論盾構(gòu)隧道的分類及適用范圍

睢向國(guó)

（山西省高速公路管理局，山西 太原 030006）

目前圓形盾構(gòu)隧道種類繁多，新式盾構(gòu)更是層出不窮，為便于了解其概貌，現(xiàn)歸納列入表1。

表1 圓形盾構(gòu)隧道種類

1 人工開(kāi)挖手掘式、半機(jī)械式敞胸盾構(gòu)

此類盾構(gòu)可根據(jù)地質(zhì)條件全部敞開(kāi)，隨時(shí)觀察地層變化情況，并配備簡(jiǎn)便的液壓、風(fēng)動(dòng)挖掘，機(jī)具、人工挖掘，當(dāng)開(kāi)挖面難以保持穩(wěn)定時(shí)可以采用氣壓等人工措施及正面支撐、支撐千斤頂?shù)入S挖隨撐。它是盾構(gòu)中最老式、最普通的一種，絕大多數(shù)水底道路隧道都采用這種盾構(gòu)。它的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，配套設(shè)備少，造價(jià)低（一個(gè)中等直徑的泥水盾構(gòu)比敞胸盾構(gòu)貴1倍左右），操作容易，維修簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)耐用。缺點(diǎn)是盾構(gòu)正面敞開(kāi)，工作面易發(fā)生坍方事故，危及人身及工程安全；道路隧道直徑大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，進(jìn)度慢。盡管有不少缺點(diǎn)，但由于新型盾構(gòu)用在大直徑盾構(gòu)上還僅是近兩年的事，技術(shù)上尚不成熟。所以至今只有我國(guó)打浦路隧道采用了一臺(tái)網(wǎng)格、閉胸兩用盾構(gòu)，新易北河隧道和哈姆迪隧道也只采用了半機(jī)械式盾構(gòu)，即手掘式再配備4～5臺(tái)液壓挖掘機(jī)代替人工開(kāi)挖。

2 擠壓式閉胸盾構(gòu)

厚蘭隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用過(guò)半擠壓及全擠壓推進(jìn)的閉胸盾構(gòu)施工，在塑性黏土及淤泥中即使采用氣壓也不能自立，需將盾構(gòu)正面用胸板密閉起來(lái)。施工時(shí)將盾構(gòu)壓入地層，土體從孔中擠入盾構(gòu)，裝車外運(yùn)。用這種方法施工時(shí)，不需要人工開(kāi)挖與支撐開(kāi)挖面，施工效率成倍提高。

缺點(diǎn)是適用范圍較小，只適用于上述這種地層；且全擠壓會(huì)造成地表隆起（約2倍盾構(gòu)直徑的范圍），故又只適用于空曠地段，或河底（不影響通航條件下）、海灘等處。至于開(kāi)孔面積大小，視隧道直徑大小及土質(zhì)密實(shí)情況而定，一般無(wú)公式計(jì)算，需在施工中反復(fù)試驗(yàn)確定。通常直徑愈小，放入土體也少，約1%～3.5%。林肯隧道有意放入205的土堆在隧道底部作壓重，直到土壤重新固結(jié)后才清除，主要是為了防止襯砌結(jié)構(gòu)上浮，控制盾構(gòu)在縱斷面設(shè)計(jì)范圍內(nèi)移動(dòng)。

用閉胸式盾構(gòu)施工時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)常會(huì)發(fā)生一種橢圓率的現(xiàn)象。先是襯砌水平直徑縮小，豎向直徑增大。繼之，盾構(gòu)已離很遠(yuǎn)時(shí)，豎向直徑減小，水平直徑增大。這主要是隧道上方土壤結(jié)構(gòu)破壞、隆起，形成一個(gè)卸裝拱，而水平壓力仍然保持著初始數(shù)值之故。

3 機(jī)械式閉胸盾構(gòu)

3.1 局部氣壓盾構(gòu)

