盾构法：隧道工程中的关键技术

1．盾构法及其工作原理

盾构法是以“盾构（shield）”这种施工机械在地面以下暗挖隧道的施工方法。“盾构”是一种集支承地层、推进、挖土、衬砌等多种作业于一体的大型暗挖隧道施工机械。盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全地进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法”。按照这个定义，盾构施工法由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。

盾构法施工的概貌如图12-2-1所示。盾构施工时，先在隧道某段的一端建造竖井（工作井）或基坑，将盾构组装就位。然后利用竖井的后壁作为推进基座，由盾构千斤顶将盾构从工作井井壁开孔处顶出工作井，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。在推进过程中不断地从开挖面排出土体，推进中受到的地层阻力通过千斤顶传至盾构尾部已经拼装好的预制衬砌管片上，在盾尾内拼装预制的管片衬砌。

图12-2-1　盾构法施工概貌

2．盾构法的发展

盾构法施工的构思是由法国工程师布鲁诺（Brunel）在船板上蛀虫钻孔的启示下于1818年提出的，1823年用于修建英国伦敦泰晤士河隧道。19世纪末到20世纪中叶，盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得到不同程度的发展。20世纪60—80年代盾构工法继续发展完善，开发了多种新型盾构工法，并以泥水式、土压式盾构工法为主。(www.xing528.com)

盾构在我国的起步较晚，1963年第一台国产盾构正式问世，2008年中铁隧道集团在引进消化吸收和自主创新的基础上，研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡式盾构。当前，我国已经掌握了多种类型盾构的设计制造技术，我国的盾构产业已经初具规模。

3．盾构法的特点和适用条件

经历了200年的发展后，盾构法已广泛用于城市中修建地下铁道、上下水道，电力、电缆沟隧道，市政公用设施，水底隧道等地下工程，有其特殊的优势。

盾构法施工的优点主要有：① 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，穿越城市地层时，施工噪声和振动很小，对地面环境影响较小，不影响地面交通，穿越水下地层时不影响河道航运；② 由于有盾构的保护，挖掘和衬砌等工作比较安全，这是盾构法的最大特点，其安全性不仅表现为工作人员安全，更表现为能够有效避免围岩坍塌和涌水、流砂等工程事故；③ 盾构的推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，易于施工管理，全过程可实现机械化、自动化作业，施工人员较少，施工速度快，工人劳动强度低；④ 隧道的施工费用基本不受埋深的影响，适合修建覆土深的隧道；⑤ 施工本身基本上不受季节、风雨等气候和天气条件影响；⑥ 不必进行施工降水，对水文环境影响小。因此，在地质差、地下水位高的地段，特别是修建长隧道（隧道长度L＞750 m）时，与明挖法相比，盾构法在经济性、施工进度以及技术上都有着较大的优势。

盾构法的不足之处有：① 盾构法多用于软土地层，如隧道覆土太浅，开挖面难以稳定，所以要确保一定厚度的覆土，一般埋深应大于1.0D（D为盾构的直径）；② 盾构施工时，在地面一定影响范围内，将引起地表隆起和沉陷，需要采取严格的技术措施来控制沉陷；③ 当隧道曲线半径过小（R＜200D）时，掘进施工较为困难；④ 盾构法施工所用的拼装式衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高；⑤ 盾构机价格较高，工程初期投资较高。

近年来，随着盾构机械设备和盾构法施工工艺的不断发展，盾构法适应各种困难条件的能力大为提高。各种断面形式和具有特殊功能的盾构机械（急转弯盾构、扩大盾构法、地下对接盾构等）的相继出现，使其应用范围不断扩大。可以说，只要地质条件与埋深条件符合要求，就可以用盾构法修建包括地铁车站在内的主要地铁结构。