軟土隧道主要施工方法-盾構(gòu)隧道的發(fā)展

張建新

（內(nèi)蒙古包頭市公路局，內(nèi)蒙古 包頭 014040）

如今，隨著城市人口的大量集中，特別是沿海城市，由于工業(yè)交通及市政建設(shè)的發(fā)展，在城市主要道路干線上往往需要克服江河、海峽、以及市內(nèi)道路干線之間或道路與鐵路之間互相交叉等而引起的障礙，常須修筑城市道路隧道和水下隧道。這類隧道由于大多在地表下30~40m范圍內(nèi)，土層松軟，多為第四紀(jì)沖積層、淤積的砂性土、黏性土、淤泥層等；地下水位高，故統(tǒng)稱為土層隧道（earth tunnel）或軟土隧道。

軟土隧道的設(shè)計(jì)與施工，首先取決于施工方法，一般隧道設(shè)計(jì)應(yīng)與施工方法相適應(yīng)。而施工方法與地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、隧道埋深、以及相應(yīng)的施工設(shè)備水平等有關(guān)。如果土質(zhì)比較差，有靜水壓力作用，隧道埋置深度較深，則須用暗挖法施工。隧道長度大于1 000m時(shí)常采用盾構(gòu)法施工。穿越河口及通航河道，河流不太寬，土質(zhì)也差的地段，以及要求多車道大斷面的道路隧道，為使隧道延長短，施工速度快，則常采用沉管法施工。近年來，由于沉管技術(shù)國際上已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，用這種方法修建的隧道數(shù)量越來越多，成為公路穿越有航運(yùn)要求的河道及港灣的重要手段之一。當(dāng)土層覆蓋較薄，一般覆土在12m以內(nèi)的淺埋城市隧道或水底隧道岸邊段，則常用掘開式的明挖法施工，并采用鋼板樁人工井點(diǎn)降水等支護(hù)結(jié)構(gòu)措施防止土體塌方。近年來還發(fā)展采用地下連續(xù)墻的先進(jìn)施工方法，取得施工無振動、無噪聲、無沉降（指無地面沉降）的良好效果。大型箱涵頂進(jìn)又稱頂管隧道或地下隧道，主要用來穿越鐵路或重要交通干線的一種短隧道工程。其特點(diǎn)是在保證鐵路交通正常運(yùn)行的同時(shí)，用千斤頂將預(yù)制的鋼筋混凝土箱形框架頂入鐵路路基內(nèi)，成為鐵路干線下面的一座剛構(gòu)橋，同時(shí)又是道路干線上的一座短隧道。由于這種施工方法不影響鐵路交通，因此日益獲得推廣，成為軟土道路隧道的主要施工方法之一。

1 盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)（shield）是一種鋼制的活動防護(hù)裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市中心區(qū)修建隧道的一種機(jī)械。在它的掩護(hù)下，頭部可以安全地開挖地層，一次掘進(jìn)相當(dāng)于裝配式襯砌一環(huán)的寬度。尾部可以裝配預(yù)制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌，并將襯砌與土層之間的空隙用水泥壓漿填實(shí)，防止周圍地層的繼續(xù)變形和圍巖壓力的增長。盾構(gòu)推進(jìn)主要依靠盾構(gòu)內(nèi)部設(shè)置的千斤頂，用千斤頂頂塊頂在拼成的襯砌環(huán)上使它推進(jìn)到已挖好的空間內(nèi)，然后縮回活塞桿，為下一環(huán)襯砌拼裝創(chuàng)造條件。重復(fù)上述過程，不斷開挖不斷拼裝，并不斷推進(jìn)，借助盾構(gòu)這種施工機(jī)械可用較快的速度完成隧道施工基本作業(yè)循環(huán)，直至隧道建成。

