大断面矩形地下通道施工设备与技术的研究

1、大截面矩形地下通道施工技术的大截面矩形地下通道施工技术的 研究和应用研究和应用 轨道交通轨道交通6 6号线浦电路车站号线浦电路车站3 3号出入口通道工程号出入口通道工程 工程名称：上海轨道交通6号线浦电路车站3号出入口 工程地点：上海浦东新区东方路与浦电路交叉的十字路口南侧 工程内容：包括一个始发井、接收井、地下通道和出入坡道。 通道坡度3% 最大埋深11.624m 最大覆土厚度为7.264m 掘进距离为42.7m 由28节预制钢筋混凝土管节组成。 土层自上而下依次为：填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、淤泥质粘土、粘土、粉质 粘土、粉质粘土、粉质粘土、砂质粉土夹粉质粘土、粉砂、粉细砂。

2、 通道洞身埋置于淤泥质粘质粉土、（夹）粉质粘土、淤泥质粘土这3层土之间。该土层渗透 系数一般为610cm/sec左右，属高含水量、高灵敏度、高压缩性、低强度、弱渗透性的饱和软粘性 土，蠕变量大。 土层名称 含水量重度粘聚力内摩擦角压缩模量塑性指数液性指数空隙比 %knm-3pampa% 填土18 粉质粘土34.91815225.0614.70.991.01 淤泥质粉质粘土40.917.41220.53.5814.11.411.16 （夹）粘质粉土34.518.15317.2911.71.380.98 淤泥质粘土49.816.614122.421.21.241.43 1-1粘土38.717.61

3、6153.7418.10.951.12 1-2粉质粘土35.517.815184.6115.50.931.04 1粉质粘土24.119.34417.57.68150.370.72 2粉质粘土24.519.34022.58.93140.360.72 1-1砂质粉土夹粉质粘土30.418.5431.513.520.86 1-2粉砂29.218.7231.513.30.83 2粉细砂29.718.9232.511.820.82 土层物理力学指标 地质情况： 通道沿线地下管线情况通道沿线地下管线情况 始发井 接收井 下 上 路灯井 信息井 信息井 上水井 煤气井 雨水井 污水井 煤气井 路灯井 信息井

4、 上水井 加 固 区 加 固 区 信息井 车 站 主 体 人 行 道 机 动 车 道 机 动 车 道 人 行 道 东方路 矩形通道 始发井 接收井 电力13孔/1.00 信息/0.7 路灯/0.4 上水300/0.8 信息12孔/0.7 信息12孔/0.7 上水800/1.10 煤气300/0.70 雨水700/1.80 污水1200/4.20 煤气300/0.9 路灯/0.4 信息/0.6 电力13孔/0.7 矩形通道 东方路 th625pmx-1土压平衡式矩形隧道掘进机主要性能： 掘进机截面尺寸为4390mm6270mm，机头长度为5480mm 主顶千斤顶总推力为3200t； 具有可靠的防

5、水性能，适合于地表下15米内的地层施工； 前置刀盘采用独立模块单元设计，可按模块分解组合； 具有防背土功能； 机身两侧配有平衡翼，可防侧转； 机身上的铰接装置，除具有纠偏功能外，兼具中继间的功能； 双螺旋输送出土，泵送渣土； 刀盘 取土口 土压传感器 平衡翼 铰接伸缩缝 双螺旋输送出土，泵送渣土 两个螺旋输送机取土，通过取土量和 掘进速度来平衡正面土压力。 推进系统推进系统 主顶装置采用16个千斤顶，单个千斤顶最大推力 2000kn，行程2500mm，总推力32000kn。16个千斤顶 两侧对称布置，每个千斤顶具有独立油路控制，掘进 初始阶段，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力 中心来进行纠

6、偏。 铰接系统配有16个千斤顶，最大行程250mm，顶 力为1500kn/只，工作油压31.5mpa，具有纠偏及中继 间双用功能。 预制钢筋混凝土管节： 外包尺寸：6240mm4360mm 厚500mm 长1500 mm 单节管重约36吨 每节管节安有10个减摩浆注入孔 课题组在施工前期做了大量的技术准备工作，反复讨论、研究方案的科学性、合理性、可行 性。在此基础上，还咨询了各路专家，对施工方案进行论证、审查，保证了工程得以顺利实施。 1 1、出洞技术、出洞技术 1) 洞口加固及掘进穿墙措施洞口加固及掘进穿墙措施 根据现场环境，出洞口外土体采用根据现场环境，出洞口外土体采用smw工法加固，三轴

