黃土隧道馬蹄形盾構工法選擇及應用

申志軍， 夏 勇

(1． 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

黃土隧道馬蹄形盾構工法選擇及應用

申志軍1， 夏 勇2

(1． 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

目前鐵路隧道施工以礦山法為主，但在黃土等軟弱圍巖隧道施工時風險大、進度慢；而盾構法已在地鐵、水下隧道等軟弱地層中得到了廣泛應用。針對蒙華鐵路砂質新黃土隧道： 1)通過礦山法與盾構法比較確定采用盾構法施工。2)從開挖內輪廓、刀盤開挖特點、管片拼裝方式、管片受力及配筋4個方面對馬蹄形盾構隧道和圓形盾構隧道進行對比分析，得出馬蹄形盾構隧道的斷面利用率更高，馬蹄形管片與圓形管片受力有所差別而馬蹄形管片配筋量更低。3)介紹馬蹄形盾構設備概況，并對馬蹄形管片設計進行研究。4)例舉馬蹄形盾構掘進過程中遇到的防寒防凍、管片底部開裂和遇到含姜石的老黃土掘進困難等問題以及相應的處理措施。經過1年多的施工實踐證明，在黃土隧道馬蹄形盾構施工風險低，質量高，安全可靠。

黃土隧道; 馬蹄形盾構; 圓形盾構； 開挖內輪廓； 開挖盲區； 管片拼裝； 管片受力； 管片配筋； 低溫凍結； 管片開裂； 鈣質結核

0 引言

近30年，隨著盾構技術的逐步成熟，盾構隧道也正向著大斷面、深覆土方向發展，但其施工的技術難度和風險也隨之增加。目前國內外對大斷面盾構的研究主要集中在圓形盾構上[1-3]，因其具有設備和開挖簡單、推進軸線容易控制、隧道襯砌結構受力均勻等優點[4]，而對異形盾構的研究相對較少，但也取得了許多重大進展。

朱瑤宏等[5]基于寧波地鐵4號線工程,創新采用了“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，研究了類矩形盾構法隧道的襯砌結構設計方面和施工技術方面的關鍵技術，幫助解決都市核心區和老舊城區空間不夠的普遍問題。孫巍等[6]基于矩形盾構隧道的梁-彈簧模型計算法,從襯砌的外形、側壓力系數、接頭剛度等計算參數對襯砌受力的影響進行了研究。朱葉艇[7]基于原型三環管片力學加載試驗對異形盾構管片環向接頭彎矩傳遞系數進行了深入研究。李飛宇等[8]以應用世界首臺馬蹄形盾構施工的蒙華鐵路MHTJ-03標白城隧道為例,研究了負環管片拼裝中管片的定位與固定方式,并設計了馬蹄形管片在管片推出時的支護方式和工裝。黃田忠等[9]提出了一種新型的異形斷面盾構切削機構和電液比例控制系統方案。秦元[10]介紹了一種可防止異型盾構雙刀盤運行過程中在同一平面內發生干擾的同步控制方法，幫助盾構正常施工。董子博等[11]提出了一種基于狀態觀測器的刀盤驅動系統等效轉動慣量實時辨識方法。張子新等[12]研究了多種因素對異形盾構縱向力學性能的影響。鄭中山等[13]介紹了新型異形斷面管片拼裝機系統的基本機構、工作原理和設計方案,并對拼裝機進行了運動學和動力學仿真分析，研究了預應力對懸臂梁結構的固有頻率的影響。吳笑偉等[14-15]運用機構學原理,對異形盾構的連桿與驅動輸入之間的規律以及約束條件進行了研究。薛廣記等[16]對應用于白城隧道的大斷面、深覆土條件下的馬蹄形盾構進行了研發與相關結構設計。

