楊 陳

盾構(gòu)法和礦山法在地鐵隧道施工中的研究

楊 陳

（重慶交通大學(xué) 重慶 400074）

地鐵隧道施工的對(duì)象一般是情況復(fù)雜多變、高層建筑下難以完全預(yù)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(gòu)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(gòu)法；礦山法

1 引言

伴隨著科技的的進(jìn)步，更多國(guó)外地鐵隧道方面先進(jìn)技術(shù)的引入，地鐵隧道及地下工程建設(shè)呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。近來(lái)，大多數(shù)城市在運(yùn)用地鐵隧道、建造與設(shè)計(jì)和施工方法上取得了巨大的突破。因?yàn)榈罔F隧道的施工方法、技術(shù)設(shè)備、工程材料不斷創(chuàng)新與運(yùn)用，因此，那些以前人們想都不敢想的工程，被認(rèn)為是空中樓閣似的底線工程現(xiàn)在大多數(shù)都可以實(shí)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(dá)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(jì)劃的利用起來(lái)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界上更加強(qiáng)調(diào)對(duì)地下空間資源的利用，所以，特別是地鐵隧道技術(shù)的運(yùn)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(fù)雜多變、高層建筑物下難以完全預(yù)知的淺地層、還有多如星云的國(guó)家保護(hù)建筑和自然保護(hù)區(qū)，則隧道施工技術(shù)的選擇上不得不三思而后行，如果運(yùn)用不當(dāng)，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(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于不同的工程應(yīng)該結(jié)合工程的世紀(jì)情況對(duì)工程進(jìn)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(duì)地下巖層影響很小的盾構(gòu)施工方法，雖然我國(guó)在盾構(gòu)隧道施工方面存在一定的技術(shù)問題，但是正在隨著時(shí)間的發(fā)展不斷的改進(jìn)。目前，因?yàn)榈罔F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(jìn)性和地面各種建筑物和環(huán)境的保護(hù)。所以，我國(guó)隧道地鐵的施工大多數(shù)情況下采用以盾構(gòu)法和礦山法為主的施工方法。

2 盾構(gòu)法與礦山法

2.1 盾構(gòu)法

盾構(gòu)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(gòu)機(jī)械的高質(zhì)量的刀片以及高速的旋轉(zhuǎn)如穿山甲一般的在地中推進(jìn)，并且由于盾構(gòu)機(jī)從發(fā)明開始到現(xiàn)在經(jīng)過了無(wú)數(shù)代人的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)具有了堅(jiān)硬的外殼和內(nèi)部高質(zhì)量的管片，可以在掘進(jìn)的同時(shí)支持住四周的圍巖有效的防止了坍塌的發(fā)生，同時(shí)在掘進(jìn)的后方運(yùn)用出土機(jī)械把掘進(jìn)產(chǎn)生的巖土運(yùn)出洞外，然后靠千斤頂在掘進(jìn)機(jī)械后部加壓頂進(jìn)，并運(yùn)用機(jī)械拼裝早已預(yù)制好的混凝土管片，形成地鐵隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)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(diǎn)是強(qiáng)有力的初期支護(hù)，不需要圍巖的“幫助”，單獨(dú)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(tái)階法、正臺(tái)階法、全斷面開挖法、上下道坑先拱后墻法、下導(dǎo)坑先拱后墻法、品字形導(dǎo)坑先拱后墻法、側(cè)壁導(dǎo)坑法等。

3 盾構(gòu)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(gòu)法或礦山法。

盾構(gòu)法是從國(guó)際上引進(jìn)的一種先進(jìn)地鐵隧道施工法。盾構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)有：

( 1) 可在盾構(gòu)設(shè)備掩護(hù)下安全地進(jìn)行土層開挖與襯砌支護(hù)作業(yè);

( 2) 對(duì)于資源緊缺的城市來(lái)講，盾構(gòu)在城市下方進(jìn)行，可充分的避免對(duì)地面城市交通及河道航運(yùn)的影響;

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

( 4) 盾構(gòu)所需的施工費(fèi)用不受埋深深度的影響，而且其機(jī)械化與自動(dòng)化的程度高。操作其設(shè)備的工人都是需要有專門的知識(shí)儲(chǔ)備的人，所以需要的工人少;

但是，盾構(gòu)法施工也有其缺陷 :

( 1) 當(dāng)?shù)罔F隧道所處圍巖是軟硬相互摻雜、在掘進(jìn)過程中可能隨時(shí)脫落的巨大石頭、巖體嚴(yán)重風(fēng)化風(fēng)化時(shí)，即使運(yùn)用土壓平衡敞—閉胸盾構(gòu)，但不得不花大量的時(shí)間來(lái)處理，極其容易損壞盾構(gòu)機(jī)的刀片等；

