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地下工程开挖工艺和发明者们建造地下工程所用的施工技术地下工程的安全因素123地下工程的问题像在坚硬的岩体上开凿隧道，施工时不会有塌方的问题。但是地下工程不能总是遇到这样坚硬完整的岩体；事实上，现代大多数地下工程都是修建在各种复杂的地质条件下，岩体或破碎松散，或岩泥混杂；这样，为了避免塌方问题，在施工时就要对已开挖出来的新暴露岩体进行支护。另一方面，某些硬岩在开凿后暴露在空气中会逐渐风化。面临这些地下施工问题，就需要靠我们历史革命性的发明者们，他们创新的各种施工技术，给建筑带来了发展。布鲁内尔盾构巴洛盾构盖特黑德盾构盾构机的发展开挖工艺和发明者们盖特黑德盾构巴洛盾构水泥式盾构布鲁内尔盾构水泥式盾构现代盾构土压平衡式盾构盾构起源1806年，法国工程师麦克·布鲁内尔发现船的木板中，有一种蛀虫（船蛆）钻出孔道，船蛆是一种蛤，头部有外壳，在钻穿木板时，分泌出液体涂在孔壁上形成坚韧的保护壳，用以抵抗木板潮湿后的膨胀，以防被压扁。在蛀虫钻孔的启示下，布鲁内尔发现了盾构掘进隧道的道理，并在英国注册了专利布鲁内尔盾构布鲁内尔盾构由布鲁内尔父子发明的。它的施工的工作原理类似水平前进的深井，由金属筒框支撑土或岩体防止塌方，由千斤顶推动金属筒框水平向前进。盾构在发明阶段并非非常成功。在泰晤士河隧道施工过程中工程事故不断。1825年布鲁内尔开始在伦敦泰晤士河下修建高6.8m，宽11.4m的矩形盾构隧道，历时18年，到1843年布鲁内尔完成了全长370m的隧道，隧道经历了5次特大涌水牺牲了6人。小布鲁内尔的健康因为泰晤士河隧道事故受到终身损害，但是，他作为杰出的发明家和工程师却青史名留。他不仅发明了盾构，还发明了世界上第一艘螺旋浆推进的铁甲海船。小布鲁内尔的工程虽然不都是成功的，但都包含一些革命性的创新。巴洛盾构1865年，英国桥梁工程师巴洛发明一种盾构，是对布鲁内尔盾构原理进行改进，并注册了专利。这种盾构是圆筒形，直径较布鲁内尔设计的小，不用砖铺砌隧道内壁，而用铁块砌块，工作面非常狭窄，但是圆管在水平推进时比矩形断面更能减少阻力，表现得非常有效。1869年，巴洛和他的学生利用这种盾构在一年之内凿通泰晤士河床下的第二条隧道。巴洛还获得用他的盾构建造一条地铁的许可。盖特黑德盾构巴洛的学生兼助手盖特黑德改进了巴洛的挖隧道技术，首先是盾构断面面积大为增加，推进动力也改为液压系统，以压缩空气抵消外面的水压，盾构开挖端施加有较高的气压，目的除抵抗地下水，还用气压防止开挖面塌方。由于隧道基本上是在不透水的粘土层中掘进，所以在控制地下水方面没有遇到什么困难。盖特黑德圆形盾构后来成为大多数盾构的模型。当时盾构基本是人工开挖的。他用这种盾修建了数条地铁线路，一时名声大振，促进了盾构在世界范围内的进一步推广。盾构成为英国修建地铁的主要手段。1890年，伦敦用这种技术建成了世界上第一条地下铁道。水泥式盾构1896年，德国人哈姬在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专利，能自主完成开挖的盾构诞生了。这是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖仓密封作为压力仓的盾构。水泥式盾构机的开挖可能由刀盘完成，也可能由高压水射流完成，通过加压泥水或泥浆来稳定开挖面。其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成水泥室，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。推进臂顶在衬砌管片上，推动盾构向前移动，填补土料被开挖后形成的空隙。最初的泥浆盾构通过喷射水流，将土料以泥浆的形成排出。但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽相类似，从而提出在开挖面用类同槽壁法的支护，而膨润土泥浆可在无粘聚力土槽沟中支护掘出的开挖面，这样就诞生了泥水加压平衡盾构。土压平衡式盾构1963年，日本SatoKogyo公司首先开发出土压平衡盾构，见左图。1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用，用于掘进长1900m的隧道，该盾构由日本IHI（石川岛播磨）公司制造，其外径为∅3.72m，其外形见右图。