盾構(gòu) 型與發(fā)展趨勢(shì)

蔣 奇 付云升

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

“盾構(gòu)”一詞在土木工程領(lǐng)域中原義為遮蓋物、保護(hù)物。把外形與隧道橫截面相同，但尺寸比隧道外形稍大的鋼筒或框架壓入地中構(gòu)成保護(hù)掘削機(jī)的外殼，該外殼及殼內(nèi)各種作業(yè)機(jī)械、作業(yè)空間的組合體稱為盾構(gòu)機(jī)，簡(jiǎn)稱盾構(gòu)。盾構(gòu)是一種既能支撐地層壓力、又能在地層中掘進(jìn)的施工機(jī)具。以盾構(gòu)為核心的一整套完成的建造隧道的施工方法稱為盾構(gòu)工法。該工法的主要施工過(guò)程為：建造豎井或基坑（始發(fā)井及接收井）→吊入盾構(gòu)設(shè)備并組裝調(diào)試→盾構(gòu)機(jī)出始發(fā)井并向前掘進(jìn)（掘削土體、保持平衡、出土、拼裝管片、注漿）→盾構(gòu)機(jī)進(jìn)接收井并拆解吊出。

相比明挖法，盾構(gòu)工法存在以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)環(huán)境影響?。皇┕げ皇艿乇憝h(huán)境和天氣條件限制；施工臨時(shí)占地面積和費(fèi)用少；挖土、出土量少；抗地震性好；適用地層范圍寬，軟土、砂卵土、軟巖直到巖層均可適用。

因此，盾構(gòu)工法極為適用于城市隧道的構(gòu)筑。目前盾構(gòu)工法已在城市隧道施工技術(shù)中確立了穩(wěn)固的統(tǒng)治地位，有人將其稱為城市隧道工法。目前它正朝著全部機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、地下大深度、特殊斷面、特殊形態(tài)的方向發(fā)展。

1 盾構(gòu)工法的種類及應(yīng)用情況

盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型種類很多。根據(jù)地層條件和具體施工方法的不同，隧道盾構(gòu)機(jī)可分為硬巖盾構(gòu)、軟巖盾構(gòu)、軟土盾構(gòu)、復(fù)合盾構(gòu)。而按開(kāi)挖面的閉合程度，可分為全敞開(kāi)式、部分敞開(kāi)式和封閉式。結(jié)合盾構(gòu)工程在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況，本次著重討論軟土軟巖盾構(gòu)的分類及應(yīng)用。

各種分類方法中綜合分類法相對(duì)而言使用較多，詳見(jiàn)圖1。

圖1 常用 土盾構(gòu)綜合分類法

1.1 全敞開(kāi)盾構(gòu)工法24

全敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是掘削面呈敞露狀態(tài)，故挖掘狀態(tài)是干挖態(tài)，所以出土效率高。這種形式的盾構(gòu)可據(jù)其機(jī)械化程度的差異，進(jìn)而分成人工式、半機(jī)械式、機(jī)械式三種。全敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)適用于掘削面自穩(wěn)定性好的地層（如：洪積層壓實(shí)砂、砂礫、固結(jié)粉砂及粘土）。對(duì)自穩(wěn)定性差的地層（如：沖擊層中的砂層、粉砂層及粘土層）而言，應(yīng)輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以便確保掘削面的穩(wěn)定。

全敞開(kāi)盾構(gòu)工法具有明挖法和盾構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周圍地層及構(gòu)造物的變位、下沉影響小，故適于都市臨近構(gòu)筑物較多，場(chǎng)地狹窄的工況下施工；與明挖法相比，振動(dòng)、噪聲小，對(duì)周圍居民影響?。欢軜?gòu)機(jī)過(guò)后可以及時(shí)回填，對(duì)地表交通影響?。还ば蚝?jiǎn)單、安全、工期短；地層變位可以從地表直接觀測(cè)；挖土可以原地回填，故運(yùn)土費(fèi)用少，成本低。

