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创造地下空间的盾构工法技术

2005-05-20 00:00    【  【打印】【我要纠错】

  引言

  处在海平面以下40m的竖井处,贴耳于井壁上时,可听到逐渐临近传来的盾构机声音,然后恢复到寂静。

  从地平面下70m深的竖井内,φ9.1m的泥水盾构始发推出。日本最大级别深度的东京煤气扇岛工厂受配管用的海底隧道,在海底下地层中掘进了530m长度后到达了海底竖井,转瞬间便停止了盾构机。

  此盾构机掘进工程是在1995年3月6日~同年9月8日的6个月时间内,包括竖井筑造、下沉,盾构始发乃至到达的防护等准备工程,以21个月、在700KPa的高水压力下,完成了一条完全不渗漏水的盾构隧道,成为日本盾构工法技术处在世界第一流水准的又一个佐证。

  盾构掘进的发源,是在1818年英国人M·I布鲁湟尔,在伦敦市泰晤士河岸所设置的深度为21m的工作坑处,采用“盾构”推出挡土结构,是以工作坑后壁为支承墙,通过所使用的螺旋千斤顶作为推进动力,把这个“挡土式盾构”作了推进。途中,由于河床土体坍塌、浸水事故而中断。后来到隧道贯通时实际上是花了 20多年的时间,此时,作为盾构机的创始人布鲁湟尔已成了72岁的古稀老人了。发展到今天的盾构工法,乃是这位布鲁湟尔的热情散发到顶端所至。

  此后,在1887年的南伦敦铁路隧道工程中,兼用了气压施工法的盾构推进,构筑了盾构工法的基础。

  到了1890年时代,尽管美国、德国、法国等国多半也使用了盾构工法应用于隧道建设中。还使用了半盾构(顶板盾构)、椭圆形、马蹄形、矩形等盾构。

  在日本,通过学习欧美的技术,大约在1940年开始,采用盾构工法在地下铁道、下水道等建设中,1970年后又开发了密闭型工法,并有了飞跃的发展。在1989年时横贯英法海峡隧道工程中,是采用了日本制造的土压式盾构机,领先于世界直到如今。

  以下,就盾构工法在日本的引进、发展,并对今后的展望作一试叙。

  日本的盾构工法

  1. 盾构工法的引进和发展

  在日本最初成功的盾构工法,是国铁关门海底隧道工程(1939~1944),在门司方的不良地基中上行线405m,下行线725m之中,是使用φ7.2m 的人工挖掘式盾构机,兼用了气压施工法和化学药液注浆法进行了施工。通过这项工程,可以认为是确立了日本的盾构工法的技术。

  是在1953年的关门公路隧道和1957年的帝都高速交通营团4号线永田町2工区中,使用的是顶板盾构,再有,是名古屋市的地下铁道觉王山隧道中,是兼用气压施工法的人工开挖盾构施工的。

  在此以后,由于要面向1964年的东京奥林匹克的工程,随着经济的高度成长,要求城市设施建设工程急剧增加,建设工程有时也带来的公害明显化了。人工开挖式盾构工法的使用就此替代了以往的城市隧道中的明挖工法。在此时期内,伴随着盾构掘进,作为对付地下水的对策便是降水工法和气压工法,而作为对付地基沉降等的措施,则是兼用了化学药液注浆法等的辅助工法。

  在普及盾构工法的同时,希望能开发在缩短工期、省力化、对付复杂地基等问题上的盾构工法,而机械式掘进盾构工法是在1963年大阪市上水道大淀输水管道 (φ2.6m,长度227m)中,是首先使用的新的盾构。第二年在大阪市地下铁道工程中,使用了φ6.97m,掘进长度达668.4m大断面机械掘进式看构工法,各制造厂方、公司致力于机械掘进式盾构机的开发并推向实用化阶段。

  2. 密闭型盾构工法的开发

  作为辅助工法的气压工法或者是化学注浆工法使用的结果,是可能发生缺氧事故,化学浆液为害事故或隧道内火灾事故。在摸索这些事故的对策之中,成为泥水式盾构和土压式盾构工法的先后诞生过程。

  泥水式盾构的原理,是在1961年由法国卡姆诺培罗纳笃公司设想出来的,而在日本是用于1967年帝都高速交通营团地下铁道的9号线神田川工区主线工程的引水隧道(φ3.1m、长度312m)中使用过泥水盾构工法。泥水盾构工法是对原封不作改变的机械化盾构的切削刀盘部分,用隔墙密闭化、用压送泥水至开挖面上,而用排泥阀按流体方式输送掘削土碴的。作为大型隧道断面的使用,是在1969年,日本铁道建设公团京叶线的羽田隧道,在贯穿森崎运河工区中,采用了 φ7.29m、长度为856m×2线路工程,曾引起国外有关人士的较大关注。

