軟土隧道的開挖方法多種多樣,主要包括機械開挖和人工開鑿。

選擇適當的開挖方式及支護系統的標準是根據對土體性質的預測,尤其是根據工程實際經驗,確切來講就是不管對于任何土體和任何施工條件,都要使隧道掌子面維持穩定的狀態。

目前,機械開挖主要采用盾構機。在盾構法隧道的開挖過程中,盾構不僅提供和決定隧道的周界,必要時還起到支撐掌子面的作用,直到初期支護或二次襯砌穩定。

歷史上第一個盾構隧道是在1825年由Marc Isambard Brunel發明的盾構機修建的泰晤士隧道(盡管直到1843年它才開始對外開放)。相傳Brunel的盾構發明是在他參觀船塢廠的時候,被一種能夠迅速在木頭里鉆孔的蛀船蟲所啟發的結果。

Brunel最初的設計后來被PeterW.Barlow在1870年修建位于倫敦中心泰晤士河下的塔地鐵時進行了改進。也許Barlow最重要的創新設計是圓形截面(而不像Brunel的矩形截面),這樣的設計使得施工更加簡便,并且圓形截面能夠更好地支撐周圍土體的壓力。

Barlow的設計被James Henry Greathead在1884年進行倫敦南區城市鐵路(今倫敦地鐵的北部線一部分)的建設時進行了推廣和改進。直到現在,大多數隧道盾構仍然是以當時Greathead的盾構為基礎的。

(1)手工盾構隧道

在早期的盾構隧道開挖過程中,盾構主要是為了保護那些進行人工挖掘的勞動者,由工人們推著它前進,隨后又出現了預制管片,早期倫敦的深埋隧道就是用這種方法修建的。

(2)現代隧道掘進機

隧道掘進機(TBM),又稱盾構機,由護盾(一個巨大的金屬圓筒)和盾尾系統組成,最前端安裝著可以轉動的刀盤。在刀盤后方的腔體內,根據盾構種類的不同,切削下來的土體或者會和泥漿混合(這種盾構稱為泥水盾構),或者不進行混合(這種盾構稱為土壓平衡或EPB盾構),選擇何種盾構取決于土體的種類。然后系統會將土體或泥漿混合物排出,在盾構掘進機的尾端,會有一個液壓千斤頂,用它來頂住后方已完成的結構并推動盾構機繼續前進。架設器是一個可以旋轉地將預制混凝土管片安裝在各個部位的裝置,每當掘進機向前掘進一定距離時(約1.5～2 m),架設器會將新的環片安裝在新挖好的側壁。在盾構的最后面,還有一系列的輔助裝置,比如除污裝置、泥漿輸送管道、控制室、管片運送軌道等,它們也屬于整個盾構設備的一部分。

6.2　盾構機的分類及選型

盾構機可按照不同的分類方法進行分類。按開挖面是否封閉,可分為密閉式和敞開式兩類。按平衡開挖面土壓與水壓的原理不同,密閉式盾構機又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種;敞開式盾構機按開挖方式又可分為手掘式、半機構挖掘式和機械挖掘式三種。按盾構機的斷面形狀可分為圓形和異形盾構機兩類,其中異形盾構機主要有多圓形、馬蹄形和矩形。

現在盾構機普遍按功能分類,主要有土壓平衡盾構、泥水平衡盾構和混合盾構。

6.2.1　土壓平衡盾構

典型的土壓平衡盾構如圖6.1所示,主要適用于地下水少、滲透系數較小的黏性地層、砂性地層和砂礫土層。

盾構開挖土體后會引起開挖面的土體擾動,從而降低穩定性。為了防止開挖面失穩,必須要提供一個支撐力。土壓平衡的盾構機工作時,黏土被刀盤①切削并起到擋土的作用,這是土壓平衡盾構不同于其他盾構支撐的地方。盾構刀盤轉動的部位叫做開挖土艙②,它與盾構的氣倉由壓力隔板③相隔開。

土體被刀盤切削后,由刀盤的空隙進入開挖土艙,并與里面的塑性土混合。推進油缸④的壓力通過壓力隔板作用到開挖土艙內的土體上,這樣可以有效地控制切削下來的土體向開挖土艙的涌進。當開挖土艙內的土在氣缸和開挖面原狀土的擠壓下不能再被壓縮時,便達到了平衡的狀態。

開挖出來的土最后會被螺旋輸送機⑤送出開挖土艙。排土量是由螺旋輸送機的速度和螺旋向上開口處截面大小所控制的。螺旋輸送機把排土先送到第一級傳送帶上,隨后棄土會被送

①—刀盤;②—開挖土艙;③—壓力隔板;④—推進油缸;⑤—螺旋輸送機;⑥—管片安裝器;⑦—鋼筋混凝土管片

圖6.1　土壓平衡盾構(Herrenknecht公司,2008)

上一個反向螺旋帶,這樣當方向螺旋帶反轉時,可以起到土塞的作用。

隧道通常使用鋼筋混凝土管片⑦作襯砌,管片由壓力隔墻后面的管片安裝器⑥依靠氣壓安裝并初步固定。在管片與隧道側壁的空隙里會源源不斷的進行注漿以填補空隙。

6.2.2　泥水平衡盾構

泥水盾構如圖6.2所示,作為一種綜合式盾構機,它常被用于開挖面不穩定的碎石地區或復雜多變的復合地層。

圖6.2　泥水盾構(Herrenknecht公司, 2008)

