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1、第一章 隧道常用施工方法简介第一章 隧道施工方法简介第一节 隧道施工方法的分类、适用条件及选择原则一、隧道施工方法的分类前已述及，隧道及地下工程的“施工方法”是开挖和支护等工序的组合，或者定义为为达到规定的使用目的、规定的设计要求、规定的技术标准，使用一定的人员、资金、机械、材料，运用一定的技术措施和管理措施，遵循一定的作业程序，修建隧道及地下洞室建筑物的方法。按照开挖成形方法、破岩掘进方式、支护结构施作方式或空间维护方式的不同，以及隧道穿越地层的不同，目前一般可以将隧道施工方法分类如下：1、矿山法（又称为钻爆法或暗挖法），可分为传统矿山法（日本称为背板法）现代新奥法（NATM）（又称为锚喷构
2、筑法）2、明挖法，可分为放坡明挖法悬臂支护明挖法围护结构加支撑明挖法施工方法 3、盖挖法，可分为盖挖顺作法盖挖逆作法4、盾构法，可分为敞胸式盾构法闭胸式盾构法5、掘进机法（TBM）6、沉埋法 （又称为沉管法）本书将以现代隧道工程理论为主要线索，重点介绍“新奥法”，其它的施工方法只作简要介绍。二、隧道施工方法的适用条件以上各种方法与地层条件、埋深条件、建筑环境条件的适应性见下表：隧道施工方法及其适用条件 表1-1隧道施工方法地层条件传统矿山法（背板法）新奥法盾构法明挖法浅埋暗挖法盖挖法沉埋法连续墙法山岭隧道适用适用适用浅埋区段适用浅埋及软土隧道加特殊工法适用适用适用适用适用适用海底、河底、湖底（
3、地层中）隧道适用适用水底（河床上）隧道适用三、隧道施工方法的选择原则隧道工程地质条件（工程所处的地下建筑环境条件）主要表现为围岩的自稳能力和抗扰动能力、被挖除岩体的抗破坏能力、地下水储藏条件、地应力大小、地温、易燃易爆有害物质以及这些条件的变化情况；隧道工程结构条件主要表现为隧道长度、隧道断面大小、形状、洞室的组合形式以及支护结构类型等情况；隧道工程施工条件主要表现为隧道施工对围岩的扰动、支护结构对围岩提供帮助或限制的有效性；施工对作业空间的要求、提高施工速度的要求、控制施工成本的要求、保证工程质量的要求、保证施工安全的要求、减少环境污染的要求；施工队伍技术水平、施工人员素质、施工队伍的管理水
4、平。隧道施工方法的选择原则是：应根据实际隧道工程上述三个方面的条件，充分研究、综合考虑，选择适当的施工方法，并根据各方面条件的变化及时调整和改变施工方法。所选施工方法必须与围岩的自稳能力相适应；必须与被挖除岩体的坚硬程度相适应；必须与工程地质条件的变化相适应；必须与隧道断面大小、形状、以及洞室的组合情况相适应；必须与施工技术水平相适应；必须尽量减少对围岩的扰动，并保持围岩的自稳能力不显著降低和充分利用其自稳能力；必须能有效保证围岩稳定；必须能够满足作业空间的要求；必须能满足施工组织和管理方面的要求；必须能够满足施工速度的要求；必须能满足施工成本控制的要求；必须能满足工程质量的要求；必须能满足施
5、工安全的要求；必须能满足环境保护的要求。应当指出的是，隧道工程施工是在应力岩体中开拓地下空间。由于地质条件的复杂性和多变性，以及地质勘探、施工技术和人们对工程问题认识的局限性，使得人们在隧道施工过程中不可避免的会遇到预料之外的地质条件的突然变化，甚至发生如流变、坍方、流沙、溶洞、瓦斯、高温、岩爆等工程事故。所以，隧道施工人员，一方面应当根据隧道工程各方面的具体条件加以综合考虑、反复比较，选择最经济、最合理的施工方法，甚至是多种方法、多种技术的综合应用；另一方面应密切关注施工过程中的各种变化，及时根据实际情况调整施工方案、施工方法、施工技术和施工进度等各项计划。这是一个受多种因素影响的动态的择优
6、过程。第二节 传统矿山法一、矿山法概述 “矿山法”是采用钻眼爆破方式破岩，纵向分段横向分部（或全断面）开挖，每一块开挖成形后即对围岩施以适当的支护，并提供维护隧道长期稳定的安全储备的施工方法。矿山法是因其最早应用于坑道采矿而得名。又因其采用“钻眼爆破”方式破岩，故工程现场也称之为“钻爆法”。隧道开挖成形后对围岩的支护，可以分为钢木构件支撑和锚杆喷射混凝土支护两大类。人们习惯上将采用钢木构件作为临时支撑的施工方法称为“传统矿山法”；而将采用锚杆喷射砼作为初期支护的施工方法称之为“新奥法”。矿山法施工工艺是一系列工序的组合，可以机动灵活地进行调整，所以当施工条件发生变化时，它依然表现出很强的适应性