全敞開(kāi)盾構(gòu)工法廣泛應(yīng)用于淺層地下管道埋設(shè)工程，如日本市川市排水管道工程、熊本共同溝工程、宮城縣雨水干線構(gòu)筑工程。

1.2 分敞開(kāi)盾構(gòu)工法

當(dāng)全敞開(kāi)盾構(gòu)在土質(zhì)條件很差的沖積淤泥土、軟粘性土中掘進(jìn)時(shí)，由于土體的流塑性大，故會(huì)出現(xiàn)土體從掘削面流入盾構(gòu)內(nèi)艙的現(xiàn)象。即引起掘削面坍塌，導(dǎo)致掘削無(wú)法正常進(jìn)行。這種場(chǎng)合下可在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)靠近掘削面的地方設(shè)置一道隔板，該隔板上設(shè)有多個(gè)大?。娣e）可調(diào)的土砂排出口，靠該隔板把掘削面封閉起來(lái)。這種盾構(gòu)從正面看上去隔板上設(shè)多個(gè)小窗。部分小窗封死，部分小窗上裝開(kāi)度可調(diào)的閘門成為窗閘。從封閉、敞開(kāi)的定義出發(fā)，因?yàn)槎軜?gòu)推進(jìn)時(shí)窗格上的部分窗口是打開(kāi)的，因此稱為部分敞開(kāi)盾構(gòu)。

部分敞開(kāi)盾構(gòu)工法的優(yōu)點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低。由于盾構(gòu)是擠入土層的，因此盾構(gòu)通過(guò)時(shí)地層隆起，通過(guò)后直到被擾動(dòng)地層恢復(fù)穩(wěn)態(tài)期間，地層呈現(xiàn)沉降。該工法與土壓盾構(gòu)工法、泥水盾構(gòu)工法相比，其沉降量、隆起量均大。這是該工法的一個(gè)致命弱點(diǎn)，加之該工法的地層適用范圍窄，故近年來(lái)該工法的施工實(shí)例較少。

1965年，日本東京地鐵9號(hào)線使用擠壓盾構(gòu)。1965年，上海地鐵60工程區(qū)間隧道采用網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)了2條地鐵區(qū)間隧道，掘進(jìn)總長(zhǎng)度1200m。1967年，上海打浦路越江公路隧道采用Φ10.2m網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)，掘進(jìn)總長(zhǎng)1324m。1983年，上海建設(shè)第2條黃浦江越江公路隧道一延安東路隧道，1476m圓形主隧道采用盾構(gòu)掘進(jìn)施工，其中500m穿越黃浦江底，500m穿越市中心區(qū)建筑密集群。為提高掘進(jìn)速度和確保隧道沿線的構(gòu)筑物安全，上海隧道公司自行設(shè)計(jì)研制了Φ11.3m網(wǎng)格型水力出土盾構(gòu)，這是在網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新奇掘進(jìn)機(jī)。

1.3 封 盾構(gòu)工法

由于全敞開(kāi)盾構(gòu)機(jī)較適合于掘削面具獨(dú)立性的地層，對(duì)自立性差的沖積層砂層、粉砂層及粘土層而言，必須輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以確保掘削面穩(wěn)定。但是選用這些措施也存在一些問(wèn)題，如：氣壓大于0.15μPa時(shí)，操作人員會(huì)患高壓病；降水會(huì)使周圍水井枯竭，建筑物沉降。擠壓盾構(gòu)工法的缺點(diǎn)是易引起地層隆起和沉降大，適用土質(zhì)范圍窄。

基于上述原因，人們迫切希望開(kāi)發(fā)可以克服上述弊病的新的盾構(gòu)工法。70年代以來(lái)，英國(guó)和日本分別開(kāi)發(fā)了具有刀盤切削的密閉式的可平衡開(kāi)挖面水土壓力的兩種新穎掘進(jìn)機(jī)——泥水加壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，使盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)發(fā)生了一次新的飛躍。1975年，日本隧道業(yè)興起了泥水加壓盾構(gòu)熱，1978年起，土壓盾構(gòu)也得到廣泛的應(yīng)用。