  此外,在1974年由日本独自开发了土压式盾构。这种盾构工法,也还是在机械化盾构机的切削刀盘后面设置了隔墙,采用螺旋输送机进行排出土碴,将密闭舱内掘削土经混合搅拌机构搅拌成泥土化,是通过给予所规定的压力来求得开挖面的稳定。作为土压式盾构工法的改良型,是在切削器的密闭舱内注入添加材料(加泥材料、泥浆材料),开发了藉助搅拌叶轮的混合泥土加压式盾构工法,土压式盾构工法可能应用的范围逐渐地在扩展。泥土加压式盾构工法首先采用的是在1976年东京都水道局本地区的水管建设工程中。作为使所用的添加材料,是使用气泡、使得掘削土的流动性能和止水性能得以提高的气泡(泡沫)盾构工法。

  泥水式和土压式等的密闭型盾构工法改善了施工坑道内的大气压力作业的环境,不再有漏气、缺氧等问题产生,也为谋求工程区域周围的环境保护得到保证,已成为今后盾构工法的主流了。

  3.盾构工法的多样化

  由于密闭型盾构工法的实用化,对于开挖面的稳定和地基沉降等对周边环境的影响变小了,盾构工法成为对付地下铁道、上下水道、电力通信、道路、地下河渠等大规模的隧道工程施工条件不利情况下施工的主力军。

  此外,当进入到廿世纪八十年代的后半时期,成为对于这些隧道中对应的规模、形状、线形、自动化、省力化、降低成本等多种需要,开展了工程总承包商和制造商相互之间技术竞争的动力。

  (1) 大断面化

  在克服开挖面的稳定和物资、机械、材料组合的功效化课题,以φ14.14m的横贯东京湾道路为起点,所进行了大断面铁路、公路、地下河流等大直径隧道施工。

  (2) 大深度化

  由于城市中比较浅的地下空间皆为已设置的构筑物云集占据,要新建隧道必须变深,便成为要施工深度在下60~70m的隧道,要提高盾构机和管片的承压性,耐久性,乃是往大深度、高水压施工的必要具备的条件。

  (3) 长距离化

  在过分密集的市中心部分,对于难以保证竖井用地的情况下,通过对盾构机等功效的有效使用,把降低造价为目标,要求使用1台盾构机作长距离的掘进。在此情况下,成为盾构机的耐久性,切削刀头的更换技术,掘削土碴的处理设备,物资器材高速度输向开挖面的设备等课题。正在出现施工长度为6.5km的工程实绩。

  (4) 断面的最佳化

  通常,工程费用是与掘削断面呈正比例的,此外,受到用地的制约,求得兼能符合使用目的形状,尽量减少断面面积的隧道。根据这样的需要,就此不断地开发了 MF、DOT、H

  (5) 隧道衬砌、地下对接技术

  作为缩短工期、降低造价的技术开发之一,乃是开发了不使用预制管片衬砌块,而是在盾构中直接设置模板,在现场就地浇筑隧道衬砌的ECL工法。此种场合下,从两侧方向掘进而至的盾构机,作会在地层中进行盾构的接合技术,而开发发地层土冻结工法,MSD工法等项目。

  4.在海外的评价

  在1994年5月开业的英法海峡隧道(长度49km)工程的几个主要区段中,在设计、制作、维修保养等方面,全面地使用了日本的盾构机。

  留传下来的均为优秀的施工实绩,日本的盾构技术和长期从事这方面的有关人员的努力,成为海外评价的对象。

  今后的技术课题和展望

  根据以英法海峡隧道,或者是横贯东京湾海底隧道为代表的大深度、大断面隧道掘削技术的发展和大城市圈内基础设施用地难以保障的背景,于2000年5月成立了“关于大深度地下公共使用特别措置法”,地下开发技术再一次引起人们的注意。

  特别是对铁路、公路等的地下长大构筑物的盾构工法上的期待是很大的,对今后,不用说在确保质量的前提下,期望以安全、高速度、低价格的施工为目标的技术开发。具体地可举出如下的几个方面的技术课题。

  大深度(盾构机等的密封、始发、到达方法、排土机构……)

  大断面化(盾构机的方向控制、管片接头、拼装方法……)

  长距离化(掘削土碴的搬运、管片的搬运、切削刀头的修补、更换、作业人员的安全卫生……)

  地层障碍物处置(原设构筑物的基础桩、流放木段等排除……)

  在市中心部分的施工(地面上临时设施的紧凑化、降低噪声、振动……)

  最近,作为新型的盾构工法之一,发表了关于几只盾构必须成为整体方式的掘进,做到可任意地分岔地下道路坡道等合理施工的构想,已可看到盾构工法技术高度化的先兆。对于社会的需求,期待着技术人员作出更进一步的钻研成果。

延伸阅读:地下空间 盾构工法
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