綜上所述，國內外在大斷面圓形盾構的工程實踐和技術研究方面相對比較成熟，而在空間利用率較高的異形盾構領域,在矩形、類矩形和雙圓盾構方面有一定研究和工程實踐,但其適用性受到限制,特別在隧道埋深較大、承受較大覆土壓力時，其結構形式將不再適用[17]。馬蹄形盾構在小斷面、敞開式施工方面有個別應用，但在大斷面隧道施工中基本處于空白。本文針對具有較高空間利用率，又能適應深覆土、大跨度工況的馬蹄形盾構工法進行研究并總結其應用情況，以期拓展異形盾構施工領域，并推動隧道技術不斷進步。

1 工程概況

1.1 工程地質

蒙華鐵路白城隧道全長3 345 m，盾構法施工段長2 960 m,為雙線隧道，位于陜西省靖邊縣內，毛烏素沙漠邊緣。地貌屬黃土剝蝕丘陵，最大埋深約81 m，洞身工程地質為砂質新黃土，性質為稍密—密實、稍濕、局部具針孔狀孔隙、局部含黑色鐵錳質結核，層厚3.8～85.0 m，在隧道區域內廣泛分布。隧道地表稍密的砂質新黃土具有濕陷性。隧道進口表層分布風積沙，距出口約300 m處存在風積沙，性質為松散、稍濕，礦物成分以石英、長石為主。隧道下穿包茂高速公路段覆土厚約27 m。

1.2 水文地質

1.2.1 地表水

地表水不發育，勘測期間未發現地表水。

1.2.2 地下水

勘測期間，未見地下水，地下水位于隧道洞身以下。周邊未發現泉、井。雨季部分段落可能含水量增大，或出現少量流水。最大年降水量為546.3 mm，平均降水量為388.7 mm，采用降雨入滲法計算隧道涌水量，預計最大涌水量為677 m3/d。

2 施工工法比選

在山嶺隧道中，開挖方法以礦山法為主，主要因為礦山法的適用范圍廣泛、斷面選擇自由度大，也較為經濟。白城隧道，由于洞身工程地質為稍密稍濕、局部具空隙的砂質新黃土，進口表層分布松散的風積沙，因此需要多種輔助工法和大剛度的支護，施工安全風險高、勞動強度大、進度慢。

盾構法在城市淺埋地層和跨江越海隧道的施工中得到了大量應用，盾構的斷面形式以圓形為主，尤其針對雙線大斷面隧道，大部分采用大斷面圓形盾構。國際上也有采用雙圓甚至三圓土壓平衡盾構的先例，但存在開挖斷面加大、受力效果差和支護構件增加的劣勢。受大量異形盾構工程啟發，提出了采用盾構法施工白城隧道的設想。若采用盾構法，則首先需要研究盾構法的適用性，并進行機型選擇；在此基礎上，還需要對盾構工法和礦山法進行綜合比選，以選出合理的設計和施工方案。

2.1 盾構法的工程適用性與機型選擇

白城隧道主要穿越地層以砂質新黃土為主，細顆粒含量足夠，天然含水量較低，弱透水(新黃土滲透系數為2.9×10-6～7.8×10-6m/s)。隧道黃土地基承載力大于200 kPa，盾構主機總重與盾體投影面積比值(40 kPa)小于該數值，能夠保證主機掘進過程中不會下沉，滿足盾構法施工要求。

采用土壓平衡盾構掘進時，易于獲得流塑性良好的碴土，建立土艙的平衡壓力，掘進時能夠有效控制地表沉降。考慮到城市地鐵黃土地層土壓平衡盾構施工已經有成功經驗，且土壓平衡盾構綜合投資要低于泥水平衡盾構，因此白城隧道若采用盾構，則應選擇土壓平衡盾構。

2.2 礦山法與盾構法方案比選

礦山法與盾構法的對比分析見表1。

表1 礦山法與盾構法比較

由表1可知，盾構法由于存在初期的盾構研發費用和制造成本，在考慮較高的機械折舊率情況下，投資較礦山法略高。但盾構法施工在安全、質量、環保、工期和近接影響上有明顯優勢，因此經補充地質調查、專家論證和綜合研究，確定采用盾構施工工法。

