矩形盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)探索（李剛）

軟土地層矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)探索摘要：目前盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)均為圓形，但圓形盾構(gòu)隧道存在斷面空間利用率低的弱點(diǎn)。矩形盾構(gòu)法隧道在斷面空間利用率上存在較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在相同覆土情況下，較圓形隧道更具有適用性。但矩形盾構(gòu)法隧道因其隧道結(jié)構(gòu)受力和變形、盾構(gòu)推進(jìn)控制、矩形管片拼裝等難題，未能得到有效的發(fā)展。本文初步分析了矩形盾構(gòu)法隧道施工的難點(diǎn)，并提出解決的設(shè)想，從創(chuàng)新創(chuàng)意角度實(shí)現(xiàn)矩形盾構(gòu)的可行性。通過(guò)技術(shù)探索，為今后進(jìn)入研究矩形盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)提出建議。關(guān)鍵詞：矩形盾構(gòu)，管片拼裝，隧道穩(wěn)定1引言目前，盾構(gòu)法隧道絕大多數(shù)設(shè)計(jì)為圓形，其主要得益于隧道結(jié)構(gòu)受力合理、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備開(kāi)挖面切削全面、拼裝施工工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但圓形盾構(gòu)隧道存在斷面空間利用率低的弱點(diǎn)。從盾構(gòu)法隧道的發(fā)展來(lái)看，世界上第一條隧道是布魯諾爾在倫敦泰晤士河下建造的，隧道工程就采用了矩形盾構(gòu)斷面為11.3m×6.7m[1]。從隧道的使用功能來(lái)分析，以矩形斷面最為合適，最為經(jīng)濟(jì)。矩形斷面與圓形斷面相比，其有效使用面積比圓形增大20％以上，且可大大減小隧道覆土。此外，在滿足相同凈空要求的情況下，矩形隧道較圓形隧道所需的覆土厚度小，進(jìn)而相同坡度的矩形隧道與地面的接線段長(zhǎng)度也相應(yīng)減小。如圖1所示。圖1矩形隧道和圓形隧道比較基于當(dāng)前中國(guó)乃至世界的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、城市建設(shè)與市場(chǎng)的需要，圍繞土地、能源的高效利用的關(guān)注日益受到重視，而矩形盾構(gòu)隧道在地下空間利用率和地面接線段影響方面的優(yōu)勢(shì)得以凸顯。因此，對(duì)于矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)的探索和研究具有重要意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。然而，因形狀形成優(yōu)勢(shì)的矩形盾構(gòu)法隧道，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工中卻面臨著隧道結(jié)構(gòu)受力變形、盾構(gòu)推進(jìn)控制、矩形管片拼裝等諸多難點(diǎn)，必須通過(guò)技術(shù)研究和工程試驗(yàn)應(yīng)用加以解決，并最終形成合理可行的矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)。2國(guó)內(nèi)外對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道的研究應(yīng)用2.1國(guó)外對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道的研究應(yīng)用在國(guó)外，日本因其地理空間狹隘和資源匱乏，其對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)和利率最為重視。因此，日本在矩形盾構(gòu)法隧道的研究較為先進(jìn)。早在1965年~1968年，日本名古屋和東京都使用了4.29m×3.09m的手掘式矩形盾構(gòu)機(jī)[2]；1981年，名古屋使用了5.23m×4.38m的手掘式矩形盾構(gòu)機(jī)；1995年，習(xí)志野市使用了4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾構(gòu)機(jī)[3]。至2009年，三菱重工及大林組等在矩形隧道盾構(gòu)裝備及施工技術(shù)方面取得了有效成果，相?？v貫川尻隧道成為應(yīng)用矩形盾構(gòu)隧道技術(shù)的典型工程。相?？v貫川尻隧道工程建設(shè)期為2009年3月6日～2012年3月31日，盾構(gòu)機(jī)采用復(fù)合拱形斷面敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)（外徑：寬11.96m×高8.24m；頂部·底部梁高500mm、側(cè)部梁高400mm）如圖2所示。管片采用多功能SFRC管片（錯(cuò)縫拼裝形式，鋼纖維增強(qiáng)高流動(dòng)混凝土管片、8塊分割、寬度1.7m），其中單塊最重的管片位于左右轉(zhuǎn)角處，重約9590kg。