朱瑤宏， 朱雁飛 ， 黃德中， 楊志豪， 柳 獻(xiàn)， 劉 爽

(1. 寧波市軌道交通集團(tuán)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(shè)計(jì)研究院， 上海 200235； 4. 同濟(jì)大學(xué)， 上海 200092)

類矩形盾構(gòu)法隧道關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

朱瑤宏1， 朱雁飛2， 黃德中2， 楊志豪3， 柳 獻(xiàn)4， 劉 爽2

(1. 寧波市軌道交通集團(tuán)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(shè)計(jì)研究院， 上海 200235； 4. 同濟(jì)大學(xué)， 上海 200092)

在寧波地鐵4號線工程中，創(chuàng)新采用“科研—設(shè)計(jì)—施工一體化”的管理模式，開發(fā)了“軌道交通類矩形盾構(gòu)隧道”技術(shù)體系。該技術(shù)體系在類矩形盾構(gòu)法隧道的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，解決了管片設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題；在類矩形盾構(gòu)方面，開發(fā)了全斷面切削刀盤與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、殼體鉸接與密封、環(huán)臂式拼裝機(jī)等技術(shù)；在施工技術(shù)方面，研究了同步注漿技術(shù)、管片拼裝仿真與工藝優(yōu)化、盾構(gòu)軸線控制等關(guān)鍵技術(shù)。這一新的技術(shù)體系將為我國地鐵建設(shè)提供一種全新的單峒雙線隧道類型，以解決都市核心區(qū)和老舊城區(qū)“地下空間擺不下、鄰近設(shè)施碰不起”的普遍問題。

類矩形盾構(gòu)； 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 全斷面切削； 環(huán)臂式拼裝機(jī)； 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(shè)的不斷發(fā)展，地下空間利用率問題逐漸突顯。老城區(qū)道路狹窄、交通繁忙、兩側(cè)基礎(chǔ)較差的老舊建筑密集等情況，導(dǎo)致軌道交通建設(shè)面臨地下空間狹小、施工期建構(gòu)筑物保護(hù)、運(yùn)營期振動(dòng)噪音控制、后續(xù)地下空間開發(fā)區(qū)間隧道保護(hù)等諸多難題，這也是我國古城、老城區(qū)面臨的共同難題，制約著老舊城區(qū)和既有都市核心區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

通過評估，現(xiàn)有的常規(guī)軟土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道技術(shù)體系難以滿足寧波市狹小空間的線網(wǎng)布設(shè)和日益苛刻的環(huán)境保護(hù)要求，所以必須針對性、系統(tǒng)性地開發(fā)新的技術(shù)體系，以保證隧道建設(shè)的可持續(xù)發(fā)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(nèi)的施工和環(huán)境保護(hù)要求，創(chuàng)新采用“科研—設(shè)計(jì)—施工一體化”的管理模式，開發(fā)了“軌道交通類矩形盾構(gòu)隧道”技術(shù)體系。該技術(shù)體系主要研究課題如圖1所示。本文在撰寫之前，前3項(xiàng)課題研究已完成，具體內(nèi)容見表1，后3項(xiàng)課題為深化擴(kuò)展課題，目前正在研究中。本文擬從工程技術(shù)角度對寧波地鐵4號線工程的主要研究成果和應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，以供業(yè)內(nèi)人士參考。

圖1 類矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)體系

表1 類矩形盾構(gòu)研究課題的主要內(nèi)容

1 類矩形盾構(gòu)法隧道的定義與特點(diǎn)

