類矩形盾構法隧道關鍵技術研究與應用

朱瑤宏， 朱雁飛 ， 黃德中， 楊志豪， 柳 獻， 劉 爽

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司， 浙江 寧波 315101； 2. 上海隧道工程有限公司， 上海 200232；3. 上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 上海 200235； 4. 同濟大學， 上海 200092)

類矩形盾構法隧道關鍵技術研究與應用

朱瑤宏1， 朱雁飛2， 黃德中2， 楊志豪3， 柳 獻4， 劉 爽2

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司， 浙江 寧波 315101； 2. 上海隧道工程有限公司， 上海 200232；3. 上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 上海 200235； 4. 同濟大學， 上海 200092)

在寧波地鐵4號線工程中，創新采用“科研—設計—施工一體化”的管理模式，開發了“軌道交通類矩形盾構隧道”技術體系。該技術體系在類矩形盾構法隧道的襯砌結構設計方面，解決了管片設計、結構優化等問題；在類矩形盾構方面，開發了全斷面切削刀盤與驅動系統、殼體鉸接與密封、環臂式拼裝機等技術；在施工技術方面，研究了同步注漿技術、管片拼裝仿真與工藝優化、盾構軸線控制等關鍵技術。這一新的技術體系將為我國地鐵建設提供一種全新的單峒雙線隧道類型，以解決都市核心區和老舊城區“地下空間擺不下、鄰近設施碰不起”的普遍問題。

類矩形盾構； 襯砌結構設計； 全斷面切削； 環臂式拼裝機； 管片拼裝； 同步注漿

Abstract: The management mode of scientific research-design-construction integration is adopted in Line No. 4 project of Ningbo Metro; and the technical system of railway transit quasi-rectangular shield tunnel is developed. By adopting the above-mentioned technical system, the problems of segment design and structural optimization have been solved. The full-face cutterhead and driving system, shield hinging and sealing technology and ring-arm segment erector have been developed. The simultaneous grouting technology, segment erection simulation and technical optimization and shield axial line control have been studied. A new kind of single-tube double-line tunnel will appear to solve the problem of limit underground space in core districts of cities in China.

Keywords: quasi-rectangular shield; lining structure design; full workface excavation; ring-arm segment erector; segment assembling; simultaneous grouting

0 引言

作為一座具有1 500余年歷史的古城，寧波市隨著城市建設的不斷發展，地下空間利用率問題逐漸突顯。老城區道路狹窄、交通繁忙、兩側基礎較差的老舊建筑密集等情況，導致軌道交通建設面臨地下空間狹小、施工期建構筑物保護、運營期振動噪音控制、后續地下空間開發區間隧道保護等諸多難題，這也是我國古城、老城區面臨的共同難題，制約著老舊城區和既有都市核心區的可持續發展[1]。

通過評估，現有的常規軟土地區地鐵區間隧道技術體系難以滿足寧波市狹小空間的線網布設和日益苛刻的環境保護要求，所以必須針對性、系統性地開發新的技術體系，以保證隧道建設的可持續發展。

2015年，在寧波地鐵4號線工程中，針對該工程在狹小地下空間內的施工和環境保護要求，創新采用“科研—設計—施工一體化”的管理模式，開發了“軌道交通類矩形盾構隧道”技術體系。該技術體系主要研究課題如圖1所示。本文在撰寫之前，前3項課題研究已完成，具體內容見表1，后3項課題為深化擴展課題，目前正在研究中。本文擬從工程技術角度對寧波地鐵4號線工程的主要研究成果和應用情況進行總結，以供業內人士參考。

圖1 類矩形盾構法隧道技術體系

表1 類矩形盾構研究課題的主要內容

1 類矩形盾構法隧道的定義與特點

“類矩形”在隧道領域是一個新術語，其含義相當于日本文獻所稱的“復合圓形盾構”，其斷面由數條光滑、可導的曲線構成，形成類似于矩形的封閉輪廓。圖2為東京地鐵副都心線神宮前—澀谷區間復合圓形盾構法隧道。寧波地鐵類矩形盾構法隧道限界和結構如圖3所示。不同隧道結構效率和空間利用效率對比見表2。可見，類矩形盾構法隧道在結構效率和空間利用效率方面比較平衡； 與矩形斷面相比，占用空間略大，但結構厚度大幅減小；與普通圓隧道和單峒雙線大型圓隧道相比，大幅減小了占用的地下空間，但結構厚度略有增加。與21世紀初引入我國的雙圓盾構相比，類矩形盾構法隧道有可能局部區段不設中立柱，空間使用具有更好的靈活性和發展潛力，例如可在區間內設渡線或存車線，亦可作為車站主體的一部分。