3 馬蹄形盾構與圓形盾構對比分析

鐵路隧道一般為馬蹄形斷面，因此若采用馬蹄形盾構進行施工，與圓形斷面相比，其斷面面積小，空間利用率高，投資有所降低。

3.1 內輪廓對比分析

馬蹄形盾構能適應各種不同斷面，尤其在不規則斷面中優勢更為明顯，在常規雙線隧道中馬蹄形盾構能節省斷面面積約10%，在單線斷面、矩形斷面的不規則斷面中則斷面節省優勢更大。

馬蹄形內輪廓和圓形內輪廓的凈空尺寸和限界關系見圖1。2種斷面的凈空面積比較見表2。可以看出，采用馬蹄形斷面較圓形斷面內輪廓可減少約7.1 m2，減少部位為圓形斷面仰拱底部混凝土仰拱填充，馬蹄形斷面可顯著減少傳統圓形盾構的仰拱底部混凝土圬工方，較圓形斷面節省投資。

3.2 刀盤開挖對比分析

圓形盾構為面板式開挖刀盤，開挖不存在盲區，刀盤適應地層相對較為廣泛。馬蹄形盾構刀盤為多個小型刀盤組成，其特點是小刀盤對地層擾動較小，且小刀盤轉矩較小，設備構件較容易實現國產化，缺點是由于存在盲區，目前只適合在軟土中施工，對于硬質地層施工還需要進一步深化研究，以減小或消除開挖盲區。

(a) 馬蹄形

(b) 圓形

Table 2 Comparison between horseshoe-shaped shield and circular shield in terms of clearance (ballastless) m2

3.3 管片拼裝方式對比分析

圓形盾構目前一般采用通用環管片拼裝方式居多，而馬蹄形盾構由于斷面不規則，無法采用通用環模式，一般直線地段采取“奇數環+偶數環”拼裝方式，曲線地段需按照“左轉環+右轉環+直線環”的模式，因此馬蹄形盾構管片類型相對偏多，其糾偏能力及防翻滾能力也較圓形盾構管片要弱。

3.4 管片受力及配筋對比分析

3.4.1 管片受力特點對比

馬蹄形盾構的每環管片位置是相對固定的，因此每環管片按照其受力形態配筋即可，每環管片配筋均不一樣，存在較大差異性。

圓形盾構由于通用環布置，其管片配筋是按照內力計算圖中內外側最大受力來進行配筋的，各環管片配筋無差異，因此，個別部位的管片配筋存在一定浪費。

3.4.2 管片受力對比

馬蹄形和圓形盾構由于結構形式有所差別，所以在相同地層條件下，管片內力有所差別。經荷載結構模型計算，分別模擬淺埋、中埋、深埋3種斷面工況，對比分析2種盾構所受內力。

3.4.2.1 淺埋斷面

在淺埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構管片彎矩和軸力見圖2和圖3，彎矩對比見表3，軸力對比見表4。

圖2 淺埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 2 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under shallow-buried condition (unit: kN·m)

圖3 淺埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 3 Sketch of bending moment of circular segment under shallow-buried condition (unit: kN·m)

表3淺埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 3 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under shallow-buried condition in terms of bending moment kN·m

表4淺埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 4 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under shallow-buried condition in terms of axial force kN

由淺埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由438.8 kN·m增大到564.2 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由375.5 kN·m減小到80.22 kN·m。

由淺埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.2 中埋斷面

在中埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構彎矩和軸力見圖4和圖5，彎矩對比見表5，軸力對比見表6。

由中埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由529.3 kN·m增大到833.7 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由483.0 kN·m減小到103.9 kN·m。

圖4 中埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 4 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under medium-buried condition (unit: kN·m)

圖5 中埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 5 Sketch of bending moment of circular segment under medium-buried condition (unit: kN·m)

表5中埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 5 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under medium-buried condition in terms of bending moment kN·m

表6中埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 6 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under medium-buried condition in terms of axial force kN

由中埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.3 深埋斷面

在深埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構彎矩和軸力見圖6和圖7，彎矩對比見表7，軸力對比見表8。

圖6 深埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 6 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under deep-buried condition (unit: kN·m)

