盾构法施工技术及其在我国的发展和应用

建　筑　技　术　开　发

BuildingTechniqueDevelopment

Vol.31,No.4

Apr.2004

盾构法施工技术及其在我国的发展和应用

何焕雄　　曹国金

(广州市水利水电工程建设管理中心,广州5100)

[摘　要]　21世纪我国隧道与地下工程需求量很大,盾构法施工技术将会在隧道和地下工程得到较多的应用。阐述了

盾构法的基本原理,介绍了几种主要的盾构型式,叙述了盾构法施工技术在我国的发展状况。

[关键词]　盾构法;地下工程;地铁

[中图分类号]　TU75317　　　　[文献标识码]　A　　　　[文章编号]　10012523X(2004)0420106203

SHIELDCONSTRUCTIONTECHNIQUESANDITSDEVELOPMENT

ANDAPPLICATIONINOURCOUNTRY

HeHuan2xiong　　CaoGuo2jin

[Abstract]　ManyTunnelsandundergroundengineeringswillbeconstructedinChinain21century,shieldconstructiontechnologywill

beappliedintunnelandundergroundengineeringmorefrequently.Thebasictheoryofshiledconstructiontechnologyisde2scribedandafewshieldconstructiontypesispresented.Developmentofshiledconstructiontechniqueispresentedintun2nelengineeringofChina.

[Keywords]　Shieldconstructionmethod;Undergroundengineering;Subway1　前言

21世纪我国隧道和地下工程项目繁多,工程浩大。如在

被向前推进的同时开挖土壤。该钢组件总在防护着开挖出的空间。直到初步或最终隧洞衬砌建成。盾构必须承受周围地层的压力,而且要防止地下水的侵入。

一般来讲,盾构掘进隧道不应也不能取代其它工法,但在不良的地层条件下做长距离掘进,对进尺有较高的要求和对地面沉陷又有严格的要求时,它相对其它方法在技术上更合理更经济。其主要的优点和缺点如下:

优点:a)机械化程度高;b)隧洞形状准确。c)对地面结构影响可能性最小;d)对工作人员较安全,劳动强度低,进度快;e)对环境无不良影响,地下水位可保持;f)质量高,衬砌经济。

缺点:a)盾构的规划、设计、制造和组装时间长;b)施工工艺复杂,熟练操作机器需要时间长:c)准备困难且费用高,只有长距离掘进时才较经济;d)当地层条件变化时,实施有风险。e)隧道断面变化的可能性小,断面如需变化时,费用较高。

盾构法施工技术大大减少了施工时周围土层的扰动,使得作用在衬砌上的荷载变得更加稳定与均匀。在上海地区盾构法隧道建设中,大量实测资料表明,作用在隧道衬砌上的土压力是比较均匀的,施工阶段土侧压系数一般在018以上;使用阶段也在017以上,在这种荷载条件下,大部分的隧道衬砌断面处于小偏心受压状态,这对衬砌结构的受力是十分有利的。

3　几种主要的盾构型式介绍

南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路四大工程中。隧道工程占有一定的比例。西部开发将修建大量的铁路和公路隧道,会涌现出长隧道和隧道群,还有许多学者提出了修建横穿海峡连接与的海底隧道和横穿琼州海峡连接与海南岛的海底隧道。此外横穿渤海海峡连接辽东半岛与山东半岛的海峡通道、上海2崇明岛2南通的长江口越江隧道以及横跨胶州湾连接青岛与黄岛的通道工程等均在组织研究中。在过去的十几年中,我国采用掘进隧道的方法开发地下空间的技术已经建立并不断完善。而在掘进隧道的施工方法中,虽然盾构法起步晚。但近年发展很快,是一种很有发展前景的施工方法,在盾构法施工技术掘进隧道这一领域中,目前,日本处于世界领先地位,其次,德国的盾构法施工技术也达到了很高的水平。盾构掘进隧道允许在纵长的地下结构以下施工,覆盖层浅,在不稳定地层和含地下水的地层都不会引起地表断裂或较大的沉陷。它可应用于很松散的土质或高压强的地层中,如在软塑性的或流动的地层。在暂时稳定的地层中也实现了有效的应用,尽管这时的盾构只起顶部保护作用,因而盾构法有着很广阔的应用范围和前景。