如圖3所示。隧道上半部為粘性50KN/m2左右的關(guān)東壤土層；隧道下半部為N值50以上的硬質(zhì)砂礫層（包括600mm以上礫徑）。圖2敞開(kāi)式矩形盾構(gòu)機(jī)圖3矩形管片立體示意圖此外，日本還有類似的矩形盾構(gòu)法隧道設(shè)備及工程，如用在京都地鐵工程中的“WaggingCutterShield”工法、國(guó)道20號(hào)新宿地下步行道工程的7.82m×4.72m矩形盾構(gòu)等[4]。2.2國(guó)內(nèi)對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道的研究應(yīng)用在我國(guó)矩形隧道施工技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但基本均屬于頂管法技術(shù)領(lǐng)域，與盾構(gòu)法矩形隧道還存在管片拼裝、隧道穩(wěn)定等方面的差異。對(duì)于頂管法矩形隧道，在1999年上海的地鐵2號(hào)線陸家嘴站五號(hào)出入口首次運(yùn)用3.8m×3.8m組合刀盤土壓平衡式矩形頂管技術(shù)[5]，并完成了十多例工程實(shí)例。2003年，上海隧道工程股份有限公司研制了一臺(tái)4m×6m偏心多軸刀盤式矩形掘進(jìn)機(jī)，建造了寧波、上海等地的地下人行通道。2004年，新疆烏魯木齊采用了20m×6.2m×7.8m三聯(lián)體組裝形式的矩形盾構(gòu)機(jī)、履帶式行走模板拼裝機(jī)和現(xiàn)澆襯砌箱體鋼模施工了超大斷面矩形隧道[6]。3矩形盾構(gòu)難點(diǎn)分析3.1矩形盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力由于矩形結(jié)構(gòu)荷載模式不同于圓形結(jié)構(gòu)，對(duì)于矩形隧道分塊預(yù)制結(jié)構(gòu)的受力分布模式尚缺少合理的解決辦法。通過(guò)對(duì)矩形的受力分析可以看出，如圖6、7所示，矩形較圓形沒(méi)有明顯的拱效應(yīng)，且在角部位置為應(yīng)力集中點(diǎn)，同時(shí)矩形預(yù)制管片的接頭部位受彎矩和剪力影響。圓形隧道截面內(nèi)力主要以軸力產(chǎn)生的壓應(yīng)力為主，矩形隧道截面內(nèi)力主要以彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力為主，且矩形結(jié)構(gòu)的接頭需抵抗彎矩和剪力。圖6矩形結(jié)構(gòu)受力有限元彎矩圖[7]圖7矩形結(jié)構(gòu)受力有限元剪力圖[7]3.2矩形盾構(gòu)切削和管片拼裝系統(tǒng)由于矩形與圓形的斷面形式不同，矩形的全斷面切削是個(gè)問(wèn)題。矩形盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)全斷面切削，對(duì)于保持開(kāi)挖面土體的平衡，減少對(duì)周圍土體的擾動(dòng)都有積極的意義。相比圓形隧道管片結(jié)構(gòu)形式，矩形隧道管片形狀、分塊等更為復(fù)雜。受矩形形狀影響，管片分塊后的結(jié)構(gòu)不盡相同，同時(shí)，矩形管片拼裝的工藝、要求也較高，因此對(duì)于盾構(gòu)管片拼裝機(jī)的運(yùn)行形式、拼裝動(dòng)作均較圓形盾構(gòu)的拼裝機(jī)更為復(fù)雜。3.3矩形盾構(gòu)施工技術(shù)3.3.1矩形盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)由于矩形斷面刀盤切削模式在未實(shí)現(xiàn)全斷面切削的情況下對(duì)土層擾動(dòng)較大，且在刀盤切削、千斤頂推力、外部土體等作用和影響下，以及矩形結(jié)構(gòu)的背土現(xiàn)象，造成盾構(gòu)推進(jìn)、姿態(tài)控制難度加大。3.3.2矩形管片拼裝技術(shù)矩形管片移動(dòng)、定位等較圓形隧道有所不同，圓形隧道管片的成環(huán)一般僅控制“key”的插入，但矩形隧道管片在控制“key”的插入時(shí)，還必須同時(shí)保證橫豎兩個(gè)方向的凈空尺寸，由此矩形管片拼裝的控制技術(shù)要求更高。如矩形隧道管片分塊過(guò)多，在拼裝過(guò)程中可能無(wú)法及時(shí)成拱，其拼裝階段的自身穩(wěn)定性更加受限，必須在拼裝階段加以控制。3.3.3矩形隧道穩(wěn)定控制技術(shù)矩形隧道管片成環(huán)后，受結(jié)構(gòu)形式影響其自身穩(wěn)定的變化和發(fā)展不同于圓形隧道，隧道整體和局部管片接頭均存在變形問(wèn)題，而隧道變形將直接影響最終隧道成型質(zhì)量。4矩形盾構(gòu)難點(diǎn)對(duì)策探索4.1矩形盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)想針對(duì)矩形形式的受力分析，考慮錯(cuò)縫形式對(duì)管片間接頭薄弱部位的加強(qiáng)作用，宜采用錯(cuò)縫拼裝形式。對(duì)于角部位置應(yīng)力集中的問(wèn)題，可考慮矩形角部管片設(shè)計(jì)為弧形，盡可能減緩應(yīng)力集中問(wèn)題。管片接頭位置盡可能設(shè)置在彎矩和剪力較小的部位。結(jié)合盾構(gòu)內(nèi)部空間和拼裝系統(tǒng)的能力，可提高單塊管片的面積，以減少分塊數(shù)量。