盾構隧道

1974年第一台土壓平衡式盾構在東京採用。該盾構由日本製造商IHI（石川島播磨）設計，其外徑為3.72m，用它掘進了長1900m的主管線。在以後的年代裏，很多製造廠商以土壓盾構、壓力保持盾構、軟泥盾構、土壤壓力盾構、受壓的土壤盾構、泥壓盾構、或泥漿狀的土壤盾構等名稱生產了“土壓平衡式盾構”。這些名稱的盾構基本上都應用了同一種工法，國際上稱為“土壓平衡系統”（EARTH PRESSURE BALANCE SYSTEM，簡稱EPBS）。

土壓平衡式盾構（EPB）自1974年在日本首次使用以來，以其獨特的優勢已廣泛用於世界各地的隧道工程中。1984年上海市隧道工程公司在我國首次應用從日本引進的φ4.36m土壓平衡盾構建成了芙蓉江下水道總管工程。土壓平衡式盾構在在全國地鐵、市政、能源等工程建設中得到更為廣泛的應用。實踐證明，土壓平衡式盾構因其能較好地控制地表沉降、保護環境、適應在市區和建築密集處施工等優點，在我國正走向普及 ^[1]  。

盾構隧道施工法是指使用盾構機，一邊控制開挖面及周圍土體不發生坍塌失穩，一邊進行隧道掘進、出渣，並在機內拼裝管片形成襯砌、實施壁後注漿，從而不擾動周圍土體而修築隧道的方法。盾構機的所謂”盾“是指保持開挖面穩定性的刀盤和壓力艙、支護周圍土體的盾構鋼殼，所謂“構”是指構成隧道襯砌的管片和壁後注漿體。

盾構法施工是一個非常複雜的工程過程，它對周圍環境的影響與施工技術環節密切相關。早在1969年Peck就指出盾構法施工引起的地層損失以及對相鄰結構的影響與施工的具體細節是分不開的。因此，理論分析時只有準確把握盾構施工的主要因素才能得出符合實際情況的結果。盾構施工階段主要包括以下幾個主要的技術環節：

①土體開挖與開挖面支護

土壓平衡式盾構施工過程中，通過切削刀盤的切削前方土體。挖土量的多少由刀盤的轉速、切削扭矩以及千斤頂推力決定，排土量的多少則是通過螺旋排土器的轉速來調節。因為土壓平衡式盾構機是藉助土壓艙內土體壓力來平衡開挖面土水壓力的，為使土壓艙壓力波動較小，施工中要經常調節螺旋排土器的轉速和千斤頂的推進速度，來保持挖土量和排土量保持平衡。

②盾構推進與襯砌拼裝

盾構依靠千斤頂推力作用向前推進。盾構推進過程中需要克服開挖面土體壓力、摩擦阻力和內部機械設備阻力，盾構的總推力必須根據各種阻力的總和及其所需要的富裕量決定。推力過大會使正面土體因擠壓而前移和隆起，而推力過小又影響推進速度。千斤頂推動盾構前進後，依次收縮千斤頂在盾構內部拼裝襯砌。

③盾尾脱空與壁後注漿

千斤頂推動盾構機向前推進時，使得本來位於盾構殼內部的拼裝襯砌脱出盾殼的保護，在襯砌外圍產生建築空隙（其體積等於盾殼對應圓筒體積與盾尾操作空間體積之和），引起較大地層損失。如不採取補救措施會引起很大的地層位移和地面沉降。

壁後注漿是對盾尾形成的施工空隙進行填充注漿，以減小由於盾尾空隙而產生的地基應力釋放和地層變形，是盾構施工的重要環節之一。壁後注漿是通過在盾構殼上設置注漿管，在空隙生成的同時進行注漿的同步注漿方式和通過管片上預留的注漿孔進行注漿的及時注漿方式兩種，其中同步注漿更有利於地基沉降的控制。

1）安全開挖和襯砌，掘進速度快；

2）盾構的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現自動化作業，施工勞動強度低。

3）不影響地面交通與設施，同時不影響地下管線等設施；

4）穿越河道時不影響航運，施工中不受季節、風雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動；

5）在鬆軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經濟方面的優越性。

1）價格昂貴且針對性很強，對每一條用盾構法施工的隧道，都需要根據工程地質、水文地質條件以及結構斷面尺寸專門進行設計製造，一般不能簡單地在其他隧道中重複使用；

2）隧道曲率半徑過小或隧道頂覆土太淺時施工難度較大；

3）在富水鬆軟土層中，地表沉降難以控制，對襯砌整體防水技術要求很高；

4）對水底隧道，覆土太淺時施工不夠安全；

5）採用全氣壓法疏乾和穩定地層時，施工條件差，對勞動保護要求較高 ^[1]  。

隧道防水堵漏技術

1、國內外隧道建設及防水情況國內外已建成大量地鐵、隧道，逐步形成了較成熟的結構設計計算理論與工程實踐體系，但是在隧道及地下工程的防水方面認識則相對落後。地鐵不可避免地要經過含水量較高的地層（如上海地鐵所處地層大多為飽和含水軟粘土層），所以必將受到地下水的有害作用。如果沒有可靠的防水、堵漏措施，地下水就會侵入隧道，影響其內部結構與附屬管線，乃至危害到地鐵的運營和降低隧道使用壽命。盾構隧道滲漏水的位置是管片的接縫、管片自身小裂縫、注漿孔和手孔等。其中以管片接縫處為防水重點。通常接縫防水的對策是使用密封材料，以西德為代表的歐洲方面，採用非膨脹合成橡膠，靠彈性壓密，以接觸面壓應力來止水，以耐久性與止水性見長。德國PHOENIX公司提供的隧道襯砌合成橡膠墊就是其中較典型的形式。以日本為代表的方面，則採用水膨脹橡膠，靠其遇水膨脹後的膨脹壓止水。它的特點是可使密封材料變薄、施工方便，但耐久性尚待驗證。國內主要採用水膨脹橡膠，並已開始研究開發水膨脹類材料與密封墊兩者的複合型。

