简单科普一下盾构是如何挖掘隧道的

盾构是现在常见的一种挖掘隧道的施工方法。该方法于1818年由英国人马克(Marc Isambard Brunel)发明,之后马克成功使用该方法在1843年开通了穿越伦敦泰晤士河的隧道。盾构一词源自对英文Tunnel Shield的直译,指的是一种隧道保护结构。该结构提供了一种临时的保护措施,可以使得盾构机在隧道挖掘过程中,免受塌方以及落石的威胁。现代盾构作业过程中,随着盾构机不断往前推进,已经开挖的隧道将通过自动化的方式用预置的水泥管片拼接而成的永久墙体进行加固。下面就跟随本文去了解一下盾构的全过程是怎样的吧。

盾构的过程

参考下图,使用盾构方式挖掘隧道的主要工序有以下四步:第一步,在隧道的两端同时开挖出发井和回收井;第二步,将盾构机吊入出发井内;第三步,使用盾构机从出发井朝着回收井进行隧道的掘进作业;第四步,从回收井回收已经完成隧道作业的盾构机。

使用盾构进行隧道挖掘的作业工序

盾构的结构

下图是盾构的剖面图。可看到盾构主要由开挖面,盾构机千斤顶,螺旋输送机,皮带输送机以及管片几个关键部分组成。

盾构剖面图解

下图是盾构挖掘过程分步图解:第一步,开挖面旋转,然后带动置于其上的刀头进行隧道的掘进;第二步,通过螺旋输送机和皮带输送机将隧道掘进过程中产生的砂石运出隧道;第三步,随着盾构掘进的进行,在千斤顶的作用下,将盾构机往前推进;第四步,通过管片安装机自动将预置水泥管片拼接起来,完成对隧道墙体的加固。

盾构挖掘隧道的工作图解

下图是从站台远眺东京地铁半藏门线锦丝町站用盾构法开挖的隧道。可明显看到用预置水泥管片拼接而成的隧道墙体。

从站台远眺东京地铁半藏门线锦丝町站用盾构法开挖的隧道

盾构的组合

一般的盾构隧道大多是由单台盾构机挖掘而成的。不过随着经验的积累以及技术的进步,出于节省时间同时也是为了节省成本的考虑。目前还出现了将两台甚至两台以上的盾构组合在一起同时进行隧道挖掘的新工艺。

下图是东京地铁半藏门线永田町站的剖面模型。该站是由两台圆形盾构和一台半圆盾构组合挖掘而成的。两台圆形盾构负责车站上下行轨道的挖掘,半圆盾构则负责中间站厅顶部的挖掘。

东京地铁半藏门线永田町站剖面图

此外如下图所示,还进一步出现了直接将三台圆形盾构组合在一起进行挖掘的工艺。

三台圆形盾构组合

下图是东京地铁半藏门线清澄白河站的剖面图。该站就是由三个组合在一起的圆形盾构同时挖掘而成的。

东京地铁半藏门线清澄白河站的剖面图

后记

现代盾构作业中,因为用于加固隧道墙体的预制水泥管片可以在工厂中批量生产,并自动化安装的缘故,极大的降低了施工成本。同时相比起明挖回填式隧道的施工,盾构法对于地面的占用大幅减少。基于以上两点,盾构法目前广泛应用在包括城市地铁隧道在内的各种隧道施工作业之中。

但是也需要注意的是,盾构法只适合于含水量较高或者是土层松软的地质环境。如遇到复杂地层环境时,有可能导致机器卡壳甚至是机件的损坏,进而延误工期乃至大幅增加施工成本。

参考资料

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