圖7 深埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 7 Sketch of bending moment of circular segment under deep-buried condition (unit: kN·m)

表7深埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 7 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under deep-buried condition in terms of bending moment kN·m

表8深埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 8 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under deep-buried condition in terms of axial force kN

由深埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由371.7 kN·m增大到518 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由302.2 kN·m減小到75.92 kN·m。

由深埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.4 馬蹄形管片受力現場測試

1)中埋斷面和深埋斷面馬蹄形管片受力測試結果見圖8和圖9。

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

Fig. 8 Stress of horseshoe-shaped shield segment under medium-buried condition

2)馬蹄形管片受力分析：

①隧道拱頂、拱底為正彎矩，最大正彎矩基本都出現在拱頂，最大負彎矩出現在左右拱腰及左拱腳處；隧道各斷面橫向的最大軸力基本出現在隧道兩側，均為壓力。

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

Fig. 9 Stress of horseshoe-shaped shield segment under deep-buried condition

②在管片脫出盾尾后，管片內力均迅速增大，之后內力變化呈現一定波動，最后趨于穩定。

③通過現場實測與設計計算對比分析，管片軸力均為壓應力，大小較為接近；實測彎矩較小，與設計計算差異較大，從量測數據來看，隧道結構屬于小偏心受壓構件，因此管片配筋仍然有進一步優化的余地。

3.4.3 管片配筋對比

馬蹄形管片和圓形管片配筋對比見表9。

表9馬蹄形管片和圓形管片配筋對比

Table 9 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment in terms of steel bar arrangement

kg/m3

從配筋對比來看，圓形斷面由于通用環布置，其管片配筋是按照內力計算圖中內外側最大受力來進行配筋的，因此配筋用量較馬蹄形盾構要高。

4 馬蹄形盾構概況及管片設計

4.1 馬蹄形盾構概況

馬蹄形盾構于2015年11月開始設計、制造，于2016年7月11日在鄭州下線，并于2016年11月11日在白城隧道進口始發。

馬蹄形盾構刀盤高10.95 m、寬11.9 m，盾體采用雙螺旋輸送機出土，是世界最大尺寸的異形掘進機。馬蹄形盾構刀盤布置如圖10所示。刀盤采用9個小刀盤共同組成一個馬蹄形斷面的創新組合方式，可實現全斷面切削； 9個刀盤采用“前后錯開、左右對稱”的布置原則，既可同時轉動，也可單個轉動、任意組合轉動、不同方向轉動，有調試、掘進、維保3種模式可供選擇；當盾構發生滾轉時，可通過多個刀盤同向轉動使盾構獲得反方向的轉矩，以達到滾轉糾偏的目的。由于盾構刀盤分為9個小型刀盤，刀盤轉矩相對較小，其軸承目前均可實現國內生產。

圖10 馬蹄形盾構刀盤布置

4.2 馬蹄形管片設計

1)管片襯砌。綜合考慮地層條件以及大直徑盾構施工經驗，盾構管片采用單層襯砌、鋼筋混凝土管片類型。

2)管片寬度。管片寬度的選擇需綜合考慮結構受力、防水、盾構機械能力、線路曲線以及掘進速度等要求。管片環寬過大不利于施工運輸和拼裝；管片環寬過小則增加接縫長度和拼裝次數，降低施工速度，增大接縫處滲漏水的風險。由于管片內輪廓非圓形，采用真空吸盤吊裝困難，選擇采取機械抓取吊裝，這對吊裝能力有一定的要求。結合目前國內機械抓舉吊裝經驗，將管片吊裝質量要求控制在10 t左右。

綜合考慮上述因素，本次設計管片寬度取環寬 1 600 mm。

3)管片分塊。襯砌環的分塊在滿足施工機械能力的前提下，應盡量減少縱向、環向接縫。管片分塊需考慮因素為管片的拼裝形式、盾構的拼裝能力、縱向螺栓的位置分布等。管片的分塊方案主要有3種： 封頂塊等分方案、1/2封頂塊方案、1/3封頂塊方案。考慮目前國內大直徑盾構隧道管片多采用1/3封頂塊方案，決定采用1/3封頂塊方案。

