城市軌道交通類矩形盾構法隧道施工技術研究

劉喜東

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200127)

城市軌道交通類矩形盾構法隧道施工技術研究

劉喜東

(上海隧道工程股份有限公司，上海市200127)

通常盾構法隧道的斷面形狀均為圓形，其易于實現全斷面切削和相對合理的結構受力體系，掩蓋了空間利用率低、地下空間占用大的不足。矩形盾構法隧道在斷面空間利用率和狹窄道路中的穿行能力上則存在較大優勢，但因其結構受力和變形、盾構機推進控制、矩形管片拼裝等難題，未能得到有效的發展。系統闡述了城市軌道交通類矩形盾構法隧道技術施工研究，通過分析類矩形盾構法施工上的重難點，分別從類矩形隧道全斷面掘削、管片拼裝、軸線控制和管控技術等相關技術方面進行研究和探索，為進一步開展矩形盾構法隧道的建設提供更可靠的依據和建議。

類矩形盾構；全斷面掘削；管片拼裝；軸線控制；管控技術

0 引言

目前，盾構法隧道絕大多數設計為圓形，其主要源于隧道結構受力合理、盾構機設備開挖面切削全面、拼裝施工工藝簡便等優點，但圓形盾構隧道存在斷面空間利用率低的弱點。從盾構法隧道的發展來看，世界上第一條隧道是布魯諾爾在倫敦泰晤士河下建造的，隧道工程采用的矩形盾構斷面為11.3 m×6.7 m[1]。從隧道的使用功能來分析，以矩形斷面最為合適、最為經濟。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，進而相同坡度的矩形隧道與地面的接線段長度也相應減小[2]。

在國外，日本因其地理空間狹隘和資源匱乏，其對地下空間的開發和利率最為重視。因此，日本在矩形盾構法隧道的研究較為先進。早在1965年～1968年，日本名古屋和東京都使用了4.29 m× 3.09 m的手掘式矩形盾構機。1995年，習志野市使用了4.38 m×3.98 m的D P L E X矩形盾構機[3]。至2009年，三菱重工及大林組等在矩形隧道盾構裝備及施工技術方面取得了有效成果，相模縱貫川尻隧道成為應用矩形盾構隧道技術的典型工程。此外，日本還有類似的矩形盾構法隧道設備及工程，如用在京都地鐵工程中的“W a gg in g C u tte r S hi el d”工法、國道20號新宿地下步行道工程的7.82 m×4.72 m矩形盾構等[4]。

類矩形盾構法在中國未有成功經驗，因此針對類矩形盾構工程特有的類矩形斷面形式，考慮隧道沿線周邊環境復雜、開挖土層靈敏度高，且具有小曲率轉彎半徑及含超淺覆土工況等特點，其尚需解決如下技術：解決切削排土和改良、異形斷面注漿、異形斷面管片拼裝、高精度軸線控、隧道穩定控制、隧道對環境影響和隧道綜合管控等問題。

矩形盾構法隧道雖在斷面形狀上有其優勢，但在施工中卻面臨著隧道結構受力變形、盾構推進控制、矩形管片拼裝等重難點，必須通過技術研究和工程試驗應用加以解決，并最終形成合理可行的矩形盾構法隧道施工技術體系。本文通過分析類矩形盾構法隧道施工上在“推、拼、壓”、環境影響和綜合管控上的重難點，針對具體工程問題進行研究和探索，重點討論了土體改良、軸線控制、同步注漿、管片拼裝、綜合管控和環境影響監測等相關技術方面的探索路徑和研究方法，最終根據探索成果形成了類矩形盾構隧道施工推拼壓施工技術體系、環境影響控制技術體系和綜合管控技術體系。

1 類矩形盾構法施工技術重難點

類矩形隧道的施工難點主要包括以下幾個方面：

（1）開挖面穩定難度大。類矩形開挖面的土壓力分布型式不明，土倉壓力設定難；斷面底部呈平底狀，渣土流動性差，局部易淤積，而且采用了雙螺旋機的出土模式，土倉壓力保持難。

（2）管片拼裝難度高。類矩形管片的結構外形尺寸特殊，寬11 500 m，高6 937 mm，有10塊成環管片和1塊中立柱構成；另外，拼裝機結構功能特殊、拼裝區域空間小，尚無成熟的拼裝質量控制標準和拼裝工藝以供參考。