這種盾構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是可取代在隧道內(nèi)加壓的全氣壓施工，使施工人員不在氣壓艙內(nèi)工作，大大改善了勞動(dòng)條件。其缺點(diǎn)是存在一些技術(shù)難點(diǎn)，目前尚未很好解決。例如盾尾密封較難；已拼好的襯砌區(qū)段易滲水；氣壓容量少，若遇透氣系數(shù)大的地層，漏氣量大，氣壓難保持；出土裝置也存在連續(xù)出土、漏氣和壽命不長(zhǎng)等問(wèn)題。因此目前很少使用。

3.2 泥水加壓式盾構(gòu)

這種盾構(gòu)過(guò)去一直局限于直徑小于3 m的管道工程，1970年做到7.29 m直徑（河底單線鐵路隧道）。現(xiàn)在日本最大泥水加壓式盾構(gòu)做到10 m直徑（用在地下鐵道雙線區(qū)段）。它以機(jī)械式盾構(gòu)為基礎(chǔ)，遇到含水砂礫層時(shí)可在切削刀盤后方回設(shè)隔板將盾構(gòu)密閉起來(lái)，在開(kāi)挖面與隔板之間形成泥水室，注以泥漿形成承壓面，以抵抗地層水壓力，防止塌方。同時(shí)刀盤切削下來(lái)的砂土，經(jīng)攪拌機(jī)拌成泥漿，通過(guò)排泥管道由泥漿泵排出，輸送到地面進(jìn)行泥水發(fā)離。這種盾構(gòu)的特點(diǎn)是，既能均勻抵抗水壓，又無(wú)局部氣壓盾構(gòu)漏氣及連續(xù)出土困難等問(wèn)題，故特別適用于不宜采用氣壓盾構(gòu)的淺埋地層。由于隔板后方也屬正常氣壓，因此也適用于深埋地層。日本修建河底、海底隧道時(shí)多用這種方法。

該類盾構(gòu)的缺點(diǎn)是盾尾漏水問(wèn)題也沒(méi)有很好解決；開(kāi)挖面狀態(tài)不明；特別是要配備許多設(shè)備，如自動(dòng)控制、泥水輸送系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)和泥水處理場(chǎng)地等。后者的造價(jià)為盾構(gòu)的2倍多。

泥水壓力目前一般采用比地下水高0.02 MPa，泥水容重為1.1～1.2。

3.3 土壓平衡式盾構(gòu)

這種盾構(gòu)是在上述兩種機(jī)械化盾構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，既避免了漏氣缺點(diǎn)，也省略了投資大的泥水輸送設(shè)備和處理設(shè)備，是最新型盾構(gòu)。這種盾構(gòu)前端也設(shè)有刀盤和隔板，形成一個(gè)密封艙。所謂土壓平衡，就是用刀盤切削下來(lái)的土，如同用壓力泥水一樣充滿整個(gè)密封艙，并保持有一定壓力，使切削下來(lái)的土與開(kāi)挖面的土體壓力平衡，開(kāi)挖面土砂不會(huì)從刀盤面處崩潰坍塌。

排土是靠螺旋輸送機(jī)進(jìn)行，出土量要密切配合刀盤的切削速度，使之盡量相等。密封艙內(nèi)既充滿泥土，又不致過(guò)于飽滿。此外，還要控制盾構(gòu)千斤頂推力、推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)的速度和閘門千斤頂?shù)拈_(kāi)口度，使之不斷與開(kāi)挖面的土壓保持平衡。

這種盾構(gòu)與手掘式閉胸?cái)D壓盾構(gòu)的差別在于前者是依靠土砂的自然流入，適用場(chǎng)合受到限制。后者則有積極的取土設(shè)備，在通常情況下可利用螺旋輸送機(jī)的壓實(shí)作用止水，保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。因此，幾乎任何地層都可以施工。當(dāng)?shù)貙油杆禂?shù)大，且地下水位又高時(shí)，還可以采用土壓平衡型加水式盾構(gòu)，在出土箱處注水，并用管道將泥漿排出地面。這種情況類似泥水加壓式盾構(gòu)，但它采用清水，泥水處理設(shè)備規(guī)模也較小。由于這種盾構(gòu)屬最新型，失敗和成功的例子差別很大，還有待進(jìn)一步完善。