如頂部和底部可設(shè)計(jì)為整塊形式，以解決負(fù)彎矩對(duì)接頭的影響。同時(shí)，可以增加管片結(jié)構(gòu)厚度和配筋，以及增加接頭螺栓數(shù)量，從而提高管片整體剛度?？紤]到管片鋼模的加工，管片可設(shè)計(jì)為左右楔形環(huán)，但分塊角度可相對(duì)一致。隧道線型上下楔形量，可通過(guò)施工拼裝階段的楔紙實(shí)現(xiàn)。如圖8、9所示。圖8矩形隧道左右楔形管片示意圖圖9矩形隧道左右楔形管片疊拼三維示意圖4.2矩形盾構(gòu)切削和管片拼裝系統(tǒng)設(shè)想4.2.1矩形盾構(gòu)切削形式設(shè)想相較矩形隧道的管片形式，矩形盾構(gòu)全斷面切削的形式已有一定的成果，形成了多刀盤組合式和偏心多軸刀盤式，這些切削刀盤均在工程中得以成功運(yùn)用。對(duì)于矩形盾構(gòu)切削形式設(shè)想可借鑒圓形盾構(gòu)仿形刀的理念，在既有圓形刀盤或條幅刀盤上增設(shè)仿形刀或仿形刀盤條幅，隨著刀盤選擇的過(guò)程，伸出不同的長(zhǎng)度，以切削矩形斷面的角部位置。4.2.2矩形盾構(gòu)拼裝形式設(shè)想考慮矩形管片方位和精度的問(wèn)題，可考慮采用兩臺(tái)圓形盾構(gòu)中的拼裝機(jī)，類似雙圓盾構(gòu)的拼裝機(jī)。由兩臺(tái)拼裝機(jī)分別控制左右兩側(cè)的管片拼裝問(wèn)題，同時(shí)可以引入的兩臺(tái)拼裝機(jī)相互合作，共同使用的功能，以幫助解決矩形管片未成環(huán)時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題。另一設(shè)想是，設(shè)計(jì)一臺(tái)特殊的拼裝機(jī)，該拼裝機(jī)行走的路線為矩形邊線，通過(guò)懸掛或限位部件來(lái)控制拼裝機(jī)始終處于矩形線路之上。同時(shí)，拼裝機(jī)的舉重臂可參考隧道修復(fù)機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)多自由度旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，由此解決矩形L型管片的特殊拼裝要求。4.3矩形盾構(gòu)施工技術(shù)設(shè)想4.3.1矩形盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)設(shè)想矩形盾構(gòu)斷面的特殊性，易形成受力不均的現(xiàn)象，也造成了盾構(gòu)姿態(tài)控制困難。解決設(shè)想主要通過(guò)盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)和施工參數(shù)控制兩方面著手。在盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)中，除全斷面切削、土體改良功能等，可考慮設(shè)計(jì)局部小型螺旋機(jī)，可在必要時(shí)進(jìn)行排土，以解決局部渣土擠壓或流動(dòng)不暢的現(xiàn)象，使開(kāi)挖面更利于糾偏控制。在推進(jìn)系統(tǒng)和鉸接系統(tǒng)中，可考慮千斤頂?shù)牟痪鶆虿贾?，如角部多設(shè)置可獨(dú)立控制的千斤頂，以便更好的實(shí)現(xiàn)糾偏力矩。在施工參數(shù)控制中，可采用聚合物土體改良劑，既避免了泡沫氣壓對(duì)土倉(cāng)壓力的影響，又可改善和提高渣土流塑性?；蚩衫脷んw注漿的工藝，注入“惰性”漿液既可用于盾構(gòu)糾偏，又不產(chǎn)生背土現(xiàn)象。同時(shí)，在姿態(tài)控制技術(shù)中，注重糾偏系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的控制，利用盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)，配合測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。4.3.2矩形管片拼裝技術(shù)設(shè)想針對(duì)矩形結(jié)構(gòu)的特性，在管片拼裝時(shí)，不同于圓形隧道管片拼裝僅控制“key”塊的插入開(kāi)口尺寸，而是控制左右矩形管片的開(kāi)口尺寸和上下矩形管片的凈空尺寸。針對(duì)控制的要求，可參照地面出入式盾構(gòu)法隧道專用盾構(gòu)機(jī)的管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的技術(shù)[8]，設(shè)計(jì)專用的矩形管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，通過(guò)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的滾輪支撐控制管片的凈空尺寸，為“key”拼裝和最終的管片成型質(zhì)量創(chuàng)造條件。同時(shí)，矩形管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可考慮管片的分塊形式，在管片接頭兩側(cè)設(shè)置支撐點(diǎn)，提高其抗變形能力。如圖10所示。4.3.3矩形隧道穩(wěn)定控制技術(shù)矩形隧道穩(wěn)定控制首要是施工階段的控制，需結(jié)合矩形盾構(gòu)姿態(tài)和建筑空隙充填的控制，為隧道的穩(wěn)定建立基礎(chǔ)。