(a) 幾何截面

(b) 隧道斷面(單位： m)

Fig. 2 Combined-circles shield tunnel on Fukutoshin Line of Tokyo Metro

圖3 類矩形盾構法隧道限界和結構圖(單位： mm)Fig. 3 Boundary and structure of quasi-rectangular shield tunnel (unit: mm)

表2不同隧道結構效率和空間利用效率對比

Table 2 Comparison between structural effectiveness and space utilization effectiveness of different tunnel structures

對比方面隧道類型普通圓隧道單峒雙線圓隧道雙室矩形隧道類矩形隧道 主要結構厚度/m0．350．51．00．45 結構外包尺寸/m2?6．2?11．211．5×7．511．5×7．5 地下空間占用范圍寬：21m高：9m寬：13．5m高：13．5m寬：14．5m高：10．5m寬：14．5m高：10m

注： 1)以B2型車、最高車速80 km/h計； 2)以中等埋深估計，矩形取地下連續墻圍護，復合墻明挖法隧道； 3)以區間隧道兩側1.5 m不允許其他建構筑物侵入計。

2 襯砌結構

2.1管片設計

出于對經濟性的考慮，常規類矩形盾構區間隧道襯砌采用設立柱的鋼筋混凝土管片(摻鋼纖維)，設計最大頂覆土厚度>25 m，限界按B2鼓型車考慮，兼顧A型車要求，特殊段采用鋼或鋼混復合管片后具備取消立柱的能力。

綜合平衡結構受力要求和管片回轉、拼裝空間，將襯砌環全環分為11塊，混凝土管片厚度為450 mm。環間采用錯縫拼裝，管片環、縱向連接分別采用40根M36鑄鐵手孔短螺栓和30根M30斜螺栓，通過采用A型和B型襯砌環交錯拼裝形成錯縫，見圖4。

圖4 類矩形盾構管片(單位： mm)

2.2結構試驗與優化

作為一種新型隧道襯砌結構，除了進行常規的管片接頭力學性能試驗和彈性密封墊防水性能試驗外，在管片定型生產前，還應進行整環力學性能試驗。

根據斷面特點，整環力學性能試驗采用軸對稱加載方式，30點加荷油缸反力作用于大剛度鋼框架，除重力場影響外，與設計計算荷載基本一致。試驗場景見圖5。

圖5 試驗場景Fig. 5 Test field

首次整環試驗表明，結構設計完全能夠滿足強度和剛度的要求，在此基礎上對結構進行了進一步優化，將正彎矩區螺栓中心位置向內弧面方向移動50 mm，負彎矩區螺栓中心位置向外弧面方向移動50 mm。經第2次整環試驗驗證，這一看似簡單的優化措施效果非常明顯，在不增加配筋的情況下，顯著提高了襯砌極限承載能力。設計17 m覆土的中埋管片，經改進后，極限荷載可提高到相當于30 m覆土(均為結構裂縫控制)，如圖6所示。

圖6 整環試驗荷載-變形圖

整環試驗還模擬了隧道兩側卸荷的運營擾動工況。試驗結果揭示，類矩形盾構隧道即使兩側完全對稱卸荷，隧道仍然能夠保持穩定，裂縫寬度也未超過0.2 mm。這是由于類矩形隧道設置了中立柱，且斷面高寬比很小，側向土體壓力對隧道結構穩定的貢獻遠小于普通圓隧道。這一特點意味著類矩形盾構隧道對鄰近深基坑施工擾動的抵抗能力遠高于普通圓隧道，對地鐵沿線的后續地下空間開發具有現實意義。

2.3現場實測與分析反饋

試驗工程中，在其中2環襯砌內布設了鋼筋應力/螺栓應力和應變片，測得了實際工況下管片的內力情況。圖7為試驗工程第56環實測數據反算軸力、彎矩與計算、試驗結果的對比。可見，由于試驗采用水平放置的方案，軸力偏差略大，而彎矩的誤差非常小，證明設計荷載取值非常準確，結構計算模型與實際工況符合度很高。

圖7 第56環實測數據反算軸力、彎矩與計算、試驗結果

Fig. 7 Axial force and bending moment back-calculated from test data of ring No. 56 and results of actual test

