創(chuàng)造地下空間的盾構(gòu)工法技術(shù)

1、創(chuàng)造地下空間的盾構(gòu)工法技術(shù)           引言    處在海平面以下40m的豎井處，貼耳于井壁上時(shí)，可聽到逐漸臨近傳來(lái)的盾構(gòu)機(jī)聲音，然后恢復(fù)到寂靜。    從地平面下70m深的豎井內(nèi)，9.1m的泥水盾構(gòu)始發(fā)推出。日本最大級(jí)別深度的東京煤氣扇島工廠受配管用的海底隧道，在海底下地層中掘進(jìn)了530m長(zhǎng)度后到達(dá)了海底豎井，轉(zhuǎn)瞬間便停止了盾構(gòu)機(jī)。    此盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工程是

2、在1995年3月6日同年9月8日的6個(gè)月時(shí)間內(nèi)，包括豎井筑造、下沉，盾構(gòu)始發(fā)乃至到達(dá)的防護(hù)等準(zhǔn)備工程，以21個(gè)月、在700KPa的高水壓力下，完成了一條完全不滲漏水的盾構(gòu)隧道，成為日本盾構(gòu)工法技術(shù)處在世界第一流水準(zhǔn)的又一個(gè)佐證。    盾構(gòu)掘進(jìn)的發(fā)源，是在1818年英國(guó)人M·I布魯湟爾，在倫敦市泰晤士河岸所設(shè)置的深度為21m的工作坑處，采用“盾構(gòu)”推出擋土結(jié)構(gòu)，是以工作坑后壁為支承墻，通過(guò)所使用的螺旋千斤頂作為推進(jìn)動(dòng)力，把這個(gè)“擋土式盾構(gòu)”作了推進(jìn)。途中，由于河床土體坍塌、浸水事故而中斷。后來(lái)到隧道貫通時(shí)實(shí)際上是花了20多年的時(shí)間，此時(shí)，作為盾

3、構(gòu)機(jī)的創(chuàng)始人布魯湟爾已成了72歲的古稀老人了。發(fā)展到今天的盾構(gòu)工法，乃是這位布魯湟爾的熱情散發(fā)到頂端所至。    此后，在1887年的南倫敦鐵路隧道工程中，兼用了氣壓施工法的盾構(gòu)推進(jìn)，構(gòu)筑了盾構(gòu)工法的基礎(chǔ)。    到了1890年時(shí)代，盡管美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)多半也使用了盾構(gòu)工法應(yīng)用于隧道建設(shè)中。還使用了半盾構(gòu)(頂板盾構(gòu))、橢圓形、馬蹄形、矩形等盾構(gòu)。    在日本，通過(guò)學(xué)習(xí)歐美的技術(shù)，大約在1940年開始，采用盾構(gòu)工法在地下鐵道、下水道等建設(shè)中，1970年后又開發(fā)了密閉型工法

4、，并有了飛躍的發(fā)展。在1989年時(shí)橫貫英法海峽隧道工程中，是采用了日本制造的土壓式盾構(gòu)機(jī)，領(lǐng)先于世界直到如今。    以下，就盾構(gòu)工法在日本的引進(jìn)、發(fā)展，并對(duì)今后的展望作一試敘。    日本的盾構(gòu)工法    1. 盾構(gòu)工法的引進(jìn)和發(fā)展    在日本最初成功的盾構(gòu)工法，是國(guó)鐵關(guān)門海底隧道工程(19391944)，在門司方的不良地基中上行線405m，下行線725m之中，是使用7.2m的人工挖掘式盾構(gòu)機(jī)，兼用了氣壓施工法和化學(xué)藥液注

5、漿法進(jìn)行了施工。通過(guò)這項(xiàng)工程，可以認(rèn)為是確立了日本的盾構(gòu)工法的技術(shù)。    是在1953年的關(guān)門公路隧道和1957年的帝都高速交通營(yíng)團(tuán)4號(hào)線永田町2工區(qū)中，使用的是頂板盾構(gòu)，再有，是名古屋市的地下鐵道覺(jué)王山隧道中，是兼用氣壓施工法的人工開挖盾構(gòu)施工的。    在此以后，由于要面向1964年的東京奧林匹克的工程，隨著經(jīng)濟(jì)的高度成長(zhǎng)，要求城市設(shè)施建設(shè)工程急劇增加，建設(shè)工程有時(shí)也帶來(lái)的公害明顯化了。人工開挖式盾構(gòu)工法的使用就此替代了以往的城市隧道中的明挖工法。在此時(shí)期內(nèi)，伴隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，作為對(duì)付地下水的對(duì)策便是降水工法和

