矩形盾构法隧道施工技术探索（李刚）

软土地层矩形盾构法隧道技术探索摘要：目前盾构法隧道设计均为圆形，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。矩形盾构法隧道在断面空间利用率上存在较大优势，同时在相同覆土情况下，较圆形隧道更具有适用性。但矩形盾构法隧道因其隧道结构受力和变形、盾构推进控制、矩形管片拼装等难题，未能得到有效的发展。本文初步分析了矩形盾构法隧道施工的难点，并提出解决的设想，从创新创意角度实现矩形盾构的可行性。通过技术探索，为今后进入研究矩形盾构法隧道施工技术提出建议。关键词：矩形盾构，管片拼装，隧道稳定1引言目前，盾构法隧道绝大多数设计为圆形，其主要得益于隧道结构受力合理、盾构机设备开挖面切削全面、拼装施工工艺简便等优点，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。从盾构法隧道的发展来看，世界上第一条隧道是布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下建造的，隧道工程就采用了矩形盾构断面为11.3m×6.7m[1]。从隧道的使用功能来分析，以矩形断面最为合适，最为经济。矩形断面与圆形断面相比，其有效使用面积比圆形增大20％以上，且可大大减小隧道覆土。此外，在满足相同净空要求的情况下，矩形隧道较圆形隧道所需的覆土厚度小，进而相同坡度的矩形隧道与地面的接线段长度也相应减小。如图1所示。图1矩形隧道和圆形隧道比较基于当前中国乃至世界的经济形势、城市建设与市场的需要，围绕土地、能源的高效利用的关注日益受到重视，而矩形盾构隧道在地下空间利用率和地面接线段影响方面的优势得以凸显。因此，对于矩形盾构法隧道技术的探索和研究具有重要意义和经济价值的。然而，因形状形成优势的矩形盾构法隧道，在实际的设计和施工中却面临着隧道结构受力变形、盾构推进控制、矩形管片拼装等诸多难点，必须通过技术研究和工程试验应用加以解决，并最终形成合理可行的矩形盾构法隧道技术。2国内外对矩形盾构法隧道的研究应用2.1国外对矩形盾构法隧道的研究应用在国外，日本因其地理空间狭隘和资源匮乏，其对地下空间的开发和利率最为重视。因此，日本在矩形盾构法隧道的研究较为先进。早在1965年~1968年，日本名古屋和东京都使用了4.29m×3.09m的手掘式矩形盾构机[2]；1981年，名古屋使用了5.23m×4.38m的手掘式矩形盾构机；1995年，习志野市使用了4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾构机[3]。至2009年，三菱重工及大林组等在矩形隧道盾构装备及施工技术方面取得了有效成果，相模纵贯川尻隧道成为应用矩形盾构隧道技术的典型工程。相模纵贯川尻隧道工程建设期为2009年3月6日～2012年3月31日，盾构机采用复合拱形断面敞开式盾构机（外径：宽11.96m×高8.24m；顶部·底部梁高500mm、侧部梁高400mm）如图2所示。管片采用多功能SFRC管片（错缝拼装形式，钢纤维增强高流动混凝土管片、8块分割、宽度1.7m），其中单块最重的管片位于左右转角处，重约9590kg。如图3所示。隧道上半部为粘性50KN/m2左右的关东壤土层；隧道下半部为N值50以上的硬质砂砾层（包括600mm以上砾径）。图2敞开式矩形盾构机图3矩形管片立体示意图此外，日本还有类似的矩形盾构法隧道设备及工程，如用在京都地铁工程中的“WaggingCutterShield”工法、国道20号新宿地下步行道工程的7.82m×4.72m矩形盾构等[4]。2.2国内对矩形盾构法隧道的研究应用在我国矩形隧道施工技术的研究已经取得了一定的成果，但基本均属于顶管法技术领域，与盾构法矩形隧道还存在管片拼装、隧道稳定等方面的差异。对于顶管法矩形隧道，在1999年上海的地铁2号线陆家嘴站五号出入口首次运用3.8m×3.8m组合刀盘土压平衡式矩形顶管技术[5]，并完成了十多例工程实例。2003年，上海隧道工程股份有限公司研制了一台4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机，建造了宁波、上海等地的地下人行通道。