（1）泥水盾構(gòu)工法

泥水盾構(gòu)就是在機(jī)械式盾構(gòu)刀盤的后方設(shè)置一道封閉隔板，隔板與刀盤間的空間定名為泥水艙。把水、粘土及添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水艙，待泥水充滿整個(gè)泥水艙，如盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)工作進(jìn)發(fā)，則推進(jìn)力經(jīng)艙內(nèi)泥水傳遞到掘削面的土體上，即泥水對(duì)掘削面上的土體作用有一定的壓力（與推進(jìn)力對(duì)應(yīng)），該壓力稱為泥水壓力。

刀盤掘削下來(lái)的土砂進(jìn)入泥水艙，經(jīng)攪拌裝置攪拌后含掘削土砂的高濃度泥水，經(jīng)泥漿泵送到地表的泥水分離系統(tǒng)，待土、水分離后，再把濾除掘削土砂的泥水重新壓回泥水艙。如此不斷循環(huán)，完成掘削、排土、推進(jìn)的過(guò)程。因?yàn)槭悄嗨畨毫κ咕蛳髅娣€(wěn)定平衡的，故稱為泥水加壓平衡盾構(gòu)，簡(jiǎn)稱泥水盾構(gòu)。

泥水盾構(gòu)工法的優(yōu)點(diǎn)主要有：對(duì)地層的擾動(dòng)小、沉降??；適于高地下水壓，江底、河底、海底隧道施工；適于大直徑化；適于高速化施工；適用土質(zhì)范圍寬；掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)體的擺動(dòng)小。該工法的缺點(diǎn)包括：成本高；排土效率低；地表施工占地面積大；不適于在硬粘土層中掘進(jìn)；不適于在松散卵石層中掘進(jìn)。

1994年，日本東京灣道路 18.8公里海底隧道的掘進(jìn)工程中曾使用過(guò)8臺(tái)直徑達(dá)到14.14m泥水加壓平衡盾構(gòu)。1994年，上海延安東路隧道南線1300m圓形主隧道施工引進(jìn)日本制造的Φ11.22m泥水加壓平衡盾構(gòu)。廣州地鐵1號(hào)線工程于1996年引進(jìn)2臺(tái)Φ6.14m泥水加壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)5852m。1997年上海自行設(shè)計(jì)制造了1臺(tái)Φ2.2m泥水加壓平衡頂管機(jī)，用于上海合流二期過(guò)江倒虹管隧道工程，在高水壓的砂性地層中順利掘進(jìn)1220m。

（2）土壓盾構(gòu)工法

土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)的差異是保持密封土艙內(nèi)的承壓介質(zhì)不同。泥水盾構(gòu)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)為泥水；土壓盾構(gòu)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)為泥土。但是穩(wěn)定掘削面的基本原理是一致的。由于隧道的掘削作業(yè)，如果從地層內(nèi)的應(yīng)力關(guān)系看，相當(dāng)于卸載。因此，從力學(xué)觀點(diǎn)講，要想使掘削面穩(wěn)定必須施加相當(dāng)于卸載的土壓與水壓。

土壓盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層、土體，掘削下來(lái)的土體涌入土艙。當(dāng)掘削土體充滿土艙時(shí)，由于盾構(gòu)的推進(jìn)作用，致使掘削土體即對(duì)掘削面加壓。當(dāng)該加壓壓力（掘削土壓）與掘削地層的土壓+水壓相等，隨后若能維持螺旋輸送機(jī)的排土量與刀盤的掘土量相等，把這種穩(wěn)定的出土狀態(tài)稱為掘削面平衡。要想維持排土量與掘土量相等，掘削土必須具備一定的流塑性和抗?jié)B性。有些地層的掘削土僅靠自身的流塑性和抗?jié)B性，即可滿足掘削面穩(wěn)定的要求。這種利用掘削土穩(wěn)定掘削面的盾構(gòu)稱為削土盾構(gòu)。此外，多數(shù)地層土體的流塑性、抗?jié)B性無(wú)法滿足穩(wěn)定掘削面的要求，為此須混入提高流塑性和抗?jié)B性的添加材料，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掘削面的目的。通常把注入添加材料的掘削土（稱為泥土）盾構(gòu)稱為泥土盾構(gòu)。削土盾構(gòu)和泥土盾構(gòu)統(tǒng)稱為土壓盾構(gòu)。

