大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)綜述及展望

于少輝， 高 毅， 李 洋， 程 鵬， 王全勝

(中鐵工程裝備集團有限公司地下空間設(shè)計研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

城市地下空間開發(fā)市場巨大。城市地下空間的合理利用對于改善城市環(huán)境、建設(shè)宜居城市、提高城市綜合承載能力具有重要意義，其已成為推動中國新型城鎮(zhèn)化、大型現(xiàn)代化城市再造、城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

大型矩形斷面地下空間開發(fā)建造技術(shù)亟待創(chuàng)新。地鐵車站、多艙綜合管廊、地下商業(yè)、地下車庫、多車道地下快速路等，大多埋深較淺，位于土層或軟弱巖地層內(nèi)，一般為矩形斷面，其相比圓形斷面，空間利用率更高，結(jié)構(gòu)受力更合理，通常采用明挖法施工，若不具備明挖條件，也可采用暗挖法施工。明挖法具有施工技術(shù)簡單、快速、經(jīng)濟及主體結(jié)構(gòu)受力較好等特點，但在既有城區(qū)內(nèi)采用明挖法施工，需要進行大量的征地拆遷、管線改遷、綠地移植、交通導(dǎo)改，加劇了城市交通擁堵和環(huán)境污染，影響了市民的正常生活。常用的暗挖法有CRD工法、PBA工法、管幕工法等，能有效避免大面積露天開挖，減小對周邊環(huán)境的影響[1-5]；但是，此類工法存在臨時設(shè)施廢棄量大、工作環(huán)境惡劣、人工作業(yè)量大、安全風(fēng)險高、效率低和成本高等問題。

在國內(nèi)外地下空間開發(fā)利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展、城市建設(shè)環(huán)保意識日益增強、建筑產(chǎn)業(yè)工人極度匱乏以及勞務(wù)人員工資激增等多種因素的影響下，與地下工程建設(shè)相關(guān)的“新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備”得以突飛猛進的發(fā)展。新型矩形斷面隧道掘進機的研制與成功應(yīng)用，為實現(xiàn)大型矩形斷面地下工程建設(shè)的安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保提供了多種解決方案[6]。本文從中選擇部分典型案例進行介紹，并對大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展方向進行初步構(gòu)想，以期為讀者提供一些啟發(fā)和參考。

1 矩形隧道全斷面建造技術(shù)

矩形隧道全斷面建造技術(shù)即采用與工程結(jié)構(gòu)斷面接近的大型設(shè)備通過全斷面施工的方式建造地下工程的技術(shù)。

世界上最早的矩形隧道是1826年開始建造的英國倫敦穿越泰晤士河底的公路隧道，隧道斷面為11.4 m×6.8 m。由于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道施工過程中2次被淹，后來在東倫敦地下鐵道公司的合作下，通過對盾構(gòu)施工進行改進，用氣壓輔助施工，于1843年完成了全長458 m的第1條盾構(gòu)法隧道。該項目開創(chuàng)了盾構(gòu)法建造地下工程的先河，但當(dāng)時的設(shè)備比較簡陋，采用人工掘進(見圖1)，工效相對較低，安全性也很差。

圖1 泰晤士隧道盾構(gòu)施工示意圖

日本有多個工程采用了矩形盾構(gòu)法進行施工。1999—2004年，在日本京都市地鐵東西線的六地藏北工區(qū)，采用矩形盾構(gòu)修建了長760.79 m的區(qū)間隧道[7]。矩形盾構(gòu)外包尺寸為10.24 m×6.87 m，采用的管片為鋼筋混凝土復(fù)合管片和鑄鐵管片(見圖2)，管片外包尺寸為9.9 m×6.5 m，壁厚550 mm，管片寬高比為1.52。

圖2 六地藏北工區(qū)盾構(gòu)管片圖(單位： mm)

2009—2012年，在日本東京首都圈中央聯(lián)絡(luò)車輛道路相?？v貫川尻隧道工程中，采用矩形盾構(gòu)修建了長417 m的往復(fù)段[8]。盾構(gòu)外包尺寸為11.96 m×8.24 m，襯砌管片為鋼纖維增強高流動混凝土管片(見圖3)，厚度為400 mm。

圖3東京首都圈中央聯(lián)絡(luò)車輛道路相?？v貫川尻隧道管片(單位： mm)

Fig. 3 Segment of Tokyo Capital Circle Tunnel (unit： mm)

