盾構(gòu)法隧道與應(yīng)用-第一節(jié)盾構(gòu)法隧道的起源及歷史

據(jù)記載，人類設(shè)想建筑各種用途的隧道已有上千年了。1802年，英國(guó)采礦工程師阿貝爾·馬蒂厄提出修建英吉利海峽隧道打算，設(shè)計(jì)從英法兩岸用一種有掩體構(gòu)造的挖掘機(jī)修建隧道，每側(cè)各挖掘18.7km，最終在瓦恩·班克淺灘對(duì)接貫穿。他建議在海峽地下通道的中間設(shè)計(jì)一個(gè)人工島，隧道的照明由油燈供給，而煙囪將供給通風(fēng)。阿貝爾·1802年設(shè)計(jì)可行駛馬車(chē)隧道1803·馬蒂厄的打算未能付諸實(shí)施。法國(guó)工程師布魯諾爾〔MareIsambardBrunel〕在倫敦從船蛀·〔St．Pertersburg〕正規(guī)劃一條跨越Neca河的工程，布魯諾爾參與了此工程的設(shè)計(jì)爭(zhēng)論。布魯諾爾看到每年橋墩總是患病從Lagoda湖上漂流的大冰塊的破壞，當(dāng)時(shí)曾提議修建一隧道〔用盾構(gòu)法挖掘〕。后來(lái)，布魯諾爾完善了構(gòu)思，注冊(cè)了專利。布魯諾爾設(shè)想的盾構(gòu)機(jī)械內(nèi)部構(gòu)造由不同的單元格組成，每一個(gè)單元格可容納一個(gè)工人獨(dú)立工作并對(duì)工人起到保護(hù)作用〔圖l-5〕。承受的方法是將所有的單元格都被牢靠地裝在盾殼上。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)了兩種施工方法，一種是當(dāng)一段隧道挖完后，整個(gè)盾殼由液壓千斤頂借助后靠向前推動(dòng)；另一種方法是每一個(gè)單元格能單獨(dú)地向前推動(dòng)。第一種施工法后來(lái)被承受，并得到推廣應(yīng)用，演化為成熟的盾構(gòu)法，目前全部的封閉式盾構(gòu)都是基于第一種方法。此后，布魯諾爾逐步完善了盾構(gòu)構(gòu)造的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成封閉式盾殼用全斷面螺旋式開(kāi)挖，襯砌緊隨其后的〔圖l-6〕。它可以被認(rèn)為是土壓平衡盾構(gòu)〔EPBShield〕的先行者。1-5布魯諾爾注冊(cè)專利的盾構(gòu)，18061-6M.I.Brunel螺旋盾構(gòu)，18181825～18431－7)。這臺(tái)11.3m×6.7m，并由12個(gè)鄰接的框架組成。每一個(gè)框架分成3個(gè)艙，每一艙里有一個(gè)工人，這樣，共有36名工人。此系統(tǒng)依據(jù)以下模式工作：首先，借助螺桿(spindles)將鞍型框架(cobs)壓入前方的上中。從上部撤除隧道工作面上的木料并掘土約6英寸。然后，隧道工作面重用木料掩蓋并用螺桿支撐。緊接著盾構(gòu)后部砌磚，把它作為整個(gè)機(jī)架的支座。泰晤士河下的隧道工程始于1825年，隧道工程遇到了很多困難。在經(jīng)受了5次以上特大洪水后，直到1843年才全部完工。好玩的是在1828年第一次消滅洪水而停工時(shí)，科羅丹〔Callodan〕工程師曾建議承受壓縮空氣作為解決方案，然而，布魯諾爾還不想承受。1-718821121866年，莫爾頓申請(qǐng)“盾構(gòu)”專利。盾構(gòu)最初稱為小筒〔cell〕或圓筒〔cylinder〕，在莫爾頓專利中第一次使用了“盾構(gòu)”〔shield〕這一術(shù)語(yǔ)。1-819048月英國(guó)Markham1869·亨利·格瑞海德〔JanesHearyGreathead〕工程師用圓形盾構(gòu)再次在泰晤士河底修建了一條隧道，隧道襯砌第一次承受了鑄鐵的襯砌管片。隧道施工長(zhǎng)402m，外徑為2.18m。隧道根本上是在不透水的粘土層中掘進(jìn)，所以在地下水掌握方面沒(méi)有遇到什么困難。格瑞海德的圓形盾構(gòu)后來(lái)成為大多數(shù)放開(kāi)工作面盾構(gòu)的模型，右上圖顯示的是其中的一臺(tái)直徑為9.35m19048月由英國(guó)MarkhamRotherhithe和Ratcliffe的Rotherhithe隧道〔1904～1908〕。