盾构法隧道与应用-第一节盾构法隧道的起源及历史

据记载，人类设想建筑各种用途的隧道已有上千年了。1802年，英国采矿工程师阿贝尔·马蒂厄提出修建英吉利海峡隧道打算，设计从英法两岸用一种有掩体构造的挖掘机修建隧道，每侧各挖掘18.7km，最终在瓦恩·班克浅滩对接贯穿。他建议在海峡地下通道的中间设计一个人工岛，隧道的照明由油灯供给，而烟囱将供给通风。阿贝尔·1802年设计可行驶马车隧道1803·马蒂厄的打算未能付诸实施。法国工程师布鲁诺尔〔MareIsambardBrunel〕在伦敦从船蛀·〔St．Pertersburg〕正规划一条跨越Neca河的工程，布鲁诺尔参与了此工程的设计争论。布鲁诺尔看到每年桥墩总是患病从Lagoda湖上漂流的大冰块的破坏，当时曾提议修建一隧道〔用盾构法挖掘〕。后来，布鲁诺尔完善了构思，注册了专利。布鲁诺尔设想的盾构机械内部构造由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用〔图l-5〕。承受的方法是将所有的单元格都被牢靠地装在盾壳上。当时设计了两种施工方法，一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推动；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推动。第一种施工法后来被承受，并得到推广应用，演化为成熟的盾构法，目前全部的封闭式盾构都是基于第一种方法。此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构构造的机械系统，设计成封闭式盾壳用全断面螺旋式开挖，衬砌紧随其后的〔图l-6〕。它可以被认为是土压平衡盾构〔EPBShield〕的先行者。1-5布鲁诺尔注册专利的盾构，18061-6M.I.Brunel螺旋盾构，18181825～18431－7)。这台11.3m×6.7m，并由12个邻接的框架组成。每一个框架分成3个舱，每一舱里有一个工人，这样，共有36名工人。此系统依据以下模式工作：首先，借助螺杆(spindles)将鞍型框架(cobs)压入前方的上中。从上部撤除隧道工作面上的木料并掘土约6英寸。然后，隧道工作面重用木料掩盖并用螺杆支撑。紧接着盾构后部砌砖，把它作为整个机架的支座。泰晤士河下的隧道工程始于1825年，隧道工程遇到了很多困难。在经受了5次以上特大洪水后，直到1843年才全部完工。好玩的是在1828年第一次消灭洪水而停工时，科罗丹〔Callodan〕工程师曾建议承受压缩空气作为解决方案，然而，布鲁诺尔还不想承受。1-718821121866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为小筒〔cell〕或圆筒〔cylinder〕，在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”〔shield〕这一术语。1-819048月英国Markham1869·亨利·格瑞海德〔JanesHearyGreathead〕工程师用圆形盾构再次在泰晤士河底修建了一条隧道，隧道衬砌第一次承受了铸铁的衬砌管片。隧道施工长402m，外径为2.18m。隧道根本上是在不透水的粘土层中掘进，所以在地下水掌握方面没有遇到什么困难。格瑞海德的圆形盾构后来成为大多数放开工作面盾构的模型，右上图显示的是其中的一台直径为9.35m19048月由英国MarkhamRotherhithe和Ratcliffe的Rotherhithe隧道〔1904～1908〕。在松散地层中修建水底隧道如何抑制地下水问题，科契兰〔AdmiralSirCochrane〕找到了解决方法。依据1828年科罗丹向布鲁诺尔提出的建议，他承受压缩空气的方法，1830的工作舱。1879、1880年人们分别在安特卫普和纽约承受压缩空气掘进隧道，但没有使用盾构。1-9普莱斯机械化盾构，英国专利，18961-10约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦机械化盾构，英国专利，18761886年格瑞海德在伦敦地下施工期间将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用。在压缩空气条件下施工，意味着在承压水地层20世纪初，大多数隧道都是承受格瑞海德盾构修建的。布鲁诺尔制造盾构法之后的另一个技术进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构专利可追溯到1876·荻克英森·JohnDickinsonBrunto和姬奥基·GeorgeBrunton〕申请专利〔中右图〕料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转到后面从盾构中运出，这一设想后来被用于修建基辅地铁隧道工程。1874年，格瑞海德觉察在强渗水性的地层中用压缩空气支撑隧道工作面是困难的，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构。通过液体流，出土以泥浆的形式排出。1-11格瑞海德泥浆盾构，18741891年，约瑟夫·霍布森担当建设的圣克莱河隧道通车。该隧道承受气压盾构施工，隧道衬砌用直径6.08m铸铁管片进展连接，水下隧道全长约1830m，该隧道至今仍在使用。1896年申请专利的普莱斯〔Price〕盾构〔图1-12〕是依据制造者命名的。1897年，这台机器成功地应用于伦敦的粘土地层。它第一次将格瑞海德盾构与旋转刀盘组合在一起，切削轮由4个辐条臂组成，在臂上装有切削和刮削的工具，切削轮上设有铲斗，将土料提升并倒入斜槽，再滑落至备好的料车中，然后被运到地面。1-12普莱斯机械化盾构,Markham1896年，哈姬〔Haag〕在柏林为第一台德国盾构申请了专利，它是一台用液体泥水支撑隧道工作面并把开挖舱密封作为压力舱的盾构掘进机。1-13哈姬泥水盾构，1896早期盾构法隧道施工〔1825～1911〕年份工程Thames长度〔m〕直径〔m〕日进尺〔m/d〕附注Brunel衬砌1825-1842〔London〕46011.3х6.71.50盾构〔矩形〕砖砌BroadwayBreach1869-1870902.85砖砌〔NewYork〕盾构TowerSubwayGreathead1869-4032.202.6铸铁衬砌〔London〕盾构CitySouthSubsay初期用1886-1890102003.10～3.454.00铸铁衬砌〔London〕压缩空气Glasgow1890-18935805.201.00压缩空气铸铁衬砌Harbourroad1892-1894Sewergallery4652.502.00～3.00压缩空气铸铁衬砌〔Clichy〕〔Clichy〕road1896-18993754.001.40压缩空气轧制钢〔Ber