2015年，上海建工集團研制了1臺10.1 m×5.3 m的土壓平衡矩形盾構(gòu)(見圖4)[9]，襯砌采用混凝土與鋼板的復(fù)合結(jié)構(gòu)(見圖5)，并用于上海虹橋臨空園區(qū)10-3、11-3地塊地下連接通道工程施工，掘進距離28 m。該矩形盾構(gòu)主要適用于地下通道和城市地下快速路工程施工。

單體矩形掘進機斷面尺寸不宜過大，現(xiàn)今既有成功案例的斷面寬度均在12 m以內(nèi)，適用于雙車道交通隧道、地下人行通道、地下綜合管廊等項目。

圖4 矩形盾構(gòu)

圖5 上海虹橋地下連接通道工程隧道管片(單位： mm)

Fig. 5 Segment of Shanghai Hongqiao Underground Connection Engineering (unit： mm)

2004年，新疆烏魯木齊采用20 m×6.2 m×7.8 m三聯(lián)體組裝形式的矩形盾構(gòu)(見圖6)、履帶式行走模板拼裝機和現(xiàn)澆襯砌箱體鋼模施工了超大斷面矩形隧道[10]。該項目為地下商業(yè)街，主體結(jié)構(gòu)南北長約328 m，東西寬19.8 m，矩形筒體結(jié)構(gòu)(見圖7)高6 m，內(nèi)凈高4.9 m，覆土最大深度為4.75 m。該項目采用聯(lián)體盾構(gòu)全斷面施工，安全風(fēng)險小，對周邊環(huán)境影響??；以現(xiàn)澆鋼筋混凝土取代傳統(tǒng)盾構(gòu)管片，結(jié)構(gòu)整體性好，承載機制明確，適用常規(guī)設(shè)計理論。

圖6 三聯(lián)體矩形盾構(gòu)斷面

圖7 三聯(lián)體矩形隧道結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

Fig. 7 Structure diagram of triplet of rectangular tunnels (unit： mm)

該項目原設(shè)計使用套筒式反鏟挖掘機械手開挖(見圖8)，利用螺旋輸送機和皮帶輸送機出土；施工時改為采用小型挖掘機直接挖土裝車的形式。由于隧道工作面采用敞開式開挖，施工對地層的影響不易控制；盾構(gòu)的推進反力依靠鋼模和現(xiàn)澆混凝土的摩擦力提供，混凝土的初凝時間限制了盾構(gòu)的推進速度。

圖8 單體盾構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

對于類似項目，可以通過改進設(shè)備掘進方式提高掘進過程的安全性，使用新材料、新工藝提高主體結(jié)構(gòu)的制造安裝速度。

對于矩形隧道全斷面建造技術(shù)，受限于掘進設(shè)備的制造難度、制造成本、施工難度等因素，適用斷面不能過大。

2 大斷面分部掘進技術(shù)(口琴工法)

21世紀(jì)初，日本大成建設(shè)株式會社開發(fā)了“口琴工法”[11]。所謂口琴工法是將大斷面矩形隧道分成若干個小斷面隧道，使用小型掘進機逐條開挖小斷面隧道后，再將數(shù)條小斷面隧道合并成一個大斷面隧道的施工方法。小斷面隧道洞口累積起來的形狀仿佛口琴，因此該工法被命名為“口琴工法”，見圖9和圖10。

根據(jù)大斷面的尺寸、現(xiàn)場條件、掘進機和鋼殼的運輸條件等決定小斷面的數(shù)量。采用特殊結(jié)構(gòu)接頭以控制鄰近小斷面隧道之間的間距，并使其發(fā)揮止水作用。

圖9 口琴工法

(a) 施工期間

(b) 施工結(jié)束

口琴工法的施工順序如圖11所示，大矩形斷面分成縱向2層，橫向3列，共6個小斷面，具體施工順序如下。

(a) 步驟1 (b) 步驟2 (c) 步驟3

(d) 步驟4 (e) 步驟5 (f) 步驟6

(g) 步驟7 (h) 步驟8 (i) 步驟9

圖11口琴工法施工順序

Fig. 11 Construction sequence of Harmonica method

步驟1： 首先開挖下層中央的隧道①，其作為基準(zhǔn)隧道，影響著其他隧道的掘進精度；

步驟2： 繼續(xù)開挖與隧道①相鄰的隧道②和③；

步驟3： 在始發(fā)井和接收井的下方組裝支護平臺，之后再按照順序開挖隧道④—⑥；

步驟4： 開挖完所有的6條隧道后，對各個隧道之間的接頭進行止水處理；

步驟5： 拆除位于底板位置的外殼板；

步驟6： 組裝鋼筋；

步驟7： 澆筑底板混凝土，之后依次構(gòu)筑側(cè)壁和頂板，側(cè)壁上部及頂板使用不壓密的高流動混凝土；

步驟8： 切斷、拆除內(nèi)部殘留的鋼殼部件；

步驟9： 大斷面隧道完成。

口琴工法將隧道分部施工與隧道掘進機相結(jié)合，極大地提高了地下空間挖掘的機械化程度；但該工法通常采用鋼管片作為初期支護，臨時結(jié)構(gòu)廢棄量較大。