土压平衡式盾构是把土料作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压大小决定了开挖面是否稳定，而这个压力可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量进行调节。掘进机由于不必像一般盾构机那样考虑开挖面的稳定性，有人把在硬岩环境中开凿隧道的机械单独划分出来，称为全断面掘进机（简称TBM)。TBM的基本工作原理是，旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石使隧洞全断面一次成型。它与盾构机的主要区别是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。现代盾构隧道的衬砌大都采用钢筋混凝土预制管片拼装而成。安装管片后，管片与隧道原开挖侧面之间的空隙需要灌注混凝土填充，混凝土形成强度后，整个支护形成并开始工作。由于现代的盾构机非常昂贵，所以如果隧道达不到一定长度，采用盾构法施工是不经济的，这时应当依靠矿山法施工。开挖施工技术传统矿山法沉管法盾构法顶管法暗挖法隧道及地下工程的施工方法冻结法明挖法盖挖法隧道掘进机法矿山法施工始终是硬岩环境下进行地下工程施工的重要方法之一。其原理是由机械或人工在硬质岩石上凿眼，填炸药爆破形成隧道或硐室。从17世纪炸药和18世纪蒸汽机的使用，矿山法开始应用于隧道开挖，促进了隧道及地下工程的迅速发展。传统矿山法因最早应用于采矿而得名，它主要采用钻眼、装药、放炮、出渣、支护等循环或利用臂式掘进机来完成隧道施工，采用炸药钻爆破岩石是其特点，因此也常称为钻爆法。近代修建的隧道几乎全部采用传统矿山法修建。如1613年英国建成伦敦地下水道；1679年法国修建了Midi运河中的Malpas隧道，长度173m；1863年伦敦建成世界第一条城市地下铁道；建于1857~1871年的仙尼斯双线隧道长12.8km，穿越阿尔卑斯山链接法国和意大利的公路隧道；建于1871~1881年的圣哥达双线铁路隧道，长15km，穿越链接瑞士和意大利3200m高的圣哥达山峰；辛普伦敦隧道是连接瑞士和意大利的一座铁路长隧道，长19.8km。美国最长的隧道是1925~1928年修建的长12.54km的喀斯喀特隧道。传统矿山法中国第一座铁路隧道是1887~1889年台湾省台北至基隆窄轨铁路路上的狮球岭隧道，长261.4m。八达岭隧道位于京包铁路青龙桥车站附近，这座单线隧道全长1091m，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，自1907年开工，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道是中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。第二次世界大战中，参战国修建了大量的地下军事工程。这些地下工程多采用传统矿山法修筑。到1946年，德国已建143座坑道式工厂。中国抗日军民在河北省焦庄及冉庄等地构筑了四通八达的地道工事，电影《地道战》中的地道工事就是一个实例。传统矿山法施工机具简单，且对不同岩石具有广泛的适用性，在岩石隧道施工中被广泛采用。日本青函海底铁路隧道横穿津轻海峡连接日本青森和北海道的函馆，是世界上包括陆地长度在内单行最长的隧道。该隧道于1964年开挖调查坑道，于1971年4月正式动工开挖主坑道，历时12个月，1983年1月27日先导坑道贯通，1988年3月13日青函隧道正式通车，前后历经24年，耗资7000亿日元。另外一座采用矿山法修建的公路隧道为勃朗峰隧道(MontBlancTunnel)，修建于法国和意大利交界处的阿尔卑斯山的最高峰——勃朗峰。隧道于1957年动工开凿，1965年7月l6日建成通车。隧道全长11.6km，宽8.6m，高4.35rn，约2/3在法国境内，由法意两国共同管理。矿山法也存在明显的缺点，除了掘进速度和效率相对较低外，最大的问题就是对周围岩石的扰动大。另外，施工作业条件差、工人劳动强度大、安全性差等也是困扰矿山法的诟病。而且隧道开挖后受爆破影响，造成岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据，其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖，并要求边挖边撑以求安全，所以支撑复杂，木料耗用多。