机械化盾构与隧道掘进

《机械化盾构隧道掘进》隧道网(2005-3-10)

新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》中文版序言一通过本书，我们想对我们目前在欧洲和亚洲的业务给您做一个概述。对海瑞克公司来说，欧洲、中国及东南亚已经发展成为隧洞掘进技术创新的最重要的市场之一。作为行业和技术的领先者，我们为在过去的四年里与客户的合作而完成的一些成功的项目感到自豪。我们非常感谢中国、新加坡和泰国的客户对德国现代化隧洞掘进技术和设备所表现出的巨大兴趣。除了对创新的认可，我们高度评价我们亚洲客户的可信赖性和团队协作精神。世界上没有别的地方像欧洲和亚洲一样在基础设施项目的规划和建设上是如此地雄心勃勃和决心巨大。没有别的地区在具有前瞻性的领域进行如此多的投资以改善人们的出行条件，增加和改进强大的供排水网络。从工程设计者、业主和承包商所具有的热情可以明显地看出亚洲正计划在基础设施配备方面要步入领先行列。一些很好的例子有新加坡的“深隧洞排水系统”(DTSS）工程，以及中国广州、东京、南京和深圳等地的地铁工程。海瑞克公司是世界范围内惟—一家能提供不同类型、直径范围从0．1米到14．2米的隧洞掘进机械制造商，因此我们认为我们能够很好地与我们的客户一起接受亚洲任一项目的挑战并取得成功。我们的工地服务和设在各地的下属部门为迅速的客户服务提供了保证。我们的土压平衡式、硬岩、泥水式和混合式隧洞掘进机在世界各地市场卜创造着纪录。世界最大直径的混合式盾构件(φ14．2m)即为“海瑞克制造”是其中的例子之一。在完成德国汉堡Elbe河第四隧道以后，该盾构已运往莫斯科，正在用于开挖一条公路隧道。荷兰Westerschelde工程是一个体现海瑞克公司和其机器用户开拓精神的更好例子。两台海瑞克混合式盾构(φ11．34m）在海水平面以下65m深处开挖隧道。这条长6．6km的隧道，在2002年初顺利完成，代表了一项新的纪录：此前世界上从没有如此大的盾构开挖如此深的隧道。由海瑞克公司制造的支撑式硬岩掘进机将开挖在瑞土GotthardBase隧道中长75．25km穿越硬岩的隧洞。海瑞克公司还为巴塞罗那的一条公路隧道提供世界最大的土压平衡式盾构，直径为12．20m。世界范围内对微型盾构的需求也在增长。特别是在长距离隧洞掘进方面进展很快。2001年，一个俄国用户用一台海瑞先公司的微型盾构（AVN2000D）在StPetersburg（俄国）附近600m宽的Newa。河下开挖用于油管的保护管道。管道总长775m，用海瑞克高技术的微型盾构施工，使管道到达河对岸指定位置，误差仅为±3cm。海瑞克的工程师们和研究开发团队所不断追求的是技术创新，创新意味着为客户着想，增加实用技术的应用，减少费用和时间，提高安全和注重环保。让我们一起共同开创未来。诚挚的，MatinHerrenknecht海瑞克股份公司董事会主席Dr．-Ing．E．h．MartinHerrenknechtChairmanoftheBoardofDirectorsHerrenknechtAGD-77963Schwanau-AllmannsweierSchlehenweg2Germany／德国电话：0049-7824-3020传真：0049-7824-3403网址：http：／／www．herrenknecht．de电子邮件：info＠herrenknecht.de中文版序言二在本书的德文版和英文版之后，期盼已久的中文版现在出版了，2008年的奥运会将促进建筑市场的繁荣，从这一方面来说该书的出版是及时的。中国在使用护盾式和敞开式隧洞掘进机方面已经向前迈了一大步。高密度人口的城市及人员流通量的增加要求有市区以内及在城市之间的交通解决方案，以改善当前的条件，使未来的更大的发展成为可能。目前正在建设或规划的隧洞项目中，很大一部分是用于供水、排污和防洪目的。对于这些工程，用掘进机和盾构的机械化施工方法要优于钻爆及喷混凝土的方法，其优越点体现在施工工期，施工安全性及隧洞质量等方面。本书主要介绍了在德国及世界范围内本领域的技术发展情况，这些内容对工程项目的业主、规划设计者、施工单位及咨询部门来说是感兴趣的。对于中国及亚洲其它地方来说中国的专家，该书将成为他们去实施各种隧洞工程项目的参考工具书。在2002年6月访问中国期间，我们清楚地了解到中国的隧洞工程专家们利用自己的力量努力地实施着每一个隧洞项目，我们愿意用我们已有的知识和经验去协助他们。特别感谢水利部的专家们对此书的翻译以及水利部在有关本书中文版出版方面所做的工作。对WilhelmErnst＆Sohn出版社无偿地提供中文版版权表示感谢。下面作者想把自己向中国专家们做一介绍：BernhardMaidl一德国鲁尔波鸿大学博土，教授一上海同济大学顾问教授一波鸿Maidl＋Maidl工程咨询所所长地址：Germany：Netherlands：Universitätsstraβe142OudeNieuwlandseweg19Bochum3253LlOuddorpZHTel．十49．23497077．0Tel．十311-87689148E-Mailimm．bochum＠t-online．DeE-Mailimm．bochum＠．t-online．de咨询范国：·隧洞工程一盾构及掘进机施工一微型盾构施工一钻爆法施工·地质技术·土木工程·地下工程·采矿·项目监理

第一章盾构概论在过去的几年中为了开发地下空间，采用盾构技术掘进隧道的方法已经建立并不断地完善。它在实施地下工程时对地面结构和交通影响较小。特别在城市市区中有敏感的基础设施和较高利用率的地区都对创造地下空间提出了更多的要求。这些空间目前还只是用于解决交通问题。它们同样也可用于其他目的，如发电厂、贮藏库、安全区、管道隧道、地下都市设施，以及输水穿越等。特别在日本，由于城市中空间受限制，因而在这方面的扩展设想和经验很多。图1-1日本人对市区内利用地下空间的设想［103］必须承认，在盾构掘进隧道的领域中，目前日本处于领先地位。然而，在德国和欧洲开发此项施工技术也达到了很高的水平并获得了国际的认同。盾构掘进隧道允许在浅覆盖层且纵长的地下结构下施工，在不稳定的地层和含地下水的地层中都不致引起地表上建筑物的破坏或较大的沉降。它可应用于脆弱的土壤(friablesoil）或在高压强的地层中，诸如非粘性松散的土壤，犹如在软塑性的或流动的地层一样。在暂时稳定的地层中也得到了有效的应用。此时，盾构只起到顶部的保护作用。所以，盾构机有着很广阔的应用范围。一般地讲，盾构掘进隧道不应该也不能取代其他工法，但在不良的地层条件下要做长距离掘进，对进尺有较高的要求和对地面沉降又有严格的控制时，它比其他工法在技术上更合理，且也是经济的方案。其主要的优缺点如下：优点：一机械化施工，且进尺高一隧道形状准确一对地面结构影响可能最小一对工作人员较安全一施工方法对环境无不良影响，地下水位可以保持，噪音小一质量高，衬砌经济缺点：一盾构的规划、选择方案、设计、制造和组装准备的时间较长一熟悉情况需要时间一准备施工现场和分离工厂（如需要）困难，且费用高，只有在长距离掘进时才较经济一由于不同类型的盾构适应不同的地层，当地层条件变化时，实施有风险一通常只为圆形断面，变化的可能性较小一断面的几何形状变化时(如扩大时)，费用较高一正常情况下衬砌必须设计并详细计算要承受的盾构推力(shovingforce）。如果利用了这些优点，且在规划期间就尽可能地考虑到了它的缺点，这才可能合理地应用盾构掘进隧道。一台小直径盾构机和其他工法一起使用时，一般能掘进的长度超过了2000m。这已得到证明。盾构掘进隧道当然可能是个经济方法，并且在很多实例中都说明盾构掘进隧道比挖填法或其他常规建设隧道的工法更为经济。要想使盾构法运用的成功，就必须精心规划、论证、设计盾构机、隧洞衬砌和后勤设备。对于盾构掘进中技术上的合理性及经济性，经验和专门的技术知识是应用这种施工方法施工的必要条件。有时，客户对盾构工法失望是因为他们错选了机器或是不了解设计原理。这样就导致在以后施工中遇到超过规定的地面沉降，未料及的低进尺，衬砌的剥落、破碎或水的浸入等问题。对于客户而言，只有按期、经济并高质量地建成隧道，且极小地影响环境才是利益之所在。所以盾构制造商必须注意到客户这些显而易见的利益。对盾构机的要求必须与隧道施工的要求有效地结合起来。为此，机械工程师与土木工程师之间经常的经验交流是非常必要的。对协调现场经验的评价也同样是非常必要的。

