巖土工程師綜合輔導(dǎo):巖土創(chuàng)造地下空間的盾構(gòu)工法技術(shù)

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處在海平面以下40m的豎井處,貼耳于井壁上時,可聽到逐漸臨近傳來的盾構(gòu)機聲音,然后恢復(fù)到寂靜。
    從地平面下70m深的豎井內(nèi),φ9.1m的泥水盾構(gòu)始發(fā)推出。日本級別深度的東京煤氣扇島工廠受配管用的海底隧道,在海底下地層中掘進了530m長度后到達了海底豎井,轉(zhuǎn)瞬間便停止了盾構(gòu)機。
    此盾構(gòu)機掘進工程是在1995年3月6日~同年9月8日的6個月時間內(nèi),包括豎井筑造、下沉,盾構(gòu)始發(fā)乃至到達的防護等準備工程,以21個月、在700KPa的高水壓力下,完成了一條完全不滲漏水的盾構(gòu)隧道,成為日本盾構(gòu)工法技術(shù)處在世界第一流水準的又一個佐證。
    盾構(gòu)掘進的發(fā)源,是在1818年英國人M·I布魯湟爾,在倫敦市泰晤士河岸所設(shè)置的深度為21m的工作坑處,采用“盾構(gòu)”推出擋土結(jié)構(gòu),是以工作坑后壁為支承墻,通過所使用的螺旋千斤頂作為推進動力,把這個“擋土式盾構(gòu)”作了推進。途中,由于河床土體坍塌、浸水事故而中斷。后來到隧道貫通時實際上是花了 20多年的時間,此時,作為盾構(gòu)機的創(chuàng)始人布魯湟爾已成了72歲的古稀老人了。發(fā)展到今天的盾構(gòu)工法,乃是這位布魯湟爾的熱情散發(fā)到頂端所至。
    此后,在1887年的南倫敦鐵路隧道工程中,兼用了氣壓施工法的盾構(gòu)推進,構(gòu)筑了盾構(gòu)工法的基礎(chǔ)。
    到了1890年時代,盡管美國、德國、法國等國多半也使用了盾構(gòu)工法應(yīng)用于隧道建設(shè)中。還使用了半盾構(gòu)(頂板盾構(gòu))、橢圓形、馬蹄形、矩形等盾構(gòu)。
    在日本,通過學(xué)習(xí)歐美的技術(shù),大約在1940年開始,采用盾構(gòu)工法在地下鐵道、下水道等建設(shè)中,1970年后又開發(fā)了密閉型工法,并有了飛躍的發(fā)展。在1989年時橫貫英法海峽隧道工程中,是采用了日本制造的土壓式盾構(gòu)機,于世界直到如今。
    以下,就盾構(gòu)工法在日本的引進、發(fā)展,并對今后的展望作一試敘。
    日本的盾構(gòu)工法
    1. 盾構(gòu)工法的引進和發(fā)展  在日本最初成功的盾構(gòu)工法,是國鐵關(guān)門海底隧道工程(1939~1944),在門司方的不良地基中上行線405m,下行線725m之中,是使用φ7.2m 的人工挖掘式盾構(gòu)機,兼用了氣壓施工法和化學(xué)藥液注漿法進行了施工。通過這項工程,可以認為是確立了日本的盾構(gòu)工法的技術(shù)。
    是在1953年的關(guān)門公路隧道和1957年的帝都高速交通營團4號線永田町2工區(qū)中,使用的是頂板盾構(gòu),再有,是名古屋市的地下鐵道覺王山隧道中,是兼用氣壓施工法的人工開挖盾構(gòu)施工的。
    在此以后,由于要面向1964年的東京奧林匹克的工程,隨著經(jīng)濟的高度成長,要求城市設(shè)施建設(shè)工程急劇增加,建設(shè)工程有時也帶來的公害明顯化了。人工開挖式盾構(gòu)工法的使用就此替代了以往的城市隧道中的明挖工法。在此時期內(nèi),伴隨著盾構(gòu)掘進,作為對付地下水的對策便是降水工法和氣壓工法,而作為對付地基沉降等的措施,則是兼用了化學(xué)藥液注漿法等的輔助工法。
    在普及盾構(gòu)工法的同時,希望能開發(fā)在縮短工期、省力化、對付復(fù)雜地基等問題上的盾構(gòu)工法,而機械式掘進盾構(gòu)工法是在1963年大阪市上水道大淀輸水管道 (φ2.6m,長度227m)中,是首先使用的新的盾構(gòu)。第二年在大阪市地下鐵道工程中,使用了φ6.97m,掘進長度達668.4m大斷面機械掘進式看構(gòu)工法,各制造廠方、公司致力于機械掘進式盾構(gòu)機的開發(fā)并推向?qū)嵱没A段。
    2. 密閉型盾構(gòu)工法的開發(fā)
    作為輔助工法的氣壓工法或者是化學(xué)注漿工法使用的結(jié)果,是可能發(fā)生缺氧事故,化學(xué)漿液為害事故或隧道內(nèi)火災(zāi)事故。在摸索這些事故的對策之中,成為泥水式盾構(gòu)和土壓式盾構(gòu)工法的先后誕生過程。
    泥水式盾構(gòu)的原理,是在1961年由法國卡姆諾培羅納篤公司設(shè)想出來的,而在日本是用于1967年帝都高速交通營團地下鐵道的9號線神田川工區(qū)主線工程的引水隧道(φ3.1m、長度312m)中使用過泥水盾構(gòu)工法。泥水盾構(gòu)工法是對原封不作改變的機械化盾構(gòu)的切削刀盤部分,用隔墻密閉化、用壓送泥水至開挖面上,而用排泥閥按流體方式輸送掘削土碴的。作為大型隧道斷面的使用,是在1969年,日本鐵道建設(shè)公團京葉線的羽田隧道,在貫穿森崎運河工區(qū)中,采用了 φ7.29m、長度為856m×2線路工程,曾引起國外有關(guān)人士的較大關(guān)注。
    此外,在1974年由日本獨自開發(fā)了土壓式盾構(gòu)。這種盾構(gòu)工法,也還是在機械化盾構(gòu)機的切削刀盤后面設(shè)置了隔墻,采用螺旋輸送機進行排出土碴,將密閉艙內(nèi)掘削土經(jīng)混合攪拌機構(gòu)攪拌成泥土化,是通過給予所規(guī)定的壓力來求得開挖面的穩(wěn)定。作為土壓式盾構(gòu)工法的改良型,是在切削器的密閉艙內(nèi)注入添加材料(加泥材料、泥漿材料),開發(fā)了藉助攪拌葉輪的混合泥土加壓式盾構(gòu)工法,土壓式盾構(gòu)工法可能應(yīng)用的范圍逐漸地在擴展。泥土加壓式盾構(gòu)工法首先采用的是在1976年東京都水道局本地區(qū)的水管建設(shè)工程中。作為使所用的添加材料,是使用氣泡、使得掘削土的流動性能和止水性能得以提高的氣泡(泡沫)盾構(gòu)工法。
    泥水式和土壓式等的密閉型盾構(gòu)工法改善了施工坑道內(nèi)的大氣壓力作業(yè)的環(huán)境,不再有漏氣、缺氧等問題產(chǎn)生,也為謀求工程區(qū)域周圍的環(huán)境保護得到保證,已成為今后盾構(gòu)工法的主流了。