隧道的開挖施工方法的技術(shù)特點對比分析

  摘 要:隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市人口急劇增加,目前我國已有600多個城市,其中人口在百萬以上的城市近50個,這些城市大多交通擁擠,地下空間的開發(fā)勢在必行。在地下空間的開發(fā)利用過程中,隧道工程應(yīng)運而生。隧道工程主要包括:為解決城市交通擁擠問題修建的地下鐵道、公路隧道,或穿越障礙物的各種地下通道;各種市政地下工程,如污水管道、電纜管道、以及市政管線公用隧道(共同溝);人防設(shè)施、工業(yè)與民用方面;以及文體、娛樂等方面的地下設(shè)施。 

  關(guān)鍵詞:隧道;頂管法;盾構(gòu)法;淺埋暗挖法 
   
  1. 頂管法 
   
  頂管施工是一種非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法,其借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力,把工具管或掘進機從工作坑內(nèi)穿過土層一直推到接受坑內(nèi)吊起,與此同時,把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設(shè)在兩坑之間。它不需要開挖面,并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。 
   
  1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 

  頂管施工最早始于1896年美國的北太平洋鐵路鋪設(shè)工程。20世紀60年代以后,隨著液壓技術(shù)的發(fā)展使得頂管施工法獲得了迅速推廣應(yīng)用。日本于1948開始使用頂管施工法,當(dāng)時主要是采用鑄鐵管和鋼套管,20世紀50年代后開始采用混凝土管。為了適應(yīng)不同的地層條件和滿足不同的施工要求,各國對頂管施工方法和施工設(shè)備進行了改進,以便頂進距離更長、直徑更大的管道。德國是世界公認的大口徑混凝土頂管技術(shù)先進的國家。 
   
  1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 

  我國上海和北京早在20世紀50年代末就有使用頂管方法穿越鐵路和堤壩的先例。此后,我國的頂管技術(shù)有了長足的進步和發(fā)展,并在大直徑、長距離頂管技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位。尤其是上海市引進了日本的800mm Telemate頂管掘進機(具有機械平衡土壓力和泥水平衡地下水壓力的雙重平衡和電視遙控功能)以后,隨之也引進了一些頂管理論、施工技術(shù)和管理經(jīng)驗。 
   
  1.3 頂管法的應(yīng)用范圍 

  頂管施工隨著城市建設(shè)的發(fā)展已越來越普及,應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越寬。目前廣泛應(yīng)用到自來水管、煤氣管、動力電纜、通信電纜和發(fā)電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等管道的施工中。并在頂管的基礎(chǔ)上發(fā)展成一門非開挖施工技術(shù),還成立了各種非開挖施工協(xié)會,創(chuàng)辦了有關(guān)的事業(yè)刊物。 
   
  2. 盾構(gòu)法 
   
  盾構(gòu)法是使用專門機具盾構(gòu)在軟巖和土體中開挖隧道的一種施工方法,施工時先在隧道某段的一端建造豎井或基坑,以供盾構(gòu)安裝就位,然后盾構(gòu)從豎井或基坑的墻壁開孔處出發(fā),在地層中沿著設(shè)計軸線,向另一豎井或基坑的設(shè)計孔洞推進。 
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  2.1 國外發(fā)展狀況 

  盾構(gòu)施工技術(shù)最早由法國的工藝師布魯諾爾首創(chuàng),自1834年英國倫敦的泰晤士河的水底隧道工程以來,已有170余年的歷史。1865年巴爾勞首次采用圓形盾構(gòu),并用鑄鐵管片作為地下隧道襯砌。1830年口切蘭斯爵士發(fā)明了氣壓法。1874年,格雷塞德較完整地提出了氣壓盾構(gòu)法的施工工藝,并且首創(chuàng)了在盾尾后面的襯砌外圍環(huán)形空隙中壓漿的施工方法,為盾構(gòu)法發(fā)展起了重大的推動作用。二十世紀初,盾構(gòu)施工法已在美、英、德、蘇、法等國開始推廣。前蘇聯(lián)從20世紀40年代起開始使用盾構(gòu)修建地下鐵道的區(qū)間隧道及車站。從20世紀60年代起,盾構(gòu)法在日本得到迅速發(fā)展。1993年建成的連接英法兩國的英吉利海峽隧道全部采用盾構(gòu)法技術(shù)施工,該隧道的修建標志著盾構(gòu)施工技術(shù)的進入到了一個新的時代。 
   