第一章一、基本原理和术语盾构的基本原理是基于一件圆筒形的钢组件沿隧道轴线向前推进的同时开挖土壤。这个钢组件在初步的或最终的隧道衬砌建成以前总是在防护着开挖出的空洞(void)。盾构必须承受周围地层的压力，而且如果需要，还要防止地下水的侵人。隧道拱内圈的空洞由盾构本身防护，还必须采取辅助的措施对工作面进行支撑，这取决于地层和地下水的条件。图1-2列举了五种稳定隧道工作面的方法。在第2章将对它们进行详细说明。在它们之中有：图1-2在隧道工作面上防止地下水及支撑土壤的方法［176］一自然工作面支撑一机械工作面支撑一压缩空气工作面支撑一泥浆工作面支撑一上压平衡工作面支撑这些方法对盾构掘进隧道工法构成了很大的优点，与其他掘进隧道工法相比，在开挖期间任何位置的土壤都处于稳定的状态。除了规定支撑工作面的方法外，规定土壤开挖方法也是盾构机的一个重要特征。采用“手掘盾构”(handshield）的人工开挖是最简单的一种，而且仅用于一些特殊情况，如在特殊的某种地质条件下做短距离掘进。更普遍的情形是用机械开挖。机械开挖中又分为部分断面开挖和全断面开挖。部分断面开挖时，对隧道工作面的开挖是分块进行的，使用的设备有挖掘机或特殊的刀具及刀盘等。开挖时由人工或自动操作进行导向和控制。根据地质情况，全断面开挖方法可用辐条式、轮缘式（带开口）或封闭式刀盘。液力开挖用加压的液体射流，或挤压开挖，此时，在推力千斤顶的作用下，把塑性强的土壤经盾构前壁上可以关闭的开口挤进盾构内。在第4章将对不同的开挖方法做详细的讨论。排出开挖料需要有特殊的搬运系统，把土料通过盾构转运到地面。根据预期的地层类型，开挖的效果和工作面的支撑方法等选择最合适的系统。这些决定也直接影响到开挖料的运输方式，图1-3列举了土料通过盾构的基本运输方式。在第5章将对这些运输方式再作阐述。①人工开挖，用胶带输送机干式出渣；②机械部分断面开挖（此处为反铲），并用胶带输送机干式出渣；③机械全断面开挖，用胶带输送机干式出渣（土料可经铲斗从切削轮的中间或其底部运到胶带输送机上）；④机械部分断面开挖及泥浆输送；⑤液力开挖及泥浆输送；⑥机械全断面开挖，泥浆输送；⑦机械全断面开挖，渣料由螺旋输送机运出并卸到胶带输送机上；⑧挤压式开挖并把渣料卸到胶带输送机上。图1-3运输开挖料通过盾构实际当中有很多种运输方式，它们可分为以下二组：一干渣搬运一泥浆输送一经处理的渣料搬运运输开挖料通过隧道可以用出料管线、胶带输送机、自卸卡车和轨道运输系统（出渣列车）。到运输系统的卸料点与后配套区应联在一起。为了保证形成空洞的安全，随着开挖的前进，盾构沿着隧道轴线被向前推进。推力由液压油缸产生。已建成的衬砌通常起着支座(abutment）的作用。因此，隧道衬砌勺掘进方法必须相互适应。盾构的功能及隧道的质量都取决于它们相互的适应性。有关这方面的内容将在第6章讨论。挖成的空洞通常由预制的混凝土管片保证。实际应用中有很多不同的形式、材料、布置、密封系统以及建环的方法等。这方面的详细描述请阅读第6章。此外，还有一些其他可能的衬砌系统，有的在实际中已经应用（图1-4）。通过加压将混凝土泵入模内（“混凝土挤压”）是一种有利的选择，甚至喷浆混凝土也可与盾构掘进的隧道结合使用。图1-4盾构隧道衬砌通常建造衬砌是在盾构的保护下进行的，当盾构机向前推进时，就会留下空隙。此空隙必须填实以使地面沉降为最小并避免地层松动。因而要选择合适的灌浆方法并设置相应的灌浆设备。详细内容请见第2章和第7章。

第一章二、盾构形式的定义

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》考虑到盾构应用区域特定的地质及水文条件，要掘进隧道的形状和有关盾构设计的各种技术可能性，几乎每一台盾构机都是专用的。然而，盾构的具体形式及它们有关的名称仍然获得了发展。这些名称是基于所采用的设计原理。在德国流行的名称不一定就是国际上的名称。以下是流行的名称及其定义。敞开工作面盾构(open-facedshields）“敞开工作面盾构”在工作面没有抑制地下水的压力调节系统。因此，敞开工作面盾构只能用于无地下水的地层或事先降低地下水位的地层。如果隧道工作面需要土压支撑，则可采用机械方式实现（见第8章）。除了机械式部分断面和全断面机型外，敞开工作面的人工盾构也属于敞开工作面盾构的类型。名词“人工盾构”适用于人工开挖土壤的盾构，它可在敞开的条件下或在压缩空气中进行。压缩空气盾构（compressedairshields）“压缩空气盾构”是用压缩空气使整个盾构能防止地下水的侵入，因此，它可在游离水体以下或在水位以下运作。压缩空气盾构可以是手工盾构，也可以是用机械部分断面或全断面开挖的机器（见第9章）。膜式盾构（membraneshield）(ZüblinAG）还可被称为压缩空气盾构。此时，由于加压的膨润土浸润了工作面并在其上形成了滤饼，减少了漏气(blowout）的危险。除了防止地下水外，膜式盾构还提供了土压支撑。泥浆盾构（slurryshields）“泥浆盾构”包括了所有用加压的泥浆支撑隧道工作面的盾构。在德国，这种类型的盾构也被称为膨润土或悬浮液式盾构。这些名词说明了支撑的介质，而不包括用水来支撑隧道工作面的。以下一些名词是特殊的并有制造商的名称：“水力盾构”(hydro-shield)(Wayss＆FreytagAG),用机械的全断面开挖；“水力喷射盾构”（hydrojetshield）（Wayss＆FreytagAG），用水力挖土及“Thix盾构”（Thixshield）（Ph．Holzmann公司），用部分断面开挖。土压平衡盾构（earth-pressurebalanceshields）“土压平衡盾构”用切削轮开挖的土料作为支撑介质。因此，辅助的支撑介质如压缩空气或悬浮液便可以不用了（见第11章）。日本的“闭胸挤压式盾构(blindshield)”以挤压开挖方式工作，也可称作土压平衡系统。组合盾构（combinedshields）“组合盾构”（也称通用盾构）的机械原理和其特殊的工作面支撑方式可适用于掘进隧道中变化的地质和水文地质条件（见第12章）。名词“多变型盾构（polyshield）”是由Voest-AlpineBergtechnik公司开发的盾构；“混合盾构”（mixshield）是用于Herrenknecht公司开发的盾构机。叶片盾构（bladeshields）“叶片盾构”的特征是其盾壳的特殊构造。与无缝盾构相比，叶片盾构分成很多片式桩刀(sheetPileknives),它可单个地或成组地向前推进（见第13章）。这种设计原理便于开挖各种类型的断面。叶片盾构由Hochtief公司与WestfaliaBecorit公司合作开发并已达到了较高的水平。多工作面圆盾构（multi-facecircularshields）“多工作面圆盾构”可以解释为掘进由两个或更多叠接圆组成的特殊断面形式（见第13章）。它们便于用一台机器掘进两条或更多条的隧道管道(tube)。这种盾构目前只在日本建成并应用。小型盾构（microshields）“小型盾构”包括所有直径太小以致在运作时无法通往隧道工作面的盾构。它主要用于敷设排污和辅助管道。小型盾构和无沟敷管是另外的研究领域。在第14章我们将只讨论可控制的小型隧道掘进的工法。第一章三、起源及历史