7、；施工设备的配套也比较灵活，机械的组装简单，转移方便，重复利用率高；长期的实践已使人们积累了丰富宝贵的施工经验，已形成了较为科学、完整的施工工艺，这些是普遍认同的优势。从隧道工程的发展趋势来看，矿山法仍将是今后山岭隧道最常用的施工方法。矿山法常用于山岭隧道的施工。尤其是现代新奥法可以适用于多数的地质条件，对某些特殊地质条件在辅助工法的支持条件下仍然适用，也不受隧道断面尺寸和形状的限制，目前我国隧道工程中已广泛使用新奥法。故本书以介绍新奥法为主。但与其它方法比较而言，矿山法同时也存在施工工序多、相互干扰大、施工速度慢、超欠挖严重、对围岩扰动大、施工安全性差、工人劳动强度大、作业场所环境差、管理难
8、度大等缺点。此外由于施工速度较低，在长大隧道工程中，为保证工期，往往需要采用辅助坑道来增加施工作业面，增加了工程造价。二、传统矿山法（背板法）“传统矿山法”是采用木构件或钢构件作为临时支撑，达成坑道的临时稳定，待隧道开挖成形后，再逐步地将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。它是人们在长期的施工实践中逐步自然发展起来的。早期的传统矿山法主要采用木构件作为临时支撑，施作后的木构支撑只是作为维护围岩稳定的临时措施，待隧道开挖成形后，再逐步地将其拆除，并代之以。木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有进一步扰动，因此目前已很少采
9、用。由于钢材产量的增加，传统矿山法已发展为主要采用钢构件承受早期围岩压力，以维护围岩的临时稳定，然后在此基础上再施作内层衬砌以承受后期围岩压力并提供安全储备。钢构件支撑具有较好的耐久性和对坑道形状的适应性等优点，施作后的钢构件支撑不予拆除和撤换，也更为安全。日本隧道界将以钢构件作为临时支撑的矿山法称为“背板法”。三、传统矿山法的优缺点传统矿山法将围岩与整体式厚衬砌之间的关系等同于地上的“荷载（围岩）结构（衬砌）”力学体系。它作为一种维持坑道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此直至现在，这种方法常被应用于不便采用锚喷支护的隧道中，或处理坍方等。传统矿山法的一些施工原则也
10、得以继承和发展。曾经使用过的“插板法”和现在也有使用的“超前管棚法”，可以说是传统矿山法改进和松弛荷载理论发展的极至。但由于衬砌的实际工作状态很难与设计工作状态一致，以及临时支撑存在的一些缺陷等，在一定程度上限制了它的发展和应用。四、传统的矿山法施工的基本原则传统的矿山法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间，这与新奥法施工的要求是一致的。采用钢支撑，可以增大一次开挖断面跨度，减少分部次数，从而减少对围岩的扰动次数。早支撑，是指开挖后应及时施作临时构件支撑，使围岩不致因变形松弛过度而
11、产生坍塌失稳，并承受围岩松弛变形产生的压力即早期松弛荷载。定期检查支撑的工作状况，若发现变形严重或出现损坏征兆，应及时增设支撑予以加强。作用在临时支撑上的早期松弛荷载大小可比照设计永久衬砌的计算围岩压力大小来确定。临时支撑的结构设计亦采用类似于永久衬砌的设计方法，即结构力学方法。慎撤换，是指拆除临时支撑而代之以永久性模筑混凝土衬砌时要慎重，即要防止撤换过程中围岩坍塌失稳。每次撤换的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若预计到不能拆除，则应在确定开挖断面大小及选择支撑材料时就予以研究解决。使用钢支撑作为临时支撑，则可以避免拆除支撑的麻烦和危险。快衬砌，是指拆除临时支撑后要及时修筑
12、永久性混凝土衬砌，并使之尽早承载参与工作。若采用的是钢支撑又不必拆除，或无临时支撑时，亦应尽早施作永久性混凝土衬砌。五、传统的矿山法施工程序传统的矿山法施工程序可用框图表示(图1-5-1)。图1-1 传统的矿山法施工程序第三节 新奥法一、新奥法（NATM）“新奥法”是采用锚杆和喷射砼作为初期支护，达成坑道的基本稳定，待隧道开挖成形后，再逐步地施作内层衬砌，作为安全储备的施工方法。它是奥地利隧道学家腊布希维兹教授在总结锚喷支护技术的基础上首先提出的。新奥法简称为NATM（New Austrian Tunnelling methodNATM）。新奥法主要采用锚杆和喷射砼作为维护围岩稳定的初期支护，