土壓盾構(gòu)工法的優(yōu)點(diǎn)主要有：成本低；出土效率高；適用地層范圍寬；可廣泛適用于對(duì)沖積粘土、洪積粘土、砂質(zhì)土、砂、砂礫、卵石等地質(zhì)的施工，不需分離裝置，占地面積少，施工時(shí)的覆土層可相對(duì)較淺。其缺點(diǎn)為：由于掘削摩阻力大，造成盾構(gòu)機(jī)扭矩大，功耗大；與泥水盾構(gòu)相比，土壓盾構(gòu)對(duì)周圍地層擾動(dòng)大，地層沉降大。

1972年，日本開(kāi)發(fā)土壓盾構(gòu)。1975年，日本開(kāi)發(fā)泥土加壓盾構(gòu)。1982年，法國(guó)多哈海峽英法海峽隧道采用 Φ8.62m的削土密封式盾構(gòu)。1990年，日本名古屋地鐵采用Φ10.48m土壓盾構(gòu)。2003年，第二條英吉利海峽隧道采用Φ15m土壓盾構(gòu)。1987年，上海在消化吸收國(guó)外土壓平衡盾構(gòu)機(jī)理和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)Φ4.3m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。1993年，制造了1臺(tái)Φ6.34m土壓盾構(gòu)，用于南京市夾江排水隧道工程，穿越粉砂地層，掘進(jìn)長(zhǎng)度1294m。1990年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)上海地鐵1號(hào)線開(kāi)工建設(shè)，圓形隧道選用7臺(tái)Φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)。2000年，北京地鐵5號(hào)線工程進(jìn)行區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)工程，引進(jìn)1臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。南京地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道選用3臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。

2 盾構(gòu) 型

盾構(gòu)工法應(yīng)用160多年來(lái)，因盾構(gòu)選型欠妥或者不恰當(dāng)，致使隧道施工過(guò)程出現(xiàn)事故的情況很多。如：選型不恰當(dāng)，掘削面噴水，掘進(jìn)被迫停止；掘削面坍塌使周圍建筑物基礎(chǔ)受損；地層變形、地表沉降致使地下管道設(shè)施受損，引起管道破裂，造成噴水、噴氣、通訊中斷、停電等事故。嚴(yán)重時(shí)整條隧道報(bào)廢的事例也屢見(jiàn)不鮮。由此可見(jiàn)盾構(gòu)選型工作的重要性。

選擇盾構(gòu)工法時(shí)，必須綜合考慮以下因素：①滿足設(shè)計(jì)要求；②安全可靠；③造價(jià)低；④工期短；⑤對(duì)環(huán)境影響小。同時(shí)必須嚴(yán)守以下原則：①選用與工程地質(zhì)匹配的盾構(gòu)機(jī)型，確保施工絕對(duì)安全；②可以輔以合理的輔助工法；③盾構(gòu)的性能應(yīng)能滿足工程推進(jìn)的施工長(zhǎng)度和線形的要求；④選定的盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能力可與后續(xù)設(shè)備、始發(fā)基地等施工設(shè)備匹配。

以上原則中以能絕對(duì)保證掘削面穩(wěn)定、確保施工安全的機(jī)型為最重要。為了選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型，除應(yīng)對(duì)土質(zhì)條件、地下水條件進(jìn)行勘查外，還應(yīng)對(duì)占地環(huán)境作充分的勘察。

2.1 根據(jù)用 擇盾構(gòu)斷 形狀

通常隧道按其斷面形狀可分為：半圓形、圓形、雙圓搭接形、三圓搭接形、馬蹄形、矩形、橢圓形等多種形狀。按其用途可分為：鐵路、公路隧道，下水道隧道，供水隧道，電力電纜隧道，通信電纜隧道，供氣隧道，共同溝隧道等類型。

