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盾构隧道排水研究论文
盾构隧道排水研究论文 采用盾构为施工机具，在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式施工方 法。施工时在盾构前端切口环的掩护下开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬砌（管 片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构千斤顶顶住拼装好衬砌，将盾构推 进到挖去土体空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩回盾构千斤顶活 塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开挖面挖至新的进程。如此循环交替，逐步延伸 而建成隧道。历史和发展 用盾构法修建隧道已有150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I. 布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的 现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河 下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道（宽11.4米、高6.8米）。在修建 过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构， 才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底，用一个直径2.2米的圆 形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人J.H.格雷特 黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压 浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现 代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展。20世纪30～40年代，仅 美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、 煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水 底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种 大型地下管道的施工。1969年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施 工法，盾构直径最小的只有1米左右，适用于城市给水排水管道、煤气管道、电 力和通信电缆等管道的施工。
中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径2.6米的手掘 式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26 米，最小为3.0米。正在修建的第二条黄浦江水底道路隧道，水下段和部分岸边 深埋段也采用盾构法施工，盾构的千斤顶总推力为108兆牛，采用水力机械开挖 掘进。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、 通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。
盾构法的优越性盾构法施工得到广泛使用，因其具有明显的优越性：
①在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性；
②地下施工不影响地面交通，在河底下施工不影响河道通航；
③施工操作不受气候条件的影响；
④产生的振动、噪声等环境危害较小；
⑤对地面建筑物及地下管线的影响较小。
盾构法施工准备工作 采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用 作盾构及其设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道，还应设置中间 检修工作井（室）。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工 要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的 后座。井的宽度一般应比盾构直径大1.6～2.0米，以满足铆、焊等操作的要求。
当采用整体吊装的小盾构时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安 装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后 座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架 转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板， 盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要 便于盾构的起吊和拆卸。
盾构法施工工序 主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这 些工序均应及时而迅速地进行，决不能长时间停顿，以免增加地层的扰动和对地 面、地下构筑物的影响。
土层开挖 在盾构开挖土层的过程中，为了安全并减少对地层的扰动，一般先将盾构 前面的切口贯入土体，然后在切口内进行土层开挖，开挖方式有：①敞开式开挖。适用于地质条件较好、掘进时能保持开挖面稳定的地层。
由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次完成。
②机械切削式开挖。用装有全断面切削大刀盘的机械化盾构开挖土层。大 刀盘可分为刀架间无封板的和有封板的两种，分别在土质较好的和较差的条件下 使用。在含水不稳定的地层中，可采用泥水加压盾构和土压平衡式盾构进行开挖。
③挤压式开挖。使用挤压式盾构的开挖方式，又有全挤压和局部挤压之分。
前者由于掘进时不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，使地表隆起变形，因 此隧道位置应尽量避开地下管线和地面建筑物。此种盾构不适用于城市道路和街 坊下的施工，仅能用于江河、湖底或郊外空旷地区。用局部挤压方式施工时，要 根据地表变形情况，严格控制出土量，务使地层的扰动和地表的变形减少到最低 限度。
④网格式开挖。使用网格式盾构开挖时，要掌握网格的开孔面积。格子过 大会丧失支撑作用，过小会产生对地层的挤压扰动等不利影响。在饱和含水的软 塑土层中，这种掘进方式具有出土效率高、劳动强度低、安全性好等优点。
推进操纵与纠偏 推进过程中，主要采取编组调整千斤顶的推力、调整开挖面压力以及控制 盾构推进的纵坡等方法，来操纵盾构位置和顶进方向。一般按照测量结果提供的 偏离设计轴线的高程和平面位置值，确定下一次推进时须有若干千斤顶开动及推 力的大小，用以纠正方向。此外，调整的方法也随盾构开挖方式有所不同：如敞 开式盾构，可用超挖或欠挖来调整；
机械切削开挖，可用超挖刀进行局部超挖来 纠正；
挤压式开挖，可用改变进土孔位置和开孔率来调整。
衬砌拼装 常用液压传动的拼装机进行衬砌（管片或砌块）拼装。拼装方法根据结构 受力要求，可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环环对齐，拼 装较为方便，容易定位，衬砌圆环的施工应力较小，但其缺点是环面不平整的误 差容易积累。错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/2～1/3.错缝拼 装的衬砌整体性好，但当环面不平整时，容易引起较大的施工应力。衬砌拼装方 法按拼装顺序，又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵法是先将管片（或 砌块）拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是将管片逐块先与上一环管片拼接好，最后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出 千斤顶活塞杆以防止盾构后退，减少开挖面土体的走动。而先环后纵的拼装顺序， 在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回，极易产生盾构后退，故不宜采用。
衬砌背后压注 为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后 还可改善衬砌受力状态，并增进衬砌的防水效果。压注的方法有二次压注和一次 压注。二次压注是在盾构推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌上的预留孔， 向衬砌背后的空隙内压入豆粒砂，以防止地层坍塌；
在继续推进数环后，再用压 浆泵将水泥类浆体压入砂间空隙，使之凝固。因压注豆粒砂不易密实，压浆也难 充满砂间空隙，不能防止地表沉降，已趋于淘汰。一次压注是随着盾构推进，当 盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥类砂浆，并保持一定的压 力，使之充满空隙。压浆时要对称进行，并尽量避免单点超压注浆，以减少对衬 砌的不均匀施工荷载；
一旦压浆出现故障，应立即暂停盾构的推进。
盾构法施工时，还须配合进行垂直运输和水平运输，以及配备通风、供电、 给水和排水等辅助设施，以保证工程质量和施工进度，同时还须准备安全设施与 相应的设备。