2 盾構(gòu)隧道的發(fā)展過程

用盾構(gòu)法修建隧道開始于1818年，至今已有160多年的歷史，當(dāng)時(shí)由法國工程師布魯諾爾（Mare Isambrard Brunel）研究，并取得了發(fā)明隧道盾構(gòu)的專利權(quán)。1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構(gòu)建造隧道，實(shí)際上它是一個(gè)活動的施工防護(hù)裝置。1869年英國人格雷脫海特（James Henry Greathead）工程師成功地應(yīng)用了P.W.Barlow式盾構(gòu)修建英國倫敦泰晤士河下Tower水底隧道以后，才使盾構(gòu)得到普遍的承認(rèn)。1874年在英國倫敦城南線修建Vyrnwy隧道時(shí)，格雷脫海特創(chuàng)造了比較完整的用壓縮空氣來防水的氣壓盾構(gòu)施工工藝，使水底隧道有了驚人的發(fā)展，并為現(xiàn)代化盾構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。僅在美國紐約，就采用氣壓盾構(gòu)法施工成功地建造了19座重要的水底隧道，其用途有道路、地下鐵道、煤氣和上下水道等。其中最有名的哈德遜河下的厚蘭（Holland）道路隧道，頭一次解決了人工通風(fēng)問題。林肯道路隧道采用“盲目開挖”即在淤泥地層中采用閉胸式盾構(gòu)擠壓入地層，僅將20%的土壤放入隧道進(jìn)行擠壓施工，使一晝夜內(nèi)推進(jìn)速度達(dá)13.5m，最好的月進(jìn)尺在317m。克溫斯-米德湯（Queens_Midtown）道路隧道穿過的地層最差，下半部是巖石，上半部是軟土，土壤中還夾有卵石層，透水性非常強(qiáng)。以后德國、原蘇聯(lián)、日本等國也都采用并發(fā)展了盾構(gòu)法施工工藝。特別是近代，日本盾構(gòu)法得到了高速發(fā)展，用途越來越廣。并為此研制了大量新型盾構(gòu)，如機(jī)械化、半機(jī)械化盾構(gòu)、局部氣壓盾構(gòu)、泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡（泥土加壓）盾構(gòu)等，以適應(yīng)在各種地層中施工。據(jù)統(tǒng)計(jì)近20年來，日本制造的盾構(gòu)數(shù)量已達(dá)2 000臺。同時(shí)與盾構(gòu)施工配套的設(shè)備與管理技術(shù)也獲得了發(fā)展。

我國于1957年北京下水道工程中首次出現(xiàn)小盾構(gòu)φ2.6 m（當(dāng)時(shí)稱盾甲法）以后，從1963年起先后設(shè)計(jì)和制造了外徑4.2m，5.8m，10.20m，3.6m，3.0m等不同直徑的盾構(gòu)，并進(jìn)行了施工。上海在打浦路隧道河中段時(shí)還制造了直徑11m的大盾構(gòu)，供延安東路過江道路隧道使用。

3 盾構(gòu)隧道的弊端和展望

由此可見，在松軟含水地層中修建隧道、水底隧道及地下鐵道采用各種不同形式的盾構(gòu)施工最有意義，特別是該施工方法屬地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航運(yùn)、潮汐、季節(jié)等條件的影響，能比較經(jīng)濟(jì)合理地保證隧道安全施工。當(dāng)然盾構(gòu)法也存在一些缺點(diǎn)，諸如盾構(gòu)的制造、運(yùn)送、拼裝、拆卸等費(fèi)用比較昂貴，設(shè)備比較復(fù)雜。而且它是一項(xiàng)綜合性的施工技術(shù)，除使用盾構(gòu)本身進(jìn)行土方開挖和襯砌拼裝外，還需要有氣壓供應(yīng)、人工井點(diǎn)降水、襯砌管片的預(yù)制、襯砌防水堵漏、隧道內(nèi)的運(yùn)輸、測量、施工場地布置、拼裝（或拆卸）工作井等施工技術(shù)的密切配合才能順利施工。且用氣壓法施工時(shí)，涉及到壓縮空氣泄出的危險(xiǎn)、減壓病等醫(yī)學(xué)上的防護(hù)措施等。因此使盾構(gòu)法的采用受到一定的限制，而不得不采用其他施工方法。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，從采用盾構(gòu)法技術(shù)100多年以來，世界各國制造了數(shù)以千計(jì)的各種直徑的盾構(gòu)。但采用盾構(gòu)法建造水底道路隧道的，只占很少一部分，總共約20條左右。隨著我國基層設(shè)施建設(shè)力度的加大，海峽兩岸的關(guān)系發(fā)展，相信盾構(gòu)隧道的數(shù)量和施工技術(shù)將會得到更大的發(fā)展。