（1）圓形斷面

圓形斷面是使用最多的斷面形狀。由于圓形斷面的拱作用，管環(huán)上作用的外壓小，管環(huán)受損小、壽命長(zhǎng)，隧道的耐久性好、安全性好。圓形斷面的掘削機(jī)理簡(jiǎn)單，掘削系統(tǒng)易制作、造價(jià)低，管片制作簡(jiǎn)單拼裝方便。圓形隧道多用于水利工程隧洞，但對(duì)于地鐵、公路等隧道利用矩形內(nèi)空的情形下，圓形隧道存在浪費(fèi)。

（2）矩形斷面

矩形斷面隧道的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)空利用率高，與圓斷面隧道相比構(gòu)筑時(shí)可以減少30%左右的土體掘削和排放，利于成本降低。另外，矩形斷面地中占位小，地下空間利用率高。缺點(diǎn)是隧道管環(huán)上的作用外壓大，不適于大尺寸隧道構(gòu)筑；管片設(shè)計(jì)、施工復(fù)雜；盾構(gòu)機(jī)制作復(fù)雜，價(jià)格偏高。對(duì)城市地下鐵道、共同溝等隧道而言，是較為理想的斷面形狀。

（3）雙圓搭接斷面

這種斷面形式多用于鐵路、公路往返復(fù)線的情形。地中占地面積小，空間利用率高。盾構(gòu)機(jī)制作復(fù)雜、價(jià)格高，管片設(shè)計(jì)、組裝、施工復(fù)雜。

（4）三圓搭接斷面

三圓搭接斷面可以說(shuō)是為構(gòu)筑地鐵車站而設(shè)計(jì)的盾構(gòu)斷面形狀。優(yōu)點(diǎn)是空間利用率高，使地鐵車站的構(gòu)筑施工完全轉(zhuǎn)入地下。缺點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)、管片的設(shè)計(jì)、制作及施工均較復(fù)雜。

馬蹄形斷面、橢圓形斷面的優(yōu)點(diǎn)也是空間利用率高，缺點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)造價(jià)高。

2.2 根據(jù)土質(zhì) 擇盾構(gòu)機(jī)型

通常一條隧道沿線的土質(zhì)條件絕對(duì)相同是不可能的，一般多選擇適應(yīng)施工標(biāo)段內(nèi)大多數(shù)地層條件的機(jī)型。

（1）沖積粘土

如果沖積粘土的自然含水率接近或超過(guò)液限，掘削面不能自穩(wěn)，則應(yīng)選擇封閉型的盾構(gòu)機(jī)。

當(dāng)整個(gè)掘削面和施工沿線均是N值為0~5的軟弱粉砂及粘土地層時(shí)，宜采用窗閘式盾構(gòu)施工法。但該工法在施工過(guò)程中要擠壓盾構(gòu)周圍的地層，不可避免地會(huì)引起一定程度的沉降，且沉降量大。由于其適用土質(zhì)范圍極窄，故應(yīng)用時(shí)必須對(duì)土質(zhì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行充分的研究。

就超出擠壓盾構(gòu)工法適用范圍的沖積粘土層（含砂量大、有硬軟交錯(cuò)層、液限指數(shù)過(guò)大并含有礫石等）而言，宜采用封閉式的泥水式土壓盾構(gòu)機(jī)。如存在超軟弱的腐殖質(zhì)土層，有必要對(duì)其范圍、層厚和特性等進(jìn)行充分的調(diào)查。掘削腐殖質(zhì)土層應(yīng)選擇高止水性盾構(gòu)機(jī)，如樹(shù)脂盾構(gòu)、紙漿渣盾構(gòu)、渣溶膠盾構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)采取地層加固措施，防止沉降。

（2）洪積粘土

洪積粘土一般N值大，含水率低、掘削面能夠自立。此外，因抗剪力大，變形小，故可無(wú)需擋土隔板。如果全線均為洪積粘土，可采用全敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)。