“類矩形”在隧道領(lǐng)域是一個(gè)新術(shù)語，其含義相當(dāng)于日本文獻(xiàn)所稱的“復(fù)合圓形盾構(gòu)”，其斷面由數(shù)條光滑、可導(dǎo)的曲線構(gòu)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(qū)間復(fù)合圓形盾構(gòu)法隧道。寧波地鐵類矩形盾構(gòu)法隧道限界和結(jié)構(gòu)如圖3所示。不同隧道結(jié)構(gòu)效率和空間利用效率對比見表2?？梢?，類矩形盾構(gòu)法隧道在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)厚度大幅減??；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(jié)構(gòu)厚度略有增加。與21世紀(jì)初引入我國的雙圓盾構(gòu)相比，類矩形盾構(gòu)法隧道有可能局部區(qū)段不設(shè)中立柱，空間使用具有更好的靈活性和發(fā)展?jié)摿?，例如可在區(qū)間內(nèi)設(shè)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(gòu)法隧道限界和結(jié)構(gòu)圖(單位： mm)Fig. 3 Boundary and structure of quasi-rectangular shield tunnel (unit: mm)

表2不同隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)厚度/m0．350．51．00．45 結(jié)構(gòu)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(jì)； 2)以中等埋深估計(jì)，矩形取地下連續(xù)墻圍護(hù)，復(fù)合墻明挖法隧道； 3)以區(qū)間隧道兩側(cè)1.5 m不允許其他建構(gòu)筑物侵入計(jì)。

2 襯砌結(jié)構(gòu)

2.1管片設(shè)計(jì)

出于對經(jīng)濟(jì)性的考慮，常規(guī)類矩形盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌采用設(shè)立柱的鋼筋混凝土管片(摻鋼纖維)，設(shè)計(jì)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(fù)合管片后具備取消立柱的能力。

綜合平衡結(jié)構(gòu)受力要求和管片回轉(zhuǎn)、拼裝空間，將襯砌環(huán)全環(huán)分為11塊，混凝土管片厚度為450 mm。環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝，管片環(huán)、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(huán)交錯(cuò)拼裝形成錯(cuò)縫，見圖4。

圖4 類矩形盾構(gòu)管片(單位： mm)

2.2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與優(yōu)化

作為一種新型隧道襯砌結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行常規(guī)的管片接頭力學(xué)性能試驗(yàn)和彈性密封墊防水性能試驗(yàn)外，在管片定型生產(chǎn)前，還應(yīng)進(jìn)行整環(huán)力學(xué)性能試驗(yàn)。

根據(jù)斷面特點(diǎn)，整環(huán)力學(xué)性能試驗(yàn)采用軸對稱加載方式，30點(diǎn)加荷油缸反力作用于大剛度鋼框架，除重力場影響外，與設(shè)計(jì)計(jì)算荷載基本一致。試驗(yàn)場景見圖5。

圖5 試驗(yàn)場景Fig. 5 Test field

首次整環(huán)試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能夠滿足強(qiáng)度和剛度的要求，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，將正彎矩區(qū)螺栓中心位置向內(nèi)弧面方向移動(dòng)50 mm，負(fù)彎矩區(qū)螺栓中心位置向外弧面方向移動(dòng)50 mm。經(jīng)第2次整環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，這一看似簡單的優(yōu)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(shè)計(jì)17 m覆土的中埋管片，經(jīng)改進(jìn)后，極限荷載可提高到相當(dāng)于30 m覆土(均為結(jié)構(gòu)裂縫控制)，如圖6所示。

圖6 整環(huán)試驗(yàn)荷載-變形圖

整環(huán)試驗(yàn)還模擬了隧道兩側(cè)卸荷的運(yùn)營擾動(dòng)工況。試驗(yàn)結(jié)果揭示，類矩形盾構(gòu)隧道即使兩側(cè)完全對稱卸荷，隧道仍然能夠保持穩(wěn)定，裂縫寬度也未超過0.2 mm。這是由于類矩形隧道設(shè)置了中立柱，且斷面高寬比很小，側(cè)向土體壓力對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于普通圓隧道。這一特點(diǎn)意味著類矩形盾構(gòu)隧道對鄰近深基坑施工擾動(dòng)的抵抗能力遠(yuǎn)高于普通圓隧道，對地鐵沿線的后續(xù)地下空間開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.3現(xiàn)場實(shí)測與分析反饋