3 類矩形盾構

3.1設計指標

類矩形盾構技術體系主要應用于城市核心區和老舊城區的地鐵建設。針對這一需求，類矩形盾構的總體設計要求和指標如下： 1)采用土壓平衡模式，外包尺寸為11.83 m×7.27 m，具備淺覆土和超淺覆土施工能力； 2)最大頂覆土不小于25 m； 3)最小轉彎半徑<350 m； 4)系統性強化沉降控制能力； 5)確保長距離推進的設備可靠性； 6)具有富水軟土地區普遍的地層適應能力； 7)施工效率與普通盾構相當。

經試驗工程驗證，類矩形盾構達到了上述指標要求，刀盤、殼體鉸接和拼裝機設計都具有創新性。

3.2全斷面切削刀盤與驅動系統

目前國內設計的矩形頂管、盾構大多采用多刀盤近似全斷面切削的方案，這一類型的盾構于1984年自日本引入國內，最早應用于上海芙蓉江路泵站排水系統。其成本低廉，在比較均勻的軟土中也有很好的沉降控制能力，但斷面內若遇到黏土—砂土地層交界面，則容易出現進土不均、軸線控制難度大等問題，且在加固區內推進速度非常緩慢，在日本屬于已淘汰技術。

為提高類矩形盾構的地層適應能力和沉降控制能力，必須采用100%全斷面切削的刀盤。根據類矩形盾構的特點，借鑒具有長期使用經驗的雙圓盾構和偏心多軸刀盤矩形頂管，形成前后錯層布置的“2X+I”刀盤方案。其中，“X”為輻條式主刀盤，雙刀盤并列于前方；“I”為4曲軸偏心多軸刀盤，布置于主刀盤后方，完全填補主刀盤的切削盲區。類矩形盾構刀盤布置如圖8所示。

圖8 類矩形盾構刀盤布置Fig. 8 Layout of cutterhead of quasi-rectangular shield

這一刀盤與驅動系統最大的設計難題在于“2X”刀盤的運動同步控制。由于左右兩側地層差異和機械結構不可能完全一致，兩側刀盤會逐漸產生相位差，達到一定程度時可能會發生刀盤碰撞的致命后果。為此，利用實體驅動總成模擬各種工況進行試驗，最終通過自主研發的軟硬件實現了在雙刀盤運動中閉環控制相位差，實時動態調整，比日本雙圓盾構超差停機、靜態調整的方法更加高效。

這一新型刀盤系統在試驗工程中經受了考驗，在單軸抗壓強度大于1 MPa的進出洞加固區、拔樁后回填的軟硬不均勻地層、承載力僅40 kN/m2的淤泥質地層均實現了順利推進。

偏心多軸刀盤存在堅硬地層切削速度低、刀盤后方攪拌作用差等缺點，國外目前基本不再采用。隨著新一代軟件控制異形刀盤驅動技術的研發，未來有望進一步提高全斷面切削異形刀盤的地層適應能力，擴大適用范圍。

3.3殼體鉸接與密封

類矩形盾構既要適應老城區線路曲折多變，轉彎半徑往往接近規范極限的要求，又要盡量減少小半徑曲線推進時的地層損失；因此，必須設置殼體鉸接結構。

類矩形盾構的橫徑達到了11.83 m，鉸接系統行程差較大，異形殼體加工精度也比圓盾構更難以控制，對密封材料要求更高，在以往類似的矩形頂管中出現過鉸接密封滲漏的問題。

經過多方案比選和密封結構實際耐壓能力測試(見圖9)，最終選用左右行程1.0°、上下行程1.5°、總推力8萬4 800 kN的主動鉸方案。密封系統包括1道齒型密封、1道可更換應急密封以及止漿鋼板刷。其中，可更換應急密封經測試在主密封完全失效的情況下可單獨抵抗0.3 MPa的水壓，且可從盾構內部更換，進一步提高了施工安全性。

圖9 密封結構實際耐壓能力測試Fig. 9 Test of compressive strength of sealing structure

3.4環臂式拼裝機

從表面上看，類矩形盾構與雙圓盾構有相似性，可以沿用雙圓盾構的拼裝機。實際上，類矩形盾構隧道具有拱頂和仰拱，普通拼裝機徑向行程無法滿足“T”型塊拼裝要求，同時，整體拼裝的立柱長度達5 220 mm(雙圓盾構僅3 500 mm)，在隧道空間內必須進行復雜的翻轉運動才能豎起和插入，套用雙圓盾構的雙頭拼裝機也無法滿足拼裝要求。

經多方案比選，采用全新結構的六自由度環臂式拼裝機，如圖10所示。這種拼裝機結構本質上是回轉盤體上附著一只多自由度機械臂[2]，所以能夠在占用空間不變的情況下大幅度提高工作范圍，完成管片拼裝。