一般全線掘削面都是洪積粘土的情況非常少，很多的情況是夾層中夾有含水砂層，這時(shí)選用封閉式盾構(gòu)機(jī)。使用加泥盾構(gòu)機(jī)時(shí)，由于含水低的固結(jié)粘土吸水后粘附力增加，所以對(duì)周邊支撐式或中間式刀盤來(lái)說(shuō)，易產(chǎn)生刀盤、土艙四周粘附壓實(shí)固結(jié)粘土現(xiàn)象。因此多采用中心軸支撐方式、輪輻刀盤掘削且攪拌效果好的加泥盾構(gòu)機(jī)或氣泡盾構(gòu)機(jī)。

（3）砂質(zhì)土

就砂質(zhì)土而言，一般情況下泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)均可選用。

泥水盾構(gòu)機(jī)通過(guò)排泥將掘削土砂從泥水艙內(nèi)輸送到地面，安全性好，適于高水壓下掘進(jìn)。且對(duì)周圍地層變形影響小。但當(dāng)含水砂層滲透系數(shù)大于10-2cm/s、74μm以下的微細(xì)顆粒含量低于10%、勻粒系數(shù)UC小于10，采用泥水盾構(gòu)時(shí)，掘削面易坍塌，很難確保掘削面穩(wěn)定。這種情況下不宜再選用泥水盾構(gòu)。

泥土盾構(gòu)機(jī)在粘土含量少的砂質(zhì)地層中掘進(jìn)時(shí)，因向土艙內(nèi)投入泥材，然后通過(guò)機(jī)械強(qiáng)制攪拌，使掘削土砂泥漿化，即增加其塑性流動(dòng)性和不透水性。由于千斤頂推力對(duì)這些泥漿加壓，抵抗掘削面的坍塌力，使掘削面穩(wěn)定。因此，即使在坍塌性砂層，掘削面也是穩(wěn)定的。此外，由于可以調(diào)節(jié)添加材的濃度和數(shù)量來(lái)適應(yīng)砂土和粘土交錯(cuò)層掘削的土質(zhì)變化，所以，泥土盾構(gòu)機(jī)是最適用的。

（4）砂礫及巨礫層

因這種地層的滲水系數(shù)大，故必須選擇封閉式盾構(gòu)。掘削這種地層與前面介紹過(guò)的幾種地層不同，因其礫石粒徑大，若不預(yù)先采取粉碎措施直接通過(guò)排土（或排泥）設(shè)備派出易發(fā)生排土系統(tǒng)堵塞和磨耗過(guò)大的兩個(gè)新問(wèn)題。

采用泥水盾構(gòu)，注入普通泥水的盾構(gòu)工法對(duì)礫石層是失效的。注入泥水必須改用PAA泥水才能徹底防止逸泥和噴水，才能確保掘削面穩(wěn)定，使盾構(gòu)順利掘進(jìn)。泥水盾構(gòu)機(jī)連續(xù)輸送的礫石的長(zhǎng)徑應(yīng)小于排泥管直徑的 1/3。通常排泥管直徑為100~200mm，所以被排的礫石的直徑極限為50~70mm。在泥水艙內(nèi)不能排出的礫石要采用下列方法處理：用旋轉(zhuǎn)式分級(jí)器分級(jí)；用水下破碎機(jī)破碎。配備這些裝置的盾構(gòu)機(jī)直徑受到限制，且粘土粘附引起的堵塞會(huì)使處理礫石的能力降低。

采用泥土盾構(gòu)，當(dāng)砂礫層中含水率大、地下水壓高的情況下，當(dāng)?shù)貙又械牧酱笥?2mm的礫石含有率大于50%、小于70%時(shí)，加泥盾構(gòu)工法中的加泥材中應(yīng)添加砂粒成分，注入泥漿相對(duì)密度應(yīng)提高到1.5左右。若地層中粒徑大于2mm的礫石含油率大于70%時(shí)，由于出現(xiàn)礫石與泥水分離，礫石無(wú)流動(dòng)性，無(wú)法出土，隨即發(fā)生泥水噴出現(xiàn)象，加泥盾構(gòu)失效。此時(shí)可采用樹(shù)脂盾構(gòu)、注漿栓盾構(gòu)、硅溶膠盾構(gòu)等工法。礫石排出可選擇無(wú)軸帶式螺旋機(jī)或有軸螺紋螺旋機(jī)。