7、搅拌后插入工法加固，三轴搅拌后插入h700型钢，密插。型钢，密插。 工法桩加固宽度为两个洞门宽，深度为洞门下工法桩加固宽度为两个洞门宽，深度为洞门下3米。加固体与围护体之间采用高压旋喷加固，米。加固体与围护体之间采用高压旋喷加固， 以起到洞门凿除后挡土和止水的效果。洞门止水装置采用帘布橡胶板以起到洞门凿除后挡土和止水的效果。洞门止水装置采用帘布橡胶板+可调节截面尺寸的钢可调节截面尺寸的钢 插板。插板。 2) 2) 出洞防磕头措施出洞防磕头措施 为克服掘进机出洞阶段的磕头趋势，采用高出洞技术。为克服掘进机出洞阶段的磕头趋势，采用高出洞技术。 3 3）掘进机刀盘为前置式设计，无常规的密封土仓，且由

8、于出洞加固采用）掘进机刀盘为前置式设计，无常规的密封土仓，且由于出洞加固采用smwsmw工法，出工法，出 洞时，当前置刀盘进入帘布板后，需进行工法桩型钢拔除，此时，极易发生刀盘前的洞时，当前置刀盘进入帘布板后，需进行工法桩型钢拔除，此时，极易发生刀盘前的 土体坍塌，酿成后果。土体坍塌，酿成后果。 应对的措施为：应对的措施为： 刀盘进入帘布板前，先在刀盘进入帘布板前，先在6 6个刀盘的间隙内绑扎聚乙烯泡沫板，尽可能将刀盘间个刀盘的间隙内绑扎聚乙烯泡沫板，尽可能将刀盘间 的空隙填满。的空隙填满。 刀盘进入帘布板，控制好推进距离，使刀盘与工法桩的型钢保持最小的距离。刀盘进入帘布板，控制好推进距离，使

9、刀盘与工法桩的型钢保持最小的距离。 通过穿墙管向帘布板内压注高稠度的惰性浆液，尽可能充填聚乙烯泡沫板间的通过穿墙管向帘布板内压注高稠度的惰性浆液，尽可能充填聚乙烯泡沫板间的 空隙，此时，已建立起切口前的压力。空隙，此时，已建立起切口前的压力。 拔除工法桩型钢。拔除工法桩型钢。 由于掘进机的主推系统设置在井内，随着掘进距离的延伸，主推力也逐渐增大，此时， 须在机头和管节与土层接触面间压注适量的减摩浆液。这样做可有效地减小掘进推力和防止 设备及管节背土造成的地表沉降，危及地下管线的安全。 减摩浆液的注入口分别为：掘进机尾部外均布18个；每节管节外周均布10个，实际使用 9个（管节下部中间因需布置泵

10、土管，该处注入口弃用）。 减摩浆液应控制好注入量和注入压力。注入量的控制以能形成浆液套为准；注入压力的 控制以不劈裂土体为前提。 压浆量一般控制在0.5m3 1.0m3/每节，可根据总推力的变化情况，在此范围内调整。 掘进时要根据具体情况，适时适量地全程补压浆；压力以不超过0.5mpa为准，工程证明该参 数是合理、有效的。 膨润土水纯碱cmc 400kg850kg6kg2.5kg 项次项目性能指标检验方法 1比重1.11.15g/cm3浆液比重剂 2粘度12s500ml漏斗法 3ph值7ph剂 4失水率25cm3/30mim失水仪 5稳定性d0.02g/cm2稳定性筒 浆液配比表 浆液指标表

11、2、减摩技术 为了保证注浆效果，在注浆施工为了保证注浆效果，在注浆施工 中还采取了以下技术措施：中还采取了以下技术措施： 1) 1) 对浆液原材料进行质量验收；对浆液原材料进行质量验收； 严格按配比拌制；要经常对拌好（特严格按配比拌制；要经常对拌好（特 别是隔夜）的浆液进行测试，以确保别是隔夜）的浆液进行测试，以确保 减摩浆液的质量。减摩浆液的质量。 2) 2) 制定合理的注浆工艺，严格按制定合理的注浆工艺，严格按 注浆操作规程进行，坚持注浆操作规程进行，坚持“随掘随注、随掘随注、 逐孔压浆、全线补浆、浆量合理、压逐孔压浆、全线补浆、浆量合理、压 力适度力适度”的原则。的原则。 当掘进至规定行