2　盾构的原理及其优缺点

盾构的基本原理是基于一圆柱形的钢组件沿隧洞轴线

收稿日期:2004-01-25

作者简介:何焕雄(192),男,广东人,工程师,现从事水利水电工程

质量安全监督工作。

考虑到盾构应用地区的地质、水文条件,要开挖隧道形状和盾构设计时的各技术可能性,几乎每一台盾构机都是独

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第31卷何焕雄等:盾构法施工技术及其在我国的发展和应用第4期

特的。根据稳定开挖面措施的不同,可将盾构分为不同的种类,如泥浆式盾构、土压平衡式盾构、敞开式盾构、压缩空气式盾构、组合式盾构等等。

3.1　泥浆式盾构

1912年,Grauel首次建造了泥浆式盾构。泥浆式盾构包

法,该工法利用压缩空气使整个盾构都防止地下水的侵入,它可在游离水体下或地下水位下运作。其工作原理是利用用压缩空气来平衡水压和土压。传统的压缩空气式盾构要求在隧道工作面和止水隧道之间封闭一个相对较大的工作腔,大部分工人经常处于压缩空气下,这会对掘进隧道和衬砌造成干扰,为了解决这些问题,又出现了用无压工作腔及全断面开挖的压缩空气式盾构和带有无压工作腔及部分断面开挖的压缩空气式盾构等。

3.5　组合式盾构

括了所有用加压泥浆支撑工用面的盾构。用泥浆式盾构掘进隧道己被证明是一种具有低沉陷且安全的施工方法。它可以适用于各种松散地层,有无地下水均可,在稳定的地层中使用该法优点很多。使用该法隧道工作面由泥浆支护,泥浆液被子入隧道工作面前封闭的开挖腔,有压力的悬浮液进入地层,封闭地层并形成滤饼,该游饼就象膨胀土或粘土颗粒在隧道工作面上的不透水层,当悬浮液在支护压力作用下此滤饼会发展并分解其成分。在此滤饼上,开挖腔中有压的悬浮液能平衡土压及水压。用作支护的液体同时又作为运输介质。由开挖工具开挖的地层在开挖腔中与支护液混合。然后悬浮液的混合物被泵送到地面,在地面的分离场中支护液从地层中分离出来。随后,如需要,添加新的膨胀土,再将此液体泵回隧道工作面。泥浆式盾构主要的缺点是分离场和排出的膨胀土中包含有不可分离的细料引起的困难。与其他系统相比,经济地运用泥浆盾构主要取决于悬浮液分离的要求及地基的渗透性和悬浮液的质量。该工法起源于英国,日本则代表着当今世界新潮流。

312　土压平衡式盾构

20世纪70年代初日本就开始开发土压平衡式盾构,土隧道建设者一直梦想能用同一台盾构机挖掘地基中不同性状的地层,于是产生了该工法。该工法是由于上述几种或其他盾构工法中的两种或多种组合而成。如压缩空气式盾构2敞开式盾构、泥浆式盾构2敞开式盾构、土压式平衡式2敞开式盾构、敞开式盾构2泥浆式盾构2土压平衡式盾构等。根据各种机器的原理,组合盾构可以按照地基的地质和水文条件进行调整,这些改变基本上与工作面支撑方法以及刀具、输送系统和其他设备有关。

4　盾构法施工技术在我国的发展

盾构法在国际上起步较晚,但近年发展较快。我国盾构法隧道施工技术近年来也有了较大的发展。我国1963年开始在上海试验性地采用盾构法掘进隧道,最初为直径412m的开胸盾构干挖法,后逐步发展为于出土的网格式盾构、水力出土网格式盾构、局部气压水力开挖网格式盾构及土压平衡式盾构施工法,这些盾构的设计、加工、施工为盾构在软土中施工创造了宝贵经验。北京于1966年开始设计,1968年开始修建地铁盾构施工试验段工程,也取得了一些经验。

