我国地下工程发展和应用——上海双圆隧道

1、上海双圆隧道工程施工记实及关键技术总结1 概述2003年9月3日，中国首条双圆隧道始发段由上海城建集团隧道工程股份有限公司掘进成功，并将继续以每天5至6米的速度向前延伸。中国成为继日本之后，世界上第二个掌握双圆隧道施工技术的国家。据介绍，这条双圆隧道位于上海轨道交通线自开鲁路站始发，轴线主要沿中原路、营口路布置，最后于黄兴绿地站出洞并完成施工任务，隧道全长2688米，隧道最大坡度28，最小平曲线R=495m，隧道覆土5.212m。承担这次施工任务的上海隧道工程股份有限公司技术人员与日本大丰株式会社合作，经过不到一个月的精心施工，目前已完成80米始发段的推进工程，盾构主要穿越土层灰色粘质粉土、灰

2、色砂质粉土、灰色淤泥质粘土，成功地将这项先进技术运用于上海复杂的土质状况。图1 工程平面及地质剖面图 图2 双圆隧道贯通 图3 现场施工2 施工涉及的关键技术2003年，上海隧道工程股份有限公司率先引进必6.52m，W11.12m加泥式土压平衡双圆盾构机成功地用于上海轨道交通建设中，该盾构属于将两个圆形断面作左右组合的仪圆形（横式）盾构，在同一平面上配置两个如同齿轮一样咬合的加劲肋（辐条型）切削刀盘，两刀盘进行同步控制，相互以相同速度并始终保持一致的相位角进行反方向旋转，以避免两者之问发生接触和碰撞。这是国内首次研发应用双圆盾构隧道技术，标志着我国在盾构法隧道研究领域从传统的单圆隧道向多圆盾构

3、隧道的迈进。 图4 双圆盾构机2.1 双圆盾构隧道发展史世界上第l台双圆Double-Tube(DOT)盾构，于1990年由日本石川岛播磨和日立建机联合制造，首次应用于广岛的新交通系统。经过十多年的发展，双圆盾构的设计、制造技术日益完善，在日本已先后建造了11台双圆盾构，建成了6条双圆隧道轨道交通线。2.2 双圆盾构隧道特点对地铁区间隧道而言，从空间开发、施工及造价方面考虑，在同样满足双线运营要求的前提下，双圆盾构隧道与1条大型单圆隧道或2条单圆隧道相比，具有以下特点：(1)双圆隧道优化了断面形式，有效减少了开挖断面积，可大幅度地减少土体开挖量。(2)双圆区间隧道宽度仅为10.9m，可在狭窄的

4、地下空间走廊内穿越，避免对地面构筑物的影响，并大大缩小了区间隧道沿线地面道路规划红线控制宽度。(3)双圆盾构隧道的开挖面可以左右或上下任意安排，为线路选线提供了多种可行方案。(4)两条区间隧道合二为一，有利于提高抗震、救灾能力。(5)从经济角度考虑，由于双圆盾构隧道集其它两种隧道形式的优点于一身，可缩小区间隧道和相邻车站的工程量。图5 横断面比较图6 盾构机构造2.3 双圆盾构横断面设计双圆加泥式土压平衡盾构主机构造示意隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。管片纵、环向连接采用球墨铸铁预埋手孔结合短螺栓形式,纵、环向螺栓尺寸为M27。接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。每环由圆形管片A(8块

5、)、大海鸥形管片B(1块)、小海鸥形管片C(1块)及柱形管片D(1块)，共11块管片构成。管片内径中5700mm，外径中6300mm，环宽1200mm，中心间距4600mm。图7 横断面设计3 施工难点3.1 地层变形控制根据双圆盾构机辐条式刀盘的构造原理、形状及宽度特点以及同步注浆系统的位置及特点，再加上施工区段的高含水量以及高灵敏度的饱和软粘性土层等工况条件，认为地层变形控制为本工程最大的技术难点。3.2 双圆隧道轴线控制双圆隧道轴线控制中，隧道平面和高程的控制机理和手段与单圆盾构基本类似。但对于双圆隧道转角，由于其对隧道竣工质量及施工难度（主要指管片拼装及盾构进洞）产生直接影响，考虑到此