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》人类设想建造各种用途的隧道已有5000年了。开挖隧道是为了保护人员和物资，或提供通往某些禁地的秘密通道，开发自然资源或加速运输等。在很早的时候，隧道建造者就知道如何用木板条来支撑破碎的地层和松散的土壤，然后用砖石衬砌。直到19世纪初，才可能在有渗流或裂隙水的地层中工作。但是，在松散的土壤中或在大量的游离水体下（不是水位线以下）还是不行。直到1806年，这种情况才有所改变，一位有创造性的工程师MarcIsambardBrunel在伦敦发明了盾构掘进隧道的原理并注册了专利。当St．Pertersburg在规划设计一条跨越Neca。河冬季安全的交通联线时他发明了这一专利。每年桥墩总是遭受从Lagoda湖上漂流的大冰块的破坏，当研究此项目时，Brunel曾建议修建一隧道（用盾构法挖掘）。但是，最终还是选择了索桥。M．I．Brunel盾构由不同的单元格组成。每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用（图l-5）。一种方法是所有单元格都被牢靠地装在盾壳上，当一段隧道挖完后，由液压千斤顶将整个盾壳向前推进；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。目前所有的封闭式盾构都是基于第一种方法；后一种方法还没有完全发展到实用的程度，但如果把叶片盾构（bladeshield）认为是基于后一种方法的话，则是例外。图1-5M.I.Brunel盾构，1806［178］图l-6示出了一项基本不同的系统，它有一封闭的盾壳，用全断面螺旋式开挖及紧跟其后的衬砌。它可以被认为是土压平衡盾构（EPBShield）的先行者。用于泰晤士河底隧道的SirM．I．Brunel盾构在伦敦泰晤士河下的隧道工程使Brunel终于实现了他的设想(图1-7)。这台盾构为矩形并由12个邻接的框架组成，每一个框架分成3个舱。每一舱里有一个工人，这样，共有36名工人。此系统按照以下模式工作：首先，借助螺杆(spindles）将鞍型框架(cobs）压入前方的上中。从上部撤除隧道工作面上的木料并掘土约6英寸。然后，隧道工作面重新用木料覆盖并用螺杆支撑。紧接着盾构后部砌砖，把它作为整个机架的支座。泰晤士河下的隧道工程始于1825年，隧道工程遇到了许多困难。在经历了5次以上特大洪水后，直到1843年才全部完工。有趣的是在1928年第一次出现洪水而停工时，Callodan曾建议采用压缩空气作为解决方案，然而，Brunel还不想采纳［178］。图1-6M.I.Brunel螺旋盾构，1818［170］1-顶板；2-顶部支撑螺杆；3-头部；4-no.6机架的顶部单元；5-尾部千斤顶；6-可锻铸铁加强构件；7-铸铁边架构件；8-no．6机架的上部地板；9-吊环；10-no．6机架的中部单元；11-支腿；12-no．6机架的底部单元；13-支撑板；14-地板上千斤顶施力点；15-靴板；16-地板上铺砖；17-隔墙砖；18-底部支撑螺杆；19-砖路；20-走道；21-顶部定心器；22-调整顶部定心器的千斤顶；23-西边墙；24-边板，25-顶部砖①支贮板前移；②拆去支撑板在其后开挖；③支撑板待撤除；④支撑螺杆图1-7用于泰晤士河底隧道的SirMarcIsambardBrunel盾构，182543［137］1869年，工程师JanesHearyGreathead用圆形盾构再次在泰晤士河底修建了一条隧道。他第一次采用了铸铁的衬砌管片［6］。隧道施工长402m，外径为2．18m。隧道基本上是在不透水的粘土层中掘进的，所以在控制地下水方面没有遇到什么困难。Greathead的圆形盾构后来成为大多数敞开工作面盾构的模型。图1-9示出两台直径为9．35m的Greathead盾构的一台，它用于修建连接Rotherhithe和Ratcliffe的Rotherhithe隧道（1904一1908）。图1-81882年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水［137］图1-9Greathead盾构，外径9.35m，Rotherhithe隧道，1904/08(Markham)在松散地层中修建水底隧道如何抑制地下水问题，AdmiralSirCochrane找到了解决办法。按照1828年Callodam向Brunei提出的建议，他采用了压缩空气1830年他发明了气闸，它能使人们从常压空间进入力压的工作舱［7］［178］。首次采用压缩空气掘进隧道于1879年在安特卫普和于1880年在纽约几乎同时进行，但没有使用盾构。1886年Greathead在伦敦地下施工期间将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用［84］。压缩空气条件下的掘进隧道意味着在承水压地层中掘进隧道的一个重大进步。它填补了隧道施工中的一个的空白，也导致了世界范围内采用盾构掘进隧道的数目有了很大的增加。20世纪初，大多数的隧道都是采用Greathead盾构修建的。在Brunel发明之后的另一个进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构的专利可追溯到1876年［178］，由英国人JohnDickinsonBrunton和GeorgeBrunton申请的专利（图l-10）。这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘。开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转到后面从盾构中运出盾构。切削轮的旋转由6个液压油缸推顶固定于切削轮棘齿环上的齿槽来实现。这一构想后来被用于修建基辅地铁。图1-10机械化盾构，J.D.Brunton和G.Brunton，英国专利，1876年［178］Price盾构（图1-11）是根据发明者命名的并于1896年申请专利。它是一种较好的结构。从1897年起，这台机器成功地应川十伦敦的粘上中。它第一次将Greathead盾构与旋转刀盘组合在一起。切削轮由4个辐条臂组成，在臂上装有切削和刮削的工具。而且切削轮上还设有盆状集装开挖出上料的铲斗，它将土料提升并倒入斜槽，再滑落至备好的料车中，然后被运到地面。切削轮通过一根长轴并由电驱动［178］。图1-11机械化盾构，J.Price,英国专利，1896［178］图1-12机械化盾构，J.Price,1092(Markham)在强渗水性的地层中，用压缩空气支撑隧道工作面是困难的，因此1874年Greathead开发了用液体支撑隧道工作面的盾构。通过液体流，土料以泥浆的形式引排出（图1-13）。图1-13泥浆盾构，Greathead，1874年专利［178］1896年，Haag在柏林为第一台德国盾构申请了专利，它是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖舱密封作为压力舱的盾构机。直到1959年，用液体支撑隧道工作面的想法由ElmerC.Gardner成功地试用于一条直径为3.35m的排污隧道。1960年，Schneidereit提出了用膨润土悬浮液的活动工作面支撑。在这之后，H.Lorenz申请了用加压膨润土浆来稳定隧道工作面的专利。1967年第一台用切削轮和水力出渣的泥浆盾构机在日本投入使用，其直径为3．Lm。德国第一台用膨润土液支撑隧道工作面的盾构由Wayss＆Freytag开发并应用。图1-14泥浆盾构，Hag,1896年专利土压平衡盾构的开发则要晚得多，尽管Brunel的螺旋盾构（图l-6）可以被认为是先驱者。这项技术于1963年首先由日本SatoKogyo公司开发出来（图1-15），当时他们正寻求在地下水位以下松软且流动的地层中掘进隧道的方法。因为压缩空气和泥浆盾构机在日本已得到成功的应用，开发土压平衡式盾构颇使人们感到惊奇。开发土压平衡盾构是因为由于在日本许多大城市中对环境有严格的环境规定及法律。要考虑到空气和地下水的污染，开挖料的弃置，还涉及到压缩空气条件下的健康和安全问题等。图1-15土压平衡盾构，SatoKogyo公司，1963年［178］从最初的“模型”盾构机到今天的高科技系统，经历了一个漫长发展并带有危险的路程。这个发展过程更详细的描述超出了本书的范围。对盾构机发展历史有兴趣的读者可以阅读BarbaraStack手册［178］，它详细介绍了盾构掘进隧道各种原理的发展及其专利信息。表1-1示出1826～1914年间典型的结构掘进。表1-1典型的盾构掘进(1826—1914)，摘自［84］

第二章地面沉降及空洞支撑

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》在最终的衬砌安装好以前，盾构一直作为一种移动的安全设施，牢靠地保证着空洞的安全。盾构必须承受周围地层的压力并在必要时防止地下水的侵入。这种基本的功能即使在有地下水的环境中只要采用一定的技术措施后也能胜任工作。除此之外，在市区中另一个必须履行的重要功能是借助适当的支撑使遗留的空穴不致产生有害的地面沉降。如果要使地面沉降很小，则在推进盾构时应该特别当心。连续支撑开挖形成的空洞是减少地面沉降的一项先决条件，这样可以减少松动，避免破坏自然的层理。需要支撑的地方有：一在隧道工作面一在盾构区一在盾构后方

