賈連輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術

賈連輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

文章詳細介紹了超大斷面矩形盾構頂管(10.12 m×7.27 m)設計的關鍵技術研究：1)矩形斷面開挖形式的研究與選型分析；2)超寬矩形薄殼體強度、剛度研究；3)頂推機構電液比例集成控制研究；4)矩形斷面渣土改良技術研究。以上關鍵技術的研究解決，在施工現場得到了成功應用，為城市超大矩形斷面交通隧道施工提出了一種全新工法。矩形隧道施工將會成為最經濟、安全和快捷的工法。

超大矩形盾構頂管；鄭州下穿中州大道；有限元分析；開挖系統(tǒng)；薄殼體；渣土改良

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，城市化進程逐漸加快，路面空間越來越小，地下隧道建設已經成為當前建筑施工領域的一個新方向。以往的地下隧道多為圓形隧道，主要用于雨水、污水、電力和地鐵等方面，現今隨著車流量的增加，地下人行通道、下穿車行道等矩形截面的地下隧道需求量越來越大，且該種工程多位于市中心或繁華地段，明挖法受到了很多條件的限制，比如地面有大量的人流、車流，還有高架線路等限制，造成空間不足，機械設備無法施工。

矩形盾構頂管是矩形隧道的施工機械，在日本發(fā)展起來用于建造地鐵車站、地下人行通道及水底隧道旁通道等。川合一成等[1]于2002年介紹了小松公司研制的矩形盾構。久保田敏和等[2]在矩形盾構的施工報告中證明了矩形管道相對于圓形管道的優(yōu)點在于大的過流斷面和少的修建費用。矩形盾構頂管與以前的圓形頂管掘進斷面相比，具有空間利用率高、覆土淺和施工成本相對低廉等優(yōu)點，其有效使用面積增大20%以上(見圖1)，加之城市交通過街人行通道要求埋深淺，此項技術將必然在城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道等隧道工程得到廣泛應用。

目前國內外已完成的矩形盾構頂管施工案例中，最大開挖尺寸停留在6 m寬的人行通道級別，用于10 m 寬的矩形交通隧道還是屬于世界首例，它的成功應用顛覆了城市道路隧道的設計理念及施工工法。

圖1 圓形隧道與矩形隧道的比較Fig.1 Comparison and contrast between circular tunnel and rectangular tunnel

1 依托工程概況

超大斷面矩形盾構頂管依托中國中鐵鄭州下穿中州大道隧道工程Ⅰ標項目進行工業(yè)性試驗。紅專路下穿中州大道隧道設計標準為城市次干路，根據城市規(guī)劃標準和相交道路性質，下穿的中州大道隧道工程道路設計為雙向4車道，單車道寬度為3.5 m，如圖2所示。

下穿隧道盾構頂管段長度為110 m，覆土厚3.2～4 m，下穿1根DN600污水管，距離盾構頂管頂板高度2.1 m。隧道主要穿越地質以粉土為主，地下水位深8 m，地層的滲透系數為1.38×10-4～1.15×10-6m/s(12～0.1 m/d)，屬于弱透水地層，如圖3和圖4所示。

(a)

(b)

圖3 地質剖面圖Fig.3 Longitudinal geological profile

圖4 現場巖芯Fig.4 Drill cores

2 矩形盾構頂管設計關鍵技術

中州大道下穿隧道施工矩形盾構頂管開挖斷面尺寸為10.12 m×7.27 m，與目前國內已成功施工過的最大斷面6.9 m×4.9 m頂管工程相比，橫向尺寸增大了46%，高度尺寸增大了52%，橫斷面積增大了123%，由于斷面尺寸增大，會給矩形盾構頂管設計帶來以下幾個問題：

1)相對于單刀盤圓盾構開挖而言，在滿足矩形斷面開挖覆蓋率需求的同時，還要考慮矩形開挖斷面的開挖穩(wěn)定性，因此矩形盾構頂管開挖形式的選型研究是該項目成功的關鍵因素。為了實現矩形斷面開挖，設計研究了偏心多軸擺動刀盤[3]、組合刀盤和仿形刀盤等開挖形式，并對其開挖原理、結構特點進行了深入探究，分析總結了各自的優(yōu)缺點以及工況適應性。