試驗(yàn)工程中，在其中2環(huán)襯砌內(nèi)布設(shè)了鋼筋應(yīng)力/螺栓應(yīng)力和應(yīng)變片，測得了實(shí)際工況下管片的內(nèi)力情況。圖7為試驗(yàn)工程第56環(huán)實(shí)測數(shù)據(jù)反算軸力、彎矩與計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果的對比?？梢姡捎谠囼?yàn)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(shè)計(jì)荷載取值非常準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際工況符合度很高。

圖7 第56環(huán)實(shí)測數(shù)據(jù)反算軸力、彎矩與計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)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(gòu)

3.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

類矩形盾構(gòu)技術(shù)體系主要應(yīng)用于城市核心區(qū)和老舊城區(qū)的地鐵建設(shè)。針對這一需求，類矩形盾構(gòu)的總體設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)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(zhuǎn)彎半徑<350 m； 4)系統(tǒng)性強(qiáng)化沉降控制能力； 5)確保長距離推進(jìn)的設(shè)備可靠性； 6)具有富水軟土地區(qū)普遍的地層適應(yīng)能力； 7)施工效率與普通盾構(gòu)相當(dāng)。

經(jīng)試驗(yàn)工程驗(yàn)證，類矩形盾構(gòu)達(dá)到了上述指標(biāo)要求，刀盤、殼體鉸接和拼裝機(jī)設(shè)計(jì)都具有創(chuàng)新性。

3.2全斷面切削刀盤與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的矩形頂管、盾構(gòu)大多采用多刀盤近似全斷面切削的方案，這一類型的盾構(gòu)于1984年自日本引入國內(nèi)，最早應(yīng)用于上海芙蓉江路泵站排水系統(tǒng)。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(nèi)若遇到黏土—砂土地層交界面，則容易出現(xiàn)進(jìn)土不均、軸線控制難度大等問題，且在加固區(qū)內(nèi)推進(jìn)速度非常緩慢，在日本屬于已淘汰技術(shù)。

為提高類矩形盾構(gòu)的地層適應(yīng)能力和沉降控制能力，必須采用100%全斷面切削的刀盤。根據(jù)類矩形盾構(gòu)的特點(diǎn)，借鑒具有長期使用經(jīng)驗(yàn)的雙圓盾構(gòu)和偏心多軸刀盤矩形頂管，形成前后錯(cuò)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(bǔ)主刀盤的切削盲區(qū)。類矩形盾構(gòu)刀盤布置如圖8所示。

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

這一刀盤與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大的設(shè)計(jì)難題在于“2X”刀盤的運(yùn)動(dòng)同步控制。由于左右兩側(cè)地層差異和機(jī)械結(jié)構(gòu)不可能完全一致，兩側(cè)刀盤會(huì)逐漸產(chǎn)生相位差，達(dá)到一定程度時(shí)可能會(huì)發(fā)生刀盤碰撞的致命后果。為此，利用實(shí)體驅(qū)動(dòng)總成模擬各種工況進(jìn)行試驗(yàn)，最終通過自主研發(fā)的軟硬件實(shí)現(xiàn)了在雙刀盤運(yùn)動(dòng)中閉環(huán)控制相位差，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，比日本雙圓盾構(gòu)超差停機(jī)、靜態(tài)調(diào)整的方法更加高效。

這一新型刀盤系統(tǒng)在試驗(yàn)工程中經(jīng)受了考驗(yàn)，在單軸抗壓強(qiáng)度大于1 MPa的進(jìn)出洞加固區(qū)、拔樁后回填的軟硬不均勻地層、承載力僅40 kN/m2的淤泥質(zhì)地層均實(shí)現(xiàn)了順利推進(jìn)。

偏心多軸刀盤存在堅(jiān)硬地層切削速度低、刀盤后方攪拌作用差等缺點(diǎn)，國外目前基本不再采用。隨著新一代軟件控制異形刀盤驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)，未來有望進(jìn)一步提高全斷面切削異形刀盤的地層適應(yīng)能力，擴(kuò)大適用范圍。