1966年水利部杭州机械研究所研究试制了我国第一台隧道

压平衡式盾构用切割轮开挖的渣料作为支撑介质。与其他工法相比,土压平衡式盾构可以不用辅助的支撑介质,切割轮开挖出的材料可作为支撑介质。该工法用旋转的刀盘开挖地层,挖下的渣料通过切割轮的开口被压入开挖腔,然后在开挖腔内与塑性土浆混合。推力由压力舱壁传递到土浆上。这样可以避免尚未受到控制的开挖地层进入开挖腔。当开挖腔内的土浆不再被当地的土和水压固化时就达到平衡。如果土浆的支撑压增大超过了平衡,开挖腔的土浆和在工作面的地层将进一步固化。反之,将引起盾构前的地层崩塌。该工法与泥浆式盾构相比所具有的优点:无分离设备在淤泥或粘土地层中使用,覆盖层浅时无贯穿浆化的支撑泥浆泄露的危险。

313　敞开式盾构

掘进机并应用于水电工程,1976年又为郑州市设计了直径为

6m的盾构掘进机,1985年组织技术人员参加了尼泊尔相迪

水电工程建设,取得了丰富的工程实践经验。1991年上海地铁1号线引进法国FCB公司的7台土压平衡式盾构,采用大刀盘开挖、螺旋输送机排土,同时备有同步压浆、计算机控制系统等,性能比较完善。上海利用这7台盾构机建成地铁1号线区间隧道,全长1815km。该盾构直径为612m,混凝土管片厚度0135m,每环6块,环宽110m。隧道经过淤泥土和淤泥质亚粘土,覆土深度5～18m,盾构进尺为4～6mΠd,地面沉降控制在10～30mm。该工程于1995年4月10日正式全线试运营,为我国在含水软土地区的城市中修建隧道提供了宝贵的经验。接着,上海地铁2号线区间隧道也采用了盾构法施工。1992年由北京地铁建设公司和铁道部隧道局研究所组成课题组,经过数年努力,于1998年研制成功了半断面插刀结构并在地铁复八线区间隧道进行试验,取得了成功。北京地铁5号线试验段工程采用从德国进口的直径

6119m的土压平衡盾构进行开挖;北京市政工程总公司也在

在隧道工作面无封闭压力补偿系统用以抵抗土压和地下水压力的隧道掘进机称为敞开式盾构。敞开式盾构用于无地下水地层或预先降低地下水位的地层。该工法由于工作面支撑方式简单,其相对的工艺简单。它的灵活性高,适于通过各种非粘性和粘性地基。其另一优点是对断裂带的稳定性及可能用手工盾构和半机械化盾构掘进非圆形断面。在机器工艺方面其价格相对低,是一种短程掘进的经济方法,常用于较小断面的隧道开挖。根据开挖方法的不同,可将这类型盾构分为:手工盾构,部分断面开挖盾构,全断面开挖盾构。使用该工法最著名的工程要数英国—法国的海底隧道。

314　压缩空气式盾构

1886年Greatbhad首次在盾构掘进隧道中引了这种工

亮马河污水工程中,引进日本石川岛播磨外径3133m土压平衡式盾构,建成了污水隧道1700余米。1994年,上海隧道工程股份有限公司引进日本的超大型泥水加压平衡盾构,用于建造上海延安东路隧道南线,经受了穿越仓库、浅覆防汛墙、地下车库、地下人行道、高层建筑等严峻考验,成功穿越了黄浦江,盾构曾创下日推进1315m的速度,地表最大沉降

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第4期何焕雄等:盾构法施工技术及其在我国的发展和应用第31卷

点小于3cm。该盾构主要参数为盾构外径11122m,盾构全长101945m,千斤顶数32台,盾构总推力112200kN。接着,上海隧道总公司又在南京越江隧道施工中在穿越砂层的条件下使用盾构获得成功。北京地铁5号线试验段工程采用从德国进口的直径6119m的土压平衡盾构进行试挖;北京市政工程总公司也于近年在亮马河污水工程中引入日本外径3133m土压平衡盾构在地下水位1～2m、覆土层约5m以下的亚粘土和粉细砂3层中建成了污水隧道长1700多米。广州地铁1号线、2号线、3号线部分区间隧道也采用了盾构法。南京地铁南北线一期工程的中2三间的市区段、三2新区间、玄2南区间为粉土、粉质粘土,也采用盾构法施工。

