盾構法和礦山法在地鐵隧道施工中的研究

楊 陳

盾構法和礦山法在地鐵隧道施工中的研究

楊 陳

（重慶交通大學 重慶 400074）

地鐵隧道施工的對象一般是情況復雜多變、高層建筑下難以完全預知的淺地層，其施工方案和施工方法的選擇可能是多種形式的。而盾構法和礦山法是現(xiàn)代地鐵隧道施工方法中最常使用的。

地鐵隧道施工；盾構法；礦山法

1 引言

伴隨著科技的的進步，更多國外地鐵隧道方面先進技術的引入，地鐵隧道及地下工程建設呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。近來，大多數(shù)城市在運用地鐵隧道、建造與設計和施工方法上取得了巨大的突破。因為地鐵隧道的施工方法、技術設備、工程材料不斷創(chuàng)新與運用，因此，那些以前人們想都不敢想的工程，被認為是空中樓閣似的底線工程現(xiàn)在大多數(shù)都可以實現(xiàn)，甚至在以前修建的工程上可以改良創(chuàng)新使之規(guī)模更加壯觀。而如今城市空間的利用又達到了吹毛求疵的地步，空中、地面、地下的資源必須合理且有計劃的利用起來。進入21世紀以來，世界上更加強調對地下空間資源的利用，所以，特別是地鐵隧道技術的運用上面的可選擇性更加的多樣化，但是由于城市地下巖層情況的復雜多變、高層建筑物下難以完全預知的淺地層、還有多如星云的國家保護建筑和自然保護區(qū)，則隧道施工技術的選擇上不得不三思而后行，如果運用不當，可能輕則耽誤工期影響地面建筑物的穩(wěn)定性，重則造成自然環(huán)境的破壞、甚至危及人們的生命財產安全。對于不同的工程應該結合工程的世紀情況對工程進行分析，選擇合適的施工方法是有必要的。因此，大多數(shù)城市采用了對地下巖層影響很小的盾構施工方法，雖然我國在盾構隧道施工方面存在一定的技術問題，但是正在隨著時間的發(fā)展不斷的改進。目前，因為地鐵隧道的施工要求太多，既要考慮施工的安全，也要考慮到方法的先進性和地面各種建筑物和環(huán)境的保護。所以，我國隧道地鐵的施工大多數(shù)情況下采用以盾構法和礦山法為主的施工方法。

2 盾構法與礦山法

2.1 盾構法

盾構法(Shield Method)是現(xiàn)在城市地鐵隧道施工中的一種主要的施工方法，它是利用盾構機械的高質量的刀片以及高速的旋轉如穿山甲一般的在地中推進，并且由于盾構機從發(fā)明開始到現(xiàn)在經過了無數(shù)代人的實驗已經具有了堅硬的外殼和內部高質量的管片，可以在掘進的同時支持住四周的圍巖有效的防止了坍塌的發(fā)生，同時在掘進的后方運用出土機械把掘進產生的巖土運出洞外，然后靠千斤頂在掘進機械后部加壓頂進，并運用機械拼裝早已預制好的混凝土管片，形成地鐵隧道結構的一種機械化施工方法。

2.2 礦山法

凡是采用一般開挖地下坑道方法修建隧道的都稱為礦山法。其立足點是強有力的初期支護，不需要圍巖的“幫助”，單獨承受外界的壓力，是傳統(tǒng)的隧道施工方法。

基本的施工方法有:漏斗棚架法、反臺階法、正臺階法、全斷面開挖法、上下道坑先拱后墻法、下導坑先拱后墻法、品字形導坑先拱后墻法、側壁導坑法等。

3 盾構法與礦山法適用條件研究

在如今的城市地鐵隧道中一般采用盾構法或礦山法。

盾構法是從國際上引進的一種先進地鐵隧道施工法。盾構法的優(yōu)點有：

( 1) 可在盾構設備掩護下安全地進行土層開挖與襯砌支護作業(yè);

( 2) 對于資源緊缺的城市來講，盾構在城市下方進行，可充分的避免對地面城市交通及河道航運的影響;

( 3) 在如今追求品質生活城市里，如果有影響公民生活質量的事情發(fā)生時，那就絕對的不允許，而盾構法施工時充分的考慮了這方面的因素，它噪音小和展動小，從而引起的公害小;

( 4) 盾構所需的施工費用不受埋深深度的影響，而且其機械化與自動化的程度高。操作其設備的工人都是需要有專門的知識儲備的人，所以需要的工人少;

但是，盾構法施工也有其缺陷 :

( 1) 當?shù)罔F隧道所處圍巖是軟硬相互摻雜、在掘進過程中可能隨時脫落的巨大石頭、巖體嚴重風化風化時，即使運用土壓平衡敞—閉胸盾構，但不得不花大量的時間來處理，極其容易損壞盾構機的刀片等；