6、盾构刀盘相向旋转的特点，无法采用如单圆盾构利用刀盘正反转控制盾构转角的手段，故隧道转角控制为双圆盾构施工的一大技术难点。3.3 双圆管片拼装根据双圆形管片的形状和连接形式（采用钢盒子结合短螺栓）以及单臂式拼装机的特点，如何确保管片拼装质量、加快拼装速度为本工程一大难点。3.4 双圆盾构出洞根据双圆盾构机断面大、两圆间凹槽部止水难度大、出洞口地层条件复杂等特点，本双圆盾构出洞技术也是一大难点。3.5 浅覆土施工本工程浅覆土的比重约占23%。由于双圆盾构为辐条式刀盘，盾构土仓与正面土体直接导通，故设定土压值对地层变形影响更迅速、更灵敏。因此，浅覆土施工是双圆盾构施工一大技术难点。3.6 盾构穿越复

7、杂土层此双圆盾构于进洞上坡浅覆土段穿越夹杂土层区，盾构上部为灰色粘质粉土层，中部为灰色砂质粉土层，底部为灰色淤泥质粘土层，尤其在此区域的灰色粘质粉土层特别软弱，自承性极差，给地层变形和隧道轴线控制带来了极大困难。3.7 双圆盾构进洞作为首次双圆盾构进洞施工，由于盾构断面大、形状特殊，盾构转角对进洞时盾壳与洞圈间隙有严重影响，进洞口灰色淤泥质粘土层具有高含水量、易产生流砂等特点，从而决定了本双圆盾构进洞存在极大风险性。3.8 管线多而密集根据提供的综合地下管线探测成果报告及经现场实地勘查了解到，此隧道施工区段地下管线众多，需采取有效措施进行保护。3.9 曲率小本工程施工最小平面曲线半径仅为495

8、m，由于双圆盾构机半径和跨径较大，对于小曲率半径隧道的施工存在一定技术难度。 图8 施工井段施工4 主要创新技术内容及特色4.1 双圆盾构轴线控制技术双圆盾构平面、高程控制方法基本与单圆盾构相同，但对管片旋转控制有其特殊技术。4.1.1 平面控制主要利用左或右侧盾构千斤顶推力的调整进行纠正，但由于盾构机宽度相对较大，在左右侧千斤顶推力差相同的情况下产生的力矩也更大。为此，盾构平面控制的灵敏度较高，故在工程施工过程中需对盾构平面姿态随时监控并不断调整。4.1.2 高程控制主要调整上下盾构千斤顶的推力进行纠正。为防止可能出现的盾构机“磕头”现象，在盾构机下部设置了12个大推力千斤顶。左右圆隧道高程

9、差(即盾构转角)较大时，将导致左右圆盾壳与管片间的间隙出现对角无间隙现象，见图9，造成盾构高程控制困难，故在控制时需对盾构高程和盾构转角两个因素进行综合考虑。图9 盾尾间隙4.1.3 转角控制盾构偏转将造成左右隧道的高低差及立柱的倾斜，直接对建成隧道的受力及质量产生影响，因此，双圆盾构的偏转控制也是关键的质量控制指标和主要的技术难点。图10 修正偏转千斤顶4.2 双圆盾构管片拼装技术隧道衬砌由11块预制钢筋混凝土管片拼装而成，双国盾构由于断面较宽，管片拼装需由2台拼装机作业完成。4.2.1 拼装顺序下部海鸥形管片两侧标准管片（同步完成，先下后上）上部海鸥形管片中间立柱。4.2.2 拼装要点(1

10、)严格确保下部海鸥形管片拼装精度；(2)确保每根螺栓的到位率；(3)上部海鸥形管片拼装结束、立柱拼装前，紧邻上部海鸥形管片两侧的管片螺栓不宜拧紧，便于立柱拼装时上部海鸥形管片有一定的上下调整余地；(4)综合利用管片顶托装置、左侧拼装机、盾构千斤顶，扩大立柱拼装间隙；(5)立柱拼装时，需时刻观测立柱周边间隙，防止立柱承受过大施工荷载，并且管片纵、环向螺栓必须做到及时拧紧和复紧；(6)及时启用整圆器，保证成环隧道圆度。图11 管片拼装顺序4.3 双圆盾构出洞技术双圆盾构出洞是否成功和顺利是整个工程成功与否的第一步，也是关键一步。双圆盾构出洞主要存在以下技术难点：洞圈防水技术；管片拼装精度控制技术；

