浅谈国内外盾构法施工的发展及其趋势

浅谈国内外盾构法施工的发展及其趋势

摘要：本文介绍了盾构法施工国内外研究现状，及存在的问题。

关键词：盾构法施工;发展;趋势;问题

一、盾构法施工----实测数据回归法

实测数据回归是指通过对现场收集资料的回归与分析，用数理统计法从所得数值中回归出预测沉降的数学表达式。

1956年，两位英国教授Skempton最早就这一问题进行书面论述。他们提出一个衡量建筑物危险程度的临界指标，“角变扭曲度”（即δ/L，其中δ表示地面局部沉降量，L表示减去倾斜影响后的建筑物长度）[9]。保证建筑物安全的角变扭曲度应小于1/1000。

1969年，美国R.B.Peck通过对隧道地表沉降的实测数据分析，提出了地表沉降曲线近似于概率论中正态分布曲线，认为施工引起的地表沉降是在不排水的条件下由地层损失所引起，地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积[10]。并提出地面沉降横向分布估算的公式为：

式中：—距隧道中心距离为处的地面沉降量（m)；

—沉降槽体积，也称地层损失量（推进每米)；

—隧道中心处的最大沉降量（m)；

—曲线反弯点的横坐标（m) ，亦称沉降槽宽度系数。

在墨西哥举行的国际土力学地基基础会议上，R.B.Peck作了著名的“State-of-the-Art Report”报告，对17例隧道工程进行了研究[11]。此外R.B.Peck 还介绍了加有气压情况下开挖面稳定条件，开挖面到达之前发生的地面沉降的实例等。

1977年，半谷在东京举行的第九届国际土力学和地基基础会议的论文集内，整理了适用于地铁的25件关于盾构隧道的58例实测数据，给出了地表最大沉降量和地层条件的关系[12]。如表1-1所示：

表1-1地表最大沉降量和地层条件的关系

英国是世界上最早修建地下铁道的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降问题研究较多。它们的大部分工作是由TRRL (Transport and Road Research Laboratory）所进行的。Clough & Schmidt (1974）在其关于粘土隧道工程的著作中，提出了饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数i由如下公式求取[13]：

式中：Z ― 地面至隧道中心深度（m)

R ― 隧道半径（m）。

欧洲其它许多国家和美国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表沉降问题进行了许多研究，他们大都采用Peck公式或基于英国学者所提出的以经验公式为主的方法进行预计[13]。

日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注。1982年，日本学者藤田进行了“软弱土地层中隧道工程不同施工方法对地层的影响有何差别”方面的研究，整理了由于盾构掘进造成的沉降槽的74例工程实践情况。研究结果表明，隧道掘进引起的地表沉降槽与Peck的沉降槽非常接进。

1985年，Hurrell通过4个工程实例研究出与时间相关的固结作用，从中推导出长期的最大沉降量的表达式[14]：

式中：─长期最大沉降量；

─短期最大沉降量；

─简单超载系数；

─系数，。

适用于6mm≤s≤63mm的施工情况。

同济大学的侯学渊等（1987）对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行计算分析，并与现场测试结果对比，提出了考虑到固结因素的Peck 修正公式[15]。

20世纪90年代以来，在矿山工程中研究开采矿石对地面影响的随机介质理论和方法，开始被应用于地铁工程（北京及深圳），刘宝深等许多研究者应用随机介质理论，研究了近地表开挖引起的地表移动和变形问题。

二、国内外盾构法施工的发展

1823～1843年，法国人Marc Brunnel首次在伦敦泰晤士河下修建了一条世界上第一条盾构法施工的隧道，全长458m，断面为11.3m×6.7m[29]。1887年，英国人Greathead在南伦敦铁路隧道工程中组合使用盾构和气压施工法进行施工全长403m，直径2.2m,奠定了现代盾构法施工的基础[30]。1931年前苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆和冻结工法[31]。

随着盾构设备设备制造与盾构工法的发展、进步和不断完善，1960年英国伦敦开始使用滚筒式掘进机，同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构机。1965年，我国上海用两台5.8m的网格盾构开挖了两条平行的长660m的隧道，1966年上海又用盾构法建造了中国第一条水底公路隧道—打浦路隧道，外径10m，长1320m；1967年日本埼玉排水管道隧道最先采用泥水式盾构，1974年日本东京排水管道水元干线首先研发使用土压平衡盾构，1978年盾构掘进的现浇衬砌工法在德国汉堡取得专利，1988年双圆形盾构用于日本东京JR京叶线施工；1987年，上海市南站成功使用了国内第一台直径4.35m的加泥式土压平衡盾构,掘进长度583m；1993年密封式椭圆形盾构应用于日本东京排水管道新大森干线，同年纵横连续掘进的球形盾构在川崎排水管道观音河雨水贮留池工程首先使用，同年密封式矩形盾构在千叶排水管道菊田川干线施工中使用，1995年三联多圆形盾构在大阪地下车站部首先使用。2001年，荷兰鹿特丹—阿姆斯特丹高速铁路支线隧道,曾是世界直径最大的14.87m隧道开始掘进,全长7156m；2003年6月，中国当时最大的盾构法隧道翔殷路隧道开工建设，总2473m，直径11.58m；2003年9月，中国首条双圆隧道始发段在轨道交通8号线的隧道掘进施工获得成功。

三、存在问题

1. 盾构施工对岩土环境影响的研究，大多集中于地表面变形的经验预估、

数值模拟方面，而对引起地层移动和变形的土体扰动以及扰动土性质研究较少。实验室中进行了一些土样扰动的研究，但盾构掘穿土层一般为天然状态在实验室里是难以仿造的，盾构机的掘进状况在实验室也是难以做到的，因此实验结果和实际盾构掘进情况有较大差别的，在理论上研究仍显不足且缺乏评价指标。

2. 盾构施工引起的地表沉降是三维的，而文献中较多以二维平面问题分析盾构施工地层变形都是对该问题的简化处理，具有局限性。

3. 对由于施工参数和土体的工程性质不同对土体变形的影响研究的也不多，而实际上，它们对土体的变形都有非常重要的影响。

4. 文献中对个别因素对变形和位移的影响研究的较多，而对多个因素同时作用时的效果研究的较少。

5. 盾构施工参数不同对土体的扰动范围与影响程度不同，如何选择合理的盾构施工参数，有效地控制地表变形，仍然是设计与施工中面临的一个问题。

6. 既有的理论都是建立在具体工程实例基础上，对所选用的工程适用性较强，但对其它盾构工程往往却不适用，并且受地质条件变化的影响很大，因此公式中各中系数的正确取值将直接影响到这些公式的适用性。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开