經綜合分析比較，考慮到施工的便利性、管片的力學特征、對盾構拼裝設備的要求等方面，本次設計研究了“7+1”、“8+1”管片劃分模式。每塊管片的圓心角根據襯砌不同曲線擬定，“7+1”方案最大塊質量為9.23 t，最小塊質量為3.08 t。“8+1”方案最大塊質量為8.12 t，最小塊質量為2.71 t。“7+1”塊結構剛度大、對結構變形控制有利，而拼裝難度相對略大，但在盾構拼裝能力允許的前提下，分塊數越少，對結構越有利，安裝節奏越快。因盾構拼裝能力按照10 t進行設計，滿足“7+1”拼裝要求，因此確定采用“7+1”分塊模式。管片設置奇偶環，無楔形量，采取錯縫拼裝，管片混凝土等級C50，抗滲等級P10。管片連接采用螺栓連接，環向44顆RD30螺栓，縱向16顆RD36螺栓，機械性能等級為8.8級。

4)管片配筋設計。盾構管片按照覆土厚<1.5D、1.5D～2.5D、≥2.5D(D為盾構寬度) 3種條件，采用均質圓環法、梁-彈簧模型分別進行管片配筋計算，以最不利受力狀況進行了配筋設計。

5 馬蹄形盾構掘進遇到問題及措施

5.1 掘進基本情況

2016年11月11日馬蹄形盾構始發，截至2017年12月15日，累計掘進1 787環、2 859 m。盾構先后成功穿越淺埋層、天然氣管道、包茂高速等重大風險源地帶。最高單日掘進16 m(10環)，最高月掘進308.8 m，施工進度是礦山法的3倍以上。

盾構推力為5.0×104～7.9×104kN，推進速度為 12～21 mm/min。

5.2 掘進遇到的問題及對策

5.2.1 冬季連續皮帶機防凍對策

白城隧道連續皮帶機總設計長度為3 km，根據施工安排，冬季也將進行盾構掘進施工。為防止冬季低溫凍結碴土及連續皮帶機，造成停機，必須對連續皮帶機進行防護保溫。結合現場實際情況，主要采取了以下應對措施，并取得了良好效果。1)冬季施工前完成皮帶機防護罩安裝，增加供暖設施，見圖11； 2)研究防凍型碴土改良外加劑； 3)加強工序銜接，避免人為因素造成的停機。

(a)

(b)

5.2.2 管片開裂

5.2.2.1 概況

白城隧道馬蹄形盾構掘進前期，管片存在破損、裂縫現象，對發生問題的部位進行認真分析調查并及時采取相應處理措施。

前期破損位置基本呈現在3點、5點、7點、9點位置，見圖12和圖13，上述部位在管片脫出盾尾后均出現不同程度的破損、裂縫情況。破損的具體情況大多為管片接縫位置沿縱向、從前向后于內弧表面發生規律性整塊破碎，破損深度為 2～20 cm。

5.2.2.2 原因分析

1)盾構姿態與管片姿態不相匹配，管片的環面與盾構推進方向存在夾角，其合力作用下的管片部位發生破碎。

2)管片脫出盾尾殼后，在同步注漿作用下，管片呈現整體上浮現象，底部上鼓，導致凹凸榫處應力集中，產生壓剪破壞。

3)凹凸榫處加強筋施作時預留的鋼筋保護層厚度偏大。

5.2.2.3 處理措施及效果

處理措施： 1)嚴格控制盾構行走姿態。2)對已預制管片進行植筋，見圖14。3)同步注漿中添加AB液，控制同步注漿漿液凝固時間，見圖15。4)未預制管片增設角部鋼筋，提高抗剪能力。

