[科普中国]-隧道凿进法

简介

隧道的开挖问题是一种三维空间的问题，隧道凿进法是指开挖隧道使用的方法。隧道凿进法与很多因素有关，如地质条件、隧道用途以及隧道平面等。隧道凿进法也随技术发展不断改进，从人竖井开凿法发展到盾构法和隧道掘进机法等机械化隧道开挖方法。竖井开凿法是有2条队伍同时从两端凿进，1条队伍从山的中间凿下去，凿到一定位置后，再分成2小队分别向两端凿去，凿出的竖井便形成了一个天然的通风口。

有关影响因素地质条件多样化

我国城市地铁建设地域分布十分广泛，地质条件差异巨大，东有以上海、杭州等地区为代表的软黏土，南有以广州、深圳为代表的软硬不均复合地层，北有以北京地区为代表的典型砂卵石地层，西有以成都为代表的富水砂卵石地层。加之我国东北哈尔滨等地的冻土、云南昆明面临的泥炭质土，中部地区如西安、兰州等地的老黄土，武汉、南京等地越江地铁中的高磨耗卵砾石地层，重庆、福州等地面临的高硬度岩层等，我国地铁隧道建设的地质条件种类多样。

建设环境复杂化

一直以来，城市地铁的修建都面临穿越城市建筑密集区的挑战，特别是在现今城市建设速度加快的趋势下，隧道穿越城市密集建筑群、水库、高铁线路、桥基等重要建(构)筑物的情况更是屡见不鲜，同时，近距离交叉、斜交等问题对于施工和结构安全都提出了挑战。例如，深圳地铁罗-大区间隧道，不但需要穿越多个密集建筑群， 还需应对多种形式的隧道交叉结构问题。又例如北京地铁4号线动物园至白石桥区间隧道， 采用盾构法施工，与地铁9号线区间暗挖法隧道以约15度的小角度空间立体交叉，4号线盾构隧道在上，9 号线暗挖法隧道在下。由于交叉穿越的角度较小，彼此之间相互影响显著1。

隧道掘进机法隧道掘进机技术是一种集掘进、出渣运输和支护衬砌于一体，一次成洞的隧道掘进方法， 它具有连续作业、施工速度快、环境污染小、安全优质等特点。隧道掘进机根据各系统在施工中发挥的作用，可以分为主机系统和后配套系统2部分。主机系统是隧道掘进机的核心，其主要功能是将岩土体切削成便于运输的渣料，然后通过设置在前端的收集器将渣料收集至皮带机上，由皮带机将渣料运出洞外。硬岩掘进机主机系统主要包括刀盘、刀具、主轴承、机头架和主大梁、支撑系统、液压系统、驱动装置和主机皮带机等；后配套系统是隧道掘进机主机后面为掘进提供服务的各种配套设施的总称，要包括隧道掘进机提供液压和电力供应的设备等。土体中的盾构系统主要包括盾体、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备等。依据掘进岩土体强度大致可分为岩石隧道掘进机和土体隧道掘进机2类2。

硬岩隧道掘进机：岩石掘进机由旋转刀头构成，旋转刀头可能是刚性的或装有轮辐的，根据岩层安装合适的切削工具。机器上装配有大型框架，可装载推进机械和辅助设施，包括一系列针对表面施加大压力的水压千斤顶。凿式切削头用于较软岩石中，圆盘式切削头通过楔紧作用切削较硬的岩石，而插入硬质合金的齿轮切削头用于最硬的岩石中。在评估中的一个重要因素是维护和更换切削头的中断时间和它们的花费。大多数岩石中的长隧道使用硬岩隧道掘进机。

软岩隧道掘进机：在软弱地层中主要使用两种隧道掘进机型，泥浆式隧道掘进机和地层压力平衡式隧道掘进机。这两种形式工作时都有个前置密封间隔间，保证了在适当的压力下开挖面稳定和使地层移动减至最小。地层压力平衡式隧道掘进机开挖的最大尺寸是 33ft，这是因为需要较大的扭矩来转动旋转切削头，尽管其他形式的推进能克服这一限制。泥浆式隧道掘进机开挖直径可达50ft，还可以计划开挖更大的尺寸。弱围岩的地表沉降与隧道外部围岩损失的百分数直接相关。一般的地层 失在0.5%～2.5%之间。影响损失的因素包括围岩的性质、开挖面上使用的 压力、盾构的设计以及推进速度。隧道应在损失为零的地方。软弱地层隧道掘进机通常从一个相对较小的竖井中始发，机器后面的部分在推进过程中逐渐加上。

盾构法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。盾构机于1847年发明，它是一种带有护罩的专用设备。利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。盾构机既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。