（5）泥巖

泥巖是指洪積堆積的粉砂、粘土，經(jīng)壓實(shí)、脫水固結(jié)而成的土層。根據(jù)粒徑的差異可分為粉砂巖、粘土巖兩種。

泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在 0.5~1MPa以上，N值為 50以上，掘削面自穩(wěn)。如果掘削面是不擔(dān)心涌水的地層，選用開(kāi)放式盾構(gòu)工法較為經(jīng)濟(jì)。

在有承壓地下水的泥巖層，或在含水砂層、砂礫層的交錯(cuò)層中掘削時(shí)，由于存在含水砂層的噴水問(wèn)題，所以選擇封閉泥水和泥土盾構(gòu)工法。在泥水盾構(gòu)機(jī)中，泥水處理設(shè)備的能力在很大程度上控制著施工進(jìn)度，要有足夠的設(shè)備。

3 盾構(gòu) 水況洞的特點(diǎn)

3.1 雙層襯砌結(jié)構(gòu)

輸水隧洞一般具有距離長(zhǎng)、埋深大、內(nèi)水壓力高的特點(diǎn)，因此對(duì)于輸水隧洞通常采用洞身雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外襯承擔(dān)外部水土壓力，內(nèi)襯承擔(dān)內(nèi)水壓力或雙層襯砌聯(lián)合受力。這也是輸水隧洞與交通隧洞工法的主要區(qū)別。

盾構(gòu)輸水隧洞外襯為拼裝式管片，與采用盾構(gòu)法施工的交通隧洞類同，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程完成。內(nèi)襯可采用多種型式，如鋼筋混凝土內(nèi)襯、鋼板鋼筋混凝土內(nèi)襯、明鋼管內(nèi)襯、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯等。

鋼筋混凝土內(nèi)襯具有技術(shù)成熟、施工方便的特點(diǎn)，無(wú)論采用暗挖工法還是盾構(gòu)工法的輸水隧洞均可使用。明鋼管內(nèi)襯由于施工條件困難、工程投資大、工期較長(zhǎng)、不易檢修等原因，應(yīng)用較少。另外，對(duì)于內(nèi)水壓力、外水土壓力較大的輸水隧洞，鋼板鋼筋混凝土內(nèi)襯和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯都是鋼筋混凝土內(nèi)襯的加強(qiáng)形式，可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工難度、投資情況具體選擇。鋼板鋼筋混凝土由于不易設(shè)置變形縫，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，因此對(duì)于地層變形的適應(yīng)性較差。

2009年，南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞采用直徑9m的泥水盾構(gòu)，下穿黃河段長(zhǎng) 3450m，采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌。2012年，北京市南水北調(diào)配套工程?hào)|干渠輸水隧洞采用直徑6m的土壓盾構(gòu)，穿越北京市東五環(huán)地區(qū)，全長(zhǎng)44.7km，采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用鋼筋混凝土襯砌。

3.2 水設(shè)計(jì)

輸水隧洞防水設(shè)計(jì)的主要目的是防止內(nèi)水外滲，以防造成水量損失及對(duì)隧洞持力層及交叉建筑物等產(chǎn)生不良影響。防水設(shè)計(jì)選擇以混凝土自防水體系為主，輔以防水板及止水帶等多種防水措施作為隧洞的防水結(jié)構(gòu)。

