地下结构稳定性分析

    国务院学位委员会在学科简介中为土木工程所下的定义是：
“土木工程(Civil Engineering)是建造各类工程设施的科学技术
的统称。它既指工程建设的对象，即建造在地上、地下、水中的
各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设
计、施工、保养、维修等专业技术”。土木工程是一个专业覆盖
面极广的一级学科。
    英语中“Civil'’一词的意义是民间的和民用的。“Civil En—
gineering'’一词*初是对应于军事工程(Military Engineering)
而诞生的，它是指除了服务于战争设施以外的一切为了生活和生
产所需要的民用工程设施的总称，后来这个界定就不那么明确
了。按照学科划分，地下防护工程、航天发射塔架等设施也都属
于土木工程的范畴。
    土木工程是国家的基础产业和支柱产业，是开发和吸纳我国
劳动力资源的一个重要平台，由于它投人大、带动的行业多，对
国民经济的消长具有举足轻重的作用。改革开放后，我国国民经
济持续高涨，土建行业的贡献率达到1／3；近年来，我国固定资产
的投入接近甚至超过GDP总量的50％，其中绝大多数都与土建行
业有关。随着城市化的发展，这一趋势还将继续呈现增长的势头。
    相对于机械工程等传统学科而言，土木工程诞生得更早，其
发展及演变历史更为古老。同时，它又是一个生命力极强的学
科，它强大的生命力源于人类生活乃至生存对它的依赖，甚至可
以毫不夸张地说，只要有人类存在，土木工程就有着强大的社会
需求和广阔的发展空间。
    随着技术的进步和时代的发展，土木工程不断注入新鲜血
液，呈现出勃勃生机。其中工程材料的变革和力学理论的发展起
 着*为重要的推动作用。现代土木工程早已不是传统意义上的砖
瓦灰砂石，而是由新理论、新技术、新材料、新工艺、新方法武
装起来的为众多领域和行业不可或缺的大型综合性学科，一个古
老而又年轻的学科。
    综上所述，土木工程是一个历史悠久、生命力强、投入巨
大、对国民经济具有拉动作用、专业覆盖面和行业涉及面极广的
一级学科和大型综合性产业，为它编写一套集新颖性、实用性和
科学性为一体的“简明系列专辑”，既是社会的召唤和需求，也
是我们的责任和义务。
    清华大学土木工程系是清华大学建校后成立*早的科系之
一，历史悠久，实力也比较雄厚，有较强的社会影响和较广泛的
社会联系，组编一套“简明土木工程系列专辑”，既是应尽的责
任也是一份贡献，但面对土木工程这样一个覆盖面极广的一级学
科，我们组编实际起两个作用：其一是组织工作，组织广大兄弟
院校及设计施工部门的专家和学者们编写；其二是保证质量的作
用，我们有一个较为完善的专家库，必要时请专家审阅、定稿。
    简明土木工程系列专辑包括以下几层含义：简明，就是避免
不必要的理论证明和繁琐的公式推导，采用简洁明快的表述方法，
图文并茂，深入浅出，浅显易懂；系列，指不是一本书而是一套
书，这套书力争囊括土木工程涵盖的各个次级学科和专业；专辑，
就是以某个特定内容编辑成册的图书，每本书的内容可以是某种
结构的分析与计算，某个设计施工方法，一种安装工艺流程，某
种监测判定手段，一个特定的行业标准，等等，均可独立成册。
    这套丛书不称其为“手册”而命名为“系列专辑”，原因之
一是一些特定专题不易用手册的方法编写；原因之二是传统的手
册往往“大而全”，书厚且涉及的技术领域多，而任何一个工程
技术人员在某一个阶段所从事的具体工作又是针对性很强的，将
几个专业甚至一个项目的某个阶段集中在一本“大而全”的手册
势必造成携带、查阅上的不方便，加之图书的成本过高，编写机
构臃肿，组织协调困难，出书及再版周期过长，以致很难反映现
 代技术飞速发展、标准规范规程更新速度太快的现实。考虑到这
些弊端，这套系列专辑采用小开本，在选题上尽量划分得细一
些，视专业、行业、工种甚至流程的不同，能独立成册的绝不合
二为一，每本书原则上只讨论一个专题，根据专题的性质和特点
有的书名仍冠以“手册”两字。
    这套系列专辑的编写严格贯彻“新颖性、实用性、科学性”
，三大原则。
    新颖性，就是充分反映有关新标准、新规程、新规范、新理
论、新技术、新材料、新工艺、新方法，老的、过时的、已退出
市场的一律不要。体现强劲的时代风貌。
    实用性，就是避免不必要的说理和冗长的论述，尽可能从实