(a) 偶數環

(b) 奇數環

圖13 現場管片開裂照片

圖14 管片植筋

(a) AB液配置

(b) 同步注漿控制

處理效果： 在采取上述措施后，管片開裂現象已得到控制。

5.2.3 遇到鈣質結核推進困難

5.2.3.1 概況

2017年6月9號盾構掘進到第900環時地質開始發生變化，碴土中出現少量鈣質結核體及堅實的老黃土土塊，該段掘進還處于可控狀態。6月22日盾構推力逐漸加大(7.2×104kN升至8.5×104kN)，導致螺旋機轉矩增大并發生斷裂。7月12日螺旋輸送機修復完成，恢復掘進(第1 045環)初期推力即居高不下(達8.5×104kN以上)，掘進速度基本維持在8～10 mm/min；后續掘進中推力持續增大，最大推力達9.2×104kN，同時底部4號、5號、6號刀盤幾乎無轉矩，且盾構姿態出現上浮跡象，碴土中大塊老黃土及結核塊增多；在7月17日掘進第1 064環時，盾構推力達9.0×104kN以上，刀盤轉矩極低且掘進速度幾乎為0。由于掘進中添加了膨潤土改良劑，懷疑刀盤被糊住，開艙后發現刀盤正常，掌子面底部往上2～3 m為黏質老黃土夾姜石、3～7 m為黏質老黃土。實驗室測得姜石塊無側限抗壓強度為2.06 MPa。

5.2.3.2 原因分析

馬蹄形盾構刀盤由9個大、小刀盤組成，刀盤切割存在盲區(見圖16)，盲區主要依靠盾構殼周邊切刀切割，底部盲區較大，且底部分布含姜石的黃土塊，強度較高，切刀無法切動，導致盾構推力加大，但掘進速度幾乎為0。

圖16 馬蹄形盾構盲區示意

5.2.3.3 處理措施及效果

處理措施： 1)在土艙底部5點和7點位置增加圓錐形分碴器，破壞此處掌子面老黃土塊。2)為防止碴土在5號刀盤中心旋轉軸下部集結，取消底部攪拌器，并在原攪拌器中間位置增加大型分碴器(見圖17)，便于碴土直接排到螺旋輸送機口，保證出土順暢。

圖17 分碴器

處理效果： 設置分碴器后，盾構推力下降到5.0×104kN左右，盾構推進正常，日管片成環約10環。

6 結論與建議

本文針對蒙華鐵路砂質新黃土白城隧道，通過礦山法與盾構法比較、馬蹄形盾構與圓形盾構比較，提出了馬蹄形盾構隧道的設想，介紹了世界首臺大斷面馬蹄形盾構概況，對馬蹄形斷面的管片結構進行了針對性設計，并進行了施工實踐。結論如下：

1)通過白城隧道礦山法與盾構法比較，盾構法施工在安全、質量、環保、工期和近接影響上有明顯優勢，但在考慮較高盾構折舊率的情況下，投資較礦山法略高。

2)采用馬蹄形盾構較圓形盾構內輪廊減小約7.1 m3，可降低工程造價。通過對比淺埋、中埋、深埋3種斷面工況盾構受力情況，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、連墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大；二者各處軸力沒有明顯差別。通過結構計算，馬蹄形盾構管片配筋率小于圓形盾構。

3)馬蹄形盾構管片設計采用單層襯砌、鋼筋混凝土管片類型，環寬1 600 mm，采用“7+1”管片劃分模式和 1/3封頂塊方案。

4)施工過程中，為預防碴土凍結采取皮帶防護罩，對出現的少量開裂采取AB液同步注漿、增加配筋、控制掘進姿態等措施，遇到含姜石老黃土增加分碴器等措施，解決了施工中遇到的難題。施工實踐證明，馬蹄形盾構在黃土隧道施工風險低，質量高，安全可靠，施工速度是礦山法的3倍以上。

作為一種全機械化的鐵路黃土隧道施工新方法，馬蹄形盾構為山嶺隧道施工提供了新思路、新方法，創新了隧道機械化施工新模式，在類似地質和埋深條件的隧道工程施工中具有較大工程應用價值和推廣意義。

需要指出的是，由于地質的不確定性，在山嶺土質隧道采用盾構法施工時，也面臨著較大的風險，因此需要進行詳細的地質勘察，摸清全隧地質情況，進而采取相應的施工措施。同時，盾構引入山嶺隧道后，對于不同埋深的受力計算，還需進一步研究。

