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(gòu)法隧道施工技術(shù)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(gòu)法隧道的斷面形狀均為圓形，其易于實現(xiàn)全斷面切削和相對合理的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(yōu)勢，但因其結(jié)構(gòu)受力和變形、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)控制、矩形管片拼裝等難題，未能得到有效的發(fā)展。系統(tǒng)闡述了城市軌道交通類矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)施工研究，通過分析類矩形盾構(gòu)法施工上的重難點(diǎn)，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(shù)等相關(guān)技術(shù)方面進(jìn)行研究和探索，為進(jìn)一步開展矩形盾構(gòu)法隧道的建設(shè)提供更可靠的依據(jù)和建議。

類矩形盾構(gòu)；全斷面掘削；管片拼裝；軸線控制；管控技術(shù)

0 引言

目前，盾構(gòu)法隧道絕大多數(shù)設(shè)計為圓形，其主要源于隧道結(jié)構(gòu)受力合理、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備開挖面切削全面、拼裝施工工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)，但圓形盾構(gòu)隧道存在斷面空間利用率低的弱點(diǎn)。從盾構(gòu)法隧道的發(fā)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(gòu)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(jīng)濟(jì)。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(jìn)而相同坡度的矩形隧道與地面的接線段長度也相應(yīng)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(fā)和利率最為重視。因此，日本在矩形盾構(gòu)法隧道的研究較為先進(jìn)。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(gòu)機(jī)。1995年，習(xí)志野市使用了4.38 m×3.98 m的D P L E X矩形盾構(gòu)機(jī)[3]。至2009年，三菱重工及大林組等在矩形隧道盾構(gòu)裝備及施工技術(shù)方面取得了有效成果，相?？v貫川尻隧道成為應(yīng)用矩形盾構(gòu)隧道技術(shù)的典型工程。此外，日本還有類似的矩形盾構(gòu)法隧道設(shè)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(gòu)等[4]。

類矩形盾構(gòu)法在中國未有成功經(jīng)驗，因此針對類矩形盾構(gòu)工程特有的類矩形斷面形式，考慮隧道沿線周邊環(huán)境復(fù)雜、開挖土層靈敏度高，且具有小曲率轉(zhuǎn)彎半徑及含超淺覆土工況等特點(diǎn)，其尚需解決如下技術(shù)：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(wěn)定控制、隧道對環(huán)境影響和隧道綜合管控等問題。

矩形盾構(gòu)法隧道雖在斷面形狀上有其優(yōu)勢，但在施工中卻面臨著隧道結(jié)構(gòu)受力變形、盾構(gòu)推進(jìn)控制、矩形管片拼裝等重難點(diǎn)，必須通過技術(shù)研究和工程試驗應(yīng)用加以解決，并最終形成合理可行的矩形盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)體系。本文通過分析類矩形盾構(gòu)法隧道施工上在“推、拼、壓”、環(huán)境影響和綜合管控上的重難點(diǎn)，針對具體工程問題進(jìn)行研究和探索，重點(diǎn)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(huán)境影響監(jiān)測等相關(guān)技術(shù)方面的探索路徑和研究方法，最終根據(jù)探索成果形成了類矩形盾構(gòu)隧道施工推拼壓施工技術(shù)體系、環(huán)境影響控制技術(shù)體系和綜合管控技術(shù)體系。

1 類矩形盾構(gòu)法施工技術(shù)重難點(diǎn)

類矩形隧道的施工難點(diǎn)主要包括以下幾個方面：

（1）開挖面穩(wěn)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(shè)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(jī)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(jié)構(gòu)外形尺寸特殊，寬11 500 m，高6 937 mm，有10塊成環(huán)管片和1塊中立柱構(gòu)成；另外，拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)功能特殊、拼裝區(qū)域空間小，尚無成熟的拼裝質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和拼裝工藝以供參考。