13、以帮助围岩获得初步稳定，施作后的锚喷支护即成为永久性承载结构的一部分而不予拆除，然后在此基础上再施作内层衬砌作为安全储备（内层衬砌也称为二次衬砌、二次支护或后期支护）。初期支护、内层衬砌与围岩三者共同构成了永久的隧道结构承载体系。由于锚喷支护技术的应用和发展，也使隧道及地下工程的设计和施工更符合地下工程实际，即实现了“隧道”这样一个“地下洞室建筑结构体系的”的设计理论施工方法工作状态三者在原则、程序和效果方面的基本一致。因此，新奥法作为一种施工方法，已在世界范围内得到了广泛的应用。更为重要的是，它引发了人们对锚喷支护的作用机理的广泛研究，从而促成了隧道及地下工程理论迈入到现代隧道及地下工程理论
14、的新领域。二、新奥法与传统的矿山法的主要区别新奥法与传统的矿山法的主要区别在于支护方式的不同。新奥法的锚喷初期支护与传统矿山法的钢木构件临时支撑相比较，具有显著的灵活性、及时性、密贴性、深入性、柔韧性、封闭性等工程特点。这不仅仅是技术手段上的不同，更重要的是对工程问题认识的不同、理论解释的不同和施工原则的不同。它是人们对隧道及地下工程问题认识和理解的一次重要进步，也是人们对隧道及地下工程理论的继承和发展。值得注意的是新奥法在采用锚喷支护不能达成围岩基本稳定时，所采用的钢拱支撑的设计计算方法仍沿用并改进了传统的矿山法的设计计算方法，使得钢拱支撑所承受的早期松弛荷载（系数）更为明确，其可靠度提高了
15、，也更为经济合理。三、新奥法施工的基本原则根据对隧道及地下工程基本问题“开挖与支护的关系”的认识，对围岩的“三位一体特性”的认识，对支护的“加固和维护作用”的认识，现代“围岩承载理论”认为“围岩是工程加固的对象，是不可替代的；支护是加固的手段，是可以选择的”。围岩承载理论在“新奥法”的成功应用的基础上，运用岩体力学分析方法，充分考虑围岩在施工过程中的动态变化，逐步形成了“采用以维护和利用围岩的自承能力为基本出发点、锚杆和喷射混凝土为主要支护措施、对围岩和支护的变形和应力量测为监视控制手段，来指导隧道和地下工程设计、施工”的基本思路。并进一步总结出提供支护帮助的基本原则，即“围岩不稳，支护帮助，
16、遇强则弱，遇弱则强，先柔后刚，按需提供，协调工作，量测监控”。根据以上解决问题的基本思路和支护设计的基本原则，作为一种施工方法，新奥法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。这四项基本原则的具体含义解释如下：1、少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。因此要求能用机械开挖的就不用钻爆法开挖；采用钻爆法开挖时，要严格地进行控制爆破；尽量采用大断面开挖；根据围岩类别、开挖方法、支护条件选择合理的循环掘进进尺；自稳性差的围岩，循环掘进进尺应短一些；支护要尽量紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间。隧道施工中采用大断面短进尺开挖，和光面
17、爆破或预裂爆破破岩，就是减少对围岩的扰动的具体措施；2、早喷锚，是指开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。这样做一方面是为了使围岩不致因变形过度而产生坍塌失稳；另一方面是使围岩变形适度发展，以充分发挥围岩的自承能力。必要时可采取超前预支护，甚至地层改良措施。隧道施工中根据围岩特征采用如喷射混凝土、锚杆、钢拱架和模筑混凝土衬砌等不同类型的支护，并及时调整支护时机、支护参数，以求达到最佳支护效果，就是这一原则的具体措施。应当注意的是在一般围岩条件下，模筑混凝土内层衬砌，原则上是在围岩与初期支护共同工作并已达成基本稳定（变形收敛）的条件下修筑的。因而内层衬砌的作用是承受围岩后期压力
18、和提供安全储备。但在围岩自稳能力很弱并具有较强流变特性时，及时采用刚度较大的强支护措施就显得非常必要。3、勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩+支护)的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护时机、支护参数、开挖方法、施工速度，确保施工安全和顺利进行。隧道施工中的量测不仅包括对围岩和支护的直接观察，更包括对围岩和支护变形和应力的专项测量。量测是掌握围岩动态变化过程的手段和进行工程设计、施工的依据，也是现代隧道及地下工程理论的重要标志之一。4、紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，尤其是对于易风化的软弱围岩。
