盾构法水下隧道工程技术的发展

通过向压力舱注入添加剂并搅拌舱内土体，以改 良其流塑特性，土压平衡盾构也可以扩大其适用范围， 但对粗颗粒砂土为主的地层（如渗透系数大于０．ｏｏｌ ｍ／ｓ）则土压平衡盾构不甚适用。同样，对细颗粒粉土
为主的地层，如采用泥水平衡盾构，则地面泥水分离系 统的成本将大大提高，泥水平衡盾构不甚适用。
针对水下隧道大断面、高水头和长距离的发展趋 势，盾构工法的技术发展主要集中在１）高水压和波动 水压下及时和精确控制工作面的支护压力；２）开挖刀 具磨损程度的监测、刀具维护和更换；３）复杂地层和 地下障碍物的超前预报。
ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｓｈｉｅｌｄ－ｂｏｒｅｄ ＴｕｎｎｅＩｓ
Ｗ．Ｗ．Ｙａｎｇ （＾缸ｕ船ｅｆｆ ＡＥＣＤ肘。．ｓｋ凡如ｅｎ ５１８００１，ＧⅡａｎｇ幽昭，∞ｉ眦）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｓ ａ ｍａｉｏｒ ｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ ｕｎｄｅｍｅａｔｈ ｓｅａｓ ａｎｄ ｒｉｖｅｒｓ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｒｉｍａ“ｌｙ ｆｂｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｌａ唱ｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎｓ，ｈｉｇｈ ｇｍｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｐＩ．ｅｓｓｕＩ℃ａｎｄ ｌｏｎｇ ｂｏ—ｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｐＩＤｇｒｅｓｓ ｉｎ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｙ ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｈｉｅｌｄ— ｂｏｒｅｄ ｔｕｎｎｅｌｓ ｂｕｉｌｔ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ－ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｕｎｎｅｌ，Ｔｏｋｙｏ Ｂａｙ Ｓｕｂ—ｓｅａ Ｔｕｎｎｅｌ， Ｅｌｂｅ Ｔｕｎｎｅｌ：４ｔｈ Ｔｕｂｅ，Ｗｅｓｔｅｒｓｃｈｅｌｄｅ Ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄＳ：ｓｈｉｅｌｄ／ＴＢＭ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｕｎｎｅｌ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｆｉｇ．４
图４ 混合空气和泥水加压型盾构机
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｌｕ丌ｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ
２ 英法海底隧道（１９８７—１９９３）
英法海底隧道从最狭窄的海峡处连接英国多佛尔 和法国加来，海峡水面宽度约３７ ｋｍ，最大水深约４０ ｍ。２条长５０ｋｍ、直径７．３ ｍ的铁路隧道穿越英吉利 海峡海底岩石地层，平行主隧道相距约３０ ｍ，在其中 间设置１条直径４．５ｍ的辅助隧道，纵向每隔３７５ｍ设 置横通道与两侧主隧道连通，供隧道通风、维修使用， 并作为故障应急通道。
ｎｅｌ ｃｏｍｐｌ烈
３ 日本东京湾公路盾构隧道工程（１９８７一 １９９７）
日本东京湾高速公路工程横跨东京湾连接东京都 与干页县，采用桥梁和隧道跨越东京湾，海上部分由３ 段组成：长约９．１ ｋｍ的海底盾构隧道穿越川崎侧的繁 忙航道；长约４．４ ｋｍ的海上桥梁跨越水深较浅的木更 津侧；川崎侧岸边浮岛的引道。５１。为了缩短盾构机掘 进海底软土地层的距离和满足隧道运营通风的要求， 在海中建造了川崎人工岛并建造永久通风塔，由川崎 人工岛中出发井各２台盾构机分别向东、西方向掘进； 在隧道西端建造了木更津人工岛作为海中桥隧转换人 工岛，由岛卜出发井２台盾构机向西掘进，与由川崎人 工岛向东掘进的２台盾构在东侧海底地层对接；在隧 道东端的岸侧浮岛上出发井２台盾构机向东掘进，与