（3）軸線控制復(fù)雜。類矩形隧道斷面的高寬不同，寬高比達(dá)1.7，而且管片多達(dá)11塊，拼裝精度控制難，施工中軸線控制復(fù)雜；除常規(guī)的水平和俯仰糾偏外，類矩形盾構(gòu)還面臨者轉(zhuǎn)角糾偏的問題；另外，自動導(dǎo)向系統(tǒng)需實現(xiàn)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集以及左右雙線隧道的導(dǎo)向。

（4）施工數(shù)據(jù)管理難度大。類矩形盾構(gòu)隧道的施工數(shù)據(jù)涉及盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、自動導(dǎo)向系統(tǒng)、出土稱量系統(tǒng)、盾尾間隙測量系統(tǒng)、周邊環(huán)境監(jiān)測和隧道變形監(jiān)測等眾多方面，數(shù)據(jù)的現(xiàn)場管理難度大；另外，施工數(shù)據(jù)規(guī)模大、種類多、信息關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理復(fù)雜。

2 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)分析與探索

根據(jù)矩形隧道的管片和盾構(gòu)機(jī)，結(jié)合工程地質(zhì)、水文和環(huán)境條件，研究獲取矩形盾構(gòu)施工地層擾動影響規(guī)律和隧道變形規(guī)律，完善矩形盾構(gòu)全斷面切削技術(shù)、姿態(tài)控制技術(shù)、管片拼裝技術(shù)、同步注漿技術(shù)和隧道穩(wěn)定控制技術(shù)。

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(chǎn)生淤積；刀盤結(jié)構(gòu)、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(wěn)定。因此必須對切削排土改良進(jìn)行針對性研究，配合盾構(gòu)刀盤切削方式形成新型改良添加劑和改良技術(shù)。

根據(jù)盾構(gòu)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(nèi)試驗（見圖1）的抗剪強(qiáng)度、坍落度、流動度和稠度等指標(biāo)來評價類矩形盾構(gòu)掘進(jìn)中土的改良效果，并優(yōu)化添加劑的配比方案[5]。試驗流程見圖2。

圖1 室內(nèi)試驗

圖2 土體改良試驗流程圖

結(jié)合寧波類矩形盾構(gòu)所穿越地層物理力學(xué)性質(zhì)和工程自身特點(diǎn)，得出了適用于類矩形盾構(gòu)施工的改良劑配比：泡沫改良劑的濃度為3%，發(fā)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(qū)域的土體改良技術(shù)，解決了矩形盾構(gòu)土艙底部渣土的流動性不足的問題，實現(xiàn)了開挖面壓力的平衡控制。利用盾構(gòu)機(jī)的多點(diǎn)位多方位改良系統(tǒng)、偏心刀盤的攪拌棒和土艙內(nèi)渣土導(dǎo)流裝置，實現(xiàn)渣土有效改良和流動，見圖3。

圖3 盾構(gòu)機(jī)土體改良系統(tǒng)

2.2 盾構(gòu)軸線控制

針對類矩形隧道的施工特點(diǎn)，研制盾構(gòu)姿態(tài)自動采集系統(tǒng)，見圖4，在提高盾構(gòu)轉(zhuǎn)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(gòu)姿態(tài)；利用圖形解析和攝影測量的原理，通過高分辨率的攝像機(jī)實時測定盾尾間隙，同時類矩形盾構(gòu)受到轉(zhuǎn)角影響，管片與盾尾間隙的關(guān)系不同于圓盾構(gòu)，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(gòu)車架前部的兩臺掃描型自動全站儀，完成對已經(jīng)拼裝好的類矩形隧道的實時掃描監(jiān)測，及時了解隧道的變化情況。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)自動采集系統(tǒng)

2.3 管片拼裝系統(tǒng)

管片拼裝系統(tǒng)是盾構(gòu)關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，直接關(guān)系到盾構(gòu)施工的效率與質(zhì)量[6]。