12、程、安装管节前，需缩回主推千斤顶油缸。此时，由于正面土压力的 作用，掘进机及已安装完的管节会产生一定量的后退。此情况，在初始掘进时表现尤为明显。 这样会使管节间松弛，严重的会造成切口前地表沉降，导致影响地面交通和危及管线安全， 需采取合理有效的止退措施加以克服。 以切口土压力0.14mpa为例，切口前的正面反推力达到400t左右： p=pa（ab） =140 kn/m2（4.39 m6.27 m）=3989.5kn 式中 pa 切口压力（kn/m2） a 掘进机截面高度（m） b 掘进机截面宽度（m） 因此，为防止掘进机在巨大的反推力作用下后退，施工时需采取止退措施。 抵抗掘进时正面反推力措施

13、随着施工深入、通道延伸可逐渐弱化。现场控制以机头后 退小于5mm为临界，即机头后退小于5mm可撤消（或简化）止退装置。 3、止退技术 (1) (1) 土压力土压力 土压力的设定以理论值土压力的设定以理论值系数来确定，并根据监测数据反馈值来调整。系数来确定，并根据监测数据反馈值来调整。 上述系数应取上述系数应取1.61.81.61.8，比盾构施工取值要大。它和不填充建筑空隙有关（理论上管节，比盾构施工取值要大。它和不填充建筑空隙有关（理论上管节 外有外有15mm15mm的建筑空隙，减摩浆液没有强度）。掘进时，切口前应略有隆起，机头过后略有回的建筑空隙，减摩浆液没有强度）。掘进时，切口前应略有隆起

14、，机头过后略有回 落。落。 (2) (2) 掘进速度掘进速度 掘进速度是控制切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段。在掘进时，不断调整掘掘进速度是控制切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段。在掘进时，不断调整掘 进速度，找出速度、正面土压力与出土量三者的最佳匹配值，以保证掘进质量，确保设备以进速度，找出速度、正面土压力与出土量三者的最佳匹配值，以保证掘进质量，确保设备以 最佳状态工作。最佳状态工作。 (3) (3) 出土量出土量 施工过程中，出土量要与开挖量相一致，以保持正面土压力稳定。出土量大于开挖量，施工过程中，出土量要与开挖量相一致，以保持正面土压力稳定。出土量大于开挖量， 地面会沉

15、降，出土量小于开挖量，地面会隆起，这都会造成管节周围土体的扰动，只有保证地面会沉降，出土量小于开挖量，地面会隆起，这都会造成管节周围土体的扰动，只有保证 出土量与开挖量相一致，才不至于造成周边土层的过多扰动。出土量与开挖量相一致，才不至于造成周边土层的过多扰动。 单个管节的理论出土量约单个管节的理论出土量约41m41m，正常情况下出土量控制在理论出土量的，正常情况下出土量控制在理论出土量的98%98%左右。左右。 (4) (4) 顶管允许最大顶力顶管允许最大顶力 掘进时，千斤顶油压会有波动，主推合力瞬间会达到掘进时，千斤顶油压会有波动，主推合力瞬间会达到2500t2500t左右，为了防止损坏管

16、节混左右，为了防止损坏管节混 凝土，在主顶泵站设备调试时，调整压力阀以使系统的总推力控制在凝土，在主顶泵站设备调试时，调整压力阀以使系统的总推力控制在2000t2000t以下，并锁定压以下，并锁定压 力阀，避免施工中发生超出顶力的事件。力阀，避免施工中发生超出顶力的事件。 4、施工参数施工参数 轴线控制是矩形隧道掘进的一大难题。在施工时，轴线一旦形成较大的偏差，轴线控制是矩形隧道掘进的一大难题。在施工时，轴线一旦形成较大的偏差， 纠偏难度将增大，因此，施工中必须严格控制好施工轴线。掘进时，应控制好掘进机纠偏难度将增大，因此，施工中必须严格控制好施工轴线。掘进时，应控制好掘进机 姿态，随偏随纠，