圖10 六自由度環臂式拼裝機[3]Fig. 10 Ring-arm segment erector with 6 free degrees[3]

環臂式拼裝機的新構造帶來了控制方面的困難。普通拼裝機輕易可實現的圓周徑向運動，而環臂式拼裝機必須采用盤體回轉和機械臂擺動2個運動疊加擬合；因此，必須開發自動控制系統，以便于工人操作。此類協調不同類型動作機構的重載、高精度伺服控制系統研制較為困難，經多次模擬試驗，最終投入使用的控制系統已經達到直線運動時波動不超過0.5 mm的擬合精度，且具有半自動控制功能，可按程序將管片大致送到拼裝位置，定位精度±100 mm，為日后加裝閉環控制，實現全自動拼裝打下了基礎[4-5]。

由于“科研—設計—施工一體化”的管理模式帶來的高效率，加上研究團隊有比較豐富的技術積累，類矩形盾構裝備研發設計僅耗時3個月，9個月內首臺樣機即完成廠內驗收。日本專家對此評價道： 日本研制此類盾構并不困難，但在9個月內完成是不可能的。

4 施工關鍵技術

與普通盾構和雙圓盾構施工技術相比，類矩形盾構施工既有普遍性也有特殊性，相應施工技術的研究和應用可分為2個層次。首先，解決新型隧道的基本施工工藝問題，包括軸線和轉角控制、管片拼裝優化、同步注漿等問題；其次，在雙圓盾構施工經驗基礎上進一步提高沉降控制能力，解決好寧波地區盾構隧道普遍存在的隧道上浮問題，以適應實際工程環境。

4.1同步注漿技術

以往雙圓盾構在使用過程中暴露出地層沉降控制效果不穩定的缺點，很大程度上是由于它采用了兩點注入的雙液漿同步注漿工藝，不符合軟弱的淤泥質地層，也不適應我國注漿材料的供應現狀。

為將同步注漿系統的設計和施工從經驗積累上升到理論，采用了光滑粒子流體系學(SPH)無網格分析—模擬注漿試驗—現場驗證的方法對同步注漿問題進行研究。

SPH模擬分析揭示，同步注漿在異形盾殼周圍并非是均勻擴散的，而是與漿液材料、表面位置等因素有著復雜的關系，同步注漿點位均勻布置是不合理的。因此，類矩形盾構設置了8點非均布同步注漿管，見圖11。

(a) 100 s

(b) 800 s

Fig. 11 3D grouting mode of shield tail ring of quasi-rectangular shield under standard hole position at different time zones

在數值模擬的基礎上，借助國家泥水盾構工程中心試驗平臺，首次采用透明管節進行可視化同步注漿模擬試驗(見圖12)。試驗清晰地驗證了SPH分析得出的同步注漿“水波狀”擴散規律，類矩形盾構注漿系統見圖13，測得了同步注漿對成型隧道的附加荷載影響規律，如圖14所示。

(a) 模擬透明管片

(b) 注漿壓力采集傳感器

Fig. 12 Visible simultaneous grouting simulation by transparent tube segments

(a) 注漿流淌路徑

(b) 注漿孔位布置

在上述試驗結果的指導下，經優化的同步注漿工藝在實際施工中效果良好，盾尾脫出后地層沉降平穩且收斂較快。同時，同步注漿有效地抑制了隧道的上浮趨勢，實測隧道上浮量優于同類地層中的普通地鐵隧道，一般不超過30 mm，最大不超過50 mm。

圖14 同步注漿對成型隧道的附加荷載影響規律

Fig. 14 Influencing laws of simultaneous grouting on additional load of formed tunnel

4.2管片拼裝仿真與工藝優化

類矩形盾構的管片設計和拼裝機配置允許采取2種模式拼裝管片： 最后拼裝立柱的方案A和最后拼裝封頂塊的方案B。

在實際施工前，采用誤差概率模型進行有限元計算，對方案A和方案B進行拼裝效果對比，其中立柱LZ和封頂塊F拼裝可用間隙概率對比，見圖15和圖16。可見，方案B具有更好的平均拼裝間隙，因拼裝間隙過小，強行擠壓造成管片損傷的概率更低。