3.3殼體鉸接與密封

類矩形盾構(gòu)既要適應(yīng)老城區(qū)線路曲折多變，轉(zhuǎn)彎半徑往往接近規(guī)范極限的要求，又要盡量減少小半徑曲線推進(jìn)時(shí)的地層損失；因此，必須設(shè)置殼體鉸接結(jié)構(gòu)。

類矩形盾構(gòu)的橫徑達(dá)到了11.83 m，鉸接系統(tǒng)行程差較大，異形殼體加工精度也比圓盾構(gòu)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(xiàn)過鉸接密封滲漏的問題。

經(jīng)過多方案比選和密封結(jié)構(gòu)實(shí)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(dòng)鉸方案。密封系統(tǒng)包括1道齒型密封、1道可更換應(yīng)急密封以及止?jié){鋼板刷。其中，可更換應(yīng)急密封經(jīng)測試在主密封完全失效的情況下可單獨(dú)抵抗0.3 MPa的水壓，且可從盾構(gòu)內(nèi)部更換，進(jìn)一步提高了施工安全性。

圖9 密封結(jié)構(gòu)實(shí)際耐壓能力測試Fig. 9 Test of compressive strength of sealing structure

3.4環(huán)臂式拼裝機(jī)

從表面上看，類矩形盾構(gòu)與雙圓盾構(gòu)有相似性，可以沿用雙圓盾構(gòu)的拼裝機(jī)。實(shí)際上，類矩形盾構(gòu)隧道具有拱頂和仰拱，普通拼裝機(jī)徑向行程無法滿足“T”型塊拼裝要求，同時(shí)，整體拼裝的立柱長度達(dá)5 220 mm(雙圓盾構(gòu)僅3 500 mm)，在隧道空間內(nèi)必須進(jìn)行復(fù)雜的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才能豎起和插入，套用雙圓盾構(gòu)的雙頭拼裝機(jī)也無法滿足拼裝要求。

經(jīng)多方案比選，采用全新結(jié)構(gòu)的六自由度環(huán)臂式拼裝機(jī)，如圖10所示。這種拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是回轉(zhuǎn)盤體上附著一只多自由度機(jī)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(huán)臂式拼裝機(jī)[3]Fig. 10 Ring-arm segment erector with 6 free degrees[3]

環(huán)臂式拼裝機(jī)的新構(gòu)造帶來了控制方面的困難。普通拼裝機(jī)輕易可實(shí)現(xiàn)的圓周徑向運(yùn)動(dòng)，而環(huán)臂式拼裝機(jī)必須采用盤體回轉(zhuǎn)和機(jī)械臂擺動(dòng)2個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加擬合；因此，必須開發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以便于工人操作。此類協(xié)調(diào)不同類型動(dòng)作機(jī)構(gòu)的重載、高精度伺服控制系統(tǒng)研制較為困難，經(jīng)多次模擬試驗(yàn)，最終投入使用的控制系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)不超過0.5 mm的擬合精度，且具有半自動(dòng)控制功能，可按程序?qū)⒐芷笾滤偷狡囱b位置，定位精度±100 mm，為日后加裝閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)拼裝打下了基礎(chǔ)[4-5]。

由于“科研—設(shè)計(jì)—施工一體化”的管理模式帶來的高效率，加上研究團(tuán)隊(duì)有比較豐富的技術(shù)積累，類矩形盾構(gòu)裝備研發(fā)設(shè)計(jì)僅耗時(shí)3個(gè)月，9個(gè)月內(nèi)首臺樣機(jī)即完成廠內(nèi)驗(yàn)收。日本專家對此評價(jià)道： 日本研制此類盾構(gòu)并不困難，但在9個(gè)月內(nèi)完成是不可能的。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