2)矩形盾構頂管的開挖過程，不同于常規(guī)圓形盾構，上部覆土不容易形成穩(wěn)定的自然拱，加之該矩形斷面寬度較大，因此殼體上部承受的載荷較大，自然土體的卸荷拱示意圖如圖5所示。對于殼體本身而言，圓形薄殼體綜合力學性能良好，各個方向的抗剪、抗彎能力相同，且始終為對稱結構，頂部或底部受到的土體壓力可通過圓弧形成拱橋結構，使頂部一部分載荷逐步分散使之受土體側向壓力；矩形薄殼體由于寬度在水平跨度方向上較長，且受到其上部土體壓力造成的均布載荷作用，因此受到的彎矩比圓形薄殼體較大，故剛度也隨之下降，圓形與矩形盾體受力載荷分布情況比較分析如圖6所示。因此，如何提高超寬矩形薄殼體強度、剛度是該項目的關鍵技術難點。

圖5 卸荷拱示意圖Fig.5 Relieving arch

(a)圓形盾構

(b)矩形盾構

3)在掘進過程中，需要根據隧道的設計要求，實現實時的調向、糾偏，因此要求液壓頂推系統(tǒng)對壓力和速度能實時進行調整，以實現矩形盾構頂管的糾偏和在不同地層下推力的調整。因此，頂推系統(tǒng)對不同工況的順應性也是該項目要解決的關鍵技術難題。

4)該項目的開挖斷面是目前世界最大矩形的斷面，橫向跨度大，6刀盤同時開挖，攪拌效果不均勻，同時存在攪拌盲區(qū)，渣土改良存在很大的不均勻性。矩形斷面開挖，渣土改良不均勻造成左右兩側土壓不同，對姿態(tài)控制和沉降控制產生重大影響。因此，做好渣土改良系統(tǒng)的研究設計是至關重要的。

3 矩形盾構頂管關鍵技術研究

3.1 矩形斷面開挖形式研究與選型分析

圓形盾構的刀盤開挖方式僅為單刀盤回轉開挖，但是矩形斷面開挖要復雜得多[4]，在實現刀盤矩形切削斷面的同時，還要保證對土體的攪拌效果、有效控制對地層的擾動和有效控制地表的沉降等。根據矩形斷面的幾何特點，通過對機構運動軌跡、組合軌跡及仿形軌跡的模擬，可得出偏心多軸擺動刀盤和組合刀盤方案。

1)偏心多軸擺動刀盤。采用平行雙曲柄機構的運動原理，4個偏心曲軸同步驅動1個矩形仿形刀盤，刀盤上的各個刀具繞著以各自支撐圓心點與曲軸回轉支撐點之間的距離為半徑作平面圓周運動，與軸向推進的方向合成來完成全斷面的切削掘進[5]，如圖7所示。

圖7 偏心多軸刀盤Fig.7 DPLEX cutterhead

2)組合旋轉刀盤。組合刀盤形式主要依靠前后刀盤開挖面的相互彌補來盡可能地減少矩形區(qū)域的開挖盲區(qū)[6]。采用3前3后平行軸式布置,相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉，刀盤的開挖直徑與管片的圓角外徑相同，其開挖率可以達到90%以上。大小刀盤可以各自控制，同時旋轉對土體進行切削、攪拌，如圖8所示。

3)選型分析。針對該項目，覆土厚度最小僅為3 m，因此開挖形式的選擇主要考慮開挖過程中對周圍土體的擾動及渣土攪拌性，從而有效控制地表沉降。針對2種開挖形式對周圍土體擾動性及渣土流動性進行了流場動力學仿真，根據該項目穿越粉土、粉細砂為主的地質情況，項目組建立了物理渣土流場模型。假設開挖倉為滿倉，渣土的密度為2.2×103kg/m3,黏度系數為1.5 Pa·s的單相流體，刀盤轉速為1.0 r/min。通過Fluent軟件，模擬2種開挖形式轉動時對周圍土體的擾動和對渣土攪拌效果的影響。定義掘進方向為Z向，掌子面位置為Z=0，矩形截取Z=-400時的速度和壓力分布。偏心多軸式擺動刀盤和圓刀盤對比仿真如圖9(刀盤速度分布對比)、圖10(壓力分布對比)和圖11(速度矢量圖對比)所示。