19、另一方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，即形成“力学意义上的封闭的承载环”。这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定。这一点在软弱破碎围岩地段，尤其重要。所谓“力学意义上的封闭的承载环”，就是围岩+支护=无薄弱部位且整体稳定的环状（筒状）结构物。在一般破碎围岩地段的施工中，及时加固薄弱部位；在软弱破碎围岩地段的施工中，及时修筑仰拱等，正是遵循这一原则的具体措施。四、新奥法施工的基本程序新奥法施工程序可用以下框图表示：图1-2 新奥法施工程序第四节 浅埋暗挖法一、深埋隧道与浅埋隧道的区分在矿山法施工条件下，
20、根据隧道（全部或部分区段）上方覆盖岩体厚度的不同可将隧道分为深埋隧道与浅埋隧道。划分深埋或浅埋隧道的定性分界线是：坑道开挖引起的应力重分布是否波及地表；定量分界线可用经验公式（hp）来确定。hp=(2.02.5)ha 式5-1ha=(0.225+0.045B)26-J 式5-2式中 hp划分隧道深埋或浅埋的界限深度；ha深埋隧道垂直荷载计算高度（m），适用于坑道跨度B5m；B坑道宽度，m。J围岩级别，新规范，如级围岩，即J=4； 在旧规范中，围岩类别为S，如类围岩，即S=3；S=7-J；ha=(0.225+0.045B)2s-1。当隧道覆盖厚度 hhp时，为浅埋隧道；hhp时，为深埋隧道。计算
21、hp时，类围岩取高值；当有不利于山体稳定的地质构造时，应适当加大hp值；采用非爆破法开挖及采用喷锚支护时，hp可适当减小；隧道开挖宽度大时采用高值。对于软弱围岩地段，为了较准确地判别隧道埋深的性质，可以通过试验段进行荷载实测，应用实测压力(p)与垂直土柱重(h)之比来确定隧道处于何种埋深。其判别标准可参考如下经验值：当 p/h0.4时，为深埋隧道；p/h0.4时，为浅埋隧道。有时还进一步将p/h0.6者，称为超浅埋隧道。超浅埋隧道在初期支护作用下，其围岩塑性区，在一般情况下将达到地表，覆盖层发生整体位移下沉。二、深埋隧道的特点深埋隧道因埋置深度较深，上方覆盖岩体较厚，地层的自然成拱作用较好，不
22、易受地面条件的影响，围岩压力不一定很大，一般情况下不容易就形成坍塌，坑道开挖的影响不致于波及地表。深埋隧道多采用暗挖法施工，可用于深埋隧道工程的施工方法很多，常用的有矿山法、掘进机法、盾构法等。三、浅埋隧道的特点浅埋隧道因埋置深度较浅，上方覆盖岩体较薄，且风化严重，地层的自然成拱作用较差，易受地面条件的影响，围岩压力反而较大，一般情况下坑道开挖的影响将波及地表，很容易就形成坍塌。浅埋隧道一般均有地上、地下建筑环境条件方面的限制性要求，浅埋隧道，可以采用明挖法施工，也可以暗挖法施工，或采用盖挖法施工。但不管采用什么施工方法，都需要针对浅埋隧道的工程特点和建筑环境条件的要求，采取适当的辅助施工措施
23、，才能保证工程施工的顺利进行。四、浅埋暗挖法的辅助施工措施浅埋暗挖法的辅助施工措施有：稳定工作面（留核心土挡护开挖面、喷射混凝土封闭工作面）；超前锚杆锚固前方围岩；临时仰拱封底；管棚超前支护前方围岩（长管棚、短管棚、插板）；注浆加固围岩和堵水（超前小导管注浆、超前深孔围幕注浆）。以上措施可视情况依次选用。五、浅埋暗挖法的优点浅埋暗挖法是遵循现代隧道工程理论的基本原理；借助多种辅助施工措施，保持和加强围岩的承载自稳能力；参照新奥法的基本原则和步骤，开挖后及时施作初期支护，形成力学意义上的封闭的承载环，有效地抑制围岩过大变形，使支护与围岩协同工作形成稳定的联合支护结构体系。浅埋暗挖法施工一般不需要
24、大型施工机械，可供选用的辅助施工措施较多，有现代隧道工程理论的基本原理作指导，有新奥法施工的基本原则和步骤作参考，也有一定的成功经验，对各种地层条件以及地层条件的变化具有比较好的适应性，也适用于各种形状和尺寸的隧道。但由于暗挖法的施工工序较多，需要有较多的辅助施工技术予以支持，洞内作业面多，施工组织和现场管理比较困难，施工质量波动较大控制比较困难，也限制了它在浅埋隧道中的应用和发展。因此浅埋暗挖法在山岭隧道的浅埋区段和过去的城市地铁中使用较多。第五节 浅埋明挖法“浅埋明挖法”是将隧道内及其上覆一定范围内的岩体逐层分块挖除并逐次分段施作隧道衬砌结构，然后回填上覆土的施工方法。按照对边坡维护方式的