與普通盾構(gòu)和雙圓盾構(gòu)施工技術(shù)相比，類矩形盾構(gòu)施工既有普遍性也有特殊性，相應(yīng)施工技術(shù)的研究和應(yīng)用可分為2個(gè)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(zhuǎn)角控制、管片拼裝優(yōu)化、同步注漿等問題；其次，在雙圓盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高沉降控制能力，解決好寧波地區(qū)盾構(gòu)隧道普遍存在的隧道上浮問題，以適應(yīng)實(shí)際工程環(huán)境。

4.1同步注漿技術(shù)

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

為將同步注漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工從經(jīng)驗(yàn)積累上升到理論，采用了光滑粒子流體系學(xué)(SPH)無網(wǎng)格分析—模擬注漿試驗(yàn)—現(xiàn)場驗(yàn)證的方法對同步注漿問題進(jìn)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(kuò)散的，而是與漿液材料、表面位置等因素有著復(fù)雜的關(guān)系，同步注漿點(diǎn)位均勻布置是不合理的。因此，類矩形盾構(gòu)設(shè)置了8點(diǎn)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(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，借助國家泥水盾構(gòu)工程中心試驗(yàn)平臺，首次采用透明管節(jié)進(jìn)行可視化同步注漿模擬試驗(yàn)(見圖12)。試驗(yàn)清晰地驗(yàn)證了SPH分析得出的同步注漿“水波狀”擴(kuò)散規(guī)律，類矩形盾構(gòu)注漿系統(tǒng)見圖13，測得了同步注漿對成型隧道的附加荷載影響規(guī)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(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下，經(jīng)優(yōu)化的同步注漿工藝在實(shí)際施工中效果良好，盾尾脫出后地層沉降平穩(wěn)且收斂較快。同時(shí)，同步注漿有效地抑制了隧道的上浮趨勢，實(shí)測隧道上浮量優(yōu)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(guī)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(yōu)化

類矩形盾構(gòu)的管片設(shè)計(jì)和拼裝機(jī)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(shí)際施工前，采用誤差概率模型進(jìn)行有限元計(jì)算，對方案A和方案B進(jìn)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?？梢?，方案B具有更好的平均拼裝間隙，因拼裝間隙過小，強(qiáng)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(shí)際施工中也是采用方案B，管片拼裝時(shí)基本未發(fā)生碎裂的情況，較雙圓盾構(gòu)明顯改善。

4.3盾構(gòu)軸線控制

類矩形盾構(gòu)在軸線控制方面的特點(diǎn)是除水平、垂直軸線控制外，還必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)和隧道的轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。結(jié)合以往雙圓盾構(gòu)和矩形頂管施工的經(jīng)驗(yàn)，先后嘗試了①大刀盤正反轉(zhuǎn)、②偏心刀盤正反轉(zhuǎn)、③螺旋機(jī)出土量、④千斤頂編組、⑤單側(cè)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(chǎn)生漿液流入土艙，影響排土。最終以措施①和⑤為主，在轉(zhuǎn)角產(chǎn)生之初盡快反轉(zhuǎn)刀盤，如果趨勢持續(xù)發(fā)展，可采用單側(cè)壓載措施。實(shí)際工程中將最大轉(zhuǎn)角控制在14′以內(nèi)。

綜合應(yīng)用上述措施后，施工工藝各環(huán)節(jié)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(xiàn)優(yōu)于同類地層的普通盾構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期的目的。

5 試驗(yàn)工程與施工效果

試驗(yàn)工程位于寧波市軌道交通3號線高塘橋站南側(cè)接出入段線，類矩形盾構(gòu)段長390.3 m，區(qū)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(nèi)主要地層均為軟土，其中大部分?jǐn)嗝嫖挥诹魉軤睥?a層淤泥、②2b層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，承載力極低，靈敏度高，如表3所示。