为克服这些缺点，同时随着喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，人们不断地探索和完善隧道矿山法，具有代表性的革新是新奥法。暗挖法施工技术又称为“新奥法”，是对传统矿山法的基础发展起来的。由于在地层下进行施工，优点是对人们生活无干扰，但技术要求高，造价较高。1984年北京复兴门地铁折返线，首次在城市繁华地段施工中采用浅埋暗挖法，在保证地面交通正常运行的情况下获得成功，为我国在市区施工不影响居民生活和交通创出一条新路。浅埋暗挖法是按照“新奥法”原理进行设计和施工，采用较强劲的初期支护手段，先注浆、后开挖的施工方法。暗挖法采用“浅埋暗挖法”施工的第一项工程——北京市地铁复兴门折返线工程。1986年8月开工，1987年8月建成。荣获国家优秀设计金奖，国家科技进步二等奖，北京市科技进步一等奖。浅埋暗挖法，是指在软弱围岩地层中，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅和锚喷砼作为初期支护手段，遵循“新奥法”理论，按照“十八字”方针（管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测）进行隧道的设计和施工。浅埋暗挖的优点：结构形式灵活多变，对地面建筑、道路和地下管线影响不大，拆迁占地少，扰民少，污染城市环境少等。缺点：施工速度慢，喷射混凝土粉尘多，劳动强度大，机械化程度不高，以及高水位地层结构防水比较困难等。浅埋暗挖法的特点1、浅埋暗挖施工步骤及工艺流程浅埋暗挖法施工步骤：施工准备——超前小导管布设——注浆——土方开挖——格栅架立——钢筋网片、连接筋——喷射混凝土——防水施工——二次衬砌。（见下图）施工准备超前导管超前注浆土方开挖格栅安装网片安装砼喷射防水施工二次衬砌暗挖大跨度西单地铁车站是我国暗挖施工技术的又一突破。浅埋暗挖法既可作为独立的施工方法，如北京西单地铁站完全以此方法建成；它也可以与其他施工方法综合使用，如天安门西站、王府井站、东单站则是用浅埋暗挖法与盖挖法相结合的方法修建的。北京地铁部分区间隧道则是用半断面插刀盾构法与浅埋暗挖法相结合的方法建成的。浅埋暗挖法与其他施工法有很强的兼容性。浅埋暗挖法，整体配套技术处于国际领先水平，国际隧道协会有关专家也认为这是地下工程的一次突破。目前浅埋暗挖法已有自己全套设计、施工理论，作为一种方法已被国内外所采用。浅埋暗挖法作为建设部命名的国家级工法，不仅在地铁修建中显示了它的优越性，为国家取得重大经济、社会效益，它在地下停车场、地下街道、地下商业街及市政地下管网的建设中注入了前所未有的活力，为现代城市地下空间的开发作出了贡献。暗挖法明挖法明挖法是直接在地下工程建造处进行露天开挖和支护，然后在开挖处建造地下结构，完成后再进行覆盖、恢复地貌的方法。明挖法具有施工作业面多、速度快的特点，在拆迁量小的情况下，此法的工程造价低、工期短、易保证工程质量，但因对城市生活干扰大，对周围环境破坏大，使其应用受到限制。明挖法目前在国内外地下工程修建中，明挖法主要应用于大型浅埋地下建筑物的修建和郊区地下建筑的修建，且逐渐演化成盖挖和明暗挖结合的施工方法，但总体来讲明挖法在地下工程建设中仍是主要施工方法。明挖法的关键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。其中边坡支护是确保安全施工的关键技术。盖挖法盖挖法施工技术是先用连续墙、钻孔桩等形式作围护结构和中间桩，然后做钢筋混凝土板，在盖板、围护墙、中间桩保护下进行土方开挖和结构施工。盖挖法目前已在上海地铁的常熟路、陕西南路车站，北京的永安里、大北窑、天安门东站，南京的三山街车站，广州的一些车站以及哈尔滨、长春、石家庄等城市的地下商场等许多工程的施工中得到广泛应用。盖挖法顺作盖挖法逆作盖挖法盖挖逆作法多用在深层开挖、软弱地层开挖、靠近建筑物施工等情况下。该法在地下建筑结构施工时以结构本身既做挡土墙又作内支撑，不架设临时支撑。施工顺序和顺作法相反，从上往下依次开挖和构筑结构本体。盖挖顺作法是在现有的道路上，按所需的宽度，由地表面完成挡土墙结构后，以定型的预制标准覆盖结构置于挡土结构上维持交通，往下反复进行开挖和