3 建筑分部群洞技術(shù)

對于某些大斷面矩形地下工程，在滿足建筑功能的前提下，可將其設(shè)計為分離式群洞，以便于全斷面機械化掘進施工。

3.1 完全隔離隧道

鄭州紅專路隧道按4幅路布置，中間2幅路為機動車道(雙向4車道),兩側(cè)分別有4 m的非機動車道和2 m的人行道(見圖12)。下穿頂管隧道設(shè)計為4孔隧道平行布置(見圖13)，隧道間凈間距1.0 m，覆土厚度為3.5～4.0 m，頂管最長頂進距離為105 m。

圖12 明挖暗埋段隧道斷面圖(單位： mm)

圖13 矩形頂管段隧道斷面圖(單位： mm)

3.2 局部聯(lián)通隧道

佛山越秀星匯云錦項目采用4個小斷面矩形頂管以0.5 m的間距頂進完成[12]。4條頂管通道從北向南功能定位依次為商鋪、人行通道、商鋪和車行道。人行通道和商鋪之間通過6個3 m×3 m和1個5 m×3 m的門洞相聯(lián)通。4個通道形成彼此聯(lián)通的空間，實現(xiàn)了由“隧道”向“地下空間”的轉(zhuǎn)變，見圖14。

建筑分部群洞技術(shù)適用于多種項目類型，如可基于隧道掘進機的研制能力，將地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面(見圖15)拆分成適用設(shè)備掘進的若干個斷面(見圖16)，各條隧道分多次頂進施工。各結(jié)構(gòu)之間可考慮留有一定的施工間隙。

圖14 頂管聯(lián)通道橫剖面圖

圖15 地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖16 車站建筑分部拆分示意圖

各條隧道施工完畢，根據(jù)建筑功能需求，在隧道的若干部位聯(lián)通相鄰隧道，施工內(nèi)部的站臺板、軌頂風(fēng)道、樓梯等結(jié)構(gòu)，如圖17所示。

3.3 全部聯(lián)通地下空間

群洞施工完成后，隧道之間也可以大范圍聯(lián)通，形成貫通的整體空間。日本新御茶之水站為雙洞型盾構(gòu)隧道車站(寬度為9.0 m的島式車站)，如圖18所示。外徑為7.74 m的2條盾構(gòu)隧道的凈間距為2.0 m，使用了11個分塊的鑄鐵管片。盾構(gòu)隧道施工完成后，將車站范圍內(nèi)的隧道聯(lián)通形成島式站臺[13]。該項目車站與區(qū)間隧道共用1臺設(shè)備，故兩側(cè)為圓形結(jié)構(gòu)，其為單獨開發(fā)的矩形地下空間提供了一種建造思路。

圖17 群洞聯(lián)通示意圖(單位： mm)

圖18 雙洞型車站聯(lián)通示意圖

該項技術(shù)充分考慮了掘進設(shè)備的研制能力及結(jié)構(gòu)施工的適用性，但不可避免地會對建筑功能有一定的影響。

4 地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)(CC工法)

4.1 工法概念

地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換工法[14]，首先按照斷面分部掘進技術(shù)進行大斷面拆分(見圖19(a)和圖19(b))，在空間拆分的同時，將迎土面結(jié)構(gòu)(見圖19(c))進行拆分、預(yù)制，與臨時結(jié)構(gòu)組合成環(huán)(見圖19(d))，作為分部小斷面隧道掘進的支護結(jié)構(gòu)；然后，按一定順序先后完成小斷面隧道的掘進(見圖20(a)—(d))，進行地下工程內(nèi)部梁、柱、板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工(見圖20(e))，拆除相鄰隧道的臨時結(jié)構(gòu)，處理結(jié)構(gòu)的節(jié)點、接縫，在進行隔離式隧道向敞通式地下空間轉(zhuǎn)換的同時，完成結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換(見圖20(f))。

(a)(b)(c)(d)

圖19地下工程結(jié)構(gòu)拆分與臨時組合

Fig.19 Structure separation and temporary combination of underground engineering

(a)(b)(c)(d)(e)(f)

