我國矩形隧道施工技術(shù)的研究與應(yīng)用.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 我國矩形隧道施工技術(shù)的研究與應(yīng)用 提要：本文介紹了我國矩形隧道施工技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、現(xiàn)有矩形頂管機(jī)類型和技術(shù)水平，指出要提高我國矩形隧道施工技術(shù)水平，必須開展對矩形盾構(gòu)施工技術(shù)的研究。 關(guān)鍵詞：矩形隧道矩形頂管機(jī)矩形盾構(gòu)施工技術(shù) 1概述自從英國人布魯諾受“甲克蟲打洞”啟示，采用矩形盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)修建倫敦泰晤士河底隧道以來，至今已逾170多年的歷史，在此漫長的歷史變遷中，盾構(gòu)作為地下工程掘進(jìn)機(jī)械，幾經(jīng)發(fā)展和變化，施工技術(shù)也在不斷的運(yùn)用中得到發(fā)展和提高，隧道斷面形狀由最初的矩形發(fā)展到現(xiàn)在的圓形、橢圓形、馬蹄形和多圓形等。圓形隧道以其結(jié)構(gòu)受力好、設(shè)備制造簡單和推進(jìn)軸線容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在地下工程掘進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，早先開發(fā)的矩形隧道施工技術(shù)因鮮有發(fā)展而漸漸地被忽視了。近幾年來，隨著市政建設(shè)的高速發(fā)展，基本建設(shè)對地下空間的利用與日俱增，特別是雙層隧道、縱形和橫形隧道、地下車行與人行通道和共同溝等結(jié)構(gòu)設(shè)施的開發(fā)，加上隧道施工技術(shù)的提高，形成了局部氣壓、泥水加壓和土壓平衡式等新型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)，掘進(jìn)機(jī)刀盤也開發(fā)出反鏟式、條幅式、面板式、大刀盤式、多刀盤式、組合刀盤式（帶仿形刀）、滾刀式和偏心多軸式等類型，為矩形隧道施工技術(shù)的重新崛起創(chuàng)造了時(shí)機(jī)和條件。目前，世界上研制應(yīng)用的部分矩形盾構(gòu)機(jī)如圖1所示。 2矩形隧道的特點(diǎn)和施工難點(diǎn) 2.1特點(diǎn) (1) 能充分利用結(jié)構(gòu)斷面，提高有效面積的使用； (2) 合理的形狀分布，減少了土地征用量和掘進(jìn)面積，降低了工程造價(jià)（圖2）。(3) 與圓形隧道施工技術(shù)有許多相似之處，可利用先進(jìn)的施工技術(shù)加強(qiáng)和實(shí)施矩形隧道施工。 2.2施工難點(diǎn) 2.2.1 機(jī)頭背土 由于土體和機(jī)殼間的摩擦作用，引起機(jī)頭頂部背土，產(chǎn)生的土體擾動和流失給地面建筑和環(huán)境帶來破壞，也給掘進(jìn)施工帶來諸多不利。 2.2.2機(jī)頭旋轉(zhuǎn) 各種形狀的掘進(jìn)機(jī)，推進(jìn)中不可避免地產(chǎn)生機(jī)頭旋轉(zhuǎn)，矩形機(jī)頭的糾轉(zhuǎn)不僅克服土體摩擦力，還須克服土體的抗力。 2.2.3軸線偏差 掘進(jìn)施工中會產(chǎn)生實(shí)際頂進(jìn)軸線同設(shè)計(jì)軸線的偏差，由于土體抗力的作用，機(jī)頭糾偏更加不易。 2.2.4頂力大矩形截面機(jī)頭與施工土層的接觸面積要大于同等截面的圓形機(jī)頭，頂力也大于后者。 2.2.5襯砌、接頭和止水帶形式 矩形結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，接頭和止水帶質(zhì)量決定了襯砌、接頭和止水帶設(shè)計(jì)、施工的難度。 2.2.6襯砌制作和鋼模精度 鋼模精度決定著襯砌制作的質(zhì)量，而襯砌質(zhì)量又決定著隧道施工的質(zhì)量能否滿足設(shè)計(jì)和使用要求。 2.2.7機(jī)頭進(jìn)出洞技術(shù) 矩形掘進(jìn)機(jī)進(jìn)出洞，對洞口止水框、橡膠止水板要求較高，特別是橡膠止水板四角翻邊容易引起撕裂，影響止水效果（圖3）。3矩形隧道施工技術(shù)研究 1995年4月，隧道股份立項(xiàng)開始了矩形隧道施工技術(shù)的研究和試驗(yàn)工作。