（3）軸線控制復雜。類矩形隧道斷面的高寬不同，寬高比達1.7，而且管片多達11塊，拼裝精度控制難，施工中軸線控制復雜；除常規的水平和俯仰糾偏外，類矩形盾構還面臨者轉角糾偏的問題；另外，自動導向系統需實現轉角數據的采集以及左右雙線隧道的導向。

（4）施工數據管理難度大。類矩形盾構隧道的施工數據涉及盾構機運行參數、自動導向系統、出土稱量系統、盾尾間隙測量系統、周邊環境監測和隧道變形監測等眾多方面，數據的現場管理難度大；另外，施工數據規模大、種類多、信息關聯性強，數據的遠程管理復雜。

2 盾構施工關鍵技術分析與探索

根據矩形隧道的管片和盾構機，結合工程地質、水文和環境條件，研究獲取矩形盾構施工地層擾動影響規律和隧道變形規律，完善矩形盾構全斷面切削技術、姿態控制技術、管片拼裝技術、同步注漿技術和隧道穩定控制技術。

2.1 切削排土改良

由于類矩形斷面底部呈平底狀，渣土流動性差，局部易產生淤積；刀盤結構、切削方式，以及渣土流動形式特殊；土壓力分布型式不明，且不穩定。因此必須對切削排土改良進行針對性研究，配合盾構刀盤切削方式形成新型改良添加劑和改良技術。

根據盾構施工開挖土體的物性條件，在比選了多種不同類型的添加劑后，初步選擇泡沫、膨潤土和水作為土體改良試驗的外加添加劑，借助室內試驗（見圖1）的抗剪強度、坍落度、流動度和稠度等指標來評價類矩形盾構掘進中土的改良效果，并優化添加劑的配比方案[5]。試驗流程見圖2。

圖1 室內試驗

圖2 土體改良試驗流程圖

結合寧波類矩形盾構所穿越地層物理力學性質和工程自身特點，得出了適用于類矩形盾構施工的改良劑配比：泡沫改良劑的濃度為3%，發泡率為12～20倍；聚合物泥漿中聚合物摻量為0.1 k g/m3。

采用全方位、分區域的土體改良技術，解決了矩形盾構土艙底部渣土的流動性不足的問題，實現了開挖面壓力的平衡控制。利用盾構機的多點位多方位改良系統、偏心刀盤的攪拌棒和土艙內渣土導流裝置，實現渣土有效改良和流動，見圖3。

圖3 盾構機土體改良系統

2.2 盾構軸線控制

針對類矩形隧道的施工特點，研制盾構姿態自動采集系統，見圖4，在提高盾構轉角測量精度和頻率的同時，可提供左右兩條線路各自的盾構姿態；利用圖形解析和攝影測量的原理，通過高分辨率的攝像機實時測定盾尾間隙，同時類矩形盾構受到轉角影響，管片與盾尾間隙的關系不同于圓盾構，測定盾尾間隙的位置布置需滿足實際施工要求。利用安裝于盾構車架前部的兩臺掃描型自動全站儀，完成對已經拼裝好的類矩形隧道的實時掃描監測，及時了解隧道的變化情況。

圖4 盾構姿態自動采集系統

2.3 管片拼裝系統

管片拼裝系統是盾構關鍵子系統之一，直接關系到盾構施工的效率與質量[6]。

雙提升臂管片拼裝機和單機械臂管片拼裝機是管片拼裝機的2種主要類型。雙提升臂管片拼裝機較適用于圓形隧道管片拼裝，對于類矩形隧道，因不同管片離拼裝機回轉中心的距離不等且相差較大，使得雙提升臂管片拼裝機在有限空間內的布置存在困難。單機械臂管片拼裝機具有結構緊湊，管片移送距離長的特點，更適合于類矩形隧道。考慮到類矩形盾構管片自身特點和中立柱的形式，需要設置能抓取單間管片較重且力臂較長的拼裝機構，最終確定環臂式自動軌跡控制拼裝機，見圖5，采用該拼裝機易于實現拼裝，無需其它輔助機構，在回轉軌跡上即可完成中立柱的拼裝，且占用空間小，不干涉其它機構的安裝。