6、氣壓工法，而作為對(duì)付地基沉降等的措施，則是兼用了化學(xué)藥液注漿法等的輔助工法。    在普及盾構(gòu)工法的同時(shí)，希望能開發(fā)在縮短工期、省力化、對(duì)付復(fù)雜地基等問(wèn)題上的盾構(gòu)工法，而機(jī)械式掘進(jìn)盾構(gòu)工法是在1963年大阪市上水道大淀輸水管道(2.6m，長(zhǎng)度227m)中，是首先使用的新的盾構(gòu)。第二年在大阪市地下鐵道工程中，使用了6.97m，掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)668.4m大斷面機(jī)械掘進(jìn)式看構(gòu)工法，各制造廠方、公司致力于機(jī)械掘進(jìn)式盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)并推向?qū)嵱没A段。    2. 密閉型盾構(gòu)工法的開發(fā)   &#

7、160; 作為輔助工法的氣壓工法或者是化學(xué)注漿工法使用的結(jié)果，是可能發(fā)生缺氧事故，化學(xué)漿液為害事故或隧道內(nèi)火災(zāi)事故。在摸索這些事故的對(duì)策之中，成為泥水式盾構(gòu)和土壓式盾構(gòu)工法的先后誕生過(guò)程。    泥水式盾構(gòu)的原理，是在1961年由法國(guó)卡姆諾培羅納篤公司設(shè)想出來(lái)的，而在日本是用于1967年帝都高速交通營(yíng)團(tuán)地下鐵道的9號(hào)線神田川工區(qū)主線工程的引水隧道(3.1m、長(zhǎng)度312m)中使用過(guò)泥水盾構(gòu)工法。泥水盾構(gòu)工法是對(duì)原封不作改變的機(jī)械化盾構(gòu)的切削刀盤部分，用隔墻密閉化、用壓送泥水至開挖面上，而用排泥閥按流體方式輸送掘削土碴的。作為大型隧道斷面的使用，是

8、在1969年，日本鐵道建設(shè)公團(tuán)京葉線的羽田隧道，在貫穿森崎運(yùn)河工區(qū)中，采用了7.29m、長(zhǎng)度為856m×2線路工程，曾引起國(guó)外有關(guān)人士的較大關(guān)注。    此外，在1974年由日本獨(dú)自開發(fā)了土壓式盾構(gòu)。這種盾構(gòu)工法，也還是在機(jī)械化盾構(gòu)機(jī)的切削刀盤后面設(shè)置了隔墻，采用螺旋輸送機(jī)進(jìn)行排出土碴，將密閉艙內(nèi)掘削土經(jīng)混合攪拌機(jī)構(gòu)攪拌成泥土化，是通過(guò)給予所規(guī)定的壓力來(lái)求得開挖面的穩(wěn)定。作為土壓式盾構(gòu)工法的改良型，是在切削器的密閉艙內(nèi)注入添加材料(加泥材料、泥漿材料)，開發(fā)了藉助攪拌葉輪的混合泥土加壓式盾構(gòu)工法，土壓式盾構(gòu)工法可能應(yīng)用的范圍逐漸地在擴(kuò)展。泥土加

9、壓式盾構(gòu)工法首先采用的是在1976年?yáng)|京都水道局本地區(qū)的水管建設(shè)工程中。作為使所用的添加材料，是使用氣泡、使得掘削土的流動(dòng)性能和止水性能得以提高的氣泡(泡沫)盾構(gòu)工法。    泥水式和土壓式等的密閉型盾構(gòu)工法改善了施工坑道內(nèi)的大氣壓力作業(yè)的環(huán)境，不再有漏氣、缺氧等問(wèn)題產(chǎn)生，也為謀求工程區(qū)域周圍的環(huán)境保護(hù)得到保證，已成為今后盾構(gòu)工法的主流了。    3盾構(gòu)工法的多樣化    由于密閉型盾構(gòu)工法的實(shí)用化，對(duì)于開挖面的穩(wěn)定和地基沉降等對(duì)周邊環(huán)境的影響變小了，盾構(gòu)工法成為對(duì)付地下鐵道