針對矩形隧道施工中可能出現(xiàn)的機(jī)頭背土、旋轉(zhuǎn)、軸線不易控制和頂力大等難點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)研究，采取了如下技術(shù)措施： （1） 解決機(jī)頭背土 在機(jī)頭殼體頂部注漿，形成泥漿膜，減少土體與殼體的摩擦，防止背土發(fā)生（圖4）。（2） 解決機(jī)頭旋轉(zhuǎn) 利用糾轉(zhuǎn)裝置、壓漿、變角切口等糾轉(zhuǎn)。 （3） 軸線控制 利用糾偏裝置和變角切口糾偏，控制出土量，調(diào)整正面土壓等施工參數(shù)。 （4） 設(shè)計(jì)頂力 通過理論計(jì)算和設(shè)置泥漿套等技術(shù)措施，設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)頂力。 （5） 采集施工參數(shù) 通過收集各種施工參數(shù)和工況記錄，研究矩形隧道施工技術(shù)。 （6） 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與接頭止水 除了必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，對襯砌進(jìn)行12縮尺結(jié)構(gòu)承載模擬試驗(yàn)和接頭止水試驗(yàn)，止水框、橡膠止水板選型設(shè)計(jì)和材料強(qiáng)度試驗(yàn)相結(jié)合。 （7） 洞口止水框與橡膠止水板設(shè)計(jì) 當(dāng)年10月研制成功斷面尺寸2500mm2500mm可變網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)，并于同年11月在南匯航頭試驗(yàn)基地試推進(jìn)60m地下通道取得成功。試驗(yàn)中獲得各項(xiàng)施工參數(shù)為以后矩形隧道施工技術(shù)推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)， 試驗(yàn)頂管機(jī)所穿越的土層分別是：進(jìn)出洞段為灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；區(qū)間段為灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色砂質(zhì)粉土（見圖5）。1999年8月，隧道股份針對矩形隧道施工技術(shù)的研究，立項(xiàng)研制了偏心多軸式刀盤（異形）盾構(gòu)模擬機(jī)，并在2001年12月進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證該機(jī)型的技術(shù)可靠性和對各種土質(zhì)的適用性，采集各種施工參數(shù)，獲得刀具磨損速率比，為長距離掘進(jìn)提供研究依據(jù)。圖7為模擬試驗(yàn)機(jī)和掘削斷面。4試驗(yàn)結(jié)論 （1） 矩形頂管機(jī)的背土問題是可以解決的。 （2） 圓形頂管的施工技術(shù)基本適應(yīng)矩形頂管。 （3） 采用的土壓平衡式矩形機(jī)頭對控制機(jī)頭姿態(tài)、軸線有利。 （4） 建立泥漿套使矩形機(jī)頭摩阻系數(shù)接近圓形機(jī)頭。 （5） 解決機(jī)頭背土和有效控制機(jī)頭姿態(tài)，能確保淺埋矩形隧道施工進(jìn)入大城市。 （6） 矩形襯砌結(jié)構(gòu)選型，接頭形式達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用F形鋼套接頭，齒形橡膠止水帶是可行的。 5矩形隧道施工技術(shù)的應(yīng)用 應(yīng)用工程1：地鐵2號線陸家嘴站5號出入口地下人行通道工程 本案位于浦東陸家嘴金融貿(mào)易中心，其中5號出入口工作井和4號出入口接收井分布在延安東路越江南北線隧道的兩側(cè)。 工程沿線穿越陸家嘴路、延安東路越江隧道引道段、上水管、煤氣管、污水管、市話線和電力排管等，其中南北線隧道引道段底板結(jié)構(gòu)距矩形隧道頂部僅為1.56 m。 通道由兩條長度均為62.25 m的平行矩形隧道組成，隧道截面為3.8m3.8m ，壁厚400mm，每節(jié)管節(jié)重27.2t，管節(jié)總用量為64節(jié)。隧道凈間距為2.2m，坡度為0.2%，覆土約5.3m。