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亞洲最長黃土砂質隧道——蒙華鐵路萬榮隧道貫通

由中鐵十二局集團有限公司承建的亞洲最長黃土砂質隧道——蒙(西)華(中)鐵路萬榮隧道于2017年11月20日貫通，這條世界上一次建成里程最長的重載鐵路迎來重要節點。

萬榮隧道是國內首條采用46 m仰拱棧橋、初期支護一次成環、水平旋噴鉆機超前加固等工藝聯合施工的隧道。

據了解，這座長7 683 m的隧道于2015年5月25日開工后，就一直與高風險搏斗。隧道97%以上是新黃土和粉細砂地層，打隧道就像在沙丘上掏洞一樣艱難，常常是開挖一方，流出一堆。為了讓松散的砂層變成硬殼，采取了超前地質預報、超前支護、超前加固，工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌質量到位，加強監控量測的“三超前、四到位、一加強”的管理措施，投入2 561萬元購買超前水平高壓旋噴設備，將砂層加固，起到了防流砂、抗滑移、防滲透作用，攻克了粉細砂地層開挖技術難題，也創造了世界同類型隧道的掘進紀錄，將施工效率提高了1倍。

在萬榮隧道施工過程中，中鐵十二局集團有限公司取得了14項科技創新成果，與西南交通大學聯合研究“格柵拱架優化及加工工藝改進技術”，通過對不同型號拱架結構進行力學試驗，優化格柵拱架主筋、8字筋，每榀拱架可節約鋼材200 kg，實用前景非常廣闊。在隧道掌子面，濕噴機械手、一次性澆筑 24 m 仰拱的自行式棧橋、霧化式養護臺架、二次襯砌端頭模板、挖掘機松土器、銑挖機等構成了機械化的“強大陣容”。

萬榮隧道貫通后，蒙華鐵路又一關鍵性控制工程銷號，為全線2019年12月建成通車奠定了基礎。

(摘自 搜狐網 http://www.sohu.com/a/211713763_118392 2017-12-20)

SelectionandApplicationofHorseshoe-shapedShieldtoLoessTunnel

SHEN Zhijun1, XIA Yong2

(1.Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China; 2.ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

At present, the mining method, with high risk and low advancing speed in loess, is the main construction method for railway tunnels. However, the shield method has been widely used in metro and underwater tunnels. In this paper, the sandy new loess tunnel on Menghua Railway is taken for example. 1) The shield method is chosen by comparing to mining method. 2) Comparison is made between horseshoe-shaped shield tunnel and circular shield tunnel in terms of excavation inner contour, excavation characteristics of cuterhead, segment assembling mode and stress and steel bar arrangement of segment. It is shown that the horseshoe-shaped shield tunnel has a higher utility rate of cross-section comparing to circular shield tunnel; the stresses of horseshoe-shaped segment and circular segment are different; but the steel bar arrangement of horseshoe-shaped segment is lower than that of circular segment. 3) The general situation of horseshoe-shaped shield is presented; and the design of horseshoe-shaped shield segment is studied. 4) The difficulties, i.e. freezing prevention, cracks on segment bottom and calcareous concretion in old loess tunnel, encountered during horseshoe-shaped shield tunneling and corresponding countermeasures are put forward. The practice and application of horseshoe-shaped shield indicate that the horseshoe-shaped shield tunneling in loess tunnel can reduce the construction risk, improve the construction quality and guarantee the construction safety.

loess tunnel; horseshoe-shaped shield; circular shield; inner contour of excavation; excavation blind area; segment assembly; segment stress; segment steel bar arrangement; low temperature frozen; segment crack; calcareous concretion

2017-04-07

申志軍(1971—)，男，河南杞縣人，1996年畢業于西南交通大學，地下工程與隧道工程專業，工程碩士，教授級高級工程師，主要從事隧道工程技術與科研工作。E-mail： szj71@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.003

U 455.43

A

2096-4498(2017)12-1518-11