軟土隧道主要施工方法-盾構隧道的發展

張建新

（內蒙古包頭市公路局，內蒙古 包頭 014040）

如今，隨著城市人口的大量集中，特別是沿海城市，由于工業交通及市政建設的發展，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，土層松軟，多為第四紀沖積層、淤積的砂性土、黏性土、淤泥層等；地下水位高，故統稱為土層隧道（earth tunnel）或軟土隧道。

軟土隧道的設計與施工，首先取決于施工方法，一般隧道設計應與施工方法相適應。而施工方法與地質和水文地質條件、隧道埋深、以及相應的施工設備水平等有關。如果土質比較差，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時常采用盾構法施工。穿越河口及通航河道，河流不太寬，土質也差的地段，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，由于沉管技術國際上已經達到相當高的水平，用這種方法修建的隧道數量越來越多，成為公路穿越有航運要求的河道及港灣的重要手段之一。當土層覆蓋較薄，一般覆土在12m以內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降水等支護結構措施防止土體塌方。近年來還發展采用地下連續墻的先進施工方法，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。其特點是在保證鐵路交通正常運行的同時，用千斤頂將預制的鋼筋混凝土箱形框架頂入鐵路路基內，成為鐵路干線下面的一座剛構橋，同時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 盾構隧道

盾構（shield）是一種鋼制的活動防護裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市中心區修建隧道的一種機械。在它的掩護下，頭部可以安全地開挖地層，一次掘進相當于裝配式襯砌一環的寬度。尾部可以裝配預制管片或砌塊，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，防止周圍地層的繼續變形和圍巖壓力的增長。盾構推進主要依靠盾構內部設置的千斤頂，用千斤頂頂塊頂在拼成的襯砌環上使它推進到已挖好的空間內，然后縮回活塞桿，為下一環襯砌拼裝創造條件。重復上述過程，不斷開挖不斷拼裝，并不斷推進，借助盾構這種施工機械可用較快的速度完成隧道施工基本作業循環，直至隧道建成。

2 盾構隧道的發展過程

用盾構法修建隧道開始于1818年，至今已有160多年的歷史，當時由法國工程師布魯諾爾（Mare Isambrard Brunel）研究，并取得了發明隧道盾構的專利權。1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構建造隧道，實際上它是一個活動的施工防護裝置。1869年英國人格雷脫海特（James Henry Greathead）工程師成功地應用了P.W.Barlow式盾構修建英國倫敦泰晤士河下Tower水底隧道以后，才使盾構得到普遍的承認。1874年在英國倫敦城南線修建Vyrnwy隧道時，格雷脫海特創造了比較完整的用壓縮空氣來防水的氣壓盾構施工工藝，使水底隧道有了驚人的發展，并為現代化盾構奠定了基礎。僅在美國紐約，就采用氣壓盾構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擠壓入地層，僅將20%的土壤放入隧道進行擠壓施工，使一晝夜內推進速度達13.5m，最好的月進尺在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。以后德國、原蘇聯、日本等國也都采用并發展了盾構法施工工藝。特別是近代，日本盾構法得到了高速發展，用途越來越廣。并為此研制了大量新型盾構，如機械化、半機械化盾構、局部氣壓盾構、泥水加壓盾構和土壓平衡（泥土加壓）盾構等，以適應在各種地層中施工。據統計近20年來，日本制造的盾構數量已達2 000臺。同時與盾構施工配套的設備與管理技術也獲得了發展。

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

3 盾構隧道的弊端和展望

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、潮汐、季節等條件的影響，能比較經濟合理地保證隧道安全施工。當然盾構法也存在一些缺點，諸如盾構的制造、運送、拼裝、拆卸等費用比較昂貴，設備比較復雜。而且它是一項綜合性的施工技術，除使用盾構本身進行土方開挖和襯砌拼裝外，還需要有氣壓供應、人工井點降水、襯砌管片的預制、襯砌防水堵漏、隧道內的運輸、測量、施工場地布置、拼裝（或拆卸）工作井等施工技術的密切配合才能順利施工。且用氣壓法施工時，涉及到壓縮空氣泄出的危險、減壓病等醫學上的防護措施等。因此使盾構法的采用受到一定的限制，而不得不采用其他施工方法。

根據資料統計，從采用盾構法技術100多年以來，世界各國制造了數以千計的各種直徑的盾構。但采用盾構法建造水底道路隧道的，只占很少一部分，總共約20條左右。隨著我國基層設施建設力度的加大，海峽兩岸的關系發展，相信盾構隧道的數量和施工技術將會得到更大的發展。