圖20地下工程結(jié)構(gòu)分隔與轉(zhuǎn)換工法施工步序

Fig. 20 Construction sequence of cut and convert method of underground engineering

4.2 技術(shù)特點

1)地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)充分借鑒了全斷面掘進技術(shù)、建筑分部群洞技術(shù)、斷面分部機械化掘進技術(shù)等地下工程建造技術(shù)的理論和經(jīng)驗，確保了該項技術(shù)理論的成熟性和技術(shù)的可行性，為該項工法研究及創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

2)在地下工程分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)之前，大斷面地下工程施工技術(shù)主要著眼于通過將大斷面隧道分部為小斷面隧道施工，在初期支護的防護下，為主體結(jié)構(gòu)施工提供安全的作業(yè)空間。而該項技術(shù)，將構(gòu)筑空間和結(jié)構(gòu)施工2道工序合二為一，將迎土面臨時結(jié)構(gòu)和迎土面永久結(jié)構(gòu)合二為一，既提高了工效，又減少了浪費。

3)地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)是預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下工程中的創(chuàng)新應(yīng)用，延續(xù)了地下工程分部施工的理念，將預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)和隧道全斷面掘進技術(shù)進行整合，利用預(yù)制混凝土構(gòu)件(PC構(gòu)件，采用工廠化生產(chǎn))，具有制造節(jié)能、施工快、質(zhì)量好、現(xiàn)場施工作業(yè)量小、建筑垃圾少、工地噪聲小等特點，可有效提高建筑質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低成本，實現(xiàn)節(jié)能減排和保護環(huán)境的目的。

4.3 技術(shù)應(yīng)用若干注意事項

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計與檢算必須要考慮結(jié)構(gòu)的承載路徑和制造安裝條件。在水土壓力作用下，結(jié)構(gòu)體系先后以單體狀態(tài)、轉(zhuǎn)換狀態(tài)、整體狀態(tài)承載。外部作用和結(jié)構(gòu)體系都在變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)結(jié)合施工工藝分階段進行檢算。計算模型假定應(yīng)與作業(yè)程序及控制要點保持一致，宜采用增量法原理進行結(jié)構(gòu)分析。

2)地下工程結(jié)構(gòu)分割方案需要進行系統(tǒng)性研究。在綜合考慮結(jié)構(gòu)幾何與受力特點、場地條件、設(shè)備及預(yù)制構(gòu)件運輸條件、構(gòu)件組裝條件及效率外，還需考慮結(jié)構(gòu)分割處接頭后續(xù)處理的可行性、安全性與經(jīng)濟性。在富水地層，要特別注意接頭接縫的防水問題。

3)地下工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工序需要制定嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。分部永久結(jié)構(gòu)的制造安裝方式、臨時結(jié)構(gòu)的拆除方式會直接影響結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件的受力狀態(tài)，應(yīng)該基于設(shè)計計算假定，制定永久結(jié)構(gòu)制造安裝和臨時結(jié)構(gòu)拆除施工的工藝控制標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格執(zhí)行。

4)分體隧道施工過程中要嚴(yán)格控制好隧道軸線偏差。一方面，采用分部機械化施工，相鄰隧道間距很小，軸線偏差過大會造成與相鄰隧道的干涉或?qū)е潞罄m(xù)節(jié)點處理困難；另一方面，矩形斷面的地下工程埋深通常較淺，軸線偏差過大，需要進行大幅度的蛇形糾偏，對地層擾動過大，易導(dǎo)致地層的整體破壞。

5)掘進設(shè)備需要進行特殊設(shè)計?；谔岣吖ばЭ紤]： 采用模塊化設(shè)計，便于轉(zhuǎn)場；采用管線快速接頭，加快工序轉(zhuǎn)換；采用連續(xù)出渣系統(tǒng)，提高設(shè)備使用率等?；诒Ｗo環(huán)境考慮： 采用高效的測量系統(tǒng)，及時、準(zhǔn)確地獲知隧道軸線及掘進設(shè)備空間姿態(tài)；完善渣土改良系統(tǒng)，保障渣土改良的質(zhì)量及均勻性；配備靈敏的土艙壓力測量系統(tǒng)，隨時掌控土艙壓力；增加盾體減摩裝置，減小設(shè)備背土效應(yīng)。

