編譯/阿樓

 
   中国盾构法隧道是在上海软土含水地层中开始的。 
    （1）上海地质情况 
    上海位于长江三角洲的东端，第四纪冲积层很厚，地表以下30～40m范围内都是天然含水量大于液限、空隙比大于1的松软地层常夹有薄层粉细砂层，地下水一般在地表下1m。在这种地层中开挖隧道，若无适当的技术措施，极易产生流沙现象，从而导致各种工程事故。而在淤泥之粘土层或在软粘土层中，虽无流沙现象，但在近10m的高差下，却产生塑流现象。有时土层受施工扰动，天然结构遭到破坏，泥土甚至会从一个直径5cm的孔中不断缓慢流入隧道。在这样松软的含水地层中开外隧道，唯一的选择是采用盾构法。 
    （2）试验盾构研制 
    1960年2月，上海隧道局在塘桥成立了隧道试验站，开始了盾构法隧道的试验工程，成立建造隧道主要施工机具盾构的研制组。在既无实践经验又缺乏技术资料的情况下，提出先求其有，再求其精，要求结构简单，取材方便、易于制造，操作方便、安全可靠，劳动强度小和少用气压的设计原则。研制组先用1:20的模型盾构，在特制的土箱内进行模拟试验，观察盾构移动时土体变动情况。经过反复试验获得一些感性知识，在仿真试验的基础上，研制组对盾构选型进行反复论证，认识到试验性盾构应适用于上海各种土层，其性能应是多功能的：对付淤泥质粘土，可用挤压推进，并留有适当进土孔，可随时启闭闸门控制进土量，用以调节盾构推进方向和推进阻力；对付硬粘土，加螺旋机械切削，以减少推进阻力；对付粉砂，可在气压和降水条件下进行人工分层开挖和人工支撑。研制组最后选定的直径4.16m试验盾构，是一台挤压切削、敞胸开挖正面支撑的多功能盾构，总推力2000t，总重55t。

進行室內模型類比試驗

 

直徑4.16m試驗型盾構掘進機示意圖

    1961年，由新建机器厂制造盾构外壳。当时钢材供应紧张，材质较差，致使钢板在滚圆加工时发生开裂，制造一度停顿。直到1962年底，盾构外壳才制造完成，运抵浦东塘桥试验工地，进行内部机械设备安装。由于盾构推力要求大、设备多、空间狭小，因而对液压系统压力要求高。根据计算与布置，选定液压系统压力为250kg/cm2，而国内液压件最高压力只有140kg/cm2，一时成为盾构研制的难题。 
    （3）试验隧道推进 
    1963年，在室内模拟试验和各单项试验的基础上，第一次用一台外经4.16m普通（敞胸）盾构，在埋深8m左右的粉砂地层中进行了长27m的“浅推进”试验。由于财政原因对工程计划进行压缩，工程暂停了数月。在浅推进试验时，感到正面开挖和支撑劳动强度大，且有不安全因素。为了改进开挖和支撑工艺，试制一种网格板代替正面支撑板，既可起到支撑板作用以稳定开挖面，又可同时从网格孔中缓慢进土，比大面积暴露开挖提高了安全度，并减轻了劳动强度。这一技术，通过以后的多次工程实践和改进，为发展和形成具有上海特色的网格挤压切削式盾构奠定了基础。

 

 

淺層隧道推進襯砌佈置圖

 

