第 1章盾构法隧道施工概述
1.1盾构法隧道发展背景
自 1818年世界上首台矩形盾构问世并用于伦敦泰晤士河下的隧道建设以来，盾构法隧道首先在欧洲得以广泛应用，其施工技术水平日臻完善。 1917年，日本首次引进盾构施工技术，成为亚洲第一个应用盾构技术的国家。近年，我国许多大城市广泛开展盾构法隧道施工，修建公路地下隧道、城市地铁隧道及能源隧道等。
随着城市的快速发展，隧道沿线的环境更趋复杂。如何确保施工环境的安全，成为盾构法隧道施工亟待解决的问题。
1.1.1我国盾构法隧道发展
早在 20世纪 60年代初期，上海通过盾构机掘进试验，验证了软土地区盾构法隧道施工的可行性。 1966年 5月至 1971年 6月，首次采用盾构法建造了中国第一条水底公路隧道 ——打浦路隧道，这是盾构法施工在中国应用的里程碑。随后，逐渐摸索出一整套盾构施工技术体系。但当时隧道沿线的地面还比较空旷，地面沉降的控制尚未成为隧道施工中引人关注的核心技术。
20世纪 80年代末期，盾构法隧道在上海得到进一步发展。通过引进土压平衡盾构机，地铁试验段相继建成，形成了地下工程的土压平衡盾构施工方法和多项专有技术。在这一期间，盾构施工中的地面沉降控制引起了人们的高度重视。 1991年，中国工程院刘建航院士总结了上海软土地基中地面沉降的规律和特征，提出了利用修正的 Peck公式预测地面沉降的方法，为前期隧道线路的规划设计提供了决策依据。 1992年，周文波和胡珉发表了《盾构法隧道施工对周围环境影响和防治的专家系统》，在地下工程中开启了智能化预测和分析盾构施工沉降的先河。 20世纪 90年代末，中国科学院孙钧院士等借助计算机庞大的运算功能，运用数值模拟手段演算盾构施工对地面的影响，模型中考虑了同步注浆、盾尾间隙等诸多因素，在定性分析方面提供了有力的理论支撑 [1]。
2000年以后，盾构法隧道施工在中国得到了空前发展，各大城市相继开工修建轨道交通。施工中的地面沉陷、建筑物倒塌、隧道淹水等事故时有发生，人们开始将视线转向盾构施工的风险控制。为此，科技人员先后研发并应用了 “盾构始发接收风险控制技术 ”“盾构法隧道施工远程实时智能管理系统 ”等施工和管理关键技术，为复杂环境下的盾构安全施工提供了保障。
近几年，中国城市中兴建地下或水下快速通道的需求越来越迫切。采用盾构法构建长距离、大断面的隧道已经成为新的发展趋势。
2007年 5月，上海长江口隧道采用 2台 φ15.43m泥水平衡盾构掘进施工。施工中一次掘进距离达到 7.5km，无论是盾构直径还是盾构一次掘进距离，均为当时的世界之最。施工期间，盾构安全穿越了 6.8km的长江及沿线构筑物，隧道轴线控制在 ±50mm。
2008年 12月，上海外滩通道工程采用 φ14.27m土压平衡盾构机始发掘进，施工中采用了盾构正面土体改良、渣土连续运输、多点同步注浆等多项技术，沿线穿越了包含浦江饭店、上海大厦在内的 22幢历史建筑，把施工最大沉降量控制在 8mm以内。该工程的成功实施，为我国在施工场区受限、隧道覆土超浅、环境保护要求很高的中心城区内建设超大直径隧道奠定了基础。
通过近 50年的工程实践，中国盾构法隧道施工技术得到跨越式发展，施工风险控制能力得到有效提高，整体施工水平已经达到国际先进水平。与此同时，盾构施工设备的性能也得到很大发展，各子系统控制更加灵活和精准，借助计算机技术的进步，各类掘进辅助系统得到广泛应用。
从 20世纪 90年代初，中国开始引进盾构机开展地铁施工。 21世纪初，在国家 863项目支持下，上海开展了 φ6.34m的土压平衡盾构机和 φ11.22m的大直径泥水平衡盾构机的研制，同步开展了盾构掘进控制系统、测量导向系统、同步注浆系统等配套技术研制。 2004年 10月，中国第一台拥有自主知识产权的 φ6.34m土压平衡盾构 (先行号 )应用于上海地铁 2号线西延伸段隧道工程，掘进长度达 1300m。2008年 12月， φ11.22m泥水平衡盾构 (进越号 )应用于打浦路隧道复线工程，掘进长度达 1472m。技术人员利用盾构机设备的整套控制系统，实施了开挖面稳定控制、盾构姿态控制、施工建筑空隙填充控制，以及管片拼装质量控制，提高了盾构施工的环境保护能力和风险控制能力。