第二章一、地面沉降

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》即使现代的盾构掘进隧道技术也不能完全排除地面沉降。由于松动并扰动了空洞周围地层的自然层理导致了应力变位，从而产生了地层的移动，它也就表现为地面沉降。然而，现代的掘进隧道技术有助于限制地层的移动，使其不致损及地下结构（管道及通道）并大大防止了地面上的结构损坏。粗略的损坏准则是沉降坑的斜率，即沉降差(differentialsettlements)，对柔性结构不超过1:5000；而对刚性，敏感性的结构则为1:1000。当计算可预见的损坏时，还必须考虑基础的形式，大小，应变率和其他因素。进一步的资料可由［127］获得。在盾构掘进隧道的施工期间下列因素将影响到地面沉降：一土壤中降低地下水容易改变休积，影响其含水量一在盾构前由于堵塞会造成地层隆起一由于支撑不当，工作面的开挖量将比预期的大一由于掘进曲线产生的结构性改变及因压紧盾构周围的土壤引起的震动；盾壳周围的空洞支撑不足－由于回填或用高压灌浆不足造成的沉降－在隧道中排放压缩空气且由于衬砌上增加了重力而缩小了隧道直径图2－1示出压缩空气盾构采用降低地下水位并用人工开挖时和泥浆盾构采用止水衬砌时沿隧道轴线的沉降过程。很显然，它对地面沉降是有影响的。图2-1

压缩空气盾构采用降低地下水位，并用人工开挖时和泥浆盾构，采用止水衬砌时沿隧道轴线的沉降过程计算地面沉降计算地面沉降的预估值，以便于预计掘进隧道时对地面结构的影响。在对许多不同形式盾构掘进进行统计的基础上，1969年Reck对地面沉降坑的宽度提出一份与土壤相关的略值表[154]。来自经验计算的土壤关系曲线和来自覆盖c及空穴直径d间的关系得出量i，它是垂直于隧道轴线的沉降坑曲线拐点的位置。采用此量i和公式1能够确定垂直于隧道轴线任意点x的沉降。土壤上部边缘和沉降曲线间的扩展ΔF根据公式4确定。结合公式2将得出最大沉降Smax。在[154］中沉降的大小由比值ΔF/FA表示，此处ΔF为横贯沉降坑的面积，FA为开挖隧道的面积。ΔF/FA。在l％～3％间变化。这表明用人工或部分断面开挖能良好地控制隧道掘进。全机械化开挖将限制此变化的范围。用泥浆或土压平衡支撑时此比值将会更小。垂直于隧道轴线的沉降影响面积可由图2-2中公式

获得。在图的左侧Peck示出c/d及i/d的内在关系。很显然在松软塑性地层中及在非粘性砂中，在地下水位以下考虑的沉降影响要取外侧更大的值。图2-2

相对覆盖深度与地面沉降坑宽度间的关系[154]

为计算垂直于隧道轴线沉降的影响面积另一项研究（模型技术）说明此影响面积由ψ=45°倾角线和靠在隧道断面的两条线所限制。［112］为预估较精确的沉降值，特别当覆盖层较浅时，要用有限元法求得。此运用的限制并不在于建立多少模型而是在于材料的弹塑范围内如何模拟和时间函数相关的材料特性。它也可以采用三维技术以记录地层运动的不同原因。(cf．［127］）在引起沉降的地方（隧道工作面，拱背，环状空隙）假定材料的特性属于弹-塑范围，借助于松动模型，用有限元计算的结果已证明符合已建各种隧道的沉降值[150]。相对于图2-2的经验公式，它限于地面处的垂直变形，有限元法则给出一幅周围地层应力及变形的图形。这对判断地下或地面结构的沉降影响是很重要的。图2-3示出在松动而成层的砂中同一垂直及水平的位移，通过有限元分析（两维）获得的一些曲线。计算采用EcolecentraledeParis开发的FE程序GEFDYN实现。此计算基于覆盖为2.5倍隧道直径及其松散系数为0.5[150]。图2-3

在松动成层的砂中位移的等垂直曲线

此数据取自隧道工作面和盾尾处地层的位移，在此基础上计算出地层中垂直及水平的位移并以“等值线”形式示出。在图2-3(a)中（垂直的地层位移），可以看到在盾构预部发生最大的地层位移时的沉降坑，同时也可以看到在盾构顶部对称的两侧沉降量依次减少（图2-2）。在图2-3（b）中示出在水平方向发生地层挂移阶情况，计算并未给出盾构轴线上方的任何地层位移。从盾构轴线开始，水平变形呈对称地朝两边依次递增直至最大值，然后逐渐减少。测量的值在沉降地带，关于沉降值随时间和空间变化趋势的完整测量数据只有很少购定献公布。1978年Sozio[177]报告了在黏土及粘性沙上中，在约25m深处盾构的掘进情况，此隧道在压缩空气下以全断面掘进。图2-4（a）示出垂直于隧道轴线的沉降测量值，平衡曲线，隧道的位置及地基。此平衡曲线说明了沉降坑的传统形式。图2-4（b）示出在隧道轴线以上4m处沉降值的时间-空间关系。图2-4

按照[177]在压缩空气下用刮盘掘进

（b）项下示出的曲线说明1978年用最新的方法进行回填仍嫌不足。在极易变形的铸铁衬砌中用降低压编空气的方法使隧道轴线以上4m的地方增加了沉降约为5mm。工作面支撑对地面沉降的影响可从图2-5中看到。对于在粘性地层中用敞开工作面盾构时（a）其沉降值一般大于用泥浆盾构的（b）。（b）图中下部散布的点说明掘进隧道工法对沉降的影响与地层式无关。图2-5

隧道几何形状与最大地面沉降间的关系，按照[150]

在[64]中Fang对土压平衡盾构隧道轴线以上的沉降进程提出一半经验公式：各个工程的常数a及b用度量法计算（表2-1）。时间t以天计，最大沉降值Smax以mm计。表2-1中第4列给出由极限值引起的全部地层移动消失后的最大沉降值

Smax。

表2-1

按照[64]用度量法获得的常数a及b图2－6示出1993年台北MRTCN218，B1标段施工时隧道轴线以上相应的沉降过程[5]。图2-6

台北MRTCN218B1标段施工期间沉降和时间的关系，1993根据[145]

图2－7示出在安特卫普（1977－1988）用泥浆盾构×液力盾构（在地下水下均质细砂中掘进时进一步的沉降值[5]。几幅全深剖面并不能对深覆盖隧道的沉降率提供一致的图片，这是因为一前一后掘进，沉降区有搭接。第二次掘进形成的位移与第一次掘进比较在某些点大于（图2-7(a)）而在其他点与第一次掘进相比则小于（图2-7(b)）。总的来说即使小的沉降值对地层结构局部差异的影响也很明显。图2-7

两条隧道上方有垂直的地层移动，一前一后地在有地下水的细砂中掘进，用泥浆盾构和钢筋混凝土管片衬砌，安特卫普地铁，1977/88[5]

图2-8示出在泥浆支撑的隧道工作面附近因松动引起的垂直地层移动分量会小到什么程度。这些数据也取自1977/88安特卫普地铁的施工期间。在第一条管道中，当掘进第二条管道前安排了三个测点确定其收敛(convergence）值。图(2-8(a)示出测点布置及相互管道的位置。图2-8(b)示出当位于其下的第二条管道处于掘进状态时已经存在于隧道管道的收敛时间历程。水平方向缩短，相应的垂直方向增长，达到的最大值约为4mm（测点1）。图2-8(c|)把此收敛的时间关系曲线用于第二条管道（参考点在切削刃），从其下方的盾构位置中得出第一条管道的收敛关系。测量示出只在切削刃通过了相应的测量断面后才有变形。测量点1处的锯齿状曲线是由于掘进中的几次中断。通过比较图2-9和2-2中这些曲线，示出在纵向沉降坑的倾斜，因此，危及纵向交叉的地面结构，如运河，它低于垂直方向。图2-9示出了在安特卫普地铁施工过程中从很多测量中得出的最小及最大的沉降值（泥浆盾构）。测量点附近的覆盖为17m。盾构的外径为6．5m，掘进隧道在几乎非粘性细砂中和地下水位以下进行。图2-9(a)示出测点下方通过切削刃后的沉降时间关系曲线。在图2-9(b)中示出从测点到距离切削刃之间的沉降关系。锯齿曲线也是由于掘进中断引起的。在测量点下方切削刃通过14天后（图2-9(a)）或距测量点约50m外（图2-9（b）沉降才衰减。图2-8