20世纪90年代,在西安—安康1814km秦岭双线铁路隧道1

问题:隧道设计和盾构施工中除了要保证工程本身安全、质量的要求外,更重要的是如何控制对隧道沿线环境的影响以及从做好地铁建成后隧道保护要求来考虑,要提高隧道衬砌环抵抗隧道纵向变形的能力,盾构隧道设计、施工和管理等方面工作要围绕如何加快重点工程建设进度进行精心施工,要做到方便施工,简化工序,节约投资,加强盾构隧道的耐久性,提高隧道的抗渗、抗蚀能力。

今后,在我国,地铁区间隧道的盾构法发展方向为开发适应不同地质条件、自动更换刀盘的气压、土压泥水平衡式盾构和超前探测排障技术;钢纤维挤压混凝土衬砌;三维仿真计算机管理系统,管理信息化、自动化;自动导向、中途对接异型盾构;地铁车站施工方法中的异型盾构法发展方向为开发研制国产大型三心圆、割圆异型盾构,开发新型衬砌支护材料和施工技术。

参考文献

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号线使用了隧道盾构掘进机,盾构机直径818m,标志着我国山岭隧道施工机械化水平上了一个台阶。最近,我国有关部门正在研究南水北调穿黄隧道工程中引入盾构法施工技术。

5　结语

盾构法施工技术在世界各国的发展中是有争议的,主要原因是它一次性投资大,造价较高。但由于其具有快速、安全、减少地面沉降的优点,使得盾构法施工技术在世界许多国家不断得到发展。为加快施工速度,在不降低水位的条件下,采用盾构法将有较好的发展前景。盾构法施工技术在我国,不仅在地铁区间隧道中得到了应用,而且在积极地创造条件在地铁车站中施工应用,目前我国的盾构以土压平衡式为主。

在我国,盾构隧道工程中还存在着一些待改进和提高的(上接第30页)

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26(1):7210

复合地基可以提高地基承载力的同时,可以使承台下地基土的应力小于湿陷起始压力,避免湿陷;同时通过优化设计,可以使承台下桩深范围内地基土的附加应力与饱和自重应力之和小于湿陷起始压力,避免湿陷;尤其对于湿陷性黄土地区的多层建筑易于实现。这种不挤土的复合地基,无振动、无噪声,可用螺旋钻机、洛阳铲等工具成孔制桩,对处理大厚度湿陷性土层情况,较换土垫层等方法方便。

表4　算例3的桩、土分担荷载情况

151.50.21.731268

161.30.11.433368

变,从而达到改变面积置换率;G=017。中粗砂垫层厚

200mm;基础下分布力为300kPa;余同“算例1”。如表3(图1中O点下深2m处附加应力与饱和自重应力之和大于

该点湿陷起始压力,则该点湿陷,如□内数字,因而其余深度处附加应力未示出)。

表3　图1中O点下应力情况(单位:kPa)

荷载或应力各桩各土节点附加应力之和饱和自重应力

(ρm-3)sat=2018kN・湿陷起始压力

图1中O点下深度Πm

2

3

69.91.311.2

103.50.84.3208

桩节点土节点

123456

59.744.830.312..4　4.972.5.235.250.6112

荷载,kN115.4110.0115.3115.4111.0115.3

7

8

9

10

11

12

13

14

15

荷载,kPa17.017.116.916.616.516.817.317.017.1

62.6124.8112

138

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基础下分布力为150kPa;余同“算例2”。图1中O点下应力情况如表3;桩、土分担荷载情况如表4。

3　结论

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本文方法由弹性理论法解得桩侧及桩端阻力,由集中力作用下土中应力解(Mindlin1936)求得桩在土中某点产生的应力,免除了假设桩侧及桩端应力分布所带来的偏差[4,5]。

会议论文集,中国建筑工业出版社,1986

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