1.1.2盾构法隧道施工原理
盾构法是城市隧道施工的主要方法，具有成熟的施工模式和完善的技术优势。
1.盾构法隧道施工的基本模式
盾构机的种类繁多，按开挖面是否封闭可以划分为敞开式和密闭式两大类，如图 1-1所示。目前密闭式盾构成为盾构法隧道施工中的主流设备，而根据施工过程中平衡水、土压力的原理不同，密闭式盾构中的土压平衡和泥水平衡两种模式，是当前使用较多的盾构施工模式，具有十分突出的优点 [2]。
图 1-1盾构掘进机分类
1)土压平衡模式
土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压舱板所形成的空间为开挖舱或泥土舱，刀盘旋转切削下来的土经刀盘上的开口进入泥土舱，与泥土舱内的可塑土体混合或被搅拌混合，盾构千斤顶的推力通过承压舱板传递到泥土舱内的土体上，土体的压力作用于开挖面，以平衡开挖面处的地下水压和土压，从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压舱板的开孔处伸入泥土舱取土。盾构机的掘进速度和螺旋输送机单位时间的排土量 (或其旋转速度 )会影响泥土舱内土体的压力大小，应加以协调控制，保持泥土舱内土体与开挖面的水土压力平衡 (图 1-2)。
图 1-2土压平衡盾构原理图
土压平衡盾构适应在软弱的冲积土层中推进，特别适用于黏性土或有一定黏性的粉砂土。当在砾石层或砂土层中推进时，可通过加进适当的泥土或改良材料来发挥土压平衡盾构的优点。一般认为土压平衡盾构的适应性较强，适用于多种土层。但通常要求施工人员具有丰富的施工经验，能根据地层和施工条件的变化采用一系列相应的施工控制措施。
2)泥水平衡模式
泥水平衡盾构是通过在支撑环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，使其进入密封舱与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面处理，整个过程通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理，如图 1-3所示。盾构掘进机设有操作步骤设定，各操作步骤间设有连锁装置，制约因误操作而引起事故，施工安全可靠。
图 1-3泥水平衡盾构原理图
1.刀具 ; 2.刀盘 ; 3.半隔板 (沉浸墙 ); 4.隔板 ; 5.推进油缸 ; 6.人仓 ; 7.破碎机 ; 8.拦石栅 ;
9.吸泥管 ; 10.铰接油缸 ; 11.管片 ; 12.排泥管 ; 13.送泥管 ; 14.盾壳
在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的。当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，在 “阻塞 ”和 “架桥 ”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成，如图 1-4所示。随着时间推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强，当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。
图 1-4泥膜形成示意图
一般认为土压平衡盾构能适用于各种地质条件，但在含水砂层和砾石砂层，尤其在高水压条件下，土压平衡盾构在稳定开挖面、防止和减少地面沉降、避免土的移动和流失等方面较难达到理想控制，泥水平衡盾构在这种土质情况下具有一定优势。当然，该工法需要较大规模的泥水处理设备，并需占用较大的泥水处理场地。