2004年，新疆乌鲁木齐采用了20m×6.2m×7.8m三联体组装形式的矩形盾构机、履带式行走模板拼装机和现浇衬砌箱体钢模施工了超大断面矩形隧道[6]。3矩形盾构难点分析3.1矩形盾构隧道结构受力由于矩形结构荷载模式不同于圆形结构，对于矩形隧道分块预制结构的受力分布模式尚缺少合理的解决办法。通过对矩形的受力分析可以看出，如图6、7所示，矩形较圆形没有明显的拱效应，且在角部位置为应力集中点，同时矩形预制管片的接头部位受弯矩和剪力影响。圆形隧道截面内力主要以轴力产生的压应力为主，矩形隧道截面内力主要以弯矩产生的拉应力为主，且矩形结构的接头需抵抗弯矩和剪力。图6矩形结构受力有限元弯矩图[7]图7矩形结构受力有限元剪力图[7]3.2矩形盾构切削和管片拼装系统由于矩形与圆形的断面形式不同，矩形的全断面切削是个问题。矩形盾构实现全断面切削，对于保持开挖面土体的平衡，减少对周围土体的扰动都有积极的意义。相比圆形隧道管片结构形式，矩形隧道管片形状、分块等更为复杂。受矩形形状影响，管片分块后的结构不尽相同，同时，矩形管片拼装的工艺、要求也较高，因此对于盾构管片拼装机的运行形式、拼装动作均较圆形盾构的拼装机更为复杂。3.3矩形盾构施工技术3.3.1矩形盾构姿态控制技术由于矩形断面刀盘切削模式在未实现全断面切削的情况下对土层扰动较大，且在刀盘切削、千斤顶推力、外部土体等作用和影响下，以及矩形结构的背土现象，造成盾构推进、姿态控制难度加大。3.3.2矩形管片拼装技术矩形管片移动、定位等较圆形隧道有所不同，圆形隧道管片的成环一般仅控制“key”的插入，但矩形隧道管片在控制“key”的插入时，还必须同时保证横竖两个方向的净空尺寸，由此矩形管片拼装的控制技术要求更高。如矩形隧道管片分块过多，在拼装过程中可能无法及时成拱，其拼装阶段的自身稳定性更加受限，必须在拼装阶段加以控制。3.3.3矩形隧道稳定控制技术矩形隧道管片成环后，受结构形式影响其自身稳定的变化和发展不同于圆形隧道，隧道整体和局部管片接头均存在变形问题，而隧道变形将直接影响最终隧道成型质量。4矩形盾构难点对策探索4.1矩形盾构隧道结构设计设想针对矩形形式的受力分析，考虑错缝形式对管片间接头薄弱部位的加强作用，宜采用错缝拼装形式。对于角部位置应力集中的问题，可考虑矩形角部管片设计为弧形，尽可能减缓应力集中问题。管片接头位置尽可能设置在弯矩和剪力较小的部位。结合盾构内部空间和拼装系统的能力，可提高单块管片的面积，以减少分块数量。如顶部和底部可设计为整块形式，以解决负弯矩对接头的影响。同时，可以增加管片结构厚度和配筋，以及增加接头螺栓数量，从而提高管片整体刚度。考虑到管片钢模的加工，管片可设计为左右楔形环，但分块角度可相对一致。隧道线型上下楔形量，可通过施工拼装阶段的楔纸实现。如图8、9所示。图8矩形隧道左右楔形管片示意图图9矩形隧道左右楔形管片叠拼三维示意图4.2矩形盾构切削和管片拼装系统设想4.2.1矩形盾构切削形式设想相较矩形隧道的管片形式，矩形盾构全断面切削的形式已有一定的成果，形成了多刀盘组合式和偏心多轴刀盘式，这些切削刀盘均在工程中得以成功运用。对于矩形盾构切削形式设想可借鉴圆形盾构仿形刀的理念，在既有圆形刀盘或条幅刀盘上增设仿形刀或仿形刀盘条幅，随着刀盘选择的过程，伸出不同的长度，以切削矩形断面的角部位置。4.2.2矩形盾构拼装形式设想考虑矩形管片方位和精度的问题，可考虑采用两台圆形盾构中的拼装机，类似双圆盾构的拼装机。由两台拼装机分别控制左右两侧的管片拼装问题，同时可以引入的两台拼装机相互合作，共同使用的功能，以帮助解决矩形管片未成环时的稳定性问题。另一设想是，设计一台特殊的拼装机，该拼装机行走的路线为矩形边线，通过悬挂或限位部件来控制拼装机始终处于矩形线路之上。同时，拼装机的举重臂可参考隧道修复机械手，以实现多自由度旋转和移动，由此解决矩形L型管片的特殊拼装要求。4.3矩形盾构施工技术设想4.3.1矩形盾构姿态控制技术设想矩形盾构断面的特殊性，易形成受力不均的现象，也造成了盾构姿态控制困难。解决设想主要通过盾构机针对性设计和施工参数控制两方面着手。在盾构机针对性设计中，除全断面切削、土体改良功能等，可考虑设计局部小型螺旋机，可在必要时进行排土，以解决局部渣土挤压或流动不畅的现象，使开挖面更利于纠偏控制。在推进系统和铰接系统中，可考虑千斤顶的不均匀布置，如角部多设置可独立控制的千斤顶，以便更好的实现纠偏力矩。