盾构切削大直径钢筋混凝土群桩的理论与实践

第1章 绪论 盾构法是暗挖构筑地下工程的一种施工方法，它起源于欧洲，随着科技的不断进步，盾构法已成为地下工程中不可或缺的工法。盾构是英文“Shield”的中文翻译语，在我国台湾地区则翻译成“潜盾”，英文词根是“盾”或“盾牌”的意思。翻译成盾构，确实能更形象准确地表达其工程意义。盾构有两层含义，盾，象征与盾牌形状相近的盾构机的儀盘，且有支护开挖面之意；构，构筑隧道，是管片衬砌结构的意思。现今，盾构这个词已成为国内外地下工程界*常用的词。与之相近的是TBM（tunnel boring machine），是隧道掘进机之意，泛指硬岩掘进机。在欧洲，有把盾构和TBM统称为TBM的习惯；但在亚洲，由于日本、我国等区域软土分布广、应用多，为区别软土和硬岩掘进模式的不同，强调软土“盾”的作用，一般将软土掘进构筑隧道的方法统称为盾构法，将硬岩掘进构筑隧道的方法统称为TBM法。 1.1 盾构的起源及发展 说起盾构，如今它已成为地下工程不可或缺的锐器，甚至是现代重大装备。自从火药发明以来，在岩石中构筑隧道技术迅速发展，但在软土中用暗挖的形式构筑隧道却几经失败，举步维艰。从世界盾构隧道发展历史来看，*早尝试在软土中构筑隧道的是1804年英国工程师Trevithick以及他的助手Vasey。当时由于英国伦敦泰晤士河口附近有军港，无法架桥，过河须用渡船或迂回到河中部的桥，且渡船事故频发，如图1.1.1所示。Trevithick首次提出了用隧道的方法穿越泰晤士河的方案。 图1.1.1泰晤士河船运示意图 据史料记载，该方案是在泰晤士河两岸构筑深25.3m的竖井，从竖井开始进行穿越泰晤士河挖掘工作。**步是施做先行导坑，高1.7m，上部宽0.75m，底部宽1m，人工挖掘，掘进速度为1.3～3.3m/d，18个月掘进了330m。掘进作业涌水不断，特别是作业受高潮的影响，水位上升，发生了两次塌方事故。另外，掘进方向的测定采用掘进一段后，用铁棒捅破导坑顶部露出水面，用岸上基准点进行角度测量的方法，这也成为导坑坍塌的直接诱因，*后工程被迫终止。之所以把这段写出来，是为了纪念那些在软土区域挑战构筑隧道的伟大先行者们。他们的勇气和探索精神值得我们永远学习、敬仰和铭记。 盾构技术的诞生实现了人类在软土中构筑隧道的梦想。关于盾构*初的探索*著名的应该是称作盾构鼻祖的法国工程师Marc Isambard Brunel于1818年发明的早期盾构技术，至今已有近200年的历史。这个*初的盾构设计借鉴了Trevithick的失败经验，虽然也历尽磨难，但*终获得成功，图1.1.2是当时Marc Isambard Brunel申请专利的图片。虽然盾构技术今非昔比，发生了巨大的变化，但其原理与这台早期的盾构机的基本思想—在坚固的铁框架（strong iron frame）的保护下进行开挖和衬砌作业—别无两样。 图1.1.2 Marc Isambard Brunel申请的盾构专利图 1823年，Marc Isambard Brunel的儿子Isambard Kingdom Brunel制定了穿越泰晤士河双线隧道方案，如图1.1.3所示。盾构由12个高7.33m、宽1m的铸铁框架组合而成，每个又分为高2.3m的三个区域，每个区域由36人进行挖掘作业。盾构掘进由螺旋千斤顶提供反力，衬砌是在每个铸铁做成的框架上部用砖砌起来的。对于开挖面塌落的土砂，采用长1m、宽15cm的挡板并用螺旋千斤顶顶住的方式来固定。 作业时，把一块或两块板取下进行开挖作业，以防止泄水和流土。当遇到流动性大的土时，在板上再加斜撑，以增加板对掌子面的支撑力。担任技术负责的主任工程师是Isambard Kingdom Brunel。