第2章 穿黄隧洞盾构施工技术

2.1 盾构发展历史

2.1.1 国外盾构机的发展

1818年Marc Isambard Brunel 获得隧道盾构法施工的专利，并在1825年到1843年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明盾构法隧道施工的价值。1830年由Lord Cochrance发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。

1865年，巴尔劳首次采用圆形盾构，并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。1869年，用圆形盾构在泰晤士河底建成了外径2.21m的隧道。1874年，在英国伦敦地下铁道南线的黏土和含水砂砾地层中建造内径3.12m的隧道时，James Henry Greathead综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出。此项技术对盾构法的发展起了重大的推动作用。初期开放型手掘式盾构见图2.1。

图2.1 初期开放型手掘式盾构

1896年Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。20世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广。20世纪30—40年代，这些国家已成功地使用盾构建成内径3.0～9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用设施管道等。苏联于20世纪40年代初开始使用直径6.0～9.5m的盾构并先后在莫斯科、列宁格勒等市修建了地下铁道的区间隧道及车站。

20世纪60年代初，出现了穿越不稳定和含水地层的隧道工程辅助技术，包括降水法、气压法、地层加固法和冻结法。气压法最经济有效，由于安全和健康等原因，希望有一种能不干扰地面和使工人不在气压下施工的隧道掘进机，欧洲国家提出局部气压法，但这种方法对工作面不能提供稳定的和有规则的支护。英国隧道专家建议在隔仓板前用喷水“水力盾构”，但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽类似，因而专家提出了在开挖面用类同槽壁法的支护，这样就诞生了泥水加压盾构掘进机。

1964年，英国Mott·Hay、Anderson和John Bartlett申请了泥水加压平衡盾构掘进机原理专利，并在1971年开挖了直径4.1m、长140m的试验段。英国体系泥水加压平衡盾构掘进机与同类德国体系相对照，其特征是有长槽的鼓轮状切削头，提取来自压力室的泥浆，有粗和细两套分离装置，以及以控制弃土出口压力（阀或泵）的方法保持开挖面的压力。当时，英国由于缺乏能适合并促进这种技术的隧道工程，这种技术的发展受到了限制。

1967年，英国成功开发了首台泥水加压平衡盾构。1974年，日本紧随其后成功开发了首台土压平衡盾构。1987—1991年，英国、法国采用11台盾构机完成了50km长的英吉利海峡隧道掘进施工，创造了单台盾构连续掘进21km的记录。1989—1996年，日本采用8台世界最大直径14.14m的泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，两条隧道各长9.4km。

1970年，日本铁建公司在京叶线森琦运河下羽田隧道工程中采用了直径7.29m的泥水加压盾构施工，施工长度为1712延米，获得了极大成功，它是当时最大直径的泥水加压平衡盾构。日本及联邦德国等针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺与配套设备。日本东京湾泥水加压盾构见图2.2。

图2.2 日本东京湾泥水加压盾构

图2.3 三圆泥水式盾构

1994年，日本研制出世界上第一台三圆泥水盾构，并成功用于大阪地铁7号线商街公园车站工程施工，三圆泥水式盾构见图2.3。

2.1.2 国内盾构的发展与应用

1953年，辽宁阜新煤矿应用直径2.6m的手掘式盾构及小型混凝土预制块修建了疏水巷道，是我国首次应用盾构法进行的隧道施工。1962年，上海城建局隧道工程公司研制了直径4.16m的手掘式普通敞胸盾构，并在试验隧道掘进中获得成功。1965年，上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造了2台直径5.8m的网格挤压式盾构，并于1966年完成了2条平行隧道的盾构施工，隧道长达660m，施工诱发地面最大沉降量100mm。1986年，中铁隧道集团公司研制出半断面插刀盾构，并成功应用于北京地铁复兴门折返线工程。1987年，上海隧道股份有限公司研制成功了我国第一台加泥式土压平衡盾构机，其直径为4.35m。1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道股份有限公司、上海隧道工程设计院、上海船厂联合设计制造的土压平衡盾构机，盾构直径为6.34m。1999年，上海隧道股份有限公司研制成功国内第一台矩形组合刀盘式土压平衡顶管机，刀盘尺寸3.8m×3.8m，在浦东陆家嘴地铁车站工程中成功应用。

2001年以来，广州、南京、深圳、北京、天津、沈阳的地铁隧道，先后从德国、日本引进多台直径6.14～6.39m的土压平衡盾构机和复合式土压平衡盾构机。2003年，上海地铁8号线首次采用双圆盾构隧道新技术，从日本引进2台直径6.52m双圆型土压平衡盾构，用于掘进黄兴路站至开鲁路站区间隧道。2004年，上海上中路越江隧道工程引进14.87m的大直径泥压盾构，在黄浦江掘进施工2条隧道，隧道结构为双层4车道；上海长江口越江隧道工程（也称上海沪崇隧道工程）采用南隧北桥的施工方案，其中南段隧道采用15.44m的大直径泥水盾构施工。2005年开工的沈阳地铁1号线5标段，采用日本生产的直径6.25m土压平衡盾构机。2008年，北京铁路地下线采用直径11.97m泥水平衡盾构施工。2009年，南京长江隧道左右线分别于5月20日和8月22日贯通，隧道采用2台直径14.96 m泥水盾构施工。

2.1.3 盾构机分类

盾构机是一种用于隧道暗挖的施工机械，它具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在钢壳体的掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，从而使隧道一次成型。应用盾构机进行隧道掘进的方法称为盾构法（shield tunneling）。其基本原理是：由刀盘旋转切削地层，采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土，在壳体内拼装预制管片，依靠液压千斤顶推进。这个钢结构组件的壳体称为“盾壳”，盾壳对挖掘出的尚未衬砌的隧道段起着临时支护的作用，承受周围土层的土压、地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。

（1）按掘削地层分类：硬岩盾构（TBM）、软岩盾构、软土盾构及硬岩软土盾构。

（2）按盾构机横截面形状分类：半圆形、圆形、椭圆形、马蹄形、双圆搭接形、三圆搭接形及矩形盾构。

（3）按盾构机横截面大小分类：超小型盾构（φ<1m）、小型盾构（3.5m＞φ≥1m）、中型盾构（6m＞φ≥3.5m）、大型盾构（14m＞φ≥6m）、超大型盾构（18m＞φ≥14m）、特大型盾构（φ>18m）。

（4）盾构机综合分类见图2.4。

图2.4 盾构机综合分类

180多年的发展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是围绕以下3个要素进行改进和施工方法的革命：①地层稳定和地面沉降控制；②机械化、自动化掘进和掘进速度；③衬砌和隧道质量。

传统的盾构法是把这3个要素分别独立考虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、冻结法及气压法等。在盾构掘进机本身结构上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构，见图2.5。

任何地层稳定处理方法即使能抑制对地层的影响，也很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑安全的地面沉降问题，所以，很自然地发展到下一代盾构——闭胸式盾构，见图2.6。

图2.5 敞胸式盾构

图2.6 闭胸式盾构

盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。国内外根据各种使用条件的不同，使用的盾构也不同，特别是面板及刀具的形式多种多样。目前应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。