用的角度用简洁的语言以及数据、表格、曲线图形来表述；深入
浅出，让人一看就懂，一懂能用；不是手册，胜似手册。
    科学性，就是编写内容均有出处，参考文献除国家标准、行
业标准、地方标准必须列出以外，尚包括引用的论文、专著、手
册及教科书。
    这套系列专辑的读者对象是比较宽泛的，它包括大专院校师
生，土木工程领域的管理、设计、施工人员，以及具有一定阅读
能力的建筑工人。它既可作为土建技术人员随身携带及时查阅的
手册，又可选作大专院校、高职高专的教材及专题性教辅材料。
崔京浩，男，山东淄博人。1960年清华大学土建系毕业，1964年清华大学
结构力学研究生毕业，1986～1988年赴挪威皇家科学技术委员会做博士后，
从事围岩应力分析的研究。先后发表论文150多篇，编著专业书4本，参加
并组织编写巨著《中国土木工程指南》，任编辑办公室主任，并为该书撰写
绪论；主持编写由清华大学土木工程系组编的“土木工程新技术丛书”和
“简明土木工程系列专辑”，并任主编。曾任清华大学土木系副系主任，现为
中国力学学会理事，《工程力学》学报主编，享受国务院特殊津贴。
 前言
    我国经济的高速发展给地下结构工程技术和地下结构学科
的发展带来了前所未有的机遇，也提出了许多很有价值的研究
课题。对上海等沿海地区的地下工程工作者来说，地下结构学
科目前正经历着有史以来*好的发展时期。本书主要介绍作者
近几年在隧道工程、基坑工程和边坡工程等方面的部分研究
成果。
    本书分为基坑、隧道和边坡等三大部分。基坑和隧道部
分主要介绍了作者结合所承担和参与的上海市重大工程项目
进行的数值计算和理论分析工作。为了照顾初学者，同时为
了满足研究生和高年级本科生课堂教学的需要，本书还对基
坑、隧道的基本知识和基本理论进行了比较详细的介绍。边
坡部分主要介绍了作者近期在边坡理论分析和数值计算方面
的一些成果。
    本书由上海理工大学陈有亮、徐前卫，上海申通轨道交通有
限公司杨洪杰，上海大学杨乐滨、徐珊、常乐群、靳巍巍、刘井
学等编写；陈有亮、杨洪杰、徐前卫担任主编。具体分工为：第
1章由徐珊编写，第2章由杨乐滨、刘井学、陈有亮编写，第3
章由常乐群编写，第4章由徐前卫编写，第5章由常乐群、杨乐
滨、陈有亮编写，第6章和第7章由杨洪杰编写。全书由徐前卫
和陈有亮负责统稿。
    在本书的编写过程中，中国水利水电出版社副总编辑阳淼女
士、张宝林编辑、彭天赦编辑、上海理工大学城市建设与环境工
程学院的领导以及土木工程系的领导和同事们给与了极大的支持
   和帮助，在此，作者谨向他们表示深深的谢意。
  ．  由于时间仓促，本书肯定存在一些缺点和不足，敬请读者批
  评、指正。
    作者
    2008年1月
    于上海理工大学军工校区

第4章  盾构法隧道
第1节盾构法隧道的历史与现状
1-1  盾构法的历史
    盾构法的起源可以追溯到1818年，距今已有180多年的历
史了，当时由法国工程师布鲁诺受到食船虫在船身上打洞一事启
发，提出盾构施工方法，这可以说是敞胸式手掘盾构机的原型。
1823～1841年，布鲁诺获得特许，首次在伦敦泰晤士河下修建
了世界上**条盾构法施工的隧道，全长458m。1869年，英国
人格雷脱海特成功地应用了P．w．Barlow式盾构修建英国伦敦
泰晤士河Tower水底隧道后，才使盾构法得到普遍的认可。
1874年在英国伦敦城南线修建Vyrnwy隧道时，格雷脱海特创
造了比较完整的用压缩空气来防水的气压盾构施212212艺，使水底
隧道有了惊人的发展，并为现代化盾构奠定了基础(张凤翔，
2004)。在布鲁诺发明盾构之后的另一个进步是用机械开挖代替
人工开挖，**个机械化盾构的专利可追溯到1876年，由英国
人John Dickinson Brunton和George Brunton申请的专利。
    20世纪初，盾构法施工已在英国、美国、法国、德国和苏
联等国开始推广，被广泛用于公路隧道、地铁和市政隧道的建设
中，并在加气压施工方法和盾尾注浆技术等方面有了突破性的发
展。20世纪30～40年代，这些国家已相继成功地使用盾构法建
成了内径3．O～9．Om的多条地下铁道及水底隧道。从20世纪60
年代起，盾构法在日本得到了迅速的发展，其用途也越来越广。
为防止地层沉降构成对建筑物、管道的威胁，日本和德国还研究
开发了盾构开挖面的稳定技术和开挖技术，1967年世界上**