4.4 工程實例

中鐵工程裝備集團地下停車場項目為地下1層自行式停車場，總建筑面積3 288 m2，覆土埋深3 m；主體結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)，采用地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)實施完成。工程結(jié)構(gòu)主體由7條頂管隧道組成，采用1臺5 m×5.7 m頂管機頂推中間5跨，其余2個邊跨待頂管機改裝斷面為5 m×2.85 m后，再分別由始發(fā)井往接收井頂進。地下停車場工程結(jié)構(gòu)劃分如圖21所示，施工現(xiàn)場如圖22所示。

(a) 平面圖

(b) 斷面圖

(a)

(b)

5 大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)展望

綜上所述，大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)形式多樣，可以廣泛應(yīng)用于城市地下空間開發(fā)建設(shè)。大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新，應(yīng)基于工程對象，以適用為根本，以保證工程質(zhì)量、安全、環(huán)保為基礎(chǔ)，以提高施工效率、降低工程成本為目標(biāo)，從建筑形式、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、工程裝備、組合創(chuàng)新、理論體系等方面進行研究。

5.1 建筑形式創(chuàng)新

在滿足建筑功能需要的前提下，將大型矩形斷面地下工程拆解成若干個分離式隧道，以便于應(yīng)用中小型隧道掘進設(shè)備進行施工。如： 將雙向4車道或6車道交通隧道分離成上下行2條隧道；將多艙綜合管廊分離成若干條隔離式隧道；將地鐵車站的站廳、站臺或上下行拆解成隔離式隧道先行施工，然后再局部聯(lián)通等。

5.2 結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新

在滿足地下工程結(jié)構(gòu)極限承載力、保證其正常使用的前提下，靈活選擇既有結(jié)構(gòu)類型或研制新型的結(jié)構(gòu)類型，如復(fù)合式襯砌、單層襯砌、預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)等。

5.3 建筑材料創(chuàng)新

適用的建筑材料可以提高施工技術(shù)的工效，為技術(shù)創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。如： 高強纖維混凝土為減小管片質(zhì)量創(chuàng)造了條件；速凝早強混凝土為擠壓混凝土工藝的推廣應(yīng)用提供了保障；玻璃纖維筋混凝土的應(yīng)用提高了隧道掘進機工法破拆洞門的效率及安全性。

5.4 工程裝備創(chuàng)新

工程裝備創(chuàng)新可推動工法的創(chuàng)新，促進施工技術(shù)的進步。矩形斷面隧道掘進設(shè)備(如盾構(gòu)、頂管、巷道掘進機等)的研制與成功應(yīng)用，奠定了大型矩形斷面地下工程盾構(gòu)法建造技術(shù)的基礎(chǔ)。矩形斷面隧道掘進機的創(chuàng)新，可考慮以下方向： 1)適用于大斷面的單體或聯(lián)體隧道掘進機； 2)適用于超前支護或結(jié)構(gòu)預(yù)筑的小斷面掘進機； 3)適用于軟巖、碎巖、軟硬不均、富水地層等不良地質(zhì)類型的隧道掘進機； 4)適用于新型支護結(jié)構(gòu)的隧道掘進機等。

5.5 組合創(chuàng)新

組合創(chuàng)新可以從2個方面考慮： 1)不同創(chuàng)新要素的組合，即根據(jù)工程建設(shè)的需要，采用不同的建筑形式、結(jié)構(gòu)形式，使用不同新型材料，應(yīng)用先進的工程裝備，實現(xiàn)工法創(chuàng)新的目的； 2)不同工法的組合，即綜合考量項目特點，整合不同工法，揚長避短，實現(xiàn)工程施工效益最大化，如盾構(gòu)法+新奧法擴挖、盾構(gòu)法+明挖法擴挖、口琴工法+箱涵頂進等。

5.6 理論體系創(chuàng)新與發(fā)展

最后，非常重要的一項內(nèi)容是大型矩形斷面地下工程機械化建造技術(shù)理論的創(chuàng)新和發(fā)展?？v觀地下工程的建筑史，其工程實踐往往先行于理論研究。實踐是理論的基礎(chǔ)，理論對實踐的反作用也至關(guān)重要。地下工程結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換技術(shù)的一大貢獻就是“分割與轉(zhuǎn)換”概念的提出，為大型矩形斷面地下工程技術(shù)研究提供了一個科學(xué)的方法和工具?！胺指钆c轉(zhuǎn)換”從“部分與整體”的角度對地下工程技術(shù)進行詮釋?！胺指钆c轉(zhuǎn)換”的對象可以是建筑功能、結(jié)構(gòu)、空間等，也可以對2種及以上要素同時進行“分割”，進而展現(xiàn)為相應(yīng)的技術(shù)形態(tài)。