25、不同，浅埋明挖法可分为放坡明挖法、悬臂支护明挖法、围护结构加支撑明挖法。一、放坡明挖法“放坡明挖法”是指根据隧道侧向土体边坡的稳定能力，由上向下分层放坡开挖隧道所在位置及其上方的土体至设计隧道基底标高后，再由下向上顺作隧道衬砌结构和防水层，最后施作结构外回填土并恢复地表状态的施工方法。放坡明挖法施工的隧道亦称为明洞，其施工顺序与地上工程相似，故不再赘述。放坡明挖法主要适用于埋置特浅，边坡土体稳定性较好，且地表没有过多的限制性条件的隧道工程中。放坡明挖法虽然开挖土方量较大，且易受地表和地下水的影响。但可以使用大型土方机械、施工速度快、质量也易得到保证、作业场所环境条件好、施工安全度较高。放坡明挖
26、法是浅埋隧道的首选施工方法。边坡局部稳定性较差时，可采用喷射砼进行坡面防护或采用锚杆加固边坡土体。二、悬臂支护明挖法“悬臂支护明挖法”是将基坑围护结构插入基底标高以下一定深度，然后在围护结构的保护下开挖基坑内的土体至设计隧道基底标高后，再由下向上顺作隧道主体结构和防水层，最后施作结构外回填土并恢复地表状态的施工方法。悬臂支护明挖法常用的围护结构有打入木桩、钢桩、钢筋混凝土预制桩；就地挖孔或钻孔灌注钢筋混凝土桩、钻孔灌注钢筋混凝土连续墙等。以上各种措施也可联合采用。悬臂支护明挖法主要适用于埋置较浅，边坡土体稳定性较差，且地表有一定的限制性要求的隧道工程中。悬臂围护结构处于悬臂受力状态，靠围护结构
27、插入基底以下一定深度部分的抗倾覆能力和围护结构的抗弯刚度来平衡其基底以上部分所受外侧土压力。其优点是，由于有围护结构的保护，开挖土方量小，且基坑内无支撑，便于基坑内土体开挖和主体结构施工的机械化作业，也易保证工程质量。缺点是围护结构施工较复杂，工程造价有所增加。三、围护结构加支撑明挖法“围护结构加支撑明挖法”是当基坑深度较大，围护结构的悬臂较长时，在不增加围护结构的刚度和插入深度的条件下，在围护结构的悬臂范围内架设水平支撑以加强围护结构，共同抵抗较大的外侧土压力；在主体结构由下向上顺作的过程中按要求的时序逐层分段拆除水平支撑，完成结构体系转换，最后施作结构外回填土并恢复地表状态的施工方法。围护
28、结构加支撑明挖法主要适用于埋置不太浅，边坡土体稳定性较差，外侧土压力较大，且地表有一定的限制性要求的隧道工程中。水平支撑的强度、刚度、间距、层数及层位等技术参数，应根据对水平支撑与围护结构的共同工作状态、结构体系转换过程和施工工艺的要求进行力学分析计算确定。施工中必须经常检查支撑状态，必要时对其应力进行量测和监控。采用水平支撑的优点是：墙体水平位移小；安全可靠，开挖深度不受限制。水平支撑常用的形式有横撑、角撑和环梁支撑。平面矩形围护结构的基坑拐角或断面变化处用角撑，短边方向一般用横撑；平面环形围护结构也可采用环梁支撑。开挖基坑宽度较大，水平支撑刚度不足时，还可考虑加设中间支柱来保持其稳定性。水
29、平支撑结构以钢管、型钢及型钢组合构件为好，因其拆装方便，占据空间较小，回收利用率高，故在实际工程中应用较多。第六节 浅埋盖挖法一、浅埋盖挖法“浅埋盖挖法”是由地面向下开挖至一定深度后，将结构顶板施作封闭，并恢复地面原状，其余的绝大部分土体的挖除和主体结构的施作则在封闭的顶板掩盖下完成的施工方法。二、浅埋盖挖法的种类和施作顺序按照盖板下土体挖除和主体结构施作的顺序，浅埋盖挖法可以分为盖挖顺作法和盖挖逆作法。“盖挖顺作法”是在盖板的保护下由上至下逐层分块挖除并逐次分段施作隧道衬砌结构。“盖挖逆作法”是在盖板的保护下，逐层分块挖除并逐次分段施作隧道衬砌结构。三、浅埋盖挖法的优点由于有盖板的保护和快速
30、恢复地面原状，从而使得地下施工更为安全，也有效地减少施工对地面交通和生活的干扰。四、浅埋盖挖法适用的结构条件浅埋盖挖法主要适用于城市地铁特浅埋隧道及地下工程中。尤其适用于地铁车站等地下洞室建筑物的施工。其中盖挖顺作法主要适用于单层地铁车站施工；盖挖逆作法主要适用于多层地铁车站施工。第七节 掘进机法（TBM）一、掘进机法“掘进机法”（TBMTunnel Boring Machine）是用特制的隧道掘进机连续完成隧道掘进的施工方法。其工作原理是利用盘刀静压切削破岩。这种方法始于上个世纪30年代。二、掘进机的种类山岭隧道掘进机分为全断面和悬臂式两大类。全断面掘进机(简称TBM)又分开敞式和护盾式两类
