軟土隧道的開挖方法多種多樣,主要包括機(jī)械開挖和人工開鑿。

選擇適當(dāng)?shù)拈_挖方式及支護(hù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)對土體性質(zhì)的預(yù)測,尤其是根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),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(wěn)定的狀態(tài)。

目前,機(jī)械開挖主要采用盾構(gòu)機(jī)。在盾構(gòu)法隧道的開挖過程中,盾構(gòu)不僅提供和決定隧道的周界,必要時(shí)還起到支撐掌子面的作用,直到初期支護(hù)或二次襯砌穩(wěn)定。

歷史上第一個(gè)盾構(gòu)隧道是在1825年由Marc Isambard Brunel發(fā)明的盾構(gòu)機(jī)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(gòu)發(fā)明是在他參觀船塢廠的時(shí)候,被一種能夠迅速在木頭里鉆孔的蛀船蟲所啟發(fā)的結(jié)果。

Brunel最初的設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。也許Barlow最重要的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是圓形截面(而不像Brunel的矩形截面),這樣的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)被James Henry Greathead在1884年進(jìn)行倫敦南區(qū)城市鐵路(今倫敦地鐵的北部線一部分)的建設(shè)時(shí)進(jìn)行了推廣和改進(jìn)。直到現(xiàn)在,大多數(shù)隧道盾構(gòu)仍然是以當(dāng)時(shí)Greathead的盾構(gòu)為基礎(chǔ)的。

(1)手工盾構(gòu)隧道

在早期的盾構(gòu)隧道開挖過程中,盾構(gòu)主要是為了保護(hù)那些進(jìn)行人工挖掘的勞動(dòng)者,由工人們推著它前進(jìn),隨后又出現(xiàn)了預(yù)制管片,早期倫敦的深埋隧道就是用這種方法修建的。

(2)現(xiàn)代隧道掘進(jìn)機(jī)

隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM),又稱盾構(gòu)機(jī),由護(hù)盾(一個(gè)巨大的金屬圓筒)和盾尾系統(tǒng)組成,最前端安裝著可以轉(zhuǎn)動(dòng)的刀盤。在刀盤后方的腔體內(nèi),根據(jù)盾構(gòu)種類的不同,切削下來的土體或者會(huì)和泥漿混合(這種盾構(gòu)稱為泥水盾構(gòu)),或者不進(jìn)行混合(這種盾構(gòu)稱為土壓平衡或EPB盾構(gòu)),選擇何種盾構(gòu)取決于土體的種類。然后系統(tǒng)會(huì)將土體或泥漿混合物排出,在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的尾端,會(huì)有一個(gè)液壓千斤頂,用它來頂住后方已完成的結(jié)構(gòu)并推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)。架設(shè)器是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)地將預(yù)制混凝土管片安裝在各個(gè)部位的裝置,每當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前掘進(jìn)一定距離時(shí)(約1.5～2 m),架設(shè)器會(huì)將新的環(huán)片安裝在新挖好的側(cè)壁。在盾構(gòu)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(yùn)送軌道等,它們也屬于整個(gè)盾構(gòu)設(shè)備的一部分。

6.2　盾構(gòu)機(jī)的分類及選型

盾構(gòu)機(jī)可按照不同的分類方法進(jìn)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(gòu)機(jī)又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種;敞開式盾構(gòu)機(jī)按開挖方式又可分為手掘式、半機(jī)構(gòu)挖掘式和機(jī)械挖掘式三種。按盾構(gòu)機(jī)的斷面形狀可分為圓形和異形盾構(gòu)機(jī)兩類,其中異形盾構(gòu)機(jī)主要有多圓形、馬蹄形和矩形。

現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)普遍按功能分類,主要有土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)和混合盾構(gòu)。

6.2.1　土壓平衡盾構(gòu)

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

盾構(gòu)開挖土體后會(huì)引起開挖面的土體擾動(dòng),從而降低穩(wěn)定性。為了防止開挖面失穩(wěn),必須要提供一個(gè)支撐力。土壓平衡的盾構(gòu)機(jī)工作時(shí),黏土被刀盤①切削并起到擋土的作用,這是土壓平衡盾構(gòu)不同于其他盾構(gòu)支撐的地方。盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的部位叫做開挖土艙②,它與盾構(gòu)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(jìn)入開挖土艙,并與里面的塑性土混合。推進(jìn)油缸④的壓力通過壓力隔板作用到開挖土艙內(nèi)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(jìn)。當(dāng)開挖土艙內(nèi)的土在氣缸和開挖面原狀土的擠壓下不能再被壓縮時(shí),便達(dá)到了平衡的狀態(tài)。

開挖出來的土最后會(huì)被螺旋輸送機(jī)⑤送出開挖土艙。排土量是由螺旋輸送機(jī)的速度和螺旋向上開口處截面大小所控制的。螺旋輸送機(jī)把排土先送到第一級傳送帶上,隨后棄土?xí)凰?/p>

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

圖6.1　土壓平衡盾構(gòu)(Herrenknecht公司,2008)

上一個(gè)反向螺旋帶,這樣當(dāng)方向螺旋帶反轉(zhuǎn)時(shí),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(cè)壁的空隙里會(huì)源源不斷的進(jìn)行注漿以填補(bǔ)空隙。