雙提升臂管片拼裝機(jī)和單機(jī)械臂管片拼裝機(jī)是管片拼裝機(jī)的2種主要類型。雙提升臂管片拼裝機(jī)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(jī)回轉(zhuǎn)中心的距離不等且相差較大，使得雙提升臂管片拼裝機(jī)在有限空間內(nèi)的布置存在困難。單機(jī)械臂管片拼裝機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，管片移送距離長的特點(diǎn)，更適合于類矩形隧道?？紤]到類矩形盾構(gòu)管片自身特點(diǎn)和中立柱的形式，需要設(shè)置能抓取單間管片較重且力臂較長的拼裝機(jī)構(gòu)，最終確定環(huán)臂式自動軌跡控制拼裝機(jī)，見圖5，采用該拼裝機(jī)易于實現(xiàn)拼裝，無需其它輔助機(jī)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的安裝。

圖5 環(huán)臂式自動軌跡控制拼裝機(jī)

矩形管片拼裝在國內(nèi)尚屬首次，為確保施工質(zhì)量和隧道的穩(wěn)定性，首先通過管片結(jié)構(gòu)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(gòu)拼裝機(jī)管片拼裝過程，得出拼裝順序的優(yōu)選等級，最后通過管片三環(huán)水平試拼裝、盾構(gòu)拼裝機(jī)試拼裝、負(fù)環(huán)管片拼裝，得出最合理的拼裝順序。

通過管片拼裝技術(shù)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(shù)研究

針對類矩形盾構(gòu)的多元化數(shù)據(jù)環(huán)境和高要求控制，開發(fā)集成類矩形盾構(gòu)信息、外掛控制系統(tǒng)和外部施工數(shù)據(jù)等多方面數(shù)據(jù)的綜合管控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、實時顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析及報表生成等功能，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，便于施工的管理，實現(xiàn)信息化指導(dǎo)施工的目標(biāo)。

綜合管控系統(tǒng)主要包括：盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程施工軟件監(jiān)控。為滿足寧波類矩形盾構(gòu)管控系統(tǒng)的需求，管控系統(tǒng)總體架構(gòu)涵蓋視頻和數(shù)據(jù)采集兩大塊內(nèi)容，見圖7，自下而上包含三大層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

圖7 管控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

通過管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理計算機(jī)或移動終端可查看工地現(xiàn)場實時的施工數(shù)據(jù)。寧波矩形盾構(gòu)管控系統(tǒng)為非標(biāo)定制，選取了注漿和推進(jìn)等施工中關(guān)鍵的參數(shù)在畫面中做實時顯示，見圖8。

圖8 管控系統(tǒng)圖

3 工程概況及其應(yīng)用

寧波軌交4號線部分盾構(gòu)區(qū)間周圍房屋眾多，有矩形盾構(gòu)施工需求，為了探索矩形盾構(gòu)的適用性，研究矩形盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，積累施工經(jīng)驗，為后續(xù)施工提供安全保障，擬在3號線出入段線進(jìn)行矩形盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝備研發(fā)以及施工綜合技術(shù)等方面的試驗研究，不僅為3號線出入段線矩形盾構(gòu)的實施提供相關(guān)依據(jù)，更為4號線建設(shè)提供保障。本試驗段為類矩形盾構(gòu)法隧道工程實施區(qū)間。工程范圍主要包括陳婆渡站部分車站、矩形盾構(gòu)段區(qū)間隧道及其附屬結(jié)構(gòu)、明挖段盾構(gòu)井、U型槽段。區(qū)間推進(jìn)施工采用1臺新制的11.83 m×7.27 m類矩形土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)從陳婆渡南端頭井始發(fā)，最終到達(dá)盾構(gòu)接收井。試驗段平面布置見圖9。

圖9 出入段線類矩形盾構(gòu)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(gòu)段長429.3 m，最小平面轉(zhuǎn)彎半徑400 m；盾構(gòu)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(zhì)量，較大的隧道變形將會影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全。與單圓相比矩形隧道豎向受力面積更大、單環(huán)接頭數(shù)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(xiàn)的總體性的變形規(guī)律更加復(fù)雜，所以矩形隧道的變形監(jiān)測尤為重要。