当掘进下部管道时在上部隧道中测量的收敛，安特卫普地铁，1977/88图2-9

细砂中（泥浆盾构）地面沉降的典型过程，极限值，安特卫普地铁，1977/88

最新的盾构技术可使掘进隧道的沉降减小。即使隧道距地面很近，沉降也能保持在几个厘米以内\o""[1]。在特别敏感的区域，采取辅助措施有助于排除地层的位移。

第二章二、支撑隧道工作面

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》沿着隧道拱内圈的一件止水的、加强的圆筒型钢板起着移动式安全装置的作用。正常情况下，隧道工作面不予封闭，这样才可能进行开挖。由于地层的形式及存在地下水，使得工作面支撑很有必要。在松土中作用在隧道工作面上的合力ΣΡ示于图2-10，其公式则紧跟其后。图2-10

松土中在隧道工作面上需要的支撑力[156]

对纵剖面的设计荷载（图2-10(b)）按照Houska（图2-10（a））以断面上的设计荷载为基础导出。所需的支撑力ΣΡ借助隧道工作面前的破损楔块进行计算。地层摩擦角Φθ=45+Φ/2影响宽度2·b＝

隧道工作面前破损楔块宽度la=r0·cosΦ－a/2

lg=r0·cosΦ－3a/5

lp=r0·sinΦ+d/2破损楔块荷载宽度：·{1－e－K·tanΦ（a+2b）·z/（a·b）}

破损接头的半径：r＝r0·eβtanΦ地层重量：G

黏着力：C水压的合力：W盾构的断面面积：Ashield盾构中需要的工作面支撑力：ΣΡ＝（Pm/d）·Ashield+W工作面支撑问题及在有地下水的情况下如何排除水以及开挖料，经常与开挖问题有关。2．2．1

自然工作面支撑自然工作面支撑意味着隧道工作面的稳定是借助掘进暂时停顿期间它固有的稳定性或借助搁架上土壤形成的坡度而稳定的。自然工作面支撑可配置机械工作面支撑。图2-11

盾构模型“ElbhangtunnelHamburg”1968/74（室内照片Ph.Holzmann）

对大直径盾构可以设置一个或几个中间搁架，它将斜坡分成几个斜坡。这样会大大减少支撑地层的体积。由于不适于抵御水压，此项措施只适用于干的或排干的地层。2．2．2

机械工作面支撑首先，机械工作面支撑可以是板条的形式。采用此法时隧道用人工自上而下地开挖，同时，把支撑设置在新的水平上。然而，采用这种支撑方式进度太慢，并且妨碍了使用机械掘进系统。由于掘进速率低及劳务费高，这种工法只在特殊的情况下才采用。图2-l2

带有液压伸进的胸板，采用机械式活动工作面支撑的盾构，与机械化部分断面开挖结合使用（Robbins）

采用活动的工作面支撑则更灵活并更为有效。在简单的盾构中，胸板用液压推顶隧道工作面，同时改变推力／叶片压力。此支撑可以任何模式运作。开挖时移动板只需很短的时间。这种支撑方式适于机械部分断面开挖，在短隧道和混合地层中证明它很有效（见第8章）。上述支撑方式不适用于全断面机器（机械全断面开挖）。然而，封闭的切削轮自身在隧道工作面上也具有支撑作用。在排干的粘性或暂时稳定的地层中，采用这种支撑方式通常足以抵御工作面上应力的降低。然而，用切削轮支撑隧道工作面只适于低渗透性地层中。如果要排出地下水就需要采取辅助措施，一种方式是在槽口（slit）设置能液压开启的闸板。这样一小部分土料才能进入盾构的舱内。图2-13

带有封闭切削轮及机械式活动工作面支撑的盾构，外径6.4m，HannoverMetro1985/87[196]

以上示出的工作面支撑方式一般只适于抵御土压。如果在水位以下，或在大量游离水体下，或在透水的土壤中掘进隧道，机械工作面支撑必须采用辅助措施加以补充，以防止水的侵入（压缩空气支撑）。泥浆或土压平衡支撑则是另外的选择。2．2．3

压缩空气支撑采用压缩空气防止水的侵入是一种有效的方法（见第9章）。但在疏松的土壤中，压缩空气不可能用于抵御土压。土压必须另外用自然的或机械支撑的方法加以抵御。自19世纪初以来就一直使用压缩空气支撑。此法的一般原理示于图2－14。水压随着地下水水位的距离而线性升高。当地下水呈自由状态时，在水平面处水是无压的，而当地下水呈承压状态时（有限的水），此时水压就从零位开始升高。为了防止水的入侵，气压必须高于或等于隧道工作面的最高水压。此最高水压发生在隧道的最低点。即，在底拱。如果隧道内的气压正好调整到底拱的水压，则无水进入空洞。图2-14

压缩空气支撑

隧道内的空气压力在隧道工作面的任一点都是一样的。其结果是在隧道上部区域气压高于水压。这将导致此区域的空气流失。对于浅覆盖则是危险的，由于流动现象，土壤颗粒失去平衡会引起漏气（blow-out）。在[84]中对此过程有详细的说明。在盾构中局部降低地下水位或局部升高水位已证明是可行的。但为此要求有很多专门的知识和经验。当水的渗透系数高于kw=10-4m/s时，使用此法很困难，因为空气将取代孔隙中的水而逃逸。还有，为了防止漏气，覆盖必须有最小的深度。根据现行的业主责任保险协会规则，人能进入压力舱的空气压力最大极限值为4bar（3bar“超压”）。所谓“膜式盾构”（见第9章）主要由Ed．Züblin开发，其方法是用硼润土悬浮液喷涂在工作面上。此悬浮液在工作面上形成几个毫米厚的饼状物起到密封作用。对这种盾构当地的压力可以超过水压，这样一来，土压能被压缩空气抵御。2．2．4

泥浆工作面支撑在含地下水的松散砂或砾石中采用泥浆支撑工作面有许多优点。因为排水对这些形式的土壤不能增加其稳定性且压力损失很高，此时压缩空气支撑并不尽合适。采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的液体得以很好的支撑。用泥浆就地抵御土压及水压。纯水只适于不渗透的粘性土壤。经常采用的是悬浮液，尤其是水-硼润土悬浮液。采用硼润土是因为其力学性能，塑性和膨胀能力。悬浮液在压力下进入土壤并用其中包含的固体颗粒封闭隧道工作面，这样就形成了一层薄的不渗透的膜（滤饼），借助它提供了支撑压。此过程在1-2秒内可以完成［110］［113］。图2-15

泥浆工作面支撑

如果土壤中含有合适的成分，如黏土，由于残留在支撑液中某些悬浮液的土壤成分也可能形成滤饼，则可省去硼润土。采用聚合物中（polymer）取代硼润土也很普遍。与机械或压缩空气支撑相比较，泥浆支撑隧道工作面尚有很多技术困难，特别是需要设置分离工场。但是，泥浆盾构能用于很复杂的土壤条件。还有，其工作条件优于通常的压缩空气盾构。泥浆盾构应用的限制将在第10章讨论。2．2．5

土压平衡支撑在黏土质地层中，土料自身可以作为支撑介质。添加某些调节剂（水，硼润土或黏土，化学添加剂，如泡沫）开挖料就转化成一种“土浆”，它能起到稳定隧道工作面的作用。土浆必须加压以便与施加在隧道工作面的压力保持平衡。此支撑方法与泥浆盾构中的一样。但在盾构调向及出渣中有很大的不同。土浆能从开挖舱经螺旋输送机排出，如闭胸挤压式盾构，通过排出口被挤入盾构内（见第11章）。图2-16

土压平衡支撑

第二章二、支撑隧道工作面

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》沿着隧道拱内圈的一件止水的、加强的圆筒型钢板起着移动式安全装置的作用。正常情况下，隧道工作面不予封闭，这样才可能进行开挖。由于地层的形式及存在地下水，使得工作面支撑很有必要。在松土中作用在隧道工作面上的合力ΣΡ示于图2-10，其公式则紧跟其后。图2-10