結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制鋼筋混凝土襯砌，“F”形接頭承插式、鋸齒型橡膠止水帶和彈性密封墊內(nèi)外兩道接頭防水，混凝土級配C50，抗?jié)BS8。 施工用掘進(jìn)設(shè)備為3820mm3820mm組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)，機(jī)頭由大刀盤及正反面兩把仿形刀組成，能夠滿足全斷面切削，適應(yīng)在粉砂層及加固層中施工(圖8)。研制的高精度鋼模制作的襯砌,前后長度誤差控制在1mm,邊長誤差控制在2mm，對角線誤差控制在3mm，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 施工中吸收了試驗(yàn)工程中的經(jīng)驗(yàn)，防止了機(jī)頭背土，控制了機(jī)頭旋轉(zhuǎn)和軸線偏差，軸線偏差控制在5mm，旋轉(zhuǎn)控制在0.5，平均日掘進(jìn)速度為5m/d,最高達(dá)到8m/d。 圖9為施工用頂管機(jī)和完成的隧道斷面。 應(yīng)用工程2：人民大廈地下連通道工程 本案位于市中心人民廣場北端，主要功能為連接上海市城市規(guī)劃展示廳和市政府大樓人防通道。 通道采用3028mm3028mm組合小刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)和局部管棚暗挖法施工。通道總長108m，其中工作井至人民大廈段72m、坡度3.29%（頂管法）；工作井至展示廳段34m、坡度-3.29%（頂管法），管棚暗挖段2m。通道覆土厚度2.76.9m不等，內(nèi)凈尺寸2500mm2500mm。 通道結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)，外形尺寸3000mm3000mm2000mm，壁厚250mm，管節(jié)長2m，每節(jié)管節(jié)重13.75t，管節(jié)總用量為53節(jié)。管節(jié)接口采用“F”型承插式，接縫防水裝置由鋸齒形橡膠止水圈和彈性密封墊內(nèi)外兩道組成。 工程將穿越上水、煤氣、雨水、市話和電力等大量管線，距離頂管軸線較近的市政府貴賓車道旁的廣玉蘭樹，須協(xié)同園林部門加以保護(hù)。 圖10為施工用頂管機(jī)和完成的隧道斷面。應(yīng)用工程3：昆山市長江南路地下人行地道工程 本案為跨越昆山市區(qū)交通干道長江南路的地下雙向人行地道。地道東起昆山市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，西端緊鄰規(guī)劃中的眾來國際商務(wù)中心，由兩條平行的矩形隧道和兩座地面出入口組成。隧道采用3820mm3820mm組合大刀盤式土壓平衡頂管機(jī)掘進(jìn)施工。 兩條地道全長45m，間距2.2m，坡度0.0%，覆土厚度3.5m。地道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，外形尺寸3800mm3800mm，壁厚400mm，管節(jié)長2m,重27.2t，管節(jié)總用量為46節(jié)。管節(jié)接口采用“F”型承插式，接縫防水裝置由鋸齒形橡膠止水圈和彈性密封墊內(nèi)外兩道組成。 頂管沿線穿越西側(cè)下水道、交通主干道、東側(cè)600mm下水道、1000mm自來水管，東側(cè)接收井結(jié)構(gòu)外（頂管進(jìn)洞處）1.5m處有一條通信光纜（管底埋深0.79m），其中東側(cè)600mm下水道離隧道頂部凈距僅為1.3m。 圖11為施工用頂管機(jī)和完成的隧道斷面。應(yīng)用工程4：上海市共富路地下人行通道工程 上海市共富路地下人行隧道頂管工程，位于蘊(yùn)川路與共富路交叉路口以南55m處，其中西側(cè)出入口為始發(fā)井，東側(cè)出入口為接收井，通道全長67.3m，分布在蘊(yùn)川路的東西兩側(cè)。 通道結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)，管節(jié)外形尺寸和接頭止水形式同上。管節(jié)混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級為P8，管節(jié)總用量為66節(jié)。通道采用3820mm3820mm組合大刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)施工。 