6.2.2　泥水平衡盾構(gòu)

泥水盾構(gòu)如圖6.2所示,作為一種綜合式盾構(gòu)機(jī),它常被用于開挖面不穩(wěn)定的碎石地區(qū)或復(fù)雜多變的復(fù)合地層。

圖6.2　泥水盾構(gòu)(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(gè)氣壓調(diào)節(jié)設(shè)備(⑩和)自動(dòng)控制的,這樣可以用來避免開挖面發(fā)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(bǔ)給都是靠聯(lián)通管⑤來平衡的。注漿管⑨將漿液注入開挖土艙,泥漿導(dǎo)管⑥又從吸力架后面的排出艙將泥漿導(dǎo)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(dǎo)致開挖面失穩(wěn)的不良地質(zhì)條件下,例如在硬質(zhì)巖土或密實(shí)黏土中,類似于小型的AVN型機(jī)這樣的機(jī)器可以當(dāng)作沒有氣壓的泥水盾構(gòu)來使用。隔斷壓縮空氣的進(jìn)出即可完成混合盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)之間的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后因?yàn)檫B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(huán)的膨潤土懸液支撐。

6.2.3　混合盾構(gòu)

混合盾構(gòu)如圖6.3所示,它被用于碎石土或復(fù)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(gòu)(Herrenknecht公司, 2008)

開挖面的土體被泥漿中旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)。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(gè)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(gè)氣壓控制系統(tǒng)精確控制的。這樣后方的補(bǔ)給膨潤土就能夠非常有效地進(jìn)行供應(yīng)。

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(shí)確保排出管道的正常運(yùn)作,大塊的石子和土塊在進(jìn)入吸水管引起吸入渠道的入口堵塞之前就會(huì)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(cè)壁的空隙里會(huì)進(jìn)行注漿以填補(bǔ)空隙。

6.2.4　盾構(gòu)機(jī)選型

在盾構(gòu)機(jī)類型的選擇上,需要考慮土質(zhì)、地下水、隧道尺寸、支護(hù)條件、開挖條件以及開挖環(huán)境。用來考慮選擇盾構(gòu)機(jī)的參量數(shù)量非常之多,在我國還沒有將之系統(tǒng)化的任何嘗試。而日本已經(jīng)有了盾構(gòu)機(jī)選型系統(tǒng)化的雛形。

當(dāng)今世界上機(jī)械開挖的隧道中大部分的盾構(gòu)隧道都是用圓形設(shè)備開挖的。然而,在特殊情況下,配置有時(shí)不得不將其他形狀和類型的隧道加以考慮。

1)簡約盾構(gòu)

普通盾構(gòu)有手工或最基本的挖掘系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。例如,單盾隧道掘進(jìn)機(jī)就屬于一種開放式的盾構(gòu),開放式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是指那些在開挖面沒有專門壓力支撐系統(tǒng)的開挖機(jī)械。安裝了護(hù)盾的隧道掘進(jìn)機(jī)被用在碎石巖層或軟巖隧道,它們在堅(jiān)硬巖石上的應(yīng)用范圍非常廣泛。

單盾隧道掘進(jìn)機(jī)可以比其他任何全斷面掘進(jìn)機(jī)更準(zhǔn)確地計(jì)算出刀盤所需的扭矩。跟許多其他的參數(shù)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(gòu)

隧道往往采用的是多圓形或異形盾構(gòu),一個(gè)典型的例子就是雙圓盾構(gòu)。雙圓盾構(gòu)是進(jìn)行隧道開挖的具有最先進(jìn)技術(shù)含量的隧道掘進(jìn)機(jī)之一。結(jié)合了夾持原理和完美的管片安裝協(xié)調(diào)系統(tǒng),雙圓盾構(gòu)可以很容易地適應(yīng)特殊地質(zhì)條件下的任何隧道路線。這種類型的機(jī)器非常的適合修建硬質(zhì)巖石破碎帶的長隧道;異形盾構(gòu)由支架、支板和襯砌支撐。這項(xiàng)技術(shù)依靠地層能夠提供足夠的站立時(shí)間以使得開挖有序地進(jìn)行推進(jìn)。它還要求隧道的儀表化,以及能在開挖和支護(hù)兩個(gè)工序中迅速轉(zhuǎn)換。

6.3　開挖面穩(wěn)定

開挖面的穩(wěn)定性是一個(gè)至關(guān)重要的多參函數(shù)(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(hù)方式。

對于隧道開挖面穩(wěn)定已有很多的研究。大多數(shù)結(jié)果是基于極限平衡法和極限分析法。目前計(jì)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(dòng)面更自由的發(fā)展。對于小到中等直徑的隧道(≤10 m),假設(shè)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(gòu)隧道,泥漿壓力恒定的假設(shè)是不適用的,對這種開挖面穩(wěn)定的研究目前相當(dāng)少。

無支護(hù)的隧道開挖和開挖面的穩(wěn)定決定了施工方法和手段,通常還決定了必須進(jìn)行隧道支護(hù)的時(shí)間。每個(gè)盾構(gòu)隧道的建設(shè)都會(huì)引起土中圍巖位移或應(yīng)力的變化。開挖面的穩(wěn)定(自穩(wěn)時(shí)間)可以由四種土體來檢驗(yàn),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。