1.概述

盾构法是以盾构机这种施工机械在地面以下暗挖隧道的施工方法。盾构机是一种集推进、挖土、衬砌等多种作业于一体的大型暗挖隧道施工机械。目前，在软弱地质条件下的浅埋隧道工程中，盾构法已经得到普遍应用。

盾构法是将盾构机在地中推进，通过盾构机外壳和管片支承四周围岩，防止隧道内发生坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械将余土运出洞外，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。

盾构隧道掘进机简称盾构机，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。盾构机掘进的出渣方式分为机械式和水力式两种，其中水力式的应用居多。水力盾构机工作面处有一个注满膨润土液的密封室。膨润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用于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。盾构机外形似大的钢管机，较隧道部分略大，它是用来抵挡外向水压和地层压力的，包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。

2.施工程序

采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构机及其他设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道还应设置中间检修工作井（室）。拼装和拆卸用的工作井的尺寸应根据盾构机装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构机出洞口，井内设有盾构机基座和盾构机推进的后座。井的宽度一般应比盾构机直径大1.6～2.0 m，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构机时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了要满足盾构机及相关设备的安装要求，还要考虑盾构机推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构机后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构机的拼装井长度设计，要考虑方便设备车架转换。盾构机在拼装井内拼装就绪，经运转测试合格后，就可拆除洞口封板，盾构机推出工作井后即开始隧道掘进施工。盾构机拆卸井设有盾构机进口，井的大小要便于盾构机的起吊和拆卸。其他施工主要有土层开挖、盾构机推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行，绝不能长时间停顿，以免增加对地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。

在盾构机开挖土层的过程中，为了安全并减小对地层的扰动，一般先将盾构机前面的切口贯入土体，然后在切口内进行土层开挖，开挖方式有四种：敞开式、机械切削式、挤压式和网格式。

（1）敞开式开挖，适合用于地质条件较好、掘进时能保持开挖面稳定的地层。由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次完成。

（2）机械切削式开挖，指用装有全断面切削大刀盘的机械化盾构机开挖土层。大刀盘可分为刀架间无封板和有封板两种，分别在较好和较差土质条件下使用。在含水条件不稳定的地层中，可采用泥水加压盾构机和土压平衡式盾构机进行开挖。

（3）挤压式开挖，分为全挤压和局部挤压两种。前者由于掘进时不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，使地表隆起变形，因此隧道位置应尽量避开地下管线和地面建筑物。全挤压不适合用于城市道路和街道下的隧道施工，仅能用于江河、湖底或郊外空旷地区。用局部挤压方式施工时，要根据地表变形情况，严格控制出土量，使地层的扰动和地表的变形减小到最低限度。

（4）网格式开挖，要掌握网格的开孔面积。格子过大会丧失支撑作用，过小会对地层的挤压扰动等产生不利影响。在饱和含水的软塑土层中，这种掘进方式具有出土效率高、劳动强度低、安全性好等优点。

在推进过程中，主要采取编组调整千斤顶的推力、调整开挖面压力以及控制盾构机推进的纵坡等方法，来操纵盾构机的位置和顶进方向。一般按照测量结果提供的偏离设计轴线的高程和平面位置值，确定下一次推进时须有若干千斤顶开动及推力的大小，用以纠正方向。此外，调整的方法也随开挖方式的不同而有所不同：如敞开式开挖，可用超挖或欠挖来调整；机械切削式开挖，可用超挖刀进行局部超挖来纠正；挤压式开挖，可用改变进土孔位置和开孔率来调整。

常用液压传动的拼装机进行衬砌（管片或砌块）拼装。拼装方法根据结构受力要求，可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝圆环对齐，拼装较为方便，容易定位，衬砌圆环的施工应力较小，但其缺点是环面不平整的误差容易积累；错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/3～1/2，错缝拼装的衬砌整体性好，但当环面不平整时，容易产生较大的施工应力。

衬砌拼装方法按拼装顺序又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵是先将管片（或砌块）拼成圆环，然后用盾构机千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧；先纵后环是将管片逐块与上一环管片拼接好，最后封顶成环。采用先纵后环的拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构机后退，减少对开挖面土体的扰动；采用先环后纵的拼装顺序，在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回，极易产生盾构机后退，故不宜采用。

为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后还可改善衬砌受力状态，并提升衬砌的防水效果。压注的方法有二次压注和一次压注。二次压注是在盾构机推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌上的预留孔，向衬砌背后的空隙内压入豆粒砂，以防止地层坍塌；在继续推进数环后，再用压浆泵将水泥类浆体压入砂间空隙，使之凝固。因压注豆粒砂不易密实，压浆也难充满砂间空隙，不能防止地表沉降，所以此方法已趋于淘汰。一次压注是随着盾构机推进，当盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥类砂浆，并保持一定的压力，使之充满空隙。压浆时要对称进行，并尽量避免单点超压注浆，以减少衬砌的不均匀施工荷载。一旦压浆出现故障，应立即暂停盾构机的推进。盾构法施工时，还须配合进行垂直运输和水平运输，以及配备通风、供电、给水和排水等辅助设施，以保证工程质量和施工进度，同时还须准备安全设施与相应的设备。

3.优缺点(www.daowen.com)

由于有盾构机的保护，挖掘和衬砌等工作比较安全，这是盾构法的突出特点。其安全性不仅表现为工作人员的安全，更表现为能够有效避免围岩坍塌、涌水、流砂等工程事故的发生。盾构机的推进、出土、拼装衬砌等整个过程可实现机械化、自动化作业，施工速度快，工人劳动强度低。穿越城市地层时，施工噪声和振动很小，对地面环境影响较小。穿越水下地层时，不影响河道航运，施工本身基本上不受季节、风雨等气候条件影响。因此，在松软含水地层中修建长隧道时，盾构法具有技术和经济方面的优势。