圖17 試驗(yàn)工程縱剖面圖Fig. 17 Profile of project

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

試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)共計(jì)326環(huán)，共分為8個(gè)試驗(yàn)段，如圖17所示。其中包括400 m半徑曲線推進(jìn)、流塑淤泥質(zhì)地層淺覆土推進(jìn)(<3.5 m)，極淺覆土穿越河流推進(jìn)(設(shè)抗浮板，<2.5 m)，淺覆土下穿使用中的正宇電機(jī)廠房(3層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ))等困難工況的施工。2015年11月30日類矩形盾構(gòu)始發(fā)，中途由于接收井場地協(xié)調(diào)問題，經(jīng)歷了數(shù)次停頓，于2016年11月11日盾構(gòu)進(jìn)洞，工程達(dá)到了預(yù)期效果，體現(xiàn)在：

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

2) 隧道質(zhì)量優(yōu)良，達(dá)到一級防水標(biāo)準(zhǔn)，隧道貫通后實(shí)景見圖18。

3)沉降控制效果優(yōu)于寧波地區(qū)普通盾構(gòu)施工水平，如盾構(gòu)在正宇電機(jī)廠正下方穿越后長期沉降控制在30 mm以內(nèi)，如圖19所示。

圖18 隧道貫通后實(shí)景Fig. 18 Completed tunnel

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

6 結(jié)語

目前，類矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)體系研究的第一階段內(nèi)容已經(jīng)完成驗(yàn)收。該臺類矩形盾構(gòu)“陽明號”在完成試驗(yàn)工程之后，經(jīng)過升級改造并在寧波地鐵4號線穿越老城區(qū)的區(qū)間內(nèi)正式掘進(jìn)。而另外一臺類矩形盾構(gòu)“陽明2號”已經(jīng)完成加工制造，等待投入寧波地鐵2號線2期工程中?？梢云诖痪玫膶?，這一新的技術(shù)體系將為我國地鐵建設(shè)提供一種全新的單峒雙線隧道類型，以解決都市核心區(qū)和老舊城區(qū)“地下空間擺不下、鄰近設(shè)施碰不起”的普遍問題。

此外，本項(xiàng)目所采用的“科研—設(shè)計(jì)—施工一體化”模式所體現(xiàn)的科技成果轉(zhuǎn)化高效率是罕見的。找到了從裝備研發(fā)入手，打破設(shè)計(jì)、施工、裝備制造之間的行業(yè)隔閡，高速推動(dòng)我國地下工程技術(shù)邁向世界領(lǐng)先水平的方法。

[1] 周文波. 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2004. ZHOU Wenbo. Shield tunneling technology and application [M]. Beijing： China Architecture & Building Press, 2004.

[2] 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. BAI Yun, ZHANG Guanjun， TENG Li. Study of tunneling construction equipment and technology for large cross-section and rectangular underground passageway[R]. Shanghai: Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd., 2006.

[3] 陳雁冰，張閔慶，陳曉陽，等. 多功能長平移管片拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(1): 166. CHEN Yanbing，ZHANG Minqing，CHEN Xiaoyang，et al. Design of the multi-functioned long translational segment erector[J].Modern Tunnelling Technology， 2012， 49(1): 166.

[4] 尹旅超，朱振宏，李玉珍.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社，1999. YIN Lüchao，ZHU Zhenhong，LI Yuzhen. New technology of shield tunnelling in Japan [M]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press， 1999.

[5] 莊欠偉，楊正.類矩形盾構(gòu)六自由度串聯(lián)型管片拼裝機(jī)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53(增刊1)： 46. ZHUANG Qianwei,YANG Zheng. Six DOF series segment erector of quasi-rectangular shields[J].Modern Tunnelling Technology， 2016， 53(S1): 46.

[6] 張厚美. 盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實(shí)踐[M]．北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2010． ZHANG Houmei. Theoretical research and construction practice of shield tunnel [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2010.

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(yè)于西南交通大學(xué)，鐵路與橋梁工程專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，主要從事鐵路、橋梁、隧道工程等領(lǐng)域的安全技術(shù)工程管理及施工技術(shù)研究工作。E-mail: 406905816@qq.com。

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