盾构隧道施工技术现状及展望_第1讲_盾构隧道基本

编者按:随着我国大规模地铁建设逐步开展,城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。盾构隧道施工法以其具有绿色环保的特点已广泛受到了各方面的注目。为了使广大的规划、管理、设计、施工人员对盾构隧道技术有较为全面的认识,本刊以讲座的形式刊登留日博士、河海大学岩土工程研究所朱伟教授的论文《盾构施工技术现状及展望》。希望能够通过本讲座普及盾构隧道技术并促进其应用和发展。讲座分3次刊登。

第1讲:盾构隧道基本原理及在我国的使用情况;第2讲:盾构隧道技术问题和施工管理;第3讲:盾构隧道应用前景及发展方向。

盾构隧道施工技术现状及展望(第1讲)

———盾构隧道基本原理及在我国的使用情况

朱　伟1　陈仁俊2

(1.河海大学岩土工程研究所,江苏　210098;2.中国冶金地质勘查工程总局,北京)

〔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。

另一方面,盾构施工技术在近十年还会有突飞猛进的发展。这是基于我国城市建设和各种基本建设的需求所作出的较为客观的预测。其背景是各大城市地下铁路的建设工程、城市上下水隧道工程,此外,国家的重点建设项目如南水北调及西气东输工程都涉及到穿越江河的问题,其中一些区段将可能需要采用盾构法进行隧道施工。因此,盾构隧道施工法在我国的发展前景非常广阔。

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(彩图11)。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

。

图1　盾构机的构成(土压平衡式实例)

与盾构相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(彩图2)主要是将开挖土砂通过各种

91

岩土论坛

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(彩图3)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

。

图2　盾构的开挖原理

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5～10cm 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

。

图3　盾尾空隙与壁后注浆

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

:图4　盾构的类型

(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。(b )盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造,所以是适合于某一区间的专用设备。当将盾构机转用于其它区段或其它隧道时,必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同,有差异时要进行改造。(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。

02岩土论坛GEOTECH NICA L E NGI NEERI NG WOR LD VO L.4　No.11