10、、上下水道、電力通信、道路、地下河渠等大規(guī)模的隧道工程施工條件不利情況下施工的主力軍。    此外，當(dāng)進(jìn)入到廿世紀(jì)八十年代的后半時(shí)期，成為對(duì)于這些隧道中對(duì)應(yīng)的規(guī)模、形狀、線形、自動(dòng)化、省力化、降低成本等多種需要，開展了工程總承包商和制造商相互之間技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)力。    (1) 大斷面化    在克服開挖面的穩(wěn)定和物資、機(jī)械、材料組合的功效化課題，以14.14m的橫貫東京灣道路為起點(diǎn)，所進(jìn)行了大斷面鐵路、公路、地下河流等大直徑隧道施工。  

11、0; (2) 大深度化    由于城市中比較淺的地下空間皆為已設(shè)置的構(gòu)筑物云集占據(jù)，要新建隧道必須變深，便成為要施工深度在下6070m的隧道，要提高盾構(gòu)機(jī)和管片的承壓性，耐久性，乃是往大深度、高水壓施工的必要具備的條件。    (3) 長(zhǎng)距離化    在過(guò)分密集的市中心部分，對(duì)于難以保證豎井用地的情況下，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)等功效的有效使用，把降低造價(jià)為目標(biāo)，要求使用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)作長(zhǎng)距離的掘進(jìn)。在此情況下，成為盾構(gòu)機(jī)的耐久性，切削刀頭的更換技術(shù)，掘削土碴的

12、處理設(shè)備，物資器材高速度輸向開挖面的設(shè)備等課題。正在出現(xiàn)施工長(zhǎng)度為6.5km的工程實(shí)績(jī)。    (4) 斷面的最佳化    通常，工程費(fèi)用是與掘削斷面呈正比例的，此外，受到用地的制約，求得兼能符合使用目的形狀，盡量減少斷面面積的隧道。根據(jù)這樣的需要，就此不斷地開發(fā)了MF、DOT、H&V等多圓形、自由斷面、MMST、偏心多軸等異形斷面和擴(kuò)大、球體等的盾構(gòu)工法應(yīng)用到各種實(shí)際工程中。    (5) 隧道襯砌、地下對(duì)接技術(shù)   

13、; 作為縮短工期、降低造價(jià)的技術(shù)開發(fā)之一，乃是開發(fā)了不使用預(yù)制管片襯砌塊，而是在盾構(gòu)中直接設(shè)置模板，在現(xiàn)場(chǎng)就地澆筑隧道襯砌的ECL工法。此種場(chǎng)合下，從兩側(cè)方向掘進(jìn)而至的盾構(gòu)機(jī)，作會(huì)在地層中進(jìn)行盾構(gòu)的接合技術(shù)，而開發(fā)發(fā)地層土凍結(jié)工法，MSD工法等項(xiàng)目。    4在海外的評(píng)價(jià)    在1994年5月開業(yè)的英法海峽隧道(長(zhǎng)度49km)工程的幾個(gè)主要區(qū)段中，在設(shè)計(jì)、制作、維修保養(yǎng)等方面，全面地使用了日本的盾構(gòu)機(jī)。    留傳下來(lái)的均為優(yōu)秀的施工實(shí)績(jī)，日本的盾構(gòu)技術(shù)和長(zhǎng)期從事

14、這方面的有關(guān)人員的努力，成為海外評(píng)價(jià)的對(duì)象。    今后的技術(shù)課題和展望    根據(jù)以英法海峽隧道，或者是橫貫東京灣海底隧道為代表的大深度、大斷面隧道掘削技術(shù)的發(fā)展和大城市圈內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施用地難以保障的背景，于2000年5月成立了“關(guān)于大深度地下公共使用特別措置法”，地下開發(fā)技術(shù)再一次引起人們的注意。    特別是對(duì)鐵路、公路等的地下長(zhǎng)大構(gòu)筑物的盾構(gòu)工法上的期待是很大的，對(duì)今后，不用說(shuō)在確保質(zhì)量的前提下，期望以安全、高速度、低價(jià)格的施工為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)。具體地可舉出如下的幾個(gè)方面的技術(shù)課題。    大深度(盾構(gòu)機(jī)等的密封、始發(fā)、到達(dá)方法、排土機(jī)構(gòu))    大斷面化(盾構(gòu)機(jī)的方向控制、管片接頭、拼裝方法)    長(zhǎng)距離化(掘削土碴的搬運(yùn)、管片的搬運(yùn)、切削刀頭的修補(bǔ)、更換、作業(yè)人員的安全衛(wèi)生)    地層障礙物處置(原設(shè)構(gòu)筑物的基礎(chǔ)樁、流放木段等排除)