圖8 組合旋轉刀盤Fig.8 Combined rotating cutterheads

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

綜上所述，采用偏心多軸式擺動刀盤開挖，每把刀切削軌跡小，切削扭矩小、攪拌扭矩大，開挖無盲區(qū)，可實現全斷面開挖；缺點是對周圍土體擾動大，不利于頂管姿態(tài)控制及地表沉降控制，設備本身加工制造復雜，運行可靠性差。多刀盤旋轉開挖切削扭矩大、攪拌扭矩低，對周圍土體擾動小，同時盾體跳動小，有利于頂管姿態(tài)控制及地表沉降控制，設備本身制造加工簡單，設備后期的運行可靠性高；但存在的缺點是開挖面存在一定的開挖盲區(qū)，因此不適合在較硬地層掘進，若在較硬地層掘進需要增加輔助措施對盲區(qū)進行預處理。

3.2 超寬矩形薄殼體強度、剛度研究

矩形盾構頂管殼體主要承受水土壓力及地面載荷壓力，承受載荷較大；同時考慮到該項目地層承載力，盾殼設計質量不宜過大[7]，因此要在滿足強度剛度的情況下盡量減小其質量。

1)模型建立及網格劃分。采用有限元軟件將超大斷面矩形盾構頂管薄殼體結構按1∶1創(chuàng)建模型，并合理地劃分模型[8]，如圖12所示。

2)邊界條件的確定及加載。前盾與尾盾通過糾偏油缸連接，前盾在正常掘進承受后面?zhèn)鱽淼耐屏?、扭矩及土壓力在調向時均由尾盾承受，因此將糾偏油缸支座的每個Ux，Uy，Uz進行約束自由度處理，并按照周圍所承受土體壓力進行加載。薄殼體上部載荷0.19 MPa；薄殼體側向上部載荷0.063 MPa；薄殼體側向載荷0.175 MPa；薄殼體底部載荷0.435 MPa(載荷參考土力學計算，不做詳細介紹)。

3)應力及變形量分布云圖。矩形薄殼體為Q345B鋼板焊接組對的大型結構件，根據有限元分析結果，矩形薄殼體所承受的應力主要在100 MPa以下，滿足使用要求(見圖13)。殼體變形量最大處發(fā)生在盾體箱體后部的中間，變形值4.38 mm，且主驅動面板的變形很小，有利于刀盤的運轉，故強度和剛度上均能滿足設計要求(見圖14)。

圖12 矩形薄殼體網格劃分Fig.12 Mesh of thin rectangular shell

圖13 矩形薄殼體應力分布云圖Fig.13 Contour of stress of thin rectangular shell

圖14 矩形薄殼體變形量分布云圖Fig.14 Contour of deformation of thin rectangular shell

4)基于有限元模型的盾殼結構優(yōu)化設計。線性靜力結構分析通常是用來分析結構在給定靜力載荷作用下的響應。此處在相同的邊界和相同的載荷條件下，分別模擬1個支撐梁(見圖15)和2個支撐梁(見圖16)的整體受力情況,計算出關鍵考察部位單元節(jié)點處的應力值和變形值，反復多次進行對比改進。

圖15 單支撐梁時變形云圖Fig.15 Contour of deformation of thin rectangular shell with one single support beam

圖16 雙支撐梁時整體變形云圖Fig.16 Contour of deformation of thin rectangular shell with dual support beams