其中，矩形隧道頂部和底部的建筑空隙呈水平狀，漿液注入的流淌性、充填率和均勻性都較圓形隧道不利，因此可以采用流淌性高、初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的漿液。對(duì)于同步注漿壓注工藝，可首先對(duì)盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加注漿點(diǎn)位，使注漿點(diǎn)位間距離縮短，改善建筑空隙充填注漿的效果；其次，對(duì)于注漿壓力控制，可在盾尾后部設(shè)置壓力計(jì)，獲取地層壓力值，并分區(qū)分段控制同步注漿壓力；第三，對(duì)于注漿量控制，可結(jié)合注漿壓力，分區(qū)段設(shè)定注漿量，通過(guò)注漿壓力和體量雙控的技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工階段的矩形隧道穩(wěn)定控制。矩形隧道成型后的穩(wěn)定控制可以從外部地層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩方面著手。對(duì)于外部地層，可以通過(guò)地基處理來(lái)提高地層的穩(wěn)定性?？刹捎梅撬磻?yīng)類雙組份發(fā)泡聚氨酯高聚物注漿材料[9]或新型聚氨酯堵水注漿材料[10]，此類聚氨酯材料具有堵漏效果，且可提高加固體的強(qiáng)度。通過(guò)在矩形管片的接頭部位壓注新型聚氨酯材料，既起到改善接頭防水的作用，又可提高接頭部位土體強(qiáng)度，并起到控制隧道穩(wěn)定的效果。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可考慮在接頭部位加貼碳纖維材料(非地鐵觸網(wǎng)區(qū))或設(shè)置型鋼拱架。加貼碳纖維材料可提高矩形管片受彎承載力，設(shè)置型鋼拱架可參考“運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)鋼環(huán)加固施工方法[11]”，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)提高矩形管片整體剛度。如圖11所示。圖10矩形管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)示意圖圖11矩形管片型鋼拱架示意圖5結(jié)語(yǔ)矩形盾構(gòu)在節(jié)約地下空間的占用，以及減小隧道覆土厚度方面均有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一些圓形隧道無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊工況下的地下空間利用，具有一定的社會(huì)效益。鑒于城市迅速發(fā)展的當(dāng)下，如切實(shí)研究解決矩形盾構(gòu)法隧道存在的問(wèn)題，并在工程建設(shè)費(fèi)用上凸顯其經(jīng)濟(jì)性，矩形盾構(gòu)法必將成為一種隧道建設(shè)的主要施工方法。本文僅從創(chuàng)新創(chuàng)意角度提出設(shè)想，其設(shè)想缺乏驗(yàn)證，且可能存在錯(cuò)誤之處，但立意是希望從不同角度為矩形盾構(gòu)法隧道的研究提供建議。隨著對(duì)地下空間利用的重視，通過(guò)科技研發(fā)，基于理論研究、設(shè)備研制和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，再通過(guò)示范工程應(yīng)用，矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)必將獲得突破，并逐步形成完善的技術(shù)體系。參考文獻(xiàn)：[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].中國(guó)：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.[2]HitachiZosen.日立造船潛盾機(jī)，潛盾機(jī)、立體停車場(chǎng)設(shè)備技術(shù)資料，日立造船株式會(huì)社，1996.1.[3]KOSHIMAY，KONDON，INOUEM.Resultofexperimentsusingshieldandsegmentmodelsandapplicationofthemethodintunnelconstruction[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology，199611(01).[4]特殊條件下盾構(gòu)工程[M].汪德珍.中國(guó)：上海隧道工程股份有限公司技術(shù)中心科技情報(bào)室，2012.[5]張冠軍，呂建中.地鐵二號(hào)線陸家嘴站5號(hào)出入口及地下人行通道施工技術(shù)[J].上海市政工程，2000年，第3期：94-101頁(yè).[6]張冠軍，王強(qiáng)華.大斷面矩形盾構(gòu)及現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)[A].大直徑隧道與城市軌道交通工程技術(shù)，2005上海國(guó)際隧道工程研討會(huì)論文集[C].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.[7]白云，張冠軍，滕麗.大斷面矩形地下通道施工設(shè)備與技術(shù)研究