主要工程方法，其发展趋势主要集中在如下３个方面： １）大断面，适应不断增长的交通流量；２）高水头，穿越 更深的江河和海峡地层；３）长距离，实现更宽阔河口 和海峡的隧道通道。
以上３Байду номын сангаас面的工程发展要求，给盾构工法和沉管 隧道工法带来了多方面的技术挑战。
对盾构工法，技术发展集中在１）大断面在高水头 下开挖工作面的稳定性；２）高水头压力下盾构机装备 止水的可靠性；３）一次性长距离钻挖，刀具的可维护 性和可更换性。近几十年来建成的多座大型海峡通道 盾构隧道工程，极大地丰富和发展了水下隧道工程的 技术。结合多项标志性的隧道工程，阐述水下盾构隧 道－Ｔ程技术的发展水平和面临的挑战。
Ⅳｆ爰。 一一！
ｉ
ｆ、．
压缩空气
泥水
（ａ）空气加压型盾构
（ｂ）泥水加压型盾构
图２ 现代机械式盾构机类型
ｆ。ｉｇ．２ Ｍｏｄｅｍ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｈｉｅｌｄ ｍａ（．ｈｉｎｅ
开挖出的泥土 （ｃ）土压平衡盾构
图３ 土压平衡盾构和泥水平衡盾构的适用范围
Ｆｉｇ．３
Ａｐｐｌｉ。。ｔｉ。。。。。ｐｅ ｏｆ ｅａｎｈ ｐｒｅｓｓｕ陀ｂａｌａｎｃ。。ｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉ。。 蛐ｄ ｓｌｕｒｒｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ
进距离等３大方面。文章就已建成的几大标志性盾构法水下隧道工程（英法海峡隧道、日本东京湾公路隧道、荷兰西斯凯尔特河隧
道、德国易北河第四通道隧道、上海崇明长江通道隧道）就其上程规模和技术特点，讨论水下隧道盾构工法的技术发展。
关键词：盾构；水下隧道；隧道技术
中图分类号：Ｕ ４５５
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７２—７４ｌ ｘ（２００９）０２一０１４５一０７
穿越江河或海峡水下地层时，盾构机开挖工作面 的地下水压力将受上覆水道的波浪压力变化的影响， 钻挖推进时需及时和精确地调整压力舱的压力以维 持工作面的稳定。混合空气和泥水加压型盾构机， 利用双压力舱和压力空气气囊技术，可以比较精确 地调节气囊压力，控制压力精度可达０．０５ ｂａｒ，及时 控制压力舱的泥水压力。图４为混合盾构双压力舱 简图。
Ｆｉｇ．８
图８ 东京湾海底隧道８台盾构机掘进方向（单位：ｋｍ） Ｂｏｒｉｎｇ ｄｉｆＰｃｔｉｔ）ｎｓ（）ｆ ８ ＴＢＭｓ ｕｓｅｄ ｆｂｒ‘Ｉ’ｏｋｙｏ Ｂａｙ Ｓｕｂ—ｓｅａ Ｔｕｎｎｅｌ （ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｊｎ“ｋｍ”）
藏
结苊囤
放射式 冻结管
图９ 盾构机在海底地层对接
Ｆｉｇ．９ Ｄｏｃｋｉｎｇ ｏｆ ＴＢＭｓ ｕｎｄＰｒ ｓｅａｂｅｄ
万方数据
第２期
杨文武： 盾构法水下隧道工程技术的发展
１４７
针对连续掘进复杂变化地层的需要，复合盾构 机可以在钻挖过程中转换运行模式。基于模块化 施工概念和配置隧道内可转换泥水平衡、土压平衡 或半开放模式的装备选项，现代复合盾构技术有能 力克服高地下水位条件复合砂土和岩石等艰难地 店臼【３］ ｏ
①泥水压力舱分隔墙；ｏ开挖泥水压力舱；⑨泥水压力调竹舱；④压缩 气囊舱；⑤压力舱端壁。
２）英国侧盾构机掘进距交会点一定的距离处，作 小角度姿态调整，向下掘进直至于停在法国侧盾构机 的下方，混凝土封灌盾构机；
３）采用小型的隧道挖掘机，开挖１条高２ ｍ、宽ｌ ｍ的施工通道连接到法国侧盾构机工作面；
４）采用隧道挖掘机，从英国侧向法国侧开挖并连
通隧道。 英法隧道工程是当时规模最大、最宏伟的海底铁
为主的砂砾地层，切削下来的土体具有高透水性和低 流塑性的特性，适宜应用泥水平衡盾构技术。
ｌ—铸铁架；２一分块挡｛：板；３一螺旋式千斤顶；４一铁护盾；５一砖衬砌； ６一铸铁架支撑；７一顶进千斤顶。
图ｌ Ｍ．Ｉ．Ｂｒｕｎｅｌ于１８１８年发明的盾构机
Ｆｉｇ．１ Ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｊｎｅ ｉｎｖｅｎｔｅｄ ｂｙ Ｍ．Ｉ．ＢＩＶｎｅｌ ｉｎ １８１８
１）法国侧盾构机掘进并停止到预定的位置，拆解 盾构机；
Ｆｉｇ．５
图５ 英法海底隧道纵剖面（单位：ｋｍ） ｋｎｇｉＩｕｄｉ眦ｌ ｐｍｆｉｌｅ“Ｃｈ锄ｎｅｌ Ｔｕｎｎｅｌ （ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｎ“ｋｍ”）