泥水平衡盾构施工技术经过不断改进和完善，已经发展成为当今最先进的盾构法施工技术之一。尤其在长距离、大埋深的越江公路隧道和海底隧道施工中表现出更大优势。
土压平衡模式盾构及泥水平衡模式作为两种最基本的模式，已经广泛被用于隧道工程施工的各个领域。在这两种最基本模式的基础上发展出来很多构造新颖的盾构机以适用不同的市场，如能有效节约地下空间的双圆、三圆盾构机，特殊适用性的异型盾构机，有效利用衬砌空间的矩形盾构机等 (图 1-5)。
图 1-5盾构机
2.盾构法隧道施工的优势
盾构法能适用于各种水文地质条件下的施工，无论是松软的、坚硬的、有地下水的、无地下水的，都可以用盾构法施工。因其对地层的适应性越来越强，世界上盾构数量逐年上升。盾构法在地下工程中已经被广泛采用，具有以下突出优越性。
1)施工安全
在盾构支护下进行地下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，确保隧道安全施工。
2)对周边环境影响小
地面人文自然景观受到良好保护，不受盾构施工干扰。在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离大直径隧道，具有经济、安全等方面的优越性。
3)自动化程度高、施工速度快
盾构机的掘进可实现远程控制的信息化和智能化施工，掘进速度较快，施工劳动强度较低。
1.1.3盾构法隧道工法特点
隧道工程的特点是“地质条件复杂，基础信息缺乏”，城市隧道工程还有“周边环境复杂”的特点，存在着不确定性和风险性，工程技术人员需要具有丰富的工程经验。
1)地质条件不可预见
目前，我国城市隧道工程的埋深大多在 30m以内。在这样的深度范围内，地层大多是第四纪冲积层或沉积层，或是强风化岩层，大多松散无胶结，存在一层滞水或潜水。我国武汉、南京、杭州、上海等城市，部分区域承压水位高，承压水的含水层顶板埋藏浅，对隧道工程施工影响很大。目前，取得准确地质参数通常较为困难，给隧道工程的结构设计与施工带来风险。
2)地层变形比较复杂
隧道工程的施工会引起地层变形和地面沉降 (或隆起 )。这些变形和沉降对周围环境的影响不容忽视。例如，施工产生一定范围的地面沉降，当沉降 (或隆起 )达到临界值时，将会引起地面的沉陷 (或隆起 )、开裂等，严重的可导致周围地面建筑物或地下构筑物的功能丧失。特别是隧道工程施工引起的地层移动，可能导致结构桩基础的损害，因此研究施工过程中对周围环境的影响及其控制技术十分重要。
3)岩土稳定性难以判断
隧道工程围岩土体的稳定问题，是隧道工程设计与施工的重点问题。现有岩土稳定性理论认为，在隧道工程施工过程中，周围岩土发生应力重新分布，当这种重新分布的应力超过岩土强度极限时，将发生岩土失稳破坏。在浅埋条件下是否存在承载拱对其稳定性判别非常重要，有必要通过监测与研究加以解决。
4)与建 (构)筑物相互影响
城市地下的管网设施、商业街、停车场等鳞次栉比，给工程的修建带来众多特殊难题。例如，城市中的地铁工程一般都处在密集的建筑群下，与既有建筑物的基础紧邻；地下管线与地铁工程上下邻接 ,甚至多条隧道在空间交叉。研究隧道支护结构和周边建筑物的相互作用，是城市地下工程施工必须解决的问题。
1.2盾构法隧道施工方法
现阶段的盾构掘进机主要具有护盾、掘进 (开挖、切削土体 )、渣土改良、排渣、拼装隧道衬砌、注浆支护等基本功能，在泥水平衡盾构中还必须具备泥水处理的功能，同时现在的盾构机也具备了测量导向、信息化监控等辅助功能，其涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，在地下工程领域中可靠性高。
目前，常用的盾构类型为土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机 (图 1-6和图 1-7)。
图 1-6土压平衡盾构机
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