1、浅析盾构隧道基本原理及在我国的使用情况中图分类号：U455 文献标识码： A 摘 要: 对我国盾构隧道施工技术在地铁工程、上下水工程等城市隧道工程中的使用情况进行了总结, 并对盾构技术所遇到的主要问题技术进行了阐述。通过对国内外地铁建设情况的比较, 国内相关工程项目信息的收集, 对盾构技术在我国的应用前景进行了展望。最后, 通过介绍国外的一些新型盾构技术, 探讨了盾构技术的发展方向。 近年来, 我国开展大规模的城市市政工程建设, 尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中, 由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制, 使得传统的施工方法难以普遍适用。在这种情况下,对
2、城市正常机能影响很小的隧道施工方法- 盾构施工法普遍得到了人们的关注, 并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。虽然我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累, 但仍然存在大量的技术问题。除盾构机械制造和施工控制管理等综合技术问题以外, 在岩土工程的领域内也存在许多尚待解决的理论和技术问题。比如, 盾构隧道管片设计理论的统一、系统化问题; 隧道开挖面稳定机理和控制问题; 相邻或叠交隧道相互影响的评价问题等等, 都还需要我们进行不懈的研究和积累。 在这样的背景下, 为了下一步更好、更经济、更安全地使用盾构技术, 有必要把我国盾构技术现状进行总结。进一步, 根据国外的经验指出解决各种技术问
3、题的一般思路, 明确今后盾构技术应该发展的方向。 1 盾构技术基本原理与特点 1) 盾构技术基本概念: 盾构隧道施工法是指使用盾构机, 一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳, 一边进行隧道掘进、出渣, 并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆, 从 而不扰动围岩而修筑隧道的方法盾构机有很多的型式, 典型的盾构机( 土压平衡式盾构) 可示于图 1。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中,与岩石围岩不同, 土体不具有自立稳定性, 所以保持开挖面稳定的系统( 盾) 就非常重要。 与盾构相
4、似的施工技术还有岩石掘进机( TBM) 和顶管法。但是无论在施工方法和适用范围方面这两者都与盾构法有较大的不同。TBM 的施工对象是山岭隧道, 其围岩多是可以自立稳定的岩石, 所以机械上不设置压力舱, 其衬砌也很少使用管片。泥水加压式顶管和土压平衡式顶管在掘进及开挖面稳定方面近似于盾构, 但衬砌不是装配管片形成, 而是使用各种管从洞口顶入, 其使用范围也限于直径较小的隧道。 2) 盾构技术基本原理: 盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工, 从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的, 除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外, 使用压力舱内泥土
5、或泥水压力平衡开挖面上的作用土压力和水压力;使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙, 主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。土压平衡式盾构主要是将开挖土砂通过各种搅拌翼在压力舱内搅拌, 使其形成一种塑性流动状态, 然后通过千斤顶的推进力和控制螺旋式排土器的排土量调节压力舱内的泥土压力, 使其与开挖面上的土压力和水压力进行平衡( 图 2( a) ) 。泥水加压式盾构是将压力舱内充满泥浆, 通过调节泥浆压力与开挖面上的土压力和水压力进行平衡( 图 2( b) ) 。比较于使用泥土压力的土压平衡式盾构, 作为使用液体作为压力控制的媒体, 泥水加压式盾构在控制开挖面稳定方面具有较大的优点。因
6、此, 国外的大断面隧道以及高水压力隧道多采用泥水加压式盾构进行施工。但是, 泥水加压式盾构是通过将稠泥浆从压力舱下部排出的方法进行出渣。这时渣土需经大型的泥浆处理设备处理后 才能废弃, 所以设备的造价相对较高。 壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆, 以减小由于管片四周所出现的空隙而产生的地基应力释放和地基变形, 是盾构施工的重要环节之一。如图 3( a) 所示, 盾尾 空隙的大小是由盾构钢壳厚度和盾尾操作空间所决定的, 一般在 5 10 cm 左右。如图 3( b) 所示, 壁后注浆有通过在盾构钢壳上设置注浆管, 在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的
7、及时注浆方式两种, 其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。 3) 盾构的基本型式: 盾构的类型一般可根据头部的结构、开挖方式、开挖面稳定原理进行分类, 常见的盾构型式示于图 4。在盾构使用的早期阶段, 没有压力舱的敞开式盾构曾一度广泛的受到使用。但是近 10 年, 由于设置压力舱的闭胸式盾构在控制围岩稳定性方面发挥出的卓越作用, 敞开式盾构的使用越来越少, 可以将其称为旧式盾构。而我们现在常说的、常用的多为闭胸式盾构, 也可将其称为现代盾构。现代盾构主要有两大类, 也就是土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。在土压平衡式盾构中, 又可以根据在开挖面或压力舱内是否添加促进泥土塑性流动化状态的添加剂( 泥
8、浆、减水剂、泡沫等) 分为土压式和泥土压式两种。4) 盾构技术的基本特点: 盾构隧道施工技术的特点可以归纳为以下几点: ( a) 对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除盾构竖井处需要一定的施工场地以外, 隧道沿线不需要施工场地, 无需进行拆迁而对城市的商业、交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流; 在地下穿过各种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下水降水等措施, 也无噪声、振动等施工污染。 ( c) 对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程, 盾构施工对精度的要求非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整, 对隧道轴线的偏离、管
9、片拼装精度也有很高的要求。( d) 盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始, 盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾构外径, 如要后退必须拆除已拼装的管片, 这是非常危险的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以,盾构施工的前期工作是非常重要的, 一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后, 打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。 2 我国盾构技术的使用情况 虽然早在 1950 年代初期, 我国东北阜新煤矿就有使用手掘式隧道修建疏水巷道, 1957 年在北京市下水道工程中使用小断面盾构施工的记载。但能够较为完整地反映盾构技术在我国的使用历史的还是具
10、有软土地基特点的上海地区, 发展历史可以总结为图 5。从 60 年代开始试验施工,1966 年打浦路越江隧道使用网格式盾构成功地完成大断面隧道的施工, 1985 年延安路北线越江隧道再次使用直径 11.3 m 的网格式盾构施工都是具有标志性意义的工程。从 1985 年开始使用土压平衡式盾构以来, 这种适合于上海软土地基的盾构型式得到了广泛地使用。从 1990 年开始建设的上海地铁 1 号线, 1996 年开始建设的上海地铁 2 号线基本都是使用土压平衡式盾构进行施工。此后, 在 1996 年延安东路南线越江隧道工程中, 首次成功使用了泥水加压式盾构。随后, 中折装置及矩形盾构等新技术也相继得到了使用。 3 小 结 随着我国国民经济和城市现代化的不断发展, 高度商业化、效率化和功能密集化的现代城市对于工程施工的要求越来越高。另一方面, 由于城市用地、城市交通立体化的要求,向地下发展的地下工程会越来越多。作为一种适用于现代城市地下工程的施工方法- 盾构隧道施工法必将受到人们的重视。区别于一些传统的施工方法, 盾构隧道施工法是一种集机械制造、土木工程、信息工程为一体的综合性的系统技术。虽然我国已有很多成功的施工经验, 但距离盾构技术的产业化、系统化尚有一定的距离。因此, 我们还需要进行不懈的开发、研究和积累, 以图形成我国独立的机械制造、隧道设计、施工管理技术