松土中在隧道工作面上需要的支撑力[156]

对纵剖面的设计荷载（图2-10(b)）按照Houska（图2-10（a））以断面上的设计荷载为基础导出。所需的支撑力ΣΡ借助隧道工作面前的破损楔块进行计算。地层摩擦角Φθ=45+Φ/2影响宽度2·b＝

隧道工作面前破损楔块宽度la=r0·cosΦ－a/2

lg=r0·cosΦ－3a/5

lp=r0·sinΦ+d/2破损楔块荷载宽度：·{1－e－K·tanΦ（a+2b）·z/（a·b）}

破损接头的半径：r＝r0·eβtanΦ地层重量：G

黏着力：C水压的合力：W盾构的断面面积：Ashield盾构中需要的工作面支撑力：ΣΡ＝（Pm/d）·Ashield+W工作面支撑问题及在有地下水的情况下如何排除水以及开挖料，经常与开挖问题有关。2．2．1

自然工作面支撑自然工作面支撑意味着隧道工作面的稳定是借助掘进暂时停顿期间它固有的稳定性或借助搁架上土壤形成的坡度而稳定的。自然工作面支撑可配置机械工作面支撑。图2-11

盾构模型“ElbhangtunnelHamburg”1968/74（室内照片Ph.Holzmann）

对大直径盾构可以设置一个或几个中间搁架，它将斜坡分成几个斜坡。这样会大大减少支撑地层的体积。由于不适于抵御水压，此项措施只适用于干的或排干的地层。2．2．2

机械工作面支撑首先，机械工作面支撑可以是板条的形式。采用此法时隧道用人工自上而下地开挖，同时，把支撑设置在新的水平上。然而，采用这种支撑方式进度太慢，并且妨碍了使用机械掘进系统。由于掘进速率低及劳务费高，这种工法只在特殊的情况下才采用。图2-l2

带有液压伸进的胸板，采用机械式活动工作面支撑的盾构，与机械化部分断面开挖结合使用（Robbins）

采用活动的工作面支撑则更灵活并更为有效。在简单的盾构中，胸板用液压推顶隧道工作面，同时改变推力／叶片压力。此支撑可以任何模式运作。开挖时移动板只需很短的时间。这种支撑方式适于机械部分断面开挖，在短隧道和混合地层中证明它很有效（见第8章）。上述支撑方式不适用于全断面机器（机械全断面开挖）。然而，封闭的切削轮自身在隧道工作面上也具有支撑作用。在排干的粘性或暂时稳定的地层中，采用这种支撑方式通常足以抵御工作面上应力的降低。然而，用切削轮支撑隧道工作面只适于低渗透性地层中。如果要排出地下水就需要采取辅助措施，一种方式是在槽口（slit）设置能液压开启的闸板。这样一小部分土料才能进入盾构的舱内。图2-13

带有封闭切削轮及机械式活动工作面支撑的盾构，外径6.4m，HannoverMetro1985/87[196]

以上示出的工作面支撑方式一般只适于抵御土压。如果在水位以下，或在大量游离水体下，或在透水的土壤中掘进隧道，机械工作面支撑必须采用辅助措施加以补充，以防止水的侵入（压缩空气支撑）。泥浆或土压平衡支撑则是另外的选择。2．2．3

压缩空气支撑采用压缩空气防止水的侵入是一种有效的方法（见第9章）。但在疏松的土壤中，压缩空气不可能用于抵御土压。土压必须另外用自然的或机械支撑的方法加以抵御。自19世纪初以来就一直使用压缩空气支撑。此法的一般原理示于图2－14。水压随着地下水水位的距离而线性升高。当地下水呈自由状态时，在水平面处水是无压的，而当地下水呈承压状态时（有限的水），此时水压就从零位开始升高。为了防止水的入侵，气压必须高于或等于隧道工作面的最高水压。此最高水压发生在隧道的最低点。即，在底拱。如果隧道内的气压正好调整到底拱的水压，则无水进入空洞。图2-14

压缩空气支撑

隧道内的空气压力在隧道工作面的任一点都是一样的。其结果是在隧道上部区域气压高于水压。这将导致此区域的空气流失。对于浅覆盖则是危险的，由于流动现象，土壤颗粒失去平衡会引起漏气（blow-out）。在[84]中对此过程有详细的说明。在盾构中局部降低地下水位或局部升高水位已证明是可行的。但为此要求有很多专门的知识和经验。当水的渗透系数高于kw=10-4m/s时，使用此法很困难，因为空气将取代孔隙中的水而逃逸。还有，为了防止漏气，覆盖必须有最小的深度。根据现行的业主责任保险协会规则，人能进入压力舱的空气压力最大极限值为4bar（3bar“超压”）。所谓“膜式盾构”（见第9章）主要由Ed．Züblin开发，其方法是用硼润土悬浮液喷涂在工作面上。此悬浮液在工作面上形成几个毫米厚的饼状物起到密封作用。对这种盾构当地的压力可以超过水压，这样一来，土压能被压缩空气抵御。2．2．4

泥浆工作面支撑在含地下水的松散砂或砾石中采用泥浆支撑工作面有许多优点。因为排水对这些形式的土壤不能增加其稳定性且压力损失很高，此时压缩空气支撑并不尽合适。采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的液体得以很好的支撑。用泥浆就地抵御土压及水压。纯水只适于不渗透的粘性土壤。经常采用的是悬浮液，尤其是水-硼润土悬浮液。采用硼润土是因为其力学性能，塑性和膨胀能力。悬浮液在压力下进入土壤并用其中包含的固体颗粒封闭隧道工作面，这样就形成了一层薄的不渗透的膜（滤饼），借助它提供了支撑压。此过程在1-2秒内可以完成［110］［113］。图2-15

泥浆工作面支撑

如果土壤中含有合适的成分，如黏土，由于残留在支撑液中某些悬浮液的土壤成分也可能形成滤饼，则可省去硼润土。采用聚合物中（polymer）取代硼润土也很普遍。与机械或压缩空气支撑相比较，泥浆支撑隧道工作面尚有很多技术困难，特别是需要设置分离工场。但是，泥浆盾构能用于很复杂的土壤条件。还有，其工作条件优于通常的压缩空气盾构。泥浆盾构应用的限制将在第10章讨论。2．2．5

土压平衡支撑在黏土质地层中，土料自身可以作为支撑介质。添加某些调节剂（水，硼润土或黏土，化学添加剂，如泡沫）开挖料就转化成一种“土浆”，它能起到稳定隧道工作面的作用。土浆必须加压以便与施加在隧道工作面的压力保持平衡。此支撑方法与泥浆盾构中的一样。但在盾构调向及出渣中有很大的不同。土浆能从开挖舱经螺旋输送机排出，如闭胸挤压式盾构，通过排出口被挤入盾构内（见第11章）。图2-16

土压平衡支撑第二章三、盾构区支撑空洞

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》盾壳，是一个加强的钢质圆筒，支撑着空洞。盾壳要加强到使地层压力及地面沉降不致引起大的变形。还有，盾壳与隧道拱内圈间必须经常接触。这种条件只有当开挖不发生超挖、盾壳是精确的圆筒形，且盾构沿着绝对的直线前进时，即不因土壤的松动或扰动而引起地面沉降时，才能达到。这三个条件不是经常都能满足的。所以，在地层和盾壳间产生了空隙。这就必须很快地支撑以减少地面沉降。2．3．1

产生空隙的原因超挖减少了推力（减少了作用在衬砌上的压力）并便于盾构调向。在膨胀的土壤中有意识地建造圆锥盾壳以便限制推力。理论上圆筒形盾壳从前到后的直径是不应该增加的；而实际上盾壳的形状则略有锥形。大直径盾构的公差在切削刃处为十20／一10mm，在盾尾为十20／一5mm。除了无须校正方向而以绝对的直线掘进的困难，当盾构必须掘进曲线时，要使盾构在各侧都与土层持续接触的条件当然不能满足，按曲线掘进的盾构，其刚性部分在曲线的内侧和外侧都要排开土层。铰接形式的盾构在很大程度上减小了盾构通过时对横截面的要求。图2－17示出了当盾构按曲线掘进时，一刚性盾构引起的土层位移。图2-17