开工日期是1825年3月2日，直到1826年1月1日才将盾构机安装在竖井所定位置，掘进开始，这是个盾构工程界永远值得纪念的日子，因为这是世界上**条用盾构技术建设的隧道。史料对其艰辛的过程有比较详细的记载，在这里与读者分享。 图1.1.3 Isambard Kingdom Brunel设计的在泰晤士河底施工的盾构示意图 隧道开始掘进还比较顺利，在掘进了160m（1827年4月27日）时，发生了掌子面可能塌落的险情，作业工人顺利逃生。而后第三周，发生泄水事故，虽然作业工人无险逃生，但隧道却浸泡在水中。在河底投入数千个沙袋，并在其上投入大量的砂砾后，才将塌落的开口部堵住。幸运的是，隧道内作为衬砌的砖墙完好无损，隧道内的水被抽干后，工程得以继续进行。但是，在继续掘进200m后，河床再次发生崩坍，隧道浸水，6名作业人员死亡。抢险的方法与上次一样，向河底投入4000t土砂，但发现盾构机损坏，无法修复，工程被迫终止。7年后，直到1836年3月，重180t的新盾构机制造出来，工程才得以继续。工程依然是在浸水、土砂流入等事故中艰难向前推进，1841年8月才终于到达对岸，隧道贯通。隧道开始正式使用已是1843年3月，从Marc Isambard Brunel提出方案算起，经历了20年。这条隧道被命名为泰晤士河隧道（见图1.1.4），至今还在使用。它是复线马蹄形隧道，外形宽12.2m、高7.45m。隧道中间设隔墙，隔墙为上部宽1.15m、下部宽1.3m，每线隧道内部高5.3m、宽4.5m，在两岸设置了人员出入楼梯。为表彰Marc Isambard Brunel的功绩，1841年3月24日，英国维多利亚女王授予他爵士称号。在这里，应该再浓浓地写上一笔的是Marc Isambard Brunel的儿子Isambard Kingdom Brunel，他作为主任工程师，协助父亲克服了无数困难，完成了父子共同的心愿。这也成为国际隧道界传颂的佳话，让我们再次向这对父子表示由衷的敬意！ 1869年，由英国工程师Greathead和德国工程师Barlow设计的穿越泰晤士河人行道隧道工程（见图1.1.5）采用圆形盾构机，并将砖衬砌改为铸铁管片衬砌，该设计是在Brunel的基础之上进行多种改进而成的。 图1.1.4泰晤士河隧道 图1.1.5Greathead和Barlow采用圆形盾构机修建泰晤士河第2条隧道 1886年，Greathead在南伦敦铁路隧道中，首次采用气压工法维持掌子面稳定（气压工法由Cochrane在1830年发明并申请了专利，后多次应用没能成功），管片在盾构壳体内拼装，以管片衬砌作为盾构前进的反力支撑，这些做法沿用至今。由于用气压维持掌子面稳定的方法存在诸多不便，被今天的闭胸式（1967年泥水平衡盾构和1974年土压平衡盾构相继问世）所取代。所以，也有人把Greathead称为现代盾构之父。 在此基础上，盾构技术经过多次改良，在英国、法国、德国、美国、苏联以及日本得到了广泛的应用和发展。随着时代的进步和科学技术的发展，以现代盾构技术著称的泥水平衡盾构和土压平衡盾构，在开挖面稳定控制、掘进控制等方面都得到了极大的发展，使盾构技术发生了质的飞跃，这些技术在国内其他出版物中多有登载，业界已耳熟能详，这里就不再赘述。由于地下工程的复杂性及其环境的复杂性，对盾构本身要求也越来越高，盾构机作为集成了现代机械制造、计算机、材料、测量、通信、自动控制等技术的大型地下工程装备，在地下工程各个领域闪亮登场，成为了解决各类工程难题的利器。围绕盾构掘进技术、掌子面稳定和地层沉降控制技术以及管片衬砌技术三大要素的新技术、新成果不断涌现，盾构法已成为地下工程领域*前沿、自动化程度*高的代名词，是人类智慧百花园中灿烂的一朵！ 