发生故障也少，因此是最为经济的盾构。在开挖面自立性差的地层中施工时，它可与气压、降水、化学注浆等稳定地层的辅助施工法同时使用。
图2  手掘式盾构
2．挤压式盾构。当敞开式盾构在地质条件很差的粉砂土质地层、粘土层中施工时，土就会从开挖面流入盾构、引起开挖面坍塌，因而不能继续开挖，这时应在盾构的前面设置胸板来密闭前方，同时在脚板上开出土用的小孔，这种形式的盾构就叫挤压式盾构(见图3)。盾构在挤压推进时，土体就会从出土孔如同膏状物从管口挤出那样，挤入盾构。根据推进速度来确定开口率。当开口率过大时，出土量增加，会引起周围地层的沉降；反之，就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。采用挤压盾构时，对一定的地质条件设置一定的开口率、控制出土量是非常重要的。

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