31、。护盾式又分单护盾和双护盾两种。目前使用的主要是全断面掘进机，悬臂式尚处在发展的初期阶段。三、全断面掘进机法适用的地层条件全断面掘进机法主要适用于较为完整的中硬岩地质条件，对某些特殊地质条件基本上不适用。与矿山法等其它施工方法相比，掘进机法的特点是其掘进、出碴、初期支护、甚至管片衬砌可以同步进行，施工过程是连续的，具有“工厂化”的特点。由于其具有以上特点和对地质条件适应性的增强，已被许多隧道工程作为主要施工方案进行比选。四、全断面掘进机法的优缺点虽然钻爆法仍是当前山岭隧道施工的最普遍的方法，而且是掘进机法不能取代的。但随着掘进机技术的发展和机械性能的改进，掘进机法也表现出钻爆法不可比拟的优点。
32、掘进机法具有施工速度快、机械化程度高、工序简化紧凑、对地层扰动小、超欠挖严重、衬砌支护质量好、洞内作业环境条件好、施工安全度高、工人劳动强度较小等优点。但掘进机法受地质条件的限制较大；设备的型号一旦决定，开挖断面尺寸不可改变；隧道断面形状限制为圆形；一次性设备投资大等劣势；整套机械的使用寿命有限；需要在现场组装、拆卸，转移不便；需要有熟练的技术工人和较高的管理水平。第八节 盾构法(Shield)一、盾构法“盾构法”是以“盾构”这种施工机械在地面以下暗挖隧道的施工方法。“盾构”是一种集挖掘、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工机械。盾构机的前端设置一个环行的活动钢筒结构，其作用是承
33、受地层压力和提供地下作业空间。钢筒内的前端设置有支撑和挖掘土体的装置；中段安装有千斤顶，使钢筒可以在地层中推进；尾部可以拼装预制衬砌块或现浇衬砌环。盾构施工前应先修建一竖井，在竖井内安装盾构，盾构推进的反力由已拼装好的衬砌环承担。盾构挖掘出的土体由竖井通道送出洞外。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装或现浇一环衬砌。并向衬砌与围岩之间的空隙中压注豆砾石或水泥砂浆，使衬砌与围岩保持紧密接触，以防止隧道（衬砌）下沉及地面沉陷。二、盾构法的优缺点由于有盾构的保护，挖掘和衬砌等工作比较安全。盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现机械化、自动化作业，施工速度快，工人劳动强度低。施工时与地面环境条件的
34、相互干扰较小，穿越河道时不影响航运。施工时不受季节、风雨等气候条件影响。施工中没有噪声和振动，对周围环境没有干扰。在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道具有技术和经济方面的优势。在隧道曲线半径过小、隧道顶覆土太浅、地下水压水量较大时，盾构法施工也存在一些问题。特别是饱和含水松软土层，尚难完全防止地表沉陷，拼装衬砌的整体防水处理也比较困难。当采用全气压方法以疏干和稳定地层时，工人在高气压条件下作业，须采取特别的劳动保护措施。这些缺点有待于在今后实践中进一步研究解决。三、盾构的种类及适用的地层条件盾构的类型很多，可按盾构的断面形状，挖掘方式，盾构前部构造和排水与稳定开挖面方式进行分类。按盾构断面形状
35、可分为：圆型、拱型、矩形和马蹄形四种。圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用较广泛。按挖掘方式可将分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种。按盾构前部构造可将分为：敞胸式和闭胸式二种。按排除地下水与稳定开挖面的方式可分为：人工井点降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构；局部气压盾构；全气压盾构等。随着隧道与地下工程的发展，盾构机械的种类越来越多，适用性也越加广泛。一般而言，盾构法主要适用于软弱地质条件下进行暗挖法施工，最适于在松软含水地层中修建隧道，如在江河中修建水底隧道，在城市中修建地下铁道及各种市政设施。有资料显示，盾构法一般适宜于长
36、隧道施工，对于短于750m的隧道被认为是不经济的。常用盾构的性能和适用条件见表1-2。常用盾构的性能和适用的地层条件 表1-2挖掘方式构造类型盾构名称出土措施及开挖面稳定措施适用的地层条件附注手工挖掘式敞胸普通盾构临时挡板支撑千斤顶地质稳定或松软均可辅以气压，人工井点降水及其它地层加固措施棚式盾构将开挖面分成几层，利用砂的安息角和棚的摩擦阻力使开挖面稳定砂性土网格式盾构利用土和钢制网状格棚的摩擦阻力使开挖面稳定粘土、淤泥闭胸半挤压盾构胸板局部开孔，依靠千斤顶推力使土砂从开孔中挤出或自然流出软可塑粘土全挤压盾构盾构胸板无孔，不进土，完全挤入淤泥地层中淤泥半机械挖掘式敞胸反铲式盾构手掘式盾构装上反