11、出洞段轴线控制技术；地层变形控制技术。4.3.1 洞圈防水技术双圆盾构断面相对较大、形状更为特殊，由于其中间海鸥形管片处存在凹槽，故仅依靠传统的帘布橡胶板无法在凹槽处形成较强的握裹力，从而影响洞门止水效果。为此，本工程洞门止水装置采用常规帘布橡胶板、铰链板结合气囊形式，在凹槽部位利用气囊的压力将帘布橡胶板紧贴住盾构壳体，同时在洞圈内预留数个注浆管，以备特殊情况下使用，从而确保良好的洞圈止水效果。图12 洞圈防水技术4.3.2 管片拼装精度控制技术作为隧道衬砌拼装的基准面，负环以及初出洞段管片的拼装精度将很大程度上影响盾构出洞段管片的拼装质量。为此，在负环拼装阶段必须做好以下几点：(1)集中力量

12、、放慢拼装速度，确保负环（特别是第一环）的拼装精度；(2)设置相当数量的限位装置，确保管片成环以及被推动状态下的变形量；(3)合理利用千斤顶编组，尽量降低每块管片间的应力差。4.3.3 出洞段轴线控制技术根据出洞阶段盾构机受力状态不断由钢性线支撑向周边均布荷载支撑转变的特点，其轴线控制相对难度较高，施工中需通过对土压力的调整及千斤顶编组的合理选择来减小盾构轴线的偏差。4.3.4 地层变形控制技术双圆盾构刀盘采用辐条形式，对正面及上部土体的支撑效果极差。为此，设定与外部原状土相当的土压力值，减少对正面及上部土体的扰动，是盾构出洞技术的关键。4.4 双圆盾构进洞技术双圆盾构进洞车站为翔殷路站，接收

13、井封门形式为800mm厚槽壁，进洞洞圈尺寸为6920mm×11520mm（直径×宽度），与盾构机壳体存在单边20cm的间隙。翔殷路站进洞段隧道覆土厚度为5.5m，以灰色砂质粉土为主，上部有部分灰色粘质粉土。4.4.1 进洞前洞圈加固及止水装置为了确保盾构进洞施工的安全和更好地保护附近的管线和建筑物，进洞前对洞口土体采用700双头单排搅拌桩进行加固。由于接收井洞圈与盾构壳体间存有间隙，为了防止盾构进洞时土体从该间隙中流失，在洞圈周围预先安装了挡板、插板、海绵条等密封装置。4.4.2 进洞段施工技术措施(1)严格控制盾构正面平衡压力；(2)严格控制盾构的推进速度；(3)严格控制

14、盾构纠偏量；(4)严格控制同步注浆量和浆液质量；(5)严格控制盾尾油脂的压注。4.5 双圆盾构地层变形控制技术(1)摸索并设定与外部原状土相当的土压力值，减少对正面及上部土体的扰动；(2)进行土体改良，增加土仓内土体的塑流性能，及时填充辐条留下的建筑空隙；(3)利用盾构中心顶部的注浆孔及时填充润滑材料，减少凹槽处的背土现象；(4)设壁后注浆备用系统，确保浆液及时填充盾构与管片间的建筑空隙；(5)设置有效的地面变形监测点，及时进行地面变形的监测并同步反馈至盾构控制室，以便及时进行施工参数的调整。5 施工经验及教训该线路是国内首次应用双圆盾构技术的地铁线路，通过侧式车站、隧道结构、环控等系统的综合研究，取得了如下技术创新点，为大面积推广双圆隧道技术奠定了坚实的基础。(l)根据地铁限界和盾构设备的要求，同时，借鉴日本的双圆盾构技术，设计了适应上海土层的衬砌结构，并对计算模型和计算参数，提出了针对性的、有参考价值的意见。(2)通过水平整环试验和光弹试验的研究，对双圆隧道衬砌的计算参数、设计构造提出了针对性的优化建议。(3)通过采用单层带夹层侧式车站，既吸收岛式车站方便乘客、便于管理的优点，又发挥侧式车站工程量小的优点。(4)通过环控系统研究，双圆区间隧道设中隔断可提高正常运行