( 2) 盾構(gòu)法只適合于簡(jiǎn)單的直線形，不能適用于如Z線、擺動(dòng)線等復(fù)雜斷面段施工；

( 3) 對(duì)于兩隧道間間距較小的地段，利用雙圓盾構(gòu)法可以對(duì)其進(jìn)行施工，但是由于這種盾構(gòu)機(jī)在我國(guó)幾乎沒有使用經(jīng)驗(yàn)，而且價(jià)格太貴，不經(jīng)濟(jì)。而且要請(qǐng)專門的技術(shù)人員來(lái)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)盾構(gòu)工作更加的不經(jīng)濟(jì)；

( 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(duì)于高層建筑物的深樁基礎(chǔ)侵入地鐵隧道地段，盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)必須進(jìn)行對(duì)建筑物的樁基托換，或者其他行之有效的處理，其過程復(fù)雜且需要停工完成，所花費(fèi)的時(shí)間太多，而且不得不考慮對(duì)高層建筑物整體的影響。當(dāng)需要處理的樁基礎(chǔ)較多時(shí)，礦山法施工更為簡(jiǎn)潔方便；

( 5) 盾構(gòu)法還需要一定的地面工作場(chǎng)地進(jìn)行豎井的施工。對(duì)于已經(jīng)極度緊缺的城市資源來(lái)說(shuō)，有一定的困難，而且可能會(huì)影響城市的正常交通等；

( 6) 新型盾構(gòu)購(gòu)置費(fèi)昂貴，對(duì)施工區(qū)段短的工程不太經(jīng)濟(jì)；

(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(huì)受到嚴(yán)重的影響；

(8）需要專業(yè)的工作人員來(lái)操作盾構(gòu)機(jī)，需要高昂的費(fèi)用；

礦山法是為適應(yīng)城市淺埋隧道（即地鐵隧道）開挖而發(fā)展起來(lái)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(qiáng)有力的初期支護(hù)，不需要圍巖的“幫助”，二模襯砌作為隧道的安全儲(chǔ)備，保證隧道的穩(wěn)定和進(jìn)一步的控制圍巖的變形，并共同承受荷載。

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

4 盾構(gòu)法與礦山法結(jié)合施工的研究

在復(fù)雜的地層環(huán)境中，地鐵隧道經(jīng)常會(huì)遇到極硬巖、孤石群或上軟下硬等不均勻地層以及建(構(gòu))筑物樁基基礎(chǔ)等地下障礙物，若直接盾構(gòu)通過，需進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)刀盤改造浪費(fèi)時(shí)間和工人的精力并在掘進(jìn)過程中進(jìn)行多次開艙換刀致使工程時(shí)間加長(zhǎng)，施工風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)較差和較多建筑物群地段的超前地層加固費(fèi)用大，同時(shí)水土流失和施工風(fēng)險(xiǎn)很大。

因此，在國(guó)內(nèi)城市軌道建設(shè)實(shí)踐中，將礦山法與盾構(gòu)法進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)得到了應(yīng)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(hù)，后期采用盾構(gòu)空推通過。

5 結(jié)論

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

“盾構(gòu)法+ 礦山法”結(jié)合施工法具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 當(dāng)遇到硬巖層時(shí)，對(duì)如果繼續(xù)施工會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)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(shí)噴漿施作第一次襯砌、首先預(yù)制好的管片和二次襯砌，充分的利用了礦山法和盾構(gòu)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(gòu)機(jī)在硬巖層、長(zhǎng)距離的地層中施工對(duì)設(shè)備、刀具的磨損和意外破壞，復(fù)合型盾構(gòu)和TBM 隧道掘進(jìn)機(jī)造價(jià)昂貴，施工短距離隧道經(jīng)濟(jì)效益低。

(3) 城市地鐵隧道前后都是通過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后拼裝預(yù)制管片形成二次襯砌，所以整條隧道呈直線無(wú)其他線性，由此更可以使隧道內(nèi)通風(fēng)流暢有利于施工的高速有效進(jìn)行。

(4) 由于盾構(gòu)法結(jié)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(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)城市里各種復(fù)雜的地層條件和各方面的要求，選用盾構(gòu)法和礦山法結(jié)合施工，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，可達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

[1] 鞠海峰,徐志勝,張炎.地鐵隧道孤石區(qū)段施工工法必選.[J].鐵道建筑,2012（3）:65-67.

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1007-6344（2017）03-0047-01