圖5 環臂式自動軌跡控制拼裝機

矩形管片拼裝在國內尚屬首次，為確保施工質量和隧道的穩定性，首先通過管片結構分塊分析合理的拼裝順序，然后建立管片拼裝的空間三維模型，模擬盾構拼裝機管片拼裝過程，得出拼裝順序的優選等級，最后通過管片三環水平試拼裝、盾構拼裝機試拼裝、負環管片拼裝，得出最合理的拼裝順序。

通過管片拼裝技術初期成果，確定管片拼裝方式（見圖6）。首先拼裝T2塊C3塊、然后依次拼裝C2、B1、B2、B3、L、C1，最后拼裝T1、L Z、F三塊管片。

圖6 類矩形管片拼裝流程圖

2.4 綜合管控技術研究

針對類矩形盾構的多元化數據環境和高要求控制，開發集成類矩形盾構信息、外掛控制系統和外部施工數據等多方面數據的綜合管控系統，實現數據的實時采集、實時顯示、數據記錄、數據查詢、數據分析及報表生成等功能，并具有遠程監控的功能，便于施工的管理，實現信息化指導施工的目標。

綜合管控系統主要包括：盾構施工信息管理系統、網絡視頻監控系統及遠程施工軟件監控。為滿足寧波類矩形盾構管控系統的需求，管控系統總體架構涵蓋視頻和數據采集兩大塊內容，見圖7，自下而上包含三大層：感知層、網絡層、應用層。

圖7 管控系統總體架構圖

通過管控系統的數據管理計算機或移動終端可查看工地現場實時的施工數據。寧波矩形盾構管控系統為非標定制，選取了注漿和推進等施工中關鍵的參數在畫面中做實時顯示，見圖8。

圖8 管控系統圖

3 工程概況及其應用

寧波軌交4號線部分盾構區間周圍房屋眾多，有矩形盾構施工需求，為了探索矩形盾構的適用性，研究矩形盾構關鍵技術，積累施工經驗，為后續施工提供安全保障，擬在3號線出入段線進行矩形盾構隧道結構設計、裝備研發以及施工綜合技術等方面的試驗研究，不僅為3號線出入段線矩形盾構的實施提供相關依據，更為4號線建設提供保障。本試驗段為類矩形盾構法隧道工程實施區間。工程范圍主要包括陳婆渡站部分車站、矩形盾構段區間隧道及其附屬結構、明挖段盾構井、U型槽段。區間推進施工采用1臺新制的11.83 m×7.27 m類矩形土壓平衡盾構，盾構從陳婆渡南端頭井始發，最終到達盾構接收井。試驗段平面布置見圖9。

圖9 出入段線類矩形盾構段平面布置圖

其中，陳婆渡站為地下兩層島式車站，車站寬度19.2～26.476 m，本工程范圍長78.5 m；矩形盾構段長429.3 m，最小平面轉彎半徑400 m；盾構接收井長18.907 m，寬18.6 m，采用明挖法施工；U型槽段：長約365.093 m，采用明挖法施工。

在施工過程中隧道的變形直接影響到施工的質量，較大的隧道變形將會影響到隧道結構的安全。與單圓相比矩形隧道豎向受力面積更大、單環接頭數量更多，其管片受力沒有圓形隧道管片那樣合理，且受力后呈現的總體性的變形規律更加復雜，所以矩形隧道的變形監測尤為重要。

隧道的變形收斂測點分布：1～80環為每5環布置一組測點，80～215環為每4環布置一組測點，測量使用的儀器為激光測距儀。

從圖10可知，正常推進時，隧道的橫向、縱向收斂累計變量基本控制在±30 mm以內，說明此次項目的管片構造，螺栓數量合理有效。

從圖11和圖12可以看出，左右雙線切口平面偏差曲線幾乎完全重合，但由于盾構機的偏轉，雙線切口高程偏差曲線并不重合。施工過程中，切口平面偏差均控制在±49 mm之內，而切口高程偏差經過試驗段的摸索后，在正常推進段均能保持在±44 mm之內，切口平面和高程偏差量均滿足相關設計和標準的要求，現有姿態控制方法和施工水平完全滿足工程需求。