( 2) 盾構法只適合于簡單的直線形，不能適用于如Z線、擺動線等復雜斷面段施工；

( 3) 對于兩隧道間間距較小的地段，利用雙圓盾構法可以對其進行施工，但是由于這種盾構機在我國幾乎沒有使用經驗，而且價格太貴，不經濟。而且要請專門的技術人員來現(xiàn)場指導盾構工作更加的不經濟；

( 4) 由于地鐵隧道一般修建在城市中，具有大量的建筑物群，對于高層建筑物的深樁基礎侵入地鐵隧道地段，盾構機通過時必須進行對建筑物的樁基托換，或者其他行之有效的處理，其過程復雜且需要停工完成，所花費的時間太多，而且不得不考慮對高層建筑物整體的影響。當需要處理的樁基礎較多時，礦山法施工更為簡潔方便；

( 5) 盾構法還需要一定的地面工作場地進行豎井的施工。對于已經極度緊缺的城市資源來說，有一定的困難，而且可能會影響城市的正常交通等；

( 6) 新型盾構購置費昂貴，對施工區(qū)段短的工程不太經濟；

(7) 工人的工作環(huán)境較差。而且工人在工作期間工人健康會受到嚴重的影響；

(8）需要專業(yè)的工作人員來操作盾構機，需要高昂的費用；

礦山法是為適應城市淺埋隧道（即地鐵隧道）開挖而發(fā)展起來的一種施工方法，在大多數(shù)的文章里被稱為淺埋暗挖法，但是也有一部分人還是以礦山法稱呼。淺埋暗挖法沿用新奧法 (New Austrian Tunneling Method)基本原理，即建立強有力的初期支護，不需要圍巖的“幫助”，二模襯砌作為隧道的安全儲備，保證隧道的穩(wěn)定和進一步的控制圍巖的變形，并共同承受荷載。

礦山法的缺點是地表沉降難以嚴格的控制，當?shù)乇沓两惦y以控制時，在地表上的建筑物就會受到嚴重的影響，如果當?shù)罔F隧道不得不穿越國家保護建筑物時也許會危及保護建筑的安全，防水效果較盾構隧道差，并且當施工遇到軟弱土層、砂層、斷層破碎帶時難以施工。但如果當周圍環(huán)境條件允許，在地面和洞內共同加以輔助措施的情況下，礦山法可用于各種復雜地層的施工。

4 盾構法與礦山法結合施工的研究

在復雜的地層環(huán)境中，地鐵隧道經常會遇到極硬巖、孤石群或上軟下硬等不均勻地層以及建(構)筑物樁基基礎等地下障礙物，若直接盾構通過，需進行盾構機刀盤改造浪費時間和工人的精力并在掘進過程中進行多次開艙換刀致使工程時間加長，施工風險及施工難度較大。若直接采用礦山法施工，在下部為硬巖，上部地質較差和較多建筑物群地段的超前地層加固費用大，同時水土流失和施工風險很大。

因此，在國內城市軌道建設實踐中，將礦山法與盾構法進行結合設計得到了應用，該方法主要原理是初期開挖采用礦山法形式完成隧道開挖和初期支護，后期采用盾構空推通過。

5 結論

經過了以上的論述可以看出盾構法和礦山法各自的優(yōu)勢，但如果把兩者結合起來，不僅在工期上得到了大大的提升，更是在經濟效益上得到了顯著的提高。

“盾構法+ 礦山法”結合施工法具有以下優(yōu)點:

(1) 當遇到硬巖層時，對如果繼續(xù)施工會對盾構機產生巨大損耗，所以采用礦山法中的鉆爆施工法法開挖并及時噴漿施作第一次襯砌、首先預制好的管片和二次襯砌，充分的利用了礦山法和盾構法在不同的地層中的工作范圍，并盡可能的考慮到了地面建筑物的安全和交通的暢通，發(fā)揮其優(yōu)越性。

(2) 避免了盾構機在硬巖層、長距離的地層中施工對設備、刀具的磨損和意外破壞，復合型盾構和TBM 隧道掘進機造價昂貴，施工短距離隧道經濟效益低。

(3) 城市地鐵隧道前后都是通過盾構機掘進后拼裝預制管片形成二次襯砌，所以整條隧道呈直線無其他線性，由此更可以使隧道內通風流暢有利于施工的高速有效進行。

(4) 由于盾構法結合礦山法施工中可避免很多之前單一施工法所遇到的問題所以更加快了施工速度、縮短了工期和顯著的提高了經濟效益。

針對城市里各種復雜的地層條件和各方面的要求，選用盾構法和礦山法結合施工，可以揚長避短，可達到良好的經濟、社會和環(huán)境效益。

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