但盾构法也有一些不足，如在隧道曲线半径过小时，盾构机转向控制比较困难；地层软硬不均时，盾构机姿态控制较困难；洞顶覆盖土层太薄且为有压含水松软土层时，需要采取一些辅助技术措施防止地表沉陷，完全防止地表沉陷还比较困难；拼装式衬砌的整体防水性能较差，要采用较多的辅助防水措施，才能达到防水要求；当采用全气压盾构法施工时，工人在高气压条件下作业，需采取特别的劳动保护措施。这些缺点还有待在今后的实践中进一步研究解决。

4.种类及适用的地层条件

盾构机的类型很多，分类方法也很多：按盾构机断面形状可分为圆形、拱形、矩形、马蹄形和复圆形等，圆形盾构机抵抗地层中的土压力和水压力的性能较好，衬砌拼装简单，可采用通用构件，易于更换，因而应用较广泛；按挖掘方式可分为手工挖掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种；按盾构机前部构造可分为敞胸式和闭胸式两种；按排除地下水与稳定开挖面的方式可分为人工井点降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构机，局部气压盾构机和全气压盾构机等。

随着隧道与地面工程的发展，盾构机的种类越来越多，适用性也越来越广泛。一般而言，盾构法主要适合在软弱地质条件下进行暗挖法施工，最适于在松软含水地层中修建隧道，如在江河中修建水底隧道，在城市中修建地下铁道及各种市政设施。有资料显示，盾构法一般适宜用于长隧道施工，对于短于750 m的隧道，采用盾构法是不经济的。

5.发展及现状

（1）国外盾构法的发展及现状。

盾构法施工的构思是由法国工程师布鲁诺尔（Brunel）在船板上蛀虫蛀孔的启示下于1818年提出的。1825—1843年，布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下采用6.8 m×11.4 m的矩形断面盾构机修建了全长458 m的世界上第一条用盾构法施工的隧道。1869年，英国人巴劳（Barlow）首次采用圆形盾构机在泰晤士河底建成外径为2.21 m的隧道。

英国人格雷特海德（Greathead）综合了以往盾构法和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，首创了在盾尾的衬砌外围空隙中压浆的施工方法，极大地推动了盾构施工法的发展，并于1874年在伦敦地下铁道南线的黏土和含水砂砾地层中成功地应用气压盾构法建造了内径为3.12m的隧道。1880—1890年，在美国和加拿大之间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4 m、长1800余米的水底铁路隧道。

20世纪初，盾构法已在美、英、德、法等国推广，20世纪三四十年代，这些国家已成功地使用盾构法建成直径3.0～9.5 m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在纽约就采用气压盾构法建成了19条重要的水底隧道，涉及道路、地下铁道、煤气和上下水道等。20世纪60年代起，盾构法在日本迅速发展，除大量用在城市地下铁道施工外，在城市下水道等市政工程中也得以广泛应用。日本为此研制了大量新型盾构机，如局部气压式、泥水加压式和土压平衡式盾构机等，以适合在各种地层中施工。同时，与盾构施工配套的设施与管理技术也获得了发展。

（2）国内盾构法的发展及现状。

我国在第一个五年计划期间，阜新海州露天煤矿采用直径2.6 m的盾构机修建了疏水巷道。1957年，在北京下水道工程中也用过直径为2.0 m和2.6 m的盾构机。

1963年，上海开始在第四级软弱含水层中进行直径为4.2 m的盾构隧道工程试验，盾构机为手掘式，有16个千斤顶，总推力为1.96×104 kN，并备有正面支撑千斤顶，隧道衬砌为单层防水钢筋混凝土类型管片，并采用沥青环氧树脂为接缝防水材料，试验中曾采用降水法和气压法疏干地层的辅助措施。1965年又采用2个直径5.8 m，总推力为3.724×104 kN的网格式盾构机，在覆土约12 m厚的淤泥质黏土层中进行试验，采用气压式推进（气压值为8.82×104～11.76×104Pa）建成2个试验隧道。1967—1969年，采用直径为10.2 m的盾构机及单层钢筋混凝土管片建成黄浦江打浦路隧道，盾构机穿越地面以下深度为17～30 m的淤泥质黏土层和粉砂层，在两岸不同地段采用降水法全出土、全闭胸挤压、气压全出土以及局部挤压方法施工，在河中段还采用了无气压全闭胸挤压法施工。1984年，上海又制造了直径为11.32 m的盾构机，用于黄浦江延安东路水底道路隧道的修建。

20世纪70年代以来，上海、北京、江苏、浙江、福建等地采用不同类型的盾构机修建了各种不同用途的隧道，仅上海就用盾构法在长江边及海边建成多条排水及引水隧道。此外，上海、广州等地也采用盾构法修建地铁和地下通道，上海地铁1号线14.81 km长的区间隧道采用7台盾构机进行施工，广州地铁1号线也采用3台盾构机进行6个区间的隧道施工。随着我国经济建设的发展，特别是城市建设的发展，盾构法的应用具有越来越广阔的前景。

自1818年布鲁诺尔首次提出盾构法至今已有200余年，盾构法已广泛用于城市中修建上、下水道，电力、电缆沟隧道，地下铁道，水底隧道等地下工程。各国用盾构法施工的隧道中，大约70%是上下水道，15%是地下铁道和水底隧道。目前，各国采用盾构法建造了多条水底公路隧道，随着交通事业的发展，用大直径盾构机建造的水底公路隧道将会日益增多。