37、铲式挖土机出土开挖面能自稳的坚硬土层辅助措施旋转式盾构手掘式盾构装上软岩掘进机出土石质软岩旋转刀盘式盾构面板加单刀盘或多刀盘破岩软岩插刀式盾构千斤顶顶推插板，机械或人工挖土硬土层闭胸局部气压盾构面板与隔板间加气压含水松软地层不再设辅助措施泥水加压盾构面板与隔板间加有压泥水含水地层冲积层、洪积层辅助措施土压平衡盾构面板隔板间充满土砂，产生的压力和开挖处的地层压力保持平衡淤泥，淤泥夹砂网格式挤压盾构胸板为网格，土体通过网格孔挤入盾构淤泥四、盾构法发展现状用盾构法施工的构思是由法国工程师布鲁诺(Brunel)在船板上蛀虫钻孔的启示下于1818年提出的。1825年1843年布鲁诺首次在伦敦泰晤士河下采
38、用高6.8m11.4m的矩形断面盾构修建了全长458m的世界上第一条盾构法施工的隧道。1869年英国人巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构在泰晤士河底建成外径为2.21m的隧道。英国人格雷特海德(Greathead)综合了以往盾构施工和气压法的技术特点；较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，首创了在盾尾后的衬砌外围空隙中压浆的施工方法，为盾构施工法的发展起了重大推动作用，并于1874年在伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中成功的应用气压盾构法建造了内径为3.12m的隧道。1880年1890年，在美国和加拿大之间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4m，长1 800余米的水底铁路隧道。20世纪初
39、盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国推广，3040年代在这些国家已成功地使用盾构建成直径3.Om9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在纽约就采用气压盾构法建成了19条重要的水底隧道，其用途有道路、地下铁道、煤气和上下水道等。20世纪60年代起，盾构施工法在日本得到迅速发展，除大量用在城市地下铁道施工外，在城市下水道等市政工程中也得以广泛应用。并为此研制了大量新型盾构，如局部气压式、泥水加压式和土压平衡式盾构等，以适应在各种地层中施工。据统计，日本现有2000多个盾构，其中90%用于修建以地下水道为主的各种市政公用设施。同时与盾构施工的配套设施与管理技术也获得了发展。我国在第一个五年计划期间
40、，东北阜新煤矿采用直径2.6m盾构修建疏水巷道。1957年在北京下水道工程中也用过直径为2.Om和2.6m的盾构。1963年上海开始在第四纪软弱含水层中进行直径为4.2m盾构隧道工程试验，盾构为手掘式，有16个千斤顶，总推力为1.96104kN，并备有正面支撑千斤顶，隧道衬砌为单层防水钢筋混凝土肋型管片，并采用沥青环氧树脂为接缝防水材料，试验中曾采用降水法和气压法疏干地层的辅助措施。1965年又采用2个直径5.8m，总推力为3.724104kN的网格式盾构，在覆土约12m厚的淤泥质粘土层中进行试验，采用气压式推进(气压值为8.82104pa11.76104pa)建成2个试验隧道。1967年19
41、69年，采用10.2m直径盾构及单层钢筋混凝土管片建成上海第一条黄浦江打浦路越江道路隧道，盾构穿越地面以下深度为17m30m的淤泥质粘土层和粉砂层，在两岸不同地段采用降水法全出土，全闭胸挤压，气压全出土以及局部挤压方法施工，在河中段还采用了无气压全闭胸挤压法施工，1984年上海又制造了直径11.32m的盾构成功的建成了黄浦江延安东路水底道路隧道。70年代以来上海、北京、江苏、浙江、福建等地采用不同类型盾构修建了各种不同用途的隧道，仅上海就用盾构施工法在长江边及海边建成六条外径4.3m的排水及引水隧道。此外，上海、广州等地采用盾构修建地铁和地下通道，上海地铁一号线14.81km长的区间隧道采用七