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

從圖10可知，正常推進(jìn)時，隧道的橫向、縱向收斂累計變量基本控制在±30 mm以內(nèi)，說明此次項目的管片構(gòu)造，螺栓數(shù)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(gòu)機(jī)的偏轉(zhuǎn)，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(nèi)，而切口高程偏差經(jīng)過試驗段的摸索后，在正常推進(jìn)段均能保持在±44 mm之內(nèi)，切口平面和高程偏差量均滿足相關(guān)設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)有姿態(tài)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(gòu)切口平面偏差曲線圖

圖12 類矩形盾構(gòu)切口高程偏差曲線圖

4 結(jié)語

矩形隧道作為眾多斷面形狀中的一種，已在世界范圍內(nèi)有了一定應(yīng)用。隨著我國城市的發(fā)展，市政建設(shè)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(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，獨(dú)立自主地開發(fā)出類矩形盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)體系。經(jīng)過一年多系統(tǒng)、高效地研發(fā)，雖然試驗工程尚在進(jìn)行中，但下列成果已經(jīng)初步顯現(xiàn)，可以對其進(jìn)一步推廣抱以良好的預(yù)期：通過室內(nèi)試驗獲得適宜的漿液性能和改良配比，結(jié)合工程應(yīng)用驗證形成土體改良系統(tǒng)工藝，建立類矩形盾構(gòu)土體改良技術(shù)體系。通過開發(fā)類矩形盾構(gòu)自動導(dǎo)向系統(tǒng)，實現(xiàn)盾尾間隙的自動測量，形成類矩形盾構(gòu)隧道軸線控制技術(shù)。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(yōu)拼裝工藝，建立管片拼裝質(zhì)量控制體系以及控制標(biāo)準(zhǔn)。通過開發(fā)集成類矩形盾構(gòu)信息、外掛控制系統(tǒng)和外部施工數(shù)據(jù)等多方面數(shù)據(jù)的綜合管控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、實時顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析及報表生成等功能，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，便于施工的管理，實現(xiàn)信息化指導(dǎo)施工的目標(biāo)。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].中國：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構(gòu)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(gòu)工程[Z].上海：上海隧道工程股份有限公司技術(shù)中心科技情報室，2012.

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[6]白云，張冠軍，滕麗.大斷面矩形地下通道施工設(shè)備與技術(shù)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(nèi)高速公路今年年底前將動工開建

為盡快實現(xiàn)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(jìn)，確保在今年內(nèi)全部動工。

其中:五指山至保亭至海棠灣高速公路起點(diǎn)沖山鎮(zhèn)順接中線高速五指山連接線，終點(diǎn)為海棠灣環(huán)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(biāo)準(zhǔn)，設(shè)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(qiáng)調(diào)，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(xiàn)“縣縣通高速”；代省長沈曉明要求在“五網(wǎng)”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中謀劃生成和推進(jìn)項目；省委常委、常務(wù)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(shè)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(nèi)還未有高速公路經(jīng)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(yùn)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(chǔ)設(shè)施項目，不僅關(guān)乎“縣縣通高速”的重要目標(biāo)，而且對促進(jìn)海南中部地區(qū)發(fā)展和造福海南百姓具有重大意義。海南省交通運(yùn)輸廳將堅持生態(tài)選線，環(huán)境保護(hù)與投資節(jié)約并重，按照“造價服從生態(tài)、建設(shè)景觀路、旅游路、生態(tài)路”的原則做好項目設(shè)計，推進(jìn)項目前期工作和組織實施，并及時提交相關(guān)報批材料。

目前兩個項目有關(guān)環(huán)境影響評價工作的信息已經(jīng)公布在海南省交通運(yùn)輸廳網(wǎng)站上，正在征求公眾意見。

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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。