2、盾構法隧道的防水設計方法防水方法包括結構自防水和其它附屬措施，如管片外防水塗層、管片接縫防水、做二次襯砌等。

2.1管片結構的自防水結構自防水是首選的防水措施，主要方法為管片材料採用防水混凝土。地鐵結構物一般用普通防水混凝土，而盾構隧道襯砌由預製管片拼裝而成，多用外加劑防水混凝土，抗滲可達S12以上，滲透係數K<10-11cm/s.

2.2管片外防水塗層管片外防水塗層需根據管片材質而定，凡有較深裂紋的管片一般都要增加外防水塗層。對鋼筋混凝土管片而言，一般要求：①塗層應能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下仍保持完好；②當管片弧面的裂縫寬度達0.3mm時，仍能抗0.6MPa的水壓，長期不滲漏；③塗層應具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高；④塗層應具有良好的抗化學腐蝕、抗微生物侵蝕能力和足夠的耐久性；⑤塗層要有良好的施工季節適應性，施工簡便，成本低廉。但應指出，若管片製作質量高，採用抗侵蝕水泥，不做外防水層也是可以的。

2.3管片接縫防水管片接縫防水包括彈性密封墊防水、嵌縫防水和向接縫內注入聚氨酯藥液等。下面介紹可靠性高的彈性密封墊防水的各種要求：（1）功能要求①短期防水要求密封材料因壓縮產生的接觸面應力大於設計水壓力；②長期防水要求接觸面應力不小於設計水壓力；③密封墊在設計水壓力下允許張開值應滿足下式：δ≤BD/（ρmin—0.5D）十δ。十δs式中：δ——環縫中彈性防水密封墊在設計水壓力下允許的縫張開值（mm）；ρmin——隧道縱向撓曲的最小曲率半徑（mm）；D——襯砌外徑（mm）；B——管片寬度（mm）；δ。——生產、施工中可能產生的環縫間隙（mm）；δs——鄰近建築物引起的接縫張開值（mm）。（2）耐久性要求包括防水功能耐久性、耐水性、耐動力疲勞性、耐乾濕疲勞性、耐化學腐蝕性等。（3）密封材料種類可分為單一材料的、合成材料的及水膨脹的。現多采用水膨脹橡膠。它大大改善了盾構法隧道的防水性，是今後的發展方向。在設計時必須根據實際情況確定合適的膨脹倍率、膨脹時間及環境可能造成的影響。

3、隧道滲漏水機理引起隧道滲漏水的原因主要是防水材質不良或違反操作規程造成的，具體可分為以下幾類：

①管片在製作時養護不合理，表面出現氣孔和龜縮裂縫；管片在運輸、拼裝中受擠壓、碰撞，缺邊掉角；

②水膨脹橡膠粘貼不牢，或下坡時過早浸水使膨脹止水效果降低；

③管片拼裝質量差，螺栓未擰緊，接縫張開過大；

④手孔、螺栓孔、注漿孔等薄弱部位未加防水墊片，封孔施工質量差。

盾構法對樁基的影響

隨着國家經濟的迅速發展，我國地下鐵道的建設正進人快速發展時期，盾構法技術在我國地下鐵道的建設中必將得到更加廣泛的應用。盾構法施工技術雖然隨着機械性能的改進已有很大的發展，但盾構推進仍不可避免地擾動土體，引起地層變形及地面沉降，在軟土地層中進行施工時影響更大。以上海的軟土為例，上海市區土層的基本特性是土壤顆粒細(粒徑為0．O02～0．1mm)、含水量高、孔隙比及壓縮性大、抗剪強度低、靈敏度高和透水性低，加上各類土層互層及存在儲水透鏡土，使上海軟土成為在國內外都有名的軟弱地層。尤其是盾構隧道穿越部位的土體多為含水流塑或軟塑黏土層，其含水量高達40% 以上，並具有較大的流變性特徵。此外，為避開樁基及建築物基礎等設施，上、下行地鐵隧道的問距常需要減小，必要時佈設為複雜卷麻花狀，兩條隧道呈上、下近距離交疊狀，進入車站前轉換為左、右平行隧道，使盾構推進更易擾動周圍土體，引起地表沉降及地層變形。當地層變形超過一定限度時，會嚴重危及鄰近建築物和地下管網等的安全，甚至發生災害事故。所以，在施工前需要準確預測由盾構隧道施工引起的地表及地層變形的大小，並評估其對周圍建築物的影響，及在必要時修改設計方案或施工方法，以使地層變形得到控制。國內外學者的研究指出，在軟土城市中採用盾構法建造隧道時引起地層移動的主要原因有在施工過程中的地層損失，由地層開挖所引起的初始應力狀態的改變，受擾動土體的固結、蠕變及襯砌結構變形等。這些因素影響地層變形的程度不僅取決於地層土體的性質及採用的結構方案和設計措施的有效程度，而且都與施工方法的合理選擇及施工質量的嚴格管理有關。由此可見，為使盾構隧道施工的安全性得到控制，不僅應注意採用合適的方法精心設計，而且需要通過加強管理做到精心施工 ^[1]  。