42、台盾构进行施工，广州地铁一号线也采用三台盾构进行六个区间的隧道施工。随着我国经济建设的发展，特别是城市建设的发展，盾构施工法的应用具有广阔的前景。自1818年布鲁诺首次提出盾构施工法至今已有180年，世界各国已制成数千个盾构，盾构法已广泛用于城市中修建上下水道，电力、电缆沟隧道，地下铁道，水底隧道等地下工程。各国用盾构法施工的隧道中，大约70%是用于修建上下水道，15%用于地下铁道和水底隧道。目前，各国采用盾构施工法建造的水底公路隧道已有20多条，随着交通事业的发展，用大直径盾构建造的水底公路隧道将会日益增多。第九节 沉埋法一、沉埋法及其发展现状1、“沉埋法”又称“沉管法”，是修筑水底隧道的主
43、要方法。采用沉管法施工的水底隧道又叫沉管隧道。沉埋法是先在隧址附近修建的临时干坞内(或利用船厂的船台)预制管段，预制的管段用临时隔墙封闭起来；同时在设计的隧道位置挖好一个水底基槽。然后将管段浮运到隧道位置的上方；定位并向管段内灌水压载，使其下沉到水底基槽内；将相邻管段在水下连接起来并作防水处理；最后进行基础处理并回填覆土，打通临时隔墙即成为水底隧道。2、采用沉埋法修筑水底隧道最早于1810年在伦敦进行了施工试验，该试验隧道的两个孔道由砖石圬工砌成，外径3.4m，沉于泰晤士河河底，但由于未能解决好管段防水问题使这一试验未能成功。到1894年采用沉管法在美国波士顿建成一条城市下水道工程和1904年
44、建成底特律水底铁路隧道才宣告沉埋法的成功诞生。自1959年加拿大迪斯(Deas)隧道成功的采用水力压接法进行管段水下连接后，很快为世界各国普遍采用，使得沉管法变得更加优越。我国应用沉埋法修筑水底隧道起步较晚，在台湾1984年首先建成了高雄海底沉管隧道，1984年开始进行沉埋法修建广州珠江和宁波甬江水底隧道的论证，对沉埋法的各项关键技术进行了大量的基础理论研究及关键工序的施工工艺研究。1993年在广州珠江建成我国第一条沉管隧道，1995年又在宁波甬江建成我国第二条沉管隧道。这二条沉管隧道的建成为我国进一步在长江、黄河、海峡修建沉管隧道积累了丰富的经验。我国香港特别行政区穿越维多利亚海湾连接九龙半
45、岛与香港岛的通道中，没有修建一座桥梁，均为沉管隧道。目前已建成5座沉管隧道，这样既解决了交通问题，又不影响海湾船舶通航，同时保持了海湾的自然景观的美感。二、沉埋法的适用条件及优点1、对地质水文条件适应能力强。由于沉管受到水浮力，作用于地基的荷载较小，因而对各种地质条件适应能力较强。因此沉埋法施工的隧道所需的基槽深度较浅，基槽开挖和基础处理的施工技术比较简单；而且由于管段采用先岸上预制，再浮运沉放到隧道位置，最大限度地避免了难度很大的水下作业（这一点是其它方法不可比拟的），故可在深水中施工。对于潮差和流速的影响也不难解决（如美国旧金山海湾地铁隧道的水面至管段基底深达40.5m，比利时安特卫普斯尔
46、德隧道处水流速度达3m/s）。2、沉管隧道可浅埋，与两岸道路衔接容易。由于沉管隧道可浅埋，与埋深较大的盾构法施工的隧道相比，沉管隧道路面标高可抬高，这样，与岸上道路很容易衔接，无需做较长的引道，纵断面线型也较好。3、沉管隧道防水性能好。由于每节预制管段很长，一般约100m左右(而盾构隧道预制管片每一环长度仅为lm左右)，管段接缝数量很少，漏水的机会与盾构管片相比成百倍的减少。而且沉管接头采用水力压接法后，可达到滴水不漏的程度，这一特点对水底隧道的营运至关重要。4、沉埋隧道施工工期短。由于岸上管段预制和水下基槽开挖可同时进行；而且每节预制管段很长，管段数量少，一条沉管隧道只用几节预制管段（广州珠
47、江隧道只用5节预制管段，每节长22m120m不等），管段浮运沉放也较快，对水上航运的干扰较小，这就使沉管隧道的施工工期与其它施工方法相比要短得多。特别是在水上航运繁忙的河道上建设水底隧道，而管段预制地点又离隧道位置较远时，仍具有优势。5、沉管隧道造价低。由于沉管隧道水底挖基槽的土方数量少，而且比地下挖土单价低；管段预制整体制作与盾构隧道管片预制相比所需费用也低；管段接缝少，接缝处理费用就低。因此沉管隧道与盾构隧道相比，每延米综合单价就低。而且由于沉管隧道埋置较浅，隧道总长比埋置较深地下的盾构隧道要短得多，这样工程总造价可大幅度降低。6、施工条件好。沉管隧道施工时，除接缝防水处理需要少数潜水工进行水下作业外，不论管段预制、浮运、沉放，还是基槽开挖、基础处理、覆土回填等主要工序大部分在水上进行，也无需气压作业，因此施工条件好，施工较为安全。7、沉管隧道可做成大断面多车道结构。由于采用先预制后浮运沉放的施工方法，故可将隧道横向尺寸做大，一个公路隧道横断面可同时容纳48个车道，而盾构隧道施