在開挖模式下,開挖土倉被漿液完全充滿,而壓力倉④是位于潛水和墻①后方的,漿液由氣壓墊和壓力隔板②合力支撐。氣壓的大小是由一個氣壓調節設備(⑩和)自動控制的,這樣可以用來避免開挖面發生噴涌或者塌陷。開挖土艙③以及壓力倉的泥漿之間的壓力補給都是靠聯通管⑤來平衡的。注漿管⑨將漿液注入開挖土艙,泥漿導管⑥又從吸力架后面的排出艙將泥漿導出。壓力倉中還有沖刷管⑧和傳送管⑦,它們不斷地沖刷以避免連通管下沉積物的積累。

在可能導致開挖面失穩的不良地質條件下,例如在硬質巖土或密實黏土中,類似于小型的AVN型機這樣的機器可以當作沒有氣壓的泥水盾構來使用。隔斷壓縮空氣的進出即可完成混合盾構和泥水盾構之間的轉換,開挖土艙將傳輸管壓力倉、供給管壓力倉和連通管的空氣抽出。轉換后因為連通管的閉合,壓力倉僅存在大氣壓,隧道開挖面僅由一圈循環的膨潤土懸液支撐。

6.2.3　混合盾構

混合盾構如圖6.3所示,它被用于碎石土或復合地層條件下。

①—刀盤;②—開挖土艙;③—壓力隔墻;④—供料管線;⑤—壓縮氣墊;⑥—潛水隔墻;⑦—鋼筋混凝土管片;⑧—管片安裝器

圖6.3　混合盾構(Herrenknecht公司, 2008)

開挖面的土體被泥漿中旋轉的刀盤①切削后,與注入的泥漿混合。正如前面提到的,刀盤旋轉的部分叫做開挖土艙②,壓力隔墻③將開挖土艙與氣壓分開。

膨潤土由供料管線④以和自然水土壓力相等的壓力通過氣泡管⑤輸送到開挖土艙,這可以防止開挖面土體涌出或失穩。開挖土艙的支撐壓力并不是直接由漿液提供的,而是通過壓縮氣墊⑤。正是由于這個原因,刀盤后面的開挖土艙與壓力隔墻被潛水隔墻⑥隔開。潛水隔墻和壓力隔墻所在的位置被稱作壓力艙或工作艙。

開挖面的前方是完全被漿液填充的,漿液在潛水隔墻的后面,在中心軸的部位,在壓縮氣墊的控制下可以保持確定的壓力值,這些都是由一個氣壓控制系統精確控制的。這樣后方的補給膨潤土就能夠非常有效地進行供應。

切削下來的土體與泥漿混合后,由泵送到隧道外面的分離裝置。為了防止閉塞,同時確保排出管道的正常運作,大塊的石子和土塊在進入吸水管引起吸入渠道的入口堵塞之前就會被篩選出來。

隧道同樣使用鋼筋混凝土管片⑦作襯砌,管片由壓力隔墻后面的管片安裝器⑧依靠氣壓安裝并初步固定。在管片與隧道側壁的空隙里會進行注漿以填補空隙。

6.2.4　盾構機選型

在盾構機類型的選擇上,需要考慮土質、地下水、隧道尺寸、支護條件、開挖條件以及開挖環境。用來考慮選擇盾構機的參量數量非常之多,在我國還沒有將之系統化的任何嘗試。而日本已經有了盾構機選型系統化的雛形。

當今世界上機械開挖的隧道中大部分的盾構隧道都是用圓形設備開挖的。然而,在特殊情況下,配置有時不得不將其他形狀和類型的隧道加以考慮。

1)簡約盾構

普通盾構有手工或最基本的挖掘系統和支撐系統。例如,單盾隧道掘進機就屬于一種開放式的盾構,開放式盾構掘進機是指那些在開挖面沒有專門壓力支撐系統的開挖機械。安裝了護盾的隧道掘進機被用在碎石巖層或軟巖隧道,它們在堅硬巖石上的應用范圍非常廣泛。

單盾隧道掘進機可以比其他任何全斷面掘進機更準確地計算出刀盤所需的扭矩。跟許多其他的參數一樣,扭矩在很大程度上取決于刀盤的穿透力和接觸壓力。

2)異形盾構

隧道往往采用的是多圓形或異形盾構,一個典型的例子就是雙圓盾構。雙圓盾構是進行隧道開挖的具有最先進技術含量的隧道掘進機之一。結合了夾持原理和完美的管片安裝協調系統,雙圓盾構可以很容易地適應特殊地質條件下的任何隧道路線。這種類型的機器非常的適合修建硬質巖石破碎帶的長隧道;異形盾構由支架、支板和襯砌支撐。這項技術依靠地層能夠提供足夠的站立時間以使得開挖有序地進行推進。它還要求隧道的儀表化,以及能在開挖和支護兩個工序中迅速轉換。

6.3　開挖面穩定

開挖面的穩定性是一個至關重要的多參函數(heuer,1974,1976),主要包括:土體類型和可變性、開挖面幾何尺寸、地下水、土壓力和初試土壓力、開挖方式和支護方式。

對于隧道開挖面穩定已有很多的研究。大多數結果是基于極限平衡法和極限分析法。目前計算支撐壓力的一種合理的和明確的方法是塊體多椎體法,該方法允許滑動面更自由的發展。對于小到中等直徑的隧道(≤10 m),假設隧道壓力恒定,多椎體模型較為方便。然而,面對超大型泥水盾構隧道,泥漿壓力恒定的假設是不適用的,對這種開挖面穩定的研究目前相當少。

無支護的隧道開挖和開挖面的穩定決定了施工方法和手段,通常還決定了必須進行隧道支護的時間。每個盾構隧道的建設都會引起土中圍巖位移或應力的變化。開挖面的穩定(自穩時間)可以由四種土體來檢驗,即沒有黏性或黏性很小的顆粒土壤、有黏性的顆粒土壤、無膨脹硬化土和硬飽和軟土。