在松散地層中修建水底隧道如何抑制地下水問(wèn)題，科契蘭〔AdmiralSirCochrane〕找到了解決方法。依據(jù)1828年科羅丹向布魯諾爾提出的建議，他承受壓縮空氣的方法，1830的工作艙。1879、1880年人們分別在安特衛(wèi)普和紐約承受壓縮空氣掘進(jìn)隧道，但沒(méi)有使用盾構(gòu)。1-9普萊斯機(jī)械化盾構(gòu)，英國(guó)專利，18961-10約翰·荻克英森·布倫敦和姬奧基·布倫敦機(jī)械化盾構(gòu)，英國(guó)專利，18761886年格瑞海德在倫敦地下施工期間將壓縮空氣方法與盾構(gòu)掘進(jìn)相組合使用。在壓縮空氣條件下施工，意味著在承壓水地層20世紀(jì)初，大多數(shù)隧道都是承受格瑞海德盾構(gòu)修建的。布魯諾爾制造盾構(gòu)法之后的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步是用機(jī)械開(kāi)挖代替人工開(kāi)挖。第一個(gè)機(jī)械化盾構(gòu)專利可追溯到1876·荻克英森·JohnDickinsonBrunto和姬奧基·GeorgeBrunton〕申請(qǐng)專利〔中右圖〕料斗將渣料轉(zhuǎn)運(yùn)至膠帶輸送機(jī)上，再將它轉(zhuǎn)到后面從盾構(gòu)中運(yùn)出，這一設(shè)想后來(lái)被用于修建基輔地鐵隧道工程。1874年，格瑞海德覺(jué)察在強(qiáng)滲水性的地層中用壓縮空氣支撐隧道工作面是困難的，因此開(kāi)發(fā)了用液體支撐隧道工作面的盾構(gòu)。通過(guò)液體流，出土以泥漿的形式排出。1-11格瑞海德泥漿盾構(gòu)，18741891年，約瑟夫·霍布森擔(dān)當(dāng)建設(shè)的圣克萊河隧道通車(chē)。該隧道承受氣壓盾構(gòu)施工，隧道襯砌用直徑6.08m鑄鐵管片進(jìn)展連接，水下隧道全長(zhǎng)約1830m，該隧道至今仍在使用。1896年申請(qǐng)專利的普萊斯〔Price〕盾構(gòu)〔圖1-12〕是依據(jù)制造者命名的。1897年，這臺(tái)機(jī)器成功地應(yīng)用于倫敦的粘土地層。它第一次將格瑞海德盾構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)組合在一起，切削輪由4個(gè)輻條臂組成，在臂上裝有切削和刮削的工具，切削輪上設(shè)有鏟斗，將土料提升并倒入斜槽，再滑落至備好的料車(chē)中，然后被運(yùn)到地面。1-12普萊斯機(jī)械化盾構(gòu),Markham1896年，哈姬〔Haag〕在柏林為第一臺(tái)德國(guó)盾構(gòu)申請(qǐng)了專利，它是一臺(tái)用液體泥水支撐隧道工作面并把開(kāi)挖艙密封作為壓力艙的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。1-13哈姬泥水盾構(gòu)，1896早期盾構(gòu)法隧道施工〔1825～1911〕年份工程Thames長(zhǎng)度〔m〕直徑〔m〕日進(jìn)尺〔m/d〕附注Brunel襯砌1825-1842〔London〕46011.3х6.71.50盾構(gòu)〔矩形〕磚砌BroadwayBreach1869-1870902.85磚砌〔NewYork〕盾構(gòu)TowerSubwayGreathead1869-4032.202.6鑄鐵襯砌〔London〕盾構(gòu)CitySouthSubsay初期用1886-1890102003.10～3.454.00鑄鐵襯砌〔London〕壓縮空氣Glasgow1890-18935805.201.00壓縮空氣鑄鐵襯砌Harbourroad1892-1894Sewergallery4652.502.00～3.00壓縮空氣鑄鐵襯砌〔Clichy〕〔Clichy〕road1896-18993754.001.40壓縮空氣軋制鋼〔Ber