图６ 英法海底隧道ｌｌ台盾构机掘进方向（单位：ｋｍ）
Ｆｉｇ．６ Ｂｏｒｉｎｇ ｄｉｒｅｃ“ｏｎｓ ｏｆ ｌ ｌ ＴＢＭｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｕｎｎｅｌ （ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｎ“ｋｍ’’）
动工修建连接泰晤士河两岸的人行隧道，开挖时因无 法克服泥水涌入隧道而被迫停工。直到１８２５年，在 Ｍ．Ｉ．Ｂｍｎｅｌ指导下，首次采用盾构法施工，终于于 １８４３年建成第一条泰晤士河隧道，揭开了水下隧道建 设的序幕，更开创了盾构工法的历史。
泰晤士河人行隧道全长４０６ ｍ，采用了法国工程 师Ｍ．Ｉ．Ｂｍｎｅｌ发明的盾构机，采用人工开挖工法和 砖石衬砌结构。Ｂｒｕｎｅｌ于１８１８年发明的盾构机见图
收稿日期：２００９一Ｏｌ—１４；修回日期：２００９—０３—０２ 作者简介：杨文武（１９６４一），男，广东人，１９９６年毕业于香港科技大学土木及结构工程专业，博士，英国皇家特许工程师，香港注册工程师，从事岩土 工程、隧道工程、桥梁工程设计和研究，茂盛工程顾问有限公司经理。
万方数据
隧道建设
第２９卷
１盾构隧道工法 近代水底隧道始建于英国。１８０７年英国在伦敦
路隧道工程，充分展示了现代盾构工法在建造大型跨 海隧道工程的巨大成功，并使隧道施工技术水平和盾 构装备能力得到迅速提升，把盾构机的适用范围推向 一个新阶段。
万方数据
隧道建设
第２９卷
图７ 盾构机在海中岩石地层交会、解体和隧道连通
Ｆｉｇ．７
Ｄ（＂ｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ＴＢＭｓ ｕｎｔｌｅｒ ｓｅａ｝＇Ｐｄ ａｎｆｌ ｔｕｎ—
由川崎人工岛向西掘进的２台盾构在两侧海底地层对 接。共投入了８台直径为１４．１４ ｍ的大型泥水平衡式 盾构在海底地层钻挖和对接，见图８，一次最大掘进距
离为２．８５ ｋｍ。 东京湾隧道丁程成功地应用了一系列盾构新技术
自从１８世纪４０年代首次采用盾构工法人工开挖 建成穿越伦敦泰晤士河的第一条水下人行隧道以来， 世界各国已经修建了数百座的水下交通隧道，成为交 通工程基础设施网络的重要组成部分一ｊ。根据水文 地质条件，水底隧道的主要施工方法包括围堤明挖法、 钻爆法、气压沉箱法、盾构法和沉管法等。现代化的机 械盾构工法和沉管隧道工法，是现代水下隧道建设的
标志着水下隧道盾构工法技术发展的丁程，包括 １）英法海峡盾构隧道工程（１９８７一１９９３）；２）日本东 京湾公路盾构隧道工程（１９８７一１９９７）；３）荷兰西斯凯 尔特河盾构隧道工程（１９９７—２００２）；４）德国易北河第 四通道盾构隧道（１９９７—２００３）；５）上海崇明长江通道 盾构隧道工程（２００５—２００８）。
ｌ。
现代机械式盾构机按压力舱的压力形式，分为空 气压力型盾构、泥水压力型盾构和土压平衡盾构２｜， 如图２所示。
土压平衡盾构和泥水平衡盾构的适用范围主要取 决于地层的水文地质条件，图３所示为土砂砾颗粒分 布特性与盾构适用范围的关系。一般而言，土压平衡 盾构适合挖掘细颗粒粉黏土为主的地层，切削下来的 土体流塑性好、透水性低，充满在压力舱土体压力可以 平衡工作面的压力并维持其稳定性；而对粗颗粒成分
０ 引言 随着活动范嗣的扩大和经济发展的驱动，人类不
断地征服江河和海峡等天然水道屏障，开辟跨越水道 实现联系陆地区域的通道，包括轮渡通航和桥梁、隧道 固定交通通道。水下隧道穿越江河或海峡的水下地 层，是跨越江河、海湾、海峡的安全可靠固定通道。具 有诸多优点：１）不侵占航道的净空和不影响海湾、港 口的航运；２）稳定畅通无阻的通行能力，保证全天候 越江河、海峡通行；３）具有很强的抵御自然灾害和战 争破坏的能力；４）受到四周岩土介质的约束，具有较 大的超载能力和较好的结构耐久性。
第２９卷第２期 ２００９年４月
隧道建设
ｖ。１．２９ Ｎ。．２
————————————————一——一』————一 死ｎｎＰＺ ＩＣ匆ｎ５ｆ川ｃｆｆＤｎ
Ａｐｒ．
２００９
盾构法水下隧道工程技术的发展
杨文武
（ＡＥｃＯＭ茂盛亚洲工程顾问有限公司，广东深圳５１８００１）
摘要：盾构是建造穿越江河、海峡水下隧道的主要工法之一，其工程技术的现代发展趋势主要针对隧道大断面、高地下水头和长掘
隧道穿越的海底地层为透水性低的白垩纪泥 灰岩层，隧道顶的岩石覆盖层厚超过２０ ｍＨｌ，如图 ５所示。
采用１１台土压平衡盾构机在３年内完成了海底 隧道开挖和衬砌。如图６所示为盾构机从位于岸侧的 两蛏井出发，向海中掘进的盾构机在岩石地层交会和 解体。图７示意了英国侧盾构机和法国侧盾构机交 会、解体和隧道连接的步骤。