    地下综合试验的同时，研制组又补充设计液压管片拼装机（举重臂），委托江南造船厂制造。先在车间进行充分操作调试，在深推进拼装最后5环管片前，才安装到盾构内，取代管片拼装架进行管片拼装操作，性能良好。至此，第一台国产盾构正式问世。 
    盾构法隧道施工在盾构出洞、进洞阶段和其它需要稳定土体的地段，为了防止坍方、涌水和保持盾构工作面和尾部土体稳定，1960年，在塘桥试验基地成立降水组，结合隧道埋设深度，进行各种降水技术试验研究。盾构浅、深推进综合试验中，采用喷射井点作盾构基坑降水、盾构掘进降水、盾构进洞降水、盾构工作井降水，都取得良好效果。另外在井点管埋设深度、间距，工作水压力、最大降水深度、降水影响范围、降水监控、注水试验、控制降水对地表的沉降等方法也都取得科学数据。1963～1965年，结合浅推进过渡到深推进，对地表以下10多米深处那层渗透系数极小（小于1×l0-6cm/sec）的灰色淤泥质粘土进行电渗降水试验，实现沉井施工在开挖条件下沉到－19.25m。考虑到盾构施工上方有房屋、道路等构筑物，不能在地面设置井点降水设施，就进行地下水平井点降水试验。通过各项单项试验，逐步形成地下水平井点管的布置和施工工艺。1964年6月，结合深推进盾构出洞和降水段推进进行试验，降水效果良好。两个多月的盾构全断面无支撑开挖，正面土体始终保持稳定。 
    隧道地下综合试验过程中，盾构推进采用降水疏干加正面支撑、气压疏干加正面支撑及挤压法三种措施。在隧道衬砌的量测环中采取埋置压力盒、应变片、应变砧，并在地面设置沉降标志等量测手段。根据不同施工措施，分别测得衬砌环的直径变化规律、外荷变化、衬砌内力、螺栓应力、接缝张角、接缝渗漏水情况及地表沉降量等散据；还将研制的孔隙水压力盒埋设在地层中。当盾构推进时，测得地层中前方及周边地下水压力值的变化，从而掌握在不同施工方法条件下衬砌圆环的受力特征，为隧道衬砌设计和施工积累了数据。 
    地下隧道综合试验，按1960年方案是结合已有风井的风道工程，在覆土22m左右条件下进行的。两年地面单项试验实践证实，试验段地层为粉砂层与粘土层互层，土质比较复杂，进行推进试验不能得出有效结果，须分别在覆土4m左右的粉砂层及覆土12m左右的淤泥质粘土层中进行试验，才具有上海土层的代表性。 
    1962年底，修改试验方案，在竖井一侧另做盾构工作井进行试验。通过试验，检验直径4.16m盾构的结构强度、灵敏度和液压系统性能。掌握盾构推进时控制轴线及地面沉降技术，检验钢筋混凝土管片结构强度，圆环在施工及基本运用阶段的内力分布，掌握拼装工艺、防水涂料工艺、以及盾尾后建筑空隙压浆技术，以求在上海饱和含水软土地层中，对盾构法及单层装配式钢筋混凝土管片建造隧道的可能性和适应性，作出全面评价。 
    浅推进试验共推42环，其中试验段为35环，见浅层隧道推进衬砌布置图。深推进试验共推63环，见深推进隧道衬砌布置图。

 

深推進隧道襯砌佈置圖

    （4）试验工程结论 
    试验是在边推进、边观察、边研究、边改进中进行，试验段管片均按不同要求布置量测仪表，取得推进全过程的实测资料。从实测资料认识到，盾构法施工在降水、加压及常压条件下，正面开挖掘进引起土体扰动和地面变形程度，隧道衬砌结构在施工及基本运用阶段的外荷及变化规律。实测资料还表明：盾构推进时，挤压法土体扰动最大。不论用降水法或气压法，盾构掘进施工，管片受力最不利状态是在脱出盾尾后的5天内。此后土压力缓慢增长，历时8个月趋于稳定。经压浆后的管片，其外圆形成一硬壳层，实测的土压力比理论计算值小。推进结束后编写出《直径4.2m盾构推进试验工作总结》、《盾构阻力和管片摩擦力分析报告》、《钢筋混凝土管片试验研究综合分析报告》、《降水段施工土、水压力及管片内力变化观测总结》、《管片圆环匀质的检验报告》、《管片防水施工总结》、《管片拼装施工总结》、《浅、深隧道纵向变形分析报告》、《地表变形分析报告》、《盾构制造总结》、《钢筋混疑土管片的结构性能》等25篇报告论文。 
    从这些总结报告中得出的结论是：设计制造直径4.16m盾构整体性能可适应在不同土层中用降水、气压、挤压等不同的掘进方法。掌握盾构正面支撑、开挖、纠偏、压浆等一系列的施工技术，能按轴线前进和正确进洞，控制地面沉降有了一定把握。装配式钢筋混凝土管片经受了不同土层中施工外荷和水、土压力的考验，在管片接缝中用先柔后刚的涂料和先环后纵拼装工艺，以防水为中心多道防线综合处理的技术措施是行之有效的。漏水量为每昼夜0.3L/m2。试验隧道工程证明在上海饱和含水软土地层用盾构法、钢筋混凝土管片建造隧道技术的可行性。 
    工程技术人员通过塘桥试验隧道和60试验隧道，由模型到实体、由浅埋到深埋、规模由小到大进行了大量的反复的科学试验，证明了在上海软土含水地层中进行盾构法施工是可行的，隧道建设是有经济性的，为中国盾构法隧道的起步和发展奠定了基础。 
    上图：工程技术人员进行盾构法隧道试验研究。