总结起来，盾构技术的发展经历了四个阶段：**阶段是以Brunel盾构为代表的初期盾构，第二阶段是以机械式、气压式为代表的第二代盾构，第三阶段是以闭胸式盾构（泥水式、土压式）为代表的第三代盾构，第四阶段是以安全、高速、大深度、多样化为特色的第四代盾构。 1.2 盾构技术在我国的应用 我国自20世纪50年代中期开始进行了多项盾构工程应用及设备研发。1956年，阜新市海州区露天煤矿采用直径2.66m的盾构机在砂土层中成功地开凿了一条流水巷道。1957年，在北京市区的下水道工程建设中采用了直径2.0m及直径2.6m的盾构机。60年代，为了修建北京地铁，以王梦恕院士为首的研究团队研制过直径7.34m网格式压缩混凝土盾构机，并成功进行了180m的掘进试验。1966年，上海隧道工程股份有限公司使用挤压网格式盾构机成功完成打浦路越江公路隧道（外径10m，圆形盾构隧道长1320m，隧道总长2.7km），具有标志性意义。进入80年代，上海开始进行盾构隧道地铁试验工程。1987年，上海南站过江电缆隧道工程成功使用了**台直径4.35m的加泥式土压平衡盾构机，该技术获得1990年国家科学技术进步奖一等奖。进入90年代后，这种适合于上海软土的盾构形式在上海地铁1号线和2号线得到广泛应用。我国幅员辽阔、地层条件复杂，盾构施工方法在之后广州地铁、北京地铁、南京地铁等地铁工程以及软硬不均地层、砂卵石地层等盾构掘进困难地层的成功应用，拓宽了盾构的应用范围，为后期在全国地铁范围内广泛应用发挥了示范作用。 截至2016年年底，我国仅大陆地区就有地铁运营线路3168.7km，其中的区间隧道绝大部分都是用盾构法修建的。共有58个城市的轨道交通网获批（含地方政府批复的14个城市），规划线路总长达7305.3km，其盾构的使用量可想而知。不仅如此，盾构法在综合管廊、铁路隧道、公路隧道、电力隧道、通信隧道、引水和排水隧洞、地下人防通道等地下工程领域都发挥着越来越重要的作用。 在国家的大力扶持下，上海隧道工程股份有限公司、中铁隧道装备制造有限公司、中国铁建重工集团有限公司、北方重工集团有限公司、中交天河机械设备制造有限公司及辽宁三三重工等盾构制造厂家，相继在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，创新性地生产制造出有自主知识产权的盾构机，占领了我国大部分盾构机市场，甚至远销海外。国外品牌独占我国盾构机市场的历史一去不复返。我国正从盾构隧道大国朝着盾构隧道强国大步迈进！ 1.3 盾构切削大直径钢筋混凝土桩问题的提出 2010年，我们团队正在做苏州轨道交通2号线穿越房屋的项目研究，经常与管理及设计施工单位讨论盾构穿越问题。在一次讨论会上，提到了拆除广济桥问题。由于苏州轨道交通2号线石路站距广济桥仅60m左右，因此难以调整线路而只能从广济桥下穿过。图1.3.1是广济桥实景图，该桥位于市区主干道，上跨上塘河和上塘街，且紧邻繁华的石路大型商业圈和金阊区实验小学。当时的设计是拆除现有广济桥，盾构过后原址恢复修建新桥，而苏州市轨道交通集团有限公司的董朝文副总经理在会上提出，能否用盾构机直接切削桥桩穿越广济桥，这样不仅可以节省工程造价和不必要的浪费，而且可以减少对周边环境及游客的影响。这确实是一个大胆的设想，但在确保广济桥安全的条件下，使盾构机顺利切桩确实没有把握。按经验，采用托换技术人工破除桩是常规做法，但工期紧且周边环境复杂，无法实施。当时只是隐约记得听说过有盾构被动（不知有桩而切削）切削桩的，而且切的桩径较小（≤800），切的根数也不多。广济桥可是要连续切削穿越14根1000～1200（主筋20～22）的钢筋混凝土桥桩，左、右线各需连续切削7根，而且是在富水粉砂和粉质黏土层中。抱着试试看的想法，我们开始了盾构切削大直径钢筋混凝土群桩的研究探索工作。图1.3.2是盾构与穿越桥桩位置及土层简图。 图1.3.1广济桥实景图