頂管沿線由西往東將穿越300mm上水管、500mm煤氣管、1200mm上水管、600mm雨水管、200mm雨水管（其兩側(cè)有路燈電力線各一根）、600mm雨水管、三根電話線、100mm上水管、300mm上水管、100mm上水管和一組電力線，其中西側(cè)300mm上水管管底埋深1.35m，離隧道頂部凈距為2.05m。 圖12為施工用頂管機(jī)和完成的隧道斷面。應(yīng)用工程5：寧波市開明街藥行街地下通道工程 本案位于寧波市開明街至藥行街交叉路口，為地下雙向人行通道。藥行街是寧波市內(nèi)主要交通道路之一，客流量和車流量都很大。通道共設(shè)南苑鞋城、天一廣場、亞細(xì)亞商城及城隍廟商城四個(gè)出入口，其中南苑鞋城的出入口開在鞋城內(nèi)。 通道由兩條長度為50m的平行矩形隧道、兩個(gè)工作井及四個(gè)出入口組成，兩條隧道凈間距為2m，坡度0.0%，平均覆土厚度4m。始發(fā)井內(nèi)凈尺寸17m9m，接收井內(nèi)凈尺寸17m7m，基坑開挖深度均為9.65m。該通道采用6028mm4028mm偏心多軸式刀盤土壓平衡頂管機(jī)施工，機(jī)頭長6185mm。 通道結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)外形尺寸6000mm4000mm，壁后500mm，長度1.5m。每節(jié)管節(jié)重33.75t。管節(jié)接口采用“F”型承插式，接縫防水裝置由鋸齒形橡膠止水圈和彈性密封墊內(nèi)外兩道組成。管節(jié)混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級為P8，管節(jié)總用量為66節(jié)。通道將穿越藥行街下的給水管、熱力管、電力電纜、雨水管、電信電纜和污水管，其中埋深最深的450mm污水管距通道頂僅為1m。 目前，該通道正在施工階段，圖13為本案施工用偏心多軸式刀盤土壓平衡頂管機(jī)，圖14為施工現(xiàn)場6我國矩形隧道施工技術(shù)水平和存在問題 從上海地鐵2號線陸家嘴站5號出入口首次運(yùn)用矩形隧道施工技術(shù)至今，只有5個(gè)工程實(shí)例，隧道最大斷面為4m6m，最大掘進(jìn)長度為62.5m，與國外技術(shù)先進(jìn)的國家相比，還存在一定的差距，但研制使用的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)水準(zhǔn)，如4m6m的偏心多軸式刀盤土壓平衡頂管機(jī)，屬世界較先進(jìn)的隧道掘進(jìn)機(jī)。 隨著矩形斷面隧道使用量的提高，大斷面、長距離及根據(jù)實(shí)際工況必須曲線頂進(jìn)的矩形隧道的出現(xiàn)，現(xiàn)有的設(shè)備、技術(shù)已不能滿足施工要求。目前最大斷面的寧波市藥行街地下人行通道，單節(jié)管節(jié)的重量已達(dá)34t，必須配備大型起重設(shè)備和運(yùn)輸工具。如果縮短管節(jié)長度，則自身剛度和穩(wěn)定性受到影響，運(yùn)輸難度增加。同樣，隨著斷面和頂進(jìn)長度的增加，摩阻力和頂力也隨之增加，施工中的抗旋轉(zhuǎn)、軸線控制、曲線頂進(jìn)的變坡及轉(zhuǎn)彎、管節(jié)接頭止水和地面沉降控制等，均增加了難度。 總而言之，要繼續(xù)完善和提高矩形盾構(gòu)施工技術(shù)，必須開發(fā)矩形盾構(gòu)和拼裝管節(jié)技術(shù)。隧道施工技術(shù)發(fā)達(dá)的日本，已有矩形盾構(gòu)和拼裝管節(jié)的施工實(shí)例。 在日本千葉縣習(xí)志野市津田沼地區(qū)，在菊田川2號干線施工中，需建造兩條平行的合流污水矩形管道。管道外形尺寸4 200mm3 800mm，頂板和底板厚500mm、兩側(cè)板厚400mm，兩隧道凈間距僅為600mm，隧道掘進(jìn)長度為310m，覆土厚度2.43.7m。管道上坡為0.13%、下坡為-0.13%，隧道是按照下坡0.6%推進(jìn)，此后再按平坡直達(dá)目的地。 由于隧道跨越交通量大且狹窄的東金街，還要在隧道上部安裝地下線網(wǎng)、水道管路及煤氣管道，為了確保自然排放的管底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用圓弧狀的矩形偏心多軸式刀盤土壓盾構(gòu)施工?？紤]到隧道兩側(cè)的民房、地下構(gòu)筑物和地面上一棵400年樹齡的銀杏古樹，隧道平面軸線形成了一條曲率半徑為70m的S型曲線。此外，在橫跨縣立公路船橋的東金街區(qū)域，又要經(jīng)過半徑分別為72m，58m