17、做到勤纠、少（量）纠，一次纠偏量不宜过大，防止滥纠，避免掘姿态，随偏随纠，做到勤纠、少（量）纠，一次纠偏量不宜过大，防止滥纠，避免掘 进机走进机走“蛇蛇”形。形。 一次纠偏量过大，会发生管节张角，造成管节渗漏，还会造成管节端面的混一次纠偏量过大，会发生管节张角，造成管节渗漏，还会造成管节端面的混 凝土破损。严重的会加剧地面沉降。凝土破损。严重的会加剧地面沉降。 初始阶段纠偏主要靠选择后顶千斤顶位置和数量，改变主顶合力位置来实施。初始阶段纠偏主要靠选择后顶千斤顶位置和数量，改变主顶合力位置来实施。 当管节拼装有一定长度后，靠铰接油缸实施。当管节拼装有一定长度后，靠铰接油缸实施。 5 5、轴线控制

18、技术、轴线控制技术 主要技术措施：主要技术措施： 1 1、信息化施工、信息化施工 2 2、改变刀盘转动方向、改变刀盘转动方向 3 3、合理使用平衡翼、合理使用平衡翼 4 4、调整浆液注入位置、调整浆液注入位置 当克服（或校正）侧转采用上述第当克服（或校正）侧转采用上述第2 2、第、第3 3措施无效时，采用第措施无效时，采用第4 4措施，效果十分明显。措施，效果十分明显。 工程中，掘进近第工程中，掘进近第1010环时，逆时针侧转一直无法及时纠正，虽然采取了改变刀盘切削环时，逆时针侧转一直无法及时纠正，虽然采取了改变刀盘切削 方向和使用了平衡翼，侧转仍有增大趋势，此情况下，就是采用改变注浆总管位置

19、，从而方向和使用了平衡翼，侧转仍有增大趋势，此情况下，就是采用改变注浆总管位置，从而 解决问题的。解决问题的。 6 6、防侧转技术、防侧转技术 掘进时，周围土体的扰动和地层损失，会造成一定量的地面沉降，主要原因有：掘进时，周围土体的扰动和地层损失，会造成一定量的地面沉降，主要原因有： 1) 1) 在掘进过程中，如果切口水土压力不平衡，会造成超（欠）挖，导致地面沉降，在掘进过程中，如果切口水土压力不平衡，会造成超（欠）挖，导致地面沉降， 从而损坏地下管线；从而损坏地下管线； 2) 2) 掘进时，纠偏造成的对地层过量扰动，也会加剧地面沉降，从而损坏地下管线；掘进时，纠偏造成的对地层过量扰动，也会加

20、剧地面沉降，从而损坏地下管线； 3) 3) 地面附加荷载也会导致地面沉降。当掘进沿线两侧地面附加荷载（例建筑物等）地面附加荷载也会导致地面沉降。当掘进沿线两侧地面附加荷载（例建筑物等） 不一致时，会影响掘进土压力取定，造成局部范围的超（欠）挖，从而造成地面沉降，并不一致时，会影响掘进土压力取定，造成局部范围的超（欠）挖，从而造成地面沉降，并 损坏地下管线。损坏地下管线。 因此，加强掘进施工时正面土压力的管理、适时适度地纠偏和信息化施工，及时调整、因此，加强掘进施工时正面土压力的管理、适时适度地纠偏和信息化施工，及时调整、 优化施工参数，精心组织、精心施工是控制地面沉降的关键。优化施工参数，精心

21、组织、精心施工是控制地面沉降的关键。 施工中地面沉降的主要控制手段为刀盘正面土压力管理，即利用切口正面土压力，达施工中地面沉降的主要控制手段为刀盘正面土压力管理，即利用切口正面土压力，达 到对掘进机正前方开挖面土体支护的目的，从而控制好地面沉降。土压力的设定是掘进施到对掘进机正前方开挖面土体支护的目的，从而控制好地面沉降。土压力的设定是掘进施 工的关键。工的关键。 控制地面不均匀沉降的预防措施有：控制地面不均匀沉降的预防措施有： 1) 1) 根据地质资料，预先对穿越的地层进行充分分析，了解地层的物理及力学特性；根据地质资料，预先对穿越的地层进行充分分析，了解地层的物理及力学特性； 2) 2) 控制掘进速度，均衡、不间断施工；控制掘进速度，均衡、不间断施工； 3) 3) 加强对周边环境的事先、事中的了解和监测。加强对周边环境的事先、事中