3.3 頂推機構電液比例集成控制研究

矩形盾構頂管頂推過程中需要具備較好的載荷順應性，因此對該系統(tǒng)要求響應特性高，以提高姿態(tài)控制的精度。頂推系統(tǒng)采用壓力和流量復合泵控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了2套自主開發(fā)的雙閉環(huán)電液比例控制技術，泵控制如圖17所示。泵控原理如圖18所示。泵控AMESim仿真如圖19所示。通過不斷仿真優(yōu)化控制參數，最終實現了盾構頂管推力和位移的復合控制，仿真曲線如圖20和圖21所示，能使盾構頂管頂推系統(tǒng)適應各種復雜工況要求，具有較好的順應性及響應特性。

3.4 矩形斷面渣土改良技術研究

鄭州市中州大道下穿工程主要以粉土、粉細砂為主，改良的方法通常為澎潤土、泡沫和水添加劑為主[9]，為了得到較好的渣土流動性和塑性，通過綜合實驗臺進行渣土改良實驗研究。渣土改良泵站如圖22所示，實驗方法如圖23所示。

圖17 頂推泵的反饋控制Fig.17 Feedback control of pumps of thrust system

圖18 泵液壓原理圖Fig.18 Diagram of hydraulic system of pump

圖19 泵控AMESim仿真Fig.19 AMESim Simulation of pump control

通過取相同的土樣，并進行除水干燥處理，分別向3組干燥土樣中加入水改良、泡沫改良及泡沫和澎潤土泥漿改良進行實驗，充分攪拌后進行相應的坍落度測試，坍落度檢測主要通過坍落度桶完成。將攪拌均勻的土體裝入到坍落度桶內，然后輕輕壓平，清除桶外渣土，保持坍落度桶靜止1 min；將坍落度桶慢慢垂直提起，5～10 s內完成；并用鋼尺量出土樣頂部中心與坍落度桶頂部高度差，同時用搗棒輕輕敲打土體側面，觀察其黏聚性及析水情況；做3次平行試驗，取平均值作為最終的實驗數據。不同含水量的坍落度試驗如圖24所示。

圖20 泵出口壓力與比例溢流設定壓力特性曲線Fig.20 Curve of pump out pressure Vs proportional relief setting pressure

圖21 泵斜盤擺角與輸入電流變化曲線Fig.21 Curve of pump swashplate swinging angle Vs input current curve

圖22 渣土改良泵站Fig.22 Soil conditioning pump unit

1)不同含水量坍落度試驗結論,見圖25。

2)泡沫改良坍落度試驗結論，見圖26。

3)泡沫+膨潤土漿液改良坍落度試驗結論,見圖27。

圖23 渣土改良實驗方法

(a)

(b)

圖25 不同含水量土樣坍落度試驗數據曲線

圖26 泡沫改良土樣坍落度試驗數據曲線

圖27 泡沫+膨潤土漿液改良土樣坍落度試驗數據曲線Fig.27 Curves of slump Vs foam and bentonite injection rate

從圖26(泡沫改良)和圖27(膨潤土+泡沫改良)得出結論：對于該地層，采用泡沫和水的組合改良為最佳方式；膨潤土漿液改良能有效增加土體黏聚性，對于土體的改良效果有一定的作用，但是綜合考慮成本，其意義不大；為了增強設備的地質適應性，設備設計上預留膨潤土漿液注入接口。

4 工程應用情況

目前，下穿中州大道項目，非機動車道和機動車道矩形盾構頂管2條隧道的施工已完成(現場出渣照片如圖28所示)，為了驗證上述關鍵技術的研究成果，對施工數據進行了分析[10]。針對機動車道盾構兩側土壓力和沉降進行了分析統(tǒng)計，如圖29和30所示。

圖28 現場出渣照片Fig.28 Mucks discharged

(a)

(b)

圖30 開挖沉降監(jiān)測統(tǒng)計Fig.30 Statistics of ground surface settlement

從圖29和圖30可以看出，矩形盾構兩側的土壓力差值小于0.005 MPa，且壓力變化平穩(wěn)，說明土倉內渣土流動性較好；掘進過程中開挖沉降量也是控制在10 mm以內，可判斷刀盤的開挖形式對地層的擾動較小及渣土壓力傳遞較好。