在施工参数控制中，可采用聚合物土体改良剂，既避免了泡沫气压对土仓压力的影响，又可改善和提高渣土流塑性。或可利用壳体注浆的工艺，注入“惰性”浆液既可用于盾构纠偏，又不产生背土现象。同时，在姿态控制技术中，注重纠偏系统和推进系统的控制，利用盾构机针对性设计，配合测量数据，进行实时调整。4.3.2矩形管片拼装技术设想针对矩形结构的特性，在管片拼装时，不同于圆形隧道管片拼装仅控制“key”块的插入开口尺寸，而是控制左右矩形管片的开口尺寸和上下矩形管片的净空尺寸。针对控制的要求，可参照地面出入式盾构法隧道专用盾构机的管片稳定机构的技术[8]，设计专用的矩形管片稳定机构，通过稳定机构的滚轮支撑控制管片的净空尺寸，为“key”拼装和最终的管片成型质量创造条件。同时，矩形管片稳定机构可考虑管片的分块形式，在管片接头两侧设置支撑点，提高其抗变形能力。如图10所示。4.3.3矩形隧道稳定控制技术矩形隧道稳定控制首要是施工阶段的控制，需结合矩形盾构姿态和建筑空隙充填的控制，为隧道的稳定建立基础。其中，矩形隧道顶部和底部的建筑空隙呈水平状，浆液注入的流淌性、充填率和均匀性都较圆形隧道不利，因此可以采用流淌性高、初凝时间短、早期强度高的浆液。对于同步注浆压注工艺，可首先对盾构机注浆系统进行优化设计，增加注浆点位，使注浆点位间距离缩短，改善建筑空隙充填注浆的效果；其次，对于注浆压力控制，可在盾尾后部设置压力计，获取地层压力值，并分区分段控制同步注浆压力；第三，对于注浆量控制，可结合注浆压力，分区段设定注浆量，通过注浆压力和体量双控的技术实现施工阶段的矩形隧道稳定控制。矩形隧道成型后的稳定控制可以从外部地层和内部结构两方面着手。对于外部地层，可以通过地基处理来提高地层的稳定性。可采用非水反应类双组份发泡聚氨酯高聚物注浆材料[9]或新型聚氨酯堵水注浆材料[10]，此类聚氨酯材料具有堵漏效果，且可提高加固体的强度。通过在矩形管片的接头部位压注新型聚氨酯材料，既起到改善接头防水的作用，又可提高接头部位土体强度，并起到控制隧道稳定的效果。对于内部结构，可考虑在接头部位加贴碳纤维材料(非地铁触网区)或设置型钢拱架。加贴碳纤维材料可提高矩形管片受弯承载力，设置型钢拱架可参考“运营隧道结构钢环加固施工方法[11]”，通过钢结构提高矩形管片整体刚度。如图11所示。图10矩形管片稳定机构示意图图11矩形管片型钢拱架示意图5结语矩形盾构在节约地下空间的占用，以及减小隧道覆土厚度方面均有一定优势，同时，可以实现一些圆形隧道无法实现的特殊工况下的地下空间利用，具有一定的社会效益。鉴于城市迅速发展的当下，如切实研究解决矩形盾构法隧道存在的问题，并在工程建设费用上凸显其经济性，矩形盾构法必将成为一种隧道建设的主要施工方法。本文仅从创新创意角度提出设想，其设想缺乏验证，且可能存在错误之处，但立意是希望从不同角度为矩形盾构法隧道的研究提供建议。随着对地下空间利用的重视，通过科技研发，基于理论研究、设备研制和试验验证等工作，再通过示范工程应用，矩形盾构法隧道技术必将获得突破，并逐步形成完善的技术体系。参考文献：[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].中国：中国建筑工业出版社，2004.[2]HitachiZosen.日立造船潜盾机，潜盾机、立体停车场设备技术资料，日立造船株式会社，1996.1.[3]KOSHIMAY，KONDON，INOUEM.Resultofexperimentsusingshieldandsegmentmodelsandapplicationofthemethodintunnelconstruction[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology，199611(01).[4]特殊条件下盾构工程[M].汪德珍.中国：上海隧道工程股份有限公司技术中心科技情报室，2012.[5]张冠军，吕建中.地铁二号线陆家嘴站5号出入口及地下人行通道施工技术[J].上海市政工程，2000年，第3期：94-101页.[6]张冠军，王强华.大断面矩形盾构及现浇衬砌同步施工技术[A].大直径隧道与城市轨道交通工程技术，2005上海国际隧道工程研讨会论文集[C].上海:同济大学出版社，2005.[7]白云，张冠军，滕丽.大断面矩形地下通道施工设备与技术研究