(a) LZ插入間隙頻率圖

(b) F塊插入間隙頻率圖

(a) LZ插入間隙頻率圖

(b) F塊插入間隙頻率圖

實際施工中也是采用方案B，管片拼裝時基本未發生碎裂的情況，較雙圓盾構明顯改善。

4.3盾構軸線控制

類矩形盾構在軸線控制方面的特點是除水平、垂直軸線控制外，還必須嚴格控制盾構和隧道的轉動[6]。結合以往雙圓盾構和矩形頂管施工的經驗，先后嘗試了①大刀盤正反轉、②偏心刀盤正反轉、③螺旋機出土量、④千斤頂編組、⑤單側壓重、⑥殼體單液漿壓注等多種手段。其中，②效果不明顯，③與④組合使用有一定的效果，⑥效果明顯但容易產生漿液流入土艙，影響排土。最終以措施①和⑤為主，在轉角產生之初盡快反轉刀盤，如果趨勢持續發展，可采用單側壓載措施。實際工程中將最大轉角控制在14′以內。

綜合應用上述措施后，施工工藝各環節均得到了有效地把控，地面沉降也得到了很好地控制，總體表現優于同類地層的普通盾構，達到了預期的目的。

5 試驗工程與施工效果

試驗工程位于寧波市軌道交通3號線高塘橋站南側接出入段線，類矩形盾構段長390.3 m，區間隧道縱坡最大坡度35‰，最小平曲率半徑400 m，隧道頂部埋深2.5～10.46 m，如圖17所示。

隧道斷面內主要地層均為軟土，其中大部分斷面位于流塑狀②2a層淤泥、②2b層淤泥質粉質黏土層，承載力極低，靈敏度高，如表3所示。

圖17 試驗工程縱剖面圖Fig. 17 Profile of project

表3 矩形盾構段及明挖段各土層物理力學指標Table 3 Physico-mechanical indexes of every soil layer of quasi-rectangular shield-bored section and open-cut section

試驗段盾構掘進共計326環，共分為8個試驗段，如圖17所示。其中包括400 m半徑曲線推進、流塑淤泥質地層淺覆土推進(<3.5 m)，極淺覆土穿越河流推進(設抗浮板，<2.5 m)，淺覆土下穿使用中的正宇電機廠房(3層磚混結構，條形基礎)等困難工況的施工。2015年11月30日類矩形盾構始發，中途由于接收井場地協調問題，經歷了數次停頓，于2016年11月11日盾構進洞，工程達到了預期效果，體現在：

1) 成型隧道平面、高程偏差均控制在±100 mm以內，橫向、縱向收斂累計變量全部控制在±5 mm以內，后期沉降穩定。

2) 隧道質量優良，達到一級防水標準，隧道貫通后實景見圖18。

3)沉降控制效果優于寧波地區普通盾構施工水平，如盾構在正宇電機廠正下方穿越后長期沉降控制在30 mm以內，如圖19所示。

圖18 隧道貫通后實景Fig. 18 Completed tunnel

圖19 試驗段沉降情況(2016年)Fig. 19 Settlements of test section in 2016

6 結語

目前，類矩形盾構法隧道技術體系研究的第一階段內容已經完成驗收。該臺類矩形盾構“陽明號”在完成試驗工程之后，經過升級改造并在寧波地鐵4號線穿越老城區的區間內正式掘進。而另外一臺類矩形盾構“陽明2號”已經完成加工制造，等待投入寧波地鐵2號線2期工程中。可以期待不久的將來，這一新的技術體系將為我國地鐵建設提供一種全新的單峒雙線隧道類型，以解決都市核心區和老舊城區“地下空間擺不下、鄰近設施碰不起”的普遍問題。

此外，本項目所采用的“科研—設計—施工一體化”模式所體現的科技成果轉化高效率是罕見的。找到了從裝備研發入手，打破設計、施工、裝備制造之間的行業隔閡，高速推動我國地下工程技術邁向世界領先水平的方法。

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DevelopmentandApplicationofKeyTechnologiestoQuasi-rectangularShieldTunneling

ZHU Yaohong1, ZHU Yanfei2, HUANG Dezhong2, YANG Zhihao3, LIU Xian4, LIU Shuang2

(1.NingboRailTransitGroupCo.,Ltd.,Ningbo315101,Zhejiang,China; 2.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China; 3.ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200235,China; 4.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

U 45

A

1672-741X(2017)09-1055-08

2017-04-17;

2017-08-25

朱瑤宏(1960—)，男，浙江寧波人，1986年畢業于西南交通大學，鐵路與橋梁工程專業，碩士，教授級高級工程師，主要從事鐵路、橋梁、隧道工程等領域的安全技術工程管理及施工技術研究工作。E-mail: 406905816@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.001