盾構(gòu)管片和鋼筋混凝土內(nèi)襯應(yīng)根據(jù)工程特性選用適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)。盾構(gòu)管片間拼裝縫設(shè)置三元乙丙彈性密封墊等材料防水。鋼筋混凝土內(nèi)襯變形縫止水采用紫銅片止水帶等主要材料，輔以高壓低發(fā)泡聚乙烯閉孔板嵌縫，變形縫迎水面雙組分聚硫密封膠封口等措施。另外在一襯和二襯之間采用鋪設(shè)連續(xù)封閉的防水板，為保證一、二襯結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力效果，防水板選擇彈性模量較大的材料。同時(shí)對(duì)防水板與二襯之間進(jìn)行灌漿處理，以保證管片及二襯緊密結(jié)合，并提高防滲效果。

3.3 壁后注漿

采用盾構(gòu)施工時(shí)，結(jié)構(gòu)上方（在管片和地層之間）產(chǎn)生10～20cm的間隙或松散土體，將導(dǎo)致嚴(yán)重的地表沉降，也將影響盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制，并對(duì)管片拼裝、隧洞止水產(chǎn)生不利影響，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)必須對(duì)管片外間隙及松散土體注漿。壁后注漿的質(zhì)量是關(guān)系到隧洞防水效果的重要因素。

由于輸水隧洞工程的性質(zhì)，隧洞具有內(nèi)水壓力，鋪設(shè)位置常常在城市附近，或穿越城市街道、橋梁、鐵路、地鐵、房屋等建筑物。控制沉降要求比其他交通盾構(gòu)工程更加嚴(yán)格，壁后注漿質(zhì)量要求高于交通盾構(gòu)工程。

4 盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）盾構(gòu)工法的發(fā)展

盾構(gòu)工法掘削面穩(wěn)定技術(shù)從壓氣工法的“氣”進(jìn)化到泥水式的“水”隨后又發(fā)展到土壓式的“土”?，F(xiàn)在，“掘削面穩(wěn)定”和“盾構(gòu)掘削”的技術(shù)似乎已達(dá)到完善的地步，就盾構(gòu)而言，就是指封閉式的泥水和土壓盾構(gòu)。

由于近年來(lái)土壓盾構(gòu)技術(shù)的飛躍發(fā)展，涌現(xiàn)了各種不同特點(diǎn)、適用各種土質(zhì)的泥土盾構(gòu)機(jī)。這就使土壓盾構(gòu)施工占地面積小、適用土質(zhì)范圍寬、排出泥土處理容易、出土效率高、工期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。

目前，土壓盾構(gòu)除大斷面不易都市市區(qū)使用以外，大有取代泥水盾構(gòu)之勢(shì)。料想不久的將來(lái)，土壓盾構(gòu)將全面取代泥水盾構(gòu)。

（2）盾構(gòu)設(shè)備的發(fā)展

隨著盾構(gòu)技術(shù)的日趨完善,盾構(gòu)設(shè)備的發(fā)展逐漸趨向于微型化和超大型化、形式多樣化、高度自動(dòng)化和高適應(yīng)性。主要體現(xiàn)在斷面形狀多樣化、刀盤刀具及其他材料強(qiáng)度和耐久性提高、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制自動(dòng)化程度提高、推進(jìn)速度提高、管片制造和拼裝技術(shù)提高等幾方面。

（3）盾構(gòu)輸水隧洞的發(fā)展

由于盾構(gòu)輸水隧洞距離長(zhǎng)、內(nèi)水壓力大、埋深大及城市供水工程的重要特性，使得盾構(gòu)工法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有更嚴(yán)格的要求。目前采用的設(shè)計(jì)理論基本都是對(duì)雙層復(fù)合襯砌的受力情況進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算選擇斷面結(jié)構(gòu)形式。如何使盾構(gòu)管片、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)體量更小，防水措施更簡(jiǎn)便有效是亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。如果能減少?gòu)?fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的體量，將更充分地利用盾構(gòu)隧洞開(kāi)挖斷面，從而增加單延米盾構(gòu)施工的經(jīng)濟(jì)性。目前，國(guó)內(nèi)部分機(jī)構(gòu)正在著手研究采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管片直接防內(nèi)外水土壓力，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。如該研究成功，盾構(gòu)輸水隧洞的發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。