曲线中盾构/土层的位移

无超挖时，切削刃切削出一个圆形空洞，该空洞由盾构通过土层位移进一步扩大。接触区的外侧形成一空穴，它使周围未支撑的土层松动。当掘进的曲线半径为200m时，对一8m长的刚性盾构，空穴的扩大值可达到40mm。如图2-27示出径向力（箭头）压缩土层。当按曲线掘进时，经距离a它们产生力矩，相当于推力的偏心。2．3．2

在盾构区支撑地层在2．3．1中说明了为使盾构得以调向，盾壳周围土壤的位移必须连续进行。隧道掘进期间，对减少盾壳周围土壤影响的要求越来越高，人们已在研究盾构区域的活动式土壤支撑原理。用泥浆机时，该原理至少用于盾构的前部。但是，支撑压一般不足以补偿盾构上方垂直的土压。用自由流动的，压力可控的物质充填整个环区，能起到足够的支撑作用。此注入的物质不必是流动性很大的以避免流入开挖舱。另一方面，它又必须是流动的，以完全充填此空隙，当盾构前进时此空隙是经常变化的。对于泥浆盾构，在分离场离心分出的细粉沙正好适用。细粉沙通过盾壳中的喷嘴注入。某些制造商已将这些喷嘴制成标准设备。一般注入的量是很少的：在上述曲线的情况下（r＝200m），8m长的盾构，外径为6．5m，进尺为v＝60mm／min时，最多需要15．61／min。活塞泵或偏心环型泵都能满足此要求。然而，压力控制就不很精确。上述在盾构区的支撑措施，对盾构内部（如切削轮，破碎器，泵等）由机器设备震动引起的沉降则无效。这些震动压实疏松及粘性较低的土层会引起较大的沉陷坑。第二章四、盾构后面的空洞支撑

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》盾构后面的空洞由隧道衬砌支撑。各式不同的衬砌及其安装方法将在第6章详细说明。正常情况下，衬砌环建在盾壳后部的内侧，当用叶片盾构时为了保证盾构后隧道而用喷浆混凝土则是例外。图2-18

盾构后的环状空隙及其形成

如用预制的混凝土衬砌，前进中的盾构在围岩的内侧，混凝土管片的外侧及尾壳密封后留下一个环状空隙。尾壳密封的设计厚度及其支撑结构和尾壳的厚度确定了环状空隙的宽度。对当前制造的密封，理论上环状空隙的宽度约在70～120mm之间，其密封区为±20mm到±40mm。必须注意此值与盾构直径无关。即，对较大隧道衬砌施工公差的要求高于对小隧道衬砌的要求。当环状空隙大于250mm时则要灌浆。如果对刚形成的空隙没有立即填充，由于2．3中说明的因素，即盾壳的锥形，曲线掘进中的土层的位移，及超挖等因素环状空隙可能增加。由于不能避免的衬砌对盾尾的偏心及衬砌和盾构可能的变形等，会导致衬砌环宽度的变化。分层的土壤也会引起环状空隙宽度的变化。另外，即使衬砌环精密地制造，在密封的工作区折线的偏斜（见第6章）也不可避免。这样，当盾构前进时环状空隙的宽度会发生改变。为了避免或减少盾构后部的沉降，在掘进隧道期间必须立即回填此环状空隙。为此目的应注人压力灰浆，从而在很大程度上保持地层的自然应力状态。应力变化愈少则引起的地层变化和地面沉降也愈少。对于泥浆及土压平衡盾构，由于隧道工作面应力下降而引起的沉降将根据盾尾压力灌浆的紧密程度而减少。这一点显得更为重要。灌浆方法及设备将在第7章详细讨论。第三章机械设计及尺寸确定

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》盾构应设计成一种既能前进的，又能为机组人员及技术设备、控制盘和动力部件等提供工作间的基本安全装置。在盾构的保护下进行从开挖土壤到安装衬砌的全部作业。因此，盾构必须按照地层的地质及水文地质条件设计，还要防止地面沉降或地下水的干扰并保证机组人员的安全。第三章一、盾构的部件设计

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新闻来源：《机械化盾构隧道掘进》一般情况下盾壳被设计成圆形的筒状管。对于全断面的机器，非圆形的断面是不行的。然而，对于部分断面开挖，可以选择有个性的隧道剖面（矩形剖面，平底音面）。盾构的直径由隧道的后继用途所确定，即要求的净高，衬砌需要的设计尺电和要求的超挖量等。图3-l示出液力盾构的结构和主要的设计元件。可选用的工作面支撑方式和开挖工具在第2章及第4章论述。图3-1

液力盾构的设计元件HeraHamburg,1985/87(Herrenknecht)

盾构一般可分成三段：前段或称切削刃段(cuttingedgesection，或切口段)，中段或称推进支座段（shoveramsection，或支承段）及盾尾。对于所选择的开挖系统，其控制部分应置于中段，它形成了前段及盾尾间的过度区。盾构的控制部分应置于径向梁及盾壳的内侧。驱动装置一般地应独立于盾构结构，以避免由于开挖机构及盾构推进装置间的相互应力产生的弯曲。由于涉及刀盘驱动装置的解耦或过载保护，几种不同形式的轴承（表3-l）必须予以区别（图3-2(a～e）)。推进油缸轴向推顶混凝土衬砌管片，这样传递荷载到盾构上。拼装器驱动装置通过一起重臂结构在盾构中段与轴承连接。在前段区域内盾壳饭最厚为80～120mm，这是因为当遇到障碍物时由于瞬间荷载产生的机械应力可能很高。对于全断面开挖，即用切削轮时，在前方区域内作径向加强是不可能的。对于部分断面开挖或手工开挖，用搁架伸到隧道工作面的盾构能起到加强的作用。通过沉浸墙及压力舱壁的结构加强中段过度区。此外，在拼装器区域内有环形支架。中段后面为盾尾，在此处建造隧道衬砌。除叶片盾构外（见第13章），盾尾的内侧要留有空间以引导推力千斤顶及安装衬砌构件。图3-2(a-e)

周边驱动装置的轴承

表3-1

切削轮轴承的解耦/过载保护（周边驱动装置）[79]对于6～8m直径的盾构，中段的饭厚在60～80mm之间，盾尾的钣厚在40～50mm之间。对于混凝土管片衬砌，到盾尾的过度区用尾壳密封系统，对所谓“混凝土挤压法”用挡板（stopend）的方法连接到盾尾上（见第7章）。当盾构沿小半径曲线掘进或使用较长的盾构时，为了避免在盾尾区产生弯曲可以采用以下措施：一从前段到盾尾逐渐减小直径把盾构设计成锥形一在盾尾及中段间用铰接接头。由于有此结构，采用另外的铰接油缸或用从动接头的浮动连接使其自由地随着盾构调整盾尾的方向。一对用切削轮的全断面开挖，通过伸出的径规刀具（gaugecutters）超挖。第三章二、盾构的荷载盾构上的荷载可以分成外部荷载及运作荷载两种，后者发生在盾构的垂直及水平方向。单项荷载群的最不利情形最终确定了盾构的尺寸。至于其他较次要的影响，如土壤的摩耗，假设荷载的不确定性及因对称应力产生的收敛(divergence）等基本上都包括在某些安全系数中。此外，已完工程的数据也有很重要的参考价值。外部荷载是由于土压，水压及支撑压力作为一个整体施加在盾构结构上的荷载。运作荷载是由于机器工艺及现场运作在盾构结构内部引起的全部荷载。最主要的运作荷载来源于：一推进油缸一建环一部件的重量一开挖土壤因设置的推力，盾构上的最大荷载来自推进油缸。推力（盾壳摩擦，切削刃，开挖工具）的分布与持续的相互作用有关（见第3章第3节），应安装测量系统，对各个部件（切削刃，主轴承）设置过载保护。这些测量系统应有助于分解各个荷载。隧道衬砌一般用拼装器建造，它是一悬臂结构，产生的扭矩经环形或径向轴承传人中段。为了开挖土壤，对于各种方法，所有的刀具都要求有刀片压力。这种压力也必须由盾构结构内承受。图3-3

