论盾构隧道的分类及适用范围

睢向国

（山西省高速公路管理局，山西 太原 030006）

目前圆形盾构隧道种类繁多，新式盾构更是层出不穷，为便于了解其概貌，现归纳列入表1。

表1 圆形盾构隧道种类

1 人工开挖手掘式、半机械式敞胸盾构

此类盾构可根据地质条件全部敞开，随时观察地层变化情况，并配备简便的液压、风动挖掘，机具、人工挖掘，当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑。它是盾构中最老式、最普通的一种，绝大多数水底道路隧道都采用这种盾构。它的特点是构造简单，配套设备少，造价低（一个中等直径的泥水盾构比敞胸盾构贵1倍左右），操作容易，维修简便，结构耐用。缺点是盾构正面敞开，工作面易发生坍方事故，危及人身及工程安全；道路隧道直径大，劳动强度大，进度慢。尽管有不少缺点，但由于新型盾构用在大直径盾构上还仅是近两年的事，技术上尚不成熟。所以至今只有我国打浦路隧道采用了一台网格、闭胸两用盾构，新易北河隧道和哈姆迪隧道也只采用了半机械式盾构，即手掘式再配备4～5台液压挖掘机代替人工开挖。

2 挤压式闭胸盾构

厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工，在塑性黏土及淤泥中即使采用气压也不能自立，需将盾构正面用胸板密闭起来。施工时将盾构压入地层，土体从孔中挤入盾构，装车外运。用这种方法施工时，不需要人工开挖与支撑开挖面，施工效率成倍提高。

缺点是适用范围较小，只适用于上述这种地层；且全挤压会造成地表隆起（约2倍盾构直径的范围），故又只适用于空旷地段，或河底（不影响通航条件下）、海滩等处。至于开孔面积大小，视隧道直径大小及土质密实情况而定，一般无公式计算，需在施工中反复试验确定。通常直径愈小，放入土体也少，约1%～3.5%。林肯隧道有意放入205的土堆在隧道底部作压重，直到土壤重新固结后才清除，主要是为了防止衬砌结构上浮，控制盾构在纵断面设计范围内移动。

用闭胸式盾构施工时衬砌结构常会发生一种椭圆率的现象。先是衬砌水平直径缩小，竖向直径增大。继之，盾构已离很远时，竖向直径减小，水平直径增大。这主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个卸装拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故。

3 机械式闭胸盾构

3.1 局部气压盾构

这种盾构的主要优点是可取代在隧道内加压的全气压施工，使施工人员不在气压舱内工作，大大改善了劳动条件。其缺点是存在一些技术难点，目前尚未很好解决。例如盾尾密封较难；已拼好的衬砌区段易渗水；气压容量少，若遇透气系数大的地层，漏气量大，气压难保持；出土装置也存在连续出土、漏气和寿命不长等问题。因此目前很少使用。

3.2 泥水加压式盾构

这种盾构过去一直局限于直径小于3 m的管道工程，1970年做到7.29 m直径（河底单线铁路隧道）。现在日本最大泥水加压式盾构做到10 m直径（用在地下铁道双线区段）。它以机械式盾构为基础，遇到含水砂砾层时可在切削刀盘后方回设隔板将盾构密闭起来，在开挖面与隔板之间形成泥水室，注以泥浆形成承压面，以抵抗地层水压力，防止塌方。同时刀盘切削下来的砂土，经搅拌机拌成泥浆，通过排泥管道由泥浆泵排出，输送到地面进行泥水发离。这种盾构的特点是，既能均匀抵抗水压，又无局部气压盾构漏气及连续出土困难等问题，故特别适用于不宜采用气压盾构的浅埋地层。由于隔板后方也属正常气压，因此也适用于深埋地层。日本修建河底、海底隧道时多用这种方法。

该类盾构的缺点是盾尾漏水问题也没有很好解决；开挖面状态不明；特别是要配备许多设备，如自动控制、泥水输送系统、泥水处理系统和泥水处理场地等。后者的造价为盾构的2倍多。

泥水压力目前一般采用比地下水高0.02 MPa，泥水容重为1.1～1.2。

3.3 土压平衡式盾构

这种盾构是在上述两种机械化盾构的基础上发展起来的，既避免了漏气缺点，也省略了投资大的泥水输送设备和处理设备，是最新型盾构。这种盾构前端也设有刀盘和隔板，形成一个密封舱。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同用压力泥水一样充满整个密封舱，并保持有一定压力，使切削下来的土与开挖面的土体压力平衡，开挖面土砂不会从刀盘面处崩溃坍塌。

排土是靠螺旋输送机进行，出土量要密切配合刀盘的切削速度，使之尽量相等。密封舱内既充满泥土，又不致过于饱满。此外，还要控制盾构千斤顶推力、推进速度、螺旋输送机的速度和闸门千斤顶的开口度，使之不断与开挖面的土压保持平衡。

这种盾构与手掘式闭胸挤压盾构的差别在于前者是依靠土砂的自然流入，适用场合受到限制。后者则有积极的取土设备，在通常情况下可利用螺旋输送机的压实作用止水，保持开挖面的稳定。因此，几乎任何地层都可以施工。当地层透水系数大，且地下水位又高时，还可以采用土压平衡型加水式盾构，在出土箱处注水，并用管道将泥浆排出地面。这种情况类似泥水加压式盾构，但它采用清水，泥水处理设备规模也较小。由于这种盾构属最新型，失败和成功的例子差别很大，还有待进一步完善。