  2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 

  我國第一個五年計劃期間,在東北阜新煤礦曾用直徑2.6m盾構(gòu)及小型混凝土預(yù)制塊修建疏水巷道。1957年北京下水道工程中采用的為直徑2.0m及2.6m的盾構(gòu)。1963年上海開始進行盾構(gòu)隧道工程試驗。1967年至1969年,采用10m盾構(gòu)及單層鋼筋混凝士管片建成了上海第一條黃浦江越江道路隧道--打浦路隧道。1987年建成的延安東路隧道,外徑為11m。2004年11月28日,長江上第一條過江隧道--武漢過江隧道開工,其采用盾構(gòu)機直徑達11m,為國內(nèi)迄今為止水壓力最高、最長的盾構(gòu)法城市道路隧道、最長的盾構(gòu)法城市道路隧道。2005年3月,上海黃浦江越江公路隧道--翔殷路隧道全線貫通,翔殷路隧道采用直徑11.58m的超大型泥水平衡盾構(gòu)掘進,是目前中國最大的盾構(gòu)法施工隧道。 
   
  2.3 盾構(gòu)法的應(yīng)用范圍 

  盾構(gòu)法施工建設(shè)對地面干擾小、施工速度快、安全、機械化和自動化程度高,可以跨越江、湖、海,進行全方位作業(yè)。在城市建筑密集、地下管線密集的地方選用盾構(gòu)法施工相對其它隧道開挖方法對環(huán)境影響小。隨著隧道建設(shè)的需求,盾構(gòu)隧道的大深度地下利用、各種斷面形式盾構(gòu)機的研制和盾構(gòu)施工的安全性、經(jīng)濟性等成為盾構(gòu)施工今后的發(fā)展方向。 
   
  3. 淺埋暗挖法 
   
  淺埋暗挖法是王夢恕院士在借鑒外國成功經(jīng)驗,以及我國山嶺隧道硬巖新奧法施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國國情和地質(zhì)與水文地質(zhì)情況,主持創(chuàng)造的小導(dǎo)管超前支護施工技術(shù)。在1987年8月北京市科委和鐵道部科技司組織的成果鑒定會上,正式定名為"淺埋暗挖法"。淺埋暗挖法沿用了新奧法的基本原理,創(chuàng)建了信息化量測反饋設(shè)計和施工的新理念。其采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護結(jié)構(gòu)體系,初期支護按承擔(dān)全部基本荷載設(shè)計,二次襯砌作為安全儲備;采用初期支護和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載。 
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  3.1 國外發(fā)展狀況 

  20世紀70年代初,國外開始將新奧法應(yīng)用于淺埋地層的研究,至70年代末80年代初已基本形成了一套完整的技術(shù)。德國是當(dāng)今地下工程應(yīng)用新奧法技術(shù)最多的國家,不僅在地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中應(yīng)用,而且在多層多線路大斷面地鐵站中廣泛應(yīng)用,如慕尼黑、法蘭克福、波鴻、紐倫堡地鐵站等,其技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到了較高水平。日本于1976年開始在城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用新奧法,在學(xué)習(xí)我國小導(dǎo)管技術(shù)的基礎(chǔ)上,開始逐漸使用新奧法修建城市地下工程。 
   
  3.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 

  我國在20世紀70年代末80年代初開始將新奧法原理應(yīng)用于地下工程施工,80年代中期開始系統(tǒng)研究新奧法在淺埋較弱地層中的應(yīng)用。1984年,首先在大秦線軍都山鐵路隧道雙線進口黃土試驗段研究成功。1986年北京地鐵復(fù)興門折線工程的設(shè)計與施工中,應(yīng)用淺埋暗挖技術(shù)并獲得成功。隨后,又成功應(yīng)用于北京復(fù)興門至西單區(qū)間地鐵車站、原國家計委地下停車場、首鋼地下運輸廊道、城市地下熱力與電力管道、長安街地下過街通道以及深圳地下過街通道等地下工程。 
   
  3.3 淺埋暗挖法的應(yīng)用范圍 

  淺埋暗挖法它主要適用于不宜明挖施工的土質(zhì)或軟弱無膠結(jié)的砂、卵石等地層,覆跨比大于0.2的淺埋地下洞室,尤其適用于結(jié)構(gòu)埋置淺、地面建筑物密集、交通運輸繁忙、地下管線密布等對地面沉降要求嚴格的都市城區(qū)。開挖方法有正臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)洞法、中隔墻法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法)等。該方法具有靈活多變、對地面道路和地下管網(wǎng)影響不大、拆遷占地少、不擾民、不干擾交通、不污染城市環(huán)境、簡單易行和無需專用設(shè)備等優(yōu)點。 
   
  參考文獻: 

  [1] 徐永福, 孫鈞. 隧道盾構(gòu)掘進施工對周圍土體的影響[J]. 地下工程與隧道, 1999, (02). 

  [2] 方從啟, 王承德. 頂管施工中的地面沉降及其估算[J]. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報, 1998,(04). 

  [3] 黃忠明. 穿越密集建筑群的地下頂管施工對策[J]. 建筑施工, 1992,(02). 

  [4] 王承德. 薄覆蓋層下頂管防止地面沉降的措施[J]. 特種結(jié)構(gòu), 1994,(02). 

  [5] 王承德. 近十年來超長距離頂管發(fā)展狀況[J]. 特種結(jié)構(gòu), 1997,(04). 
  原作者: 梁繼宗 張廷華
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