盾构设计筒图

看构及其加强的元件都是很不确定的，且是很不对称的壳形承载结构。切削力由复杂的FEM计算确定，对此不作详细的讨论。假设盾壳是一有弹性基底的规则的圆筒，加强的元件（舱壁，环形支架）可参与计算。与盾构的前段和中段相比，盾尾则是相对的延性，因为盾壳在推进油缸区域及在建衬砌环的地方是不能被加强的。盾尾按管子计算，它要么用铰接接头与中段连接，或在短盾构中作固定连接。3．2．1

盾壳上的荷载因土压及水压施加在盾构上的外部荷载垂直地作用在盾壳面上。除非要求更详细的计算外，土压及水压的设计荷载可简化地按照图3．3计算。对隧道衬砌的设计采用一般的计算方法［127］。但是，必须注意到：盾壳的这些设计荷载只是理论上的。实际中，由于超挖，弹性的地层，支撑液充填了周围土壤和盾壳间的空隙及由于盾构在开挖剖面中的不对称的位置，因而产生了很大的不同。这些变数难以（或不可能）计及。一些不利的因素，如弹性基底的弹性降低或不存在，通过把荷载传递到径向对称的应力位置来补偿。这使计算盾构结构的上述设计荷载得以大致满足并偏于安全。土压系数K除非能找到更详细的资料，可以按照DGEG的建议，在松土中[50]可取K＝0．45～0．50。3．2．2

压力舱壁上的荷载压力舱壁是施压的开挖舱和大气压力下的盾构区之间的界面。压力舱壁把工作面支撑要求的推进油缸的力传递给工作介质（空气，支撑液，土浆）。支撑介质最大运作的超压为3bar。理论上及技术上更高的超压数值是可能的，但当输送工作人员进入里侧维修时，按照压缩空气规则（见第9章），要求采取另外的措施（如注入油缸，土壤处理）。开挖舱中要求的支撑压p一般用试验滑塌体的稳定性来计算。在每一水平面其支撑压必须与土压及水压（除去稳定及侵入水的损失）保持平衡或高于它。支撑压应与实际压相适应，还包括增加的安全系数，这样也不应达到被动土压的数值，以免地面土层拱起。低覆盖压经常发生问题，如漏气。如果支撑压低于设置值时则有失稳的危险，易在隧道工作面前排干土壤。图3－4示出一泥浆盾构，土压平衡盾构及压缩空气盾构的荷载图。对于泥浆盾构，悬浮液的压力用悬浮液输入管（图3－4（a））或用沉浸墙与压力舱壁顶部区的压缩气垫（图3-4（b））控制。用降低隧道工作面硼润土悬浮液的液面和采用压缩空气支撑时，在沉浸墙顶部通过通道门可以进入隧道工作面。这对液力出渣没有影响（图3－4（c））。如果开挖舱与沉浸墙分开，压力舱壁上的荷载可能与隧道工作面上的不同。最终产生的荷载还必须从沉浸墙传给盾构（图3-4（b））。用压缩空气及土压支撑时（图3-4（d））及（图3-4（e）），在隧道工作面上的荷载分布与在压力舱壁上的一样。由于忽略空气密度，在压缩空气盾构中开挖舱中的压力保持恒定（见第2章）。图3-4

压力舱壁的设计荷载

除如图所示支撑介质的荷载外，因开挖刀具的支座力在压力舱壁上也会产生附加荷载。停工期间开挖舱中无支撑压，作用在切削轮支撑板及胸板上的土压必须传到压力舱壁上。土压可采用活动的土压系数计算。3．2．3

由推进油缸引起的荷载推进油缸要克服摩擦力及所需的支撑压向前推进盾构。安装在盾尾内侧最后一组管片衬砌环的表面作为推进油缸靴板的支座。在前方，此力通过压力舱壁传到支撑介质上或盾壳内侧。第三章三、推进油缸所需推力的计算盾构设计时推进油缸所需推力的计算应予以特别注意。当计算不足时，如计算中未包括一些阻力，会导致在地下进行昂贵及困难的技术修改。细心谨慎的计算，这些失误是可以避免的，也可以从已完工程的分析和数据中得到借鉴。图3-5

推进油缸及推进油缸靴板，Cologne地铁，M1标段，1993（Herrenknecht）

3．3．1

盾壳上因摩擦力引起的阻力由于覆盖层，地面上的建筑物和交通设施及盾构自身重量引起的径向荷载，即水平和垂直荷载形成了盾壳四周的摩擦力。这些力必须由推进油缸产生的推力予以克服，用锥形盾构，超挖或润滑盾构（如硼润土）都能减少摩擦力。

表3-2

钢盾壳与地层间的摩擦系数μ[81]按照结构和土壤形式的不同给出了不同的摩擦系数μ[－][81]。这可以计算出盾壳上大约的摩擦力WskWsk＝μ·[2π·r·l(Pυtotal+Ph)·0.5+Fsh]盾壳上的摩擦力

Wsk[kN]摩擦系数

μ＝tanδ是壁摩擦角δ的函数（表3-2）地层荷载

Pυ[kN/m2]（图3-3）盾壳周长

2π·r[m]盾壳长

l[m]荷载：垂直的Pυtotal＝Pv+Pbuild+Ptraf[kN/m2]荷载：水平的

Ph=K0·Pυtotal土压系数

K0[－]盾构重量

Gsk[kN]在砂及砾石中采用硼润土或其他的黏土质悬浮液润滑盾构，摩迭系数μ可以降低到0.1～0.2。对于计算垂直荷载可以采用拱顶及仓筒效应降低覆盖hˊ。3．3．2

切削刃的推阻力盾构是借助切削刃通过土壤前进的。对于各种不同形式的土壤，其峰值阻力见表3-3[81]

表3-3

对于各种不同形式地层地下土壤的峰值阻力Psh[81]上述峰值阻力与实际的覆盖高及其他荷载关。土压系数K经常高于被动土压系数Kp：Psh＞Kp·Pυtotal［kN/m2］按照［81］，按以下计算公式计算盾构周边上未减化的切削刃阻力Wsh=2π·r·Psh·t［kN］切削刃的阻力

Wsh［kN］对于各种不同形式土壤的峰值阻力(表3-3)

Psh［kN/m2］切削刃周长

2π·r［m］切削刃厚度

t［m］当Psh达到临界值时，在前段区域内产生“局部”基础坍塌，允许盾构通过地层前进。超挖(刮盘，岩石刀盘，伸缩超挖刀)会减少切削刃的阻力。图3-6

辐轮上的径规滚刀，Cologne地铁，M1标段，1993(Herrenknecht)3．3．3

由于搁架及开挖工具在隧道工作面上产生的推阻力搁架（在手工盾构中可以找到）具有切削刃同样的效应。当盾构前进时它也产生阻力。其设计荷载的确定与切削刃的方法相同（见3．3．2）。切削工具的刀片压与遇到的土壤性质有关。对全断面封闭的切削轮，部分刀片压可用于支撑隧道工作面。在松散土壤中，开挖期间对刀片压力的设计阻力Wexc按下式计算：Wexc=Aexc·K·Pvtotal；［kN］切削工具的阻力Wexc［kN］切削工具的刀片压力面

Aexc［m2］土压系数K当Ka＜K＜KP［－］时在岩石中，对滚刀要求的刀片压力，必须采取特别的措施。在水平能移动切削轮的盾构之中，移动油缸的作用力与开挖土壤的切削工具要求的刀片压相当。3．3．4

采用泥浆，土压及压缩空气支撑的推阻力因土压及水压或因支撑压产生的推进阻力必须用推力克服（图3-4）。按照图3-7，产生的支撑力Wsupp是作用在整个隧道工作面上支撑压形成的合力。形成的土压阻力：We取自滑动体试验形成的水压阻力：Wω=A0·［Pωcrown＋Pωinvert］·0.5隧道工作面支撑阻力：Wsupp=A0·［Psuppcrown十PsuppInvert］·0.5顶拱水压：Pwcrown（图3-4）底拱水压：PwInvert（图3－4）顶拱支撑压：Psuppcrown底拱支撑压：PsuppInvert隧道工作面面积：Aface=π·ds2/4在压缩空气中，隧道工作面的支撑压为常数。图3-7

在隧道工作面上因支撑压力合力形成的支撑力Wsupp

3．3．5

由于盾构调向产生的推阻力通过启动不同的油缸，或根据各推进油缸的伸出量来掘进曲线。对于小直径盾构机推进油缸可以单独控制，而在大直径盾构机中则分组控制。掘进曲率半径过小会引起约束（constraints）。随着盾构长度与其直