圖10 隧道收斂變形曲線圖

圖11 類矩形盾構切口平面偏差曲線圖

圖12 類矩形盾構切口高程偏差曲線圖

4 結語

矩形隧道作為眾多斷面形狀中的一種，已在世界范圍內有了一定應用。隨著我國城市的發展，市政建設日新月異，它作為城市交通中繁忙陸空的人行通道和電力、通訊等的電纜隧道或合理通道等來說是極為理想的形狀。我國針對自身經濟社會發展需求，獨立自主地開發出類矩形盾構法隧道施工技術體系。經過一年多系統、高效地研發，雖然試驗工程尚在進行中，但下列成果已經初步顯現，可以對其進一步推廣抱以良好的預期：通過室內試驗獲得適宜的漿液性能和改良配比，結合工程應用驗證形成土體改良系統工藝，建立類矩形盾構土體改良技術體系。通過開發類矩形盾構自動導向系統，實現盾尾間隙的自動測量，形成類矩形盾構隧道軸線控制技術。綜合采用誤差分析有限元計算模型、三維仿真拼裝和管片拼裝試驗等研究手段，獲得管片最優拼裝工藝，建立管片拼裝質量控制體系以及控制標準。通過開發集成類矩形盾構信息、外掛控制系統和外部施工數據等多方面數據的綜合管控系統，實現數據的實時采集、實時顯示、數據記錄、數據查詢、數據分析及報表生成等功能，并具有遠程監控的功能，便于施工的管理，實現信息化指導施工的目標。

[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].中國：中國建筑工業出版社，2004.

[2]張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構隧道[M]．北京：人民交通出版社，2004.

[3]KOSHIMA Y，KONDO N，INOUE M.Result of experiments usingshield and segment models and applicationof the method in tunnelconstruction [J].Tunneling and Underground Space Technology，1996 11(1).

[4]汪德珍.特殊條件下盾構工程[Z].上海：上海隧道工程股份有限公司技術中心科技情報室，2012.

[5]黃德中．超大直徑土壓平衡盾構施工土體改良試驗研究[J]．現代隧道技術，2011(4)：65-71.

[6]白云，張冠軍，滕麗.大斷面矩形地下通道施工設備與技術研究[R].上海：上海隧道工程股份有限公司，2006.

海南保亭、白沙境內高速公路今年年底前將動工開建

為盡快實現海南省第七次黨代會“縣縣通高速”的部署，目前五指山至保亭至海棠灣高速公路、白沙快速出口路兩個項目前期工作都在加快推進，確保在今年內全部動工。

其中:五指山至保亭至海棠灣高速公路起點沖山鎮順接中線高速五指山連接線，終點為海棠灣環島高速藤橋互通，全長58km;白沙快速出口路連接白沙縣城與洋萬高速儋州互通，全長35km。兩項目均采用雙向4車道高速公路標準，設計速度100 km/h。

海南省委、省政府對兩個項目高度重視。省委書記劉賜貴強調，五指山、保亭、白沙等高速公路連接線今年要全部開工，盡快實現“縣縣通高速”；代省長沈曉明要求在“五網”基礎設施建設中謀劃生成和推進項目；省委常委、常務副省長毛超峰近日主持召開省政府專題會議研究項目建設實施方案。

翻開海南地圖就可以看到，目前海南各市縣除三沙外，只剩下保亭境內還未有高速公路經過，而在建中的瓊樂高速和萬洋高速也只是分別擦過五指山和白沙一角。

海南省交通運輸廳廳長董憲曾說，兩條高速路是貫徹落實省第七次黨代會報告精神的重大基礎設施項目，不僅關乎“縣縣通高速”的重要目標，而且對促進海南中部地區發展和造福海南百姓具有重大意義。海南省交通運輸廳將堅持生態選線，環境保護與投資節約并重，按照“造價服從生態、建設景觀路、旅游路、生態路”的原則做好項目設計，推進項目前期工作和組織實施，并及時提交相關報批材料。

目前兩個項目有關環境影響評價工作的信息已經公布在海南省交通運輸廳網站上，正在征求公眾意見。

T D 231.18

B

1009-7716（2017）06-0212-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.063

2017-03-27

劉喜東（1980-），男，黑龍江賓縣人，工程師，從事隧道施工工作。