软土隧道主要施工方法-盾构隧道的发展

张建新

（内蒙古包头市公路局，内蒙古 包头 014040）

如今，随着城市人口的大量集中，特别是沿海城市，由于工业交通及市政建设的发展，在城市主要道路干线上往往需要克服江河、海峡、以及市内道路干线之间或道路与铁路之间互相交叉等而引起的障碍，常须修筑城市道路隧道和水下隧道。这类隧道由于大多在地表下30~40m范围内，土层松软，多为第四纪冲积层、淤积的砂性土、黏性土、淤泥层等；地下水位高，故统称为土层隧道（earth tunnel）或软土隧道。

软土隧道的设计与施工，首先取决于施工方法，一般隧道设计应与施工方法相适应。而施工方法与地质和水文地质条件、隧道埋深、以及相应的施工设备水平等有关。如果土质比较差，有静水压力作用，隧道埋置深度较深，则须用暗挖法施工。隧道长度大于1 000m时常采用盾构法施工。穿越河口及通航河道，河流不太宽，土质也差的地段，以及要求多车道大断面的道路隧道，为使隧道延长短，施工速度快，则常采用沉管法施工。近年来，由于沉管技术国际上已经达到相当高的水平，用这种方法修建的隧道数量越来越多，成为公路穿越有航运要求的河道及港湾的重要手段之一。当土层覆盖较薄，一般覆土在12m以内的浅埋城市隧道或水底隧道岸边段，则常用掘开式的明挖法施工，并采用钢板桩人工井点降水等支护结构措施防止土体塌方。近年来还发展采用地下连续墙的先进施工方法，取得施工无振动、无噪声、无沉降（指无地面沉降）的良好效果。大型箱涵顶进又称顶管隧道或地下隧道，主要用来穿越铁路或重要交通干线的一种短隧道工程。其特点是在保证铁路交通正常运行的同时，用千斤顶将预制的钢筋混凝土箱形框架顶入铁路路基内，成为铁路干线下面的一座刚构桥，同时又是道路干线上的一座短隧道。由于这种施工方法不影响铁路交通，因此日益获得推广，成为软土道路隧道的主要施工方法之一。

1 盾构隧道

盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建隧道的一种机械。在它的掩护下，头部可以安全地开挖地层，一次掘进相当于装配式衬砌一环的宽度。尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙用水泥压浆填实，防止周围地层的继续变形和围岩压力的增长。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，用千斤顶顶块顶在拼成的衬砌环上使它推进到已挖好的空间内，然后缩回活塞杆，为下一环衬砌拼装创造条件。重复上述过程，不断开挖不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。

2 盾构隧道的发展过程

用盾构法修建隧道开始于1818年，至今已有160多年的历史，当时由法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambrard Brunel）研究，并取得了发明隧道盾构的专利权。1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道，实际上它是一个活动的施工防护装置。1869年英国人格雷脱海特（James Henry Greathead）工程师成功地应用了P.W.Barlow式盾构修建英国伦敦泰晤士河下Tower水底隧道以后，才使盾构得到普遍的承认。1874年在英国伦敦城南线修建Vyrnwy隧道时，格雷脱海特创造了比较完整的用压缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使水底隧道有了惊人的发展，并为现代化盾构奠定了基础。仅在美国纽约，就采用气压盾构法施工成功地建造了19座重要的水底隧道，其用途有道路、地下铁道、煤气和上下水道等。其中最有名的哈德逊河下的厚兰（Holland）道路隧道，头一次解决了人工通风问题。林肯道路隧道采用“盲目开挖”即在淤泥地层中采用闭胸式盾构挤压入地层，仅将20%的土壤放入隧道进行挤压施工，使一昼夜内推进速度达13.5m，最好的月进尺在317m。克温斯-米德汤（Queens_Midtown）道路隧道穿过的地层最差，下半部是岩石，上半部是软土，土壤中还夹有卵石层，透水性非常强。以后德国、原苏联、日本等国也都采用并发展了盾构法施工工艺。特别是近代，日本盾构法得到了高速发展，用途越来越广。并为此研制了大量新型盾构，如机械化、半机械化盾构、局部气压盾构、泥水加压盾构和土压平衡（泥土加压）盾构等，以适应在各种地层中施工。据统计近20年来，日本制造的盾构数量已达2 000台。同时与盾构施工配套的设备与管理技术也获得了发展。

我国于1957年北京下水道工程中首次出现小盾构φ2.6 m（当时称盾甲法）以后，从1963年起先后设计和制造了外径4.2m，5.8m，10.20m，3.6m，3.0m等不同直径的盾构，并进行了施工。上海在打浦路隧道河中段时还制造了直径11m的大盾构，供延安东路过江道路隧道使用。

3 盾构隧道的弊端和展望

由此可见，在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，能比较经济合理地保证隧道安全施工。当然盾构法也存在一些缺点，诸如盾构的制造、运送、拼装、拆卸等费用比较昂贵，设备比较复杂。而且它是一项综合性的施工技术，除使用盾构本身进行土方开挖和衬砌拼装外，还需要有气压供应、人工井点降水、衬砌管片的预制、衬砌防水堵漏、隧道内的运输、测量、施工场地布置、拼装（或拆卸）工作井等施工技术的密切配合才能顺利施工。且用气压法施工时，涉及到压缩空气泄出的危险、减压病等医学上的防护措施等。因此使盾构法的采用受到一定的限制，而不得不采用其他施工方法。

根据资料统计，从采用盾构法技术100多年以来，世界各国制造了数以千计的各种直径的盾构。但采用盾构法建造水底道路隧道的，只占很少一部分，总共约20条左右。随着我国基层设施建设力度的加大，海峡两岸的关系发展，相信盾构隧道的数量和施工技术将会得到更大的发展。