5 結論與討論

下穿中州大道超大斷面矩形盾構頂管施工實踐表明，采用6刀盤聯(lián)合開挖對地層擾動較小，有利于地表沉降控制，對于大斷面、淺覆土施工有較強的推廣意義。通過對渣土改良試驗分析，建立了一套完整的渣土改良試驗方法，將對盾構施工有很大的指導意義。通過超薄殼體強度剛度的研究，掌握了超大斷面矩形結構盾構的受力載荷普、力學模型及有限元分析優(yōu)化方法。通過對電液集成技術的研究，掌握了液壓系統(tǒng)與載荷的順應特性的分析方法。隨著鋼復合管片的研究深入，矩形盾構施工將在城市地下交通及管網建設中成為最經濟、安全、環(huán)保和快捷的工法。

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國內首條盾構挖掘熱力管線將正式投用

2014年10月31日，國內首條由盾構挖通的熱力管線正式貫通。該工程為北京東北熱電中心配套熱網的北線，全長12 km，其中6.2 km采用盾構完成。盾構于2014年3月9日始發(fā)，前后歷時237 d。該管線預計2014年底投入使用，將助力供熱方式“煤改氣”的轉變，可為北京空氣質量的改善發(fā)揮積極作用。

此次工程是首次嘗試采用盾構挖掘熱力管線，管線內溫度高、濕度大，盾構挖掘不用采取降水措施，減少了工程對地下水環(huán)境的影響。而機器作業(yè)時，可直接將管壁安裝至洞壁上，避免地上混凝土作業(yè)，減少地上環(huán)境污染。

盾構隧道的結構襯砌采用工廠加工預制，隱蔽性工程少，易于檢查和檢驗。工廠預制構件運到現場后，進行機械化拼裝，質量可以得到嚴格控制，不再需要修筑內襯結構。正常情況下，平均開挖速度可達到約24 m/d，是一般暗挖法的8～15倍。盾構下穿段的地上建筑物也不少，下穿機場二高速時，地面沉降只有1 mm，遠遠低于設計要求。

北京四大熱電中心外遷工程將于2015年完工，屆時城區(qū)內將無大型燃煤鍋爐。據統(tǒng)計，四大熱電中心外遷工程需要新鋪設62.8 km的主熱力管線，分為東北、東南、西北、西南4部分。截至10月30日，已有43 km的管線灌水并將在今冬供暖時啟用，占整條管線的60%。2014年底，包括盾構挖掘段在內的近17 km管線也將投用。2015年供暖季來臨前，所有管線將全部投用，用于全市2億m2的供熱。2017年，北京市供熱將全部采用清潔能源。

目前，盾構長距離用于熱力管線的技術在世界上極為少見，未來該項技術還將向國內其他熱力管線推廣。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=a040b00d-f828-437e-bff0-1c62050d4be1&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-11-04)

KeyTechnologiesforDesignofSuper-largeRectangularPipeJackingMachine

JIA Lianhui

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Study is made on the following key technologies for the design of a super-large rectangular pipe jacking machine (10.12 m×7.27 m): 1)study and selection of excavation modes of rectangular cross-section tunnels; 2)study on the strength and rigidity of the super-wide,rectangular and thin shell of the pipe jacking machine; 3)study on the integrated electro-hydraulic proportional control of the thrust system of the pipe jacking machine; 4)study on the soil conditioning of the rectangular tunnel.The results of the studies on afore-mentioned technologies have been successfully applied on a super-large rectangular pipe jacking machine,which will provide an economic,safe and rapid solution for the construction of rectangular tunnels in urban areas.

super-large pipe jacking machine; tunneling across underneath Zhongzhou avenue; finite element analysis; excavation system; thin shell; soil conditioning

2014-09-02;

2014-10-22

賈連輝(1981—)，男，河北三河人，2004年畢業(yè)于河北工程大學，機械設計制造及其自動化專業(yè)，本科，工程師，主要從事盾構設計工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.014

U 455.3

B

1672-741X(2014)11-1098-09