 台泥水加压式盾构研制成功，1974年世界上**台土压平衡盾
构研制成功，并相继投入使用，开辟了能有效控制地面沉降的新
途径，这标志着盾构法施工技术进入了一个崭新的阶段，它们可
以在大范围的工程地质和水文条件下使用，机械化程度高且施工
速度快。除在岩石和半岩石土层的地质条件下，钻爆法和盾构法
的竞争较激烈外，在软岩、不稳定岩层以及软土地层中盾构法施
工将更加经济有效。
    从世界范围来看，在盾构法隧道施工技术方面，日本和欧洲
处于领先地位。日本建成的东京湾海底隧道，施工用盾构机直径
达14．4m，隧道埋深20m，海底洞段长9．5km；英国和法国合
建的英吉利海峡隧道，施工机械盾构机直径7．82m，隧道埋深达
110m，海底洞段长达39km。这两项工程的顺利完成，将世界盾
构法隧道施工技术推进到一个新阶段。
    我国是较早采用盾构法施工的发展中国家，虽然起步很晚，
但是发展很快，目前也能自行研制和生产部分所需的盾构机器设
备。20世纪50年代，辽宁阜新煤矿首先用直径2．6m的盾构建
成了我国**条盾构法隧道。1957年北京结合排水工程，先后
对直径2．Om和2．6m的盾构进行过研制与应用工作。1963年，
上海结合地铁前期研究工作在开发软质黏性土地层用盾构设备与
应用技术方面建立了盾构设计研究机构和施工、制造专业队伍，
成为我国*早的一个盾构技术研发基地。20世纪60年代以后，
上海先后开发出了网格式盾构、施加局部气压、水力输土和垂直
顶升等技术。1970年，上海隧道工程公司使用直径为10．2m的
挤压式盾构机，修建穿越黄浦江的**条水下隧道，实现了中国
用盾构法修建公路隧道“零”的突破。1988年完工的另一条黄
浦江水底隧道——延安东路北线隧道，盾构施工段长1476m，线
路平面呈S形，曲率半径500m，纵坡3％，该隧道除穿越黄浦
江外，还要在高层建筑群和地下管线等重要环境保护地段通过，
而且是利用我国自行设计和制造的直径为11．3m的网格式水力
机械盾构机修建的。20世纪80年代中期，上海又开始进行土压
平衡和泥水加压盾构的研制，并取得了成功。近年来，黄浦江越
江隧道、合流污水工程等，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法技
术在上海得到了飞速的发展。至今，上海投入使用的盾构机已有
几十台，直径集中在3．6～14．8m之间，正在修建的上海崇明越
江隧道工程，采用当今世界*大直径(＆15．4m)的泥水加压盾
构施工。除上海之外，国内还有北京、广州、深圳、南京等城市
也相继采用盾构法施工，其中上海和北京两市具有盾构设备研发
实力。总的来说，随着我国城市地铁工程建设的发展，特别是近
10年来盾构技术在我国得到了新一轮发展。但是，从工程造价
上来看，采用盾构法施工的隧道是非常昂贵的，这在一定程度上
制约了城市地下空间的开发和利用；另一方面，目前我国盾构隧
道领域的基础研究和应用技术水平与盾构隧道技术发达的国家相
比还有较大差距，在较多的领域尚未进行过专项研究、缺乏经
验，很多技术空白亟待研究解决。
1．2  盾构法施工的原理
    1．盾构工法的概念
    盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于
一体的大型暗挖隧道施工机械。因此，盾构是一种钢制的活动防
护装置或活动支撑，在它的掩护下，头部可以安全的开挖地层，
尾部可以装配预制管片、砌块或现浇钢筋混凝土，迅速地形成隧
道的永久衬砌。它借助于支撑在已经完成的衬砌上的千斤顶的顶
力不断前进，如果采用装配式衬砌，当盾构推进时，要将衬砌与
土层之间的空隙用浆液填实，防止周围地层的继续变形和围岩压
力的增长。
    盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾
构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发
生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开
挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装
预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。