劉波

摘 要：在現(xiàn)階段城市開發(fā)建設(shè)中，以大斷面矩形盾構(gòu)工程的發(fā)展建設(shè)最突出，但是大斷面矩形盾構(gòu)的一些工程設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)仍存在很大缺陷。為解決地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)問(wèn)題，研究將以某工程為基礎(chǔ)進(jìn)行大斷面矩形盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究，解決管片設(shè)計(jì)、組合、施工以及防水等問(wèn)題，以期為相關(guān)人員或相關(guān)單位提供幫助。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;盾構(gòu)設(shè)計(jì);施工技術(shù);管片

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0096-03

Research on Key Technologies of Design and Construction of Large

Section Rectangular Shield in Metro Tunnel

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113112）

Abstract： In the current urban development and construction， the development and construction of large section rectangular shield is the most prominent， but some engineering design and key technologies of large section rectangular shield still have great defects. In this regard， in order to solve the problems of design and construction technology of large section rectangular shield in metro tunnel， the key technologies of construction design and construction of large section rectangular shield will be studied based on a project， so as to solve the problems of segment design， combination， construction and waterproof， so as to provide help for relevant personnel or units.

Keywords： subway tunnel;shield design;construction technology;segment

地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)需要以盾體結(jié)構(gòu)、掘進(jìn)技術(shù)以及矩形管片結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方向?yàn)橹黧w。綜合考慮地質(zhì)適應(yīng)性、環(huán)境影響以及結(jié)構(gòu)特征對(duì)掘進(jìn)的影響，本文設(shè)計(jì)了一套具有高度地質(zhì)適應(yīng)性的地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)方案[1]。

1 城市隧道掘進(jìn)工程概況

浙江省寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)工程全長(zhǎng)2 980 m，施工范圍內(nèi)軟弱沉積地層居多，矩形盾構(gòu)主體方向?yàn)槟媳痹O(shè)計(jì)，最小直線距離為450 m，最長(zhǎng)直線距離為780 m，最大偏轉(zhuǎn)弧度為9°，最大坡度為36.5°。施工路線多經(jīng)過(guò)農(nóng)田或村鎮(zhèn)，只有部分掘進(jìn)路段上層為樓宇和大型建筑。隧道穿越地層類型主要包括淤泥層、淤泥質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層等。施工路線地質(zhì)特征分布均勻，且掘進(jìn)路線經(jīng)過(guò)的土層均具有中等壓縮性，壓縮系數(shù)約為0.25 MPa，液性指數(shù)為0.35，頂板標(biāo)高設(shè)定為-55.48～-39.57 m，設(shè)定揭露層厚為0.72～6.53 m，均厚約為3.13 m。

2 矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在圓形盾殼的基礎(chǔ)上對(duì)矩形盾殼進(jìn)行受力分析。矩形盾殼因承載面積大、承載結(jié)構(gòu)受力不均勻，在使用過(guò)程中容易發(fā)生變形。若盾構(gòu)機(jī)盾體產(chǎn)生變形，則會(huì)直接影響后續(xù)的地表沉降、注漿質(zhì)量以及隧道成型。此外，若通過(guò)增加鋼板厚度的方式提高盾殼堅(jiān)固程度，會(huì)使盾殼質(zhì)量過(guò)大，造成矩形盾構(gòu)主機(jī)出現(xiàn)栽頭、吊裝不平衡等問(wèn)題，因此不能依靠增加鋼板厚度的方式提高盾體的抗壓能力。以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)工程為例，對(duì)矩形盾構(gòu)的超大斷面薄殼設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，明確矩形盾構(gòu)機(jī)盾殼受力的薄弱部位。通過(guò)建筑信息模型（Building Information Medeling，BIM）技術(shù)進(jìn)行分析與建模，優(yōu)化盾體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，箱形結(jié)構(gòu)上下部設(shè)計(jì)采用微拱形結(jié)構(gòu)，可以分散垂直載荷，具有較高的抗變形能力[2]。

2.2 不規(guī)則管片拼裝與滾轉(zhuǎn)糾偏設(shè)計(jì)

為解決矩形管片拼裝環(huán)節(jié)拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)空間不足、管片拼裝超出回轉(zhuǎn)范圍、中立柱拼裝困難以及盾構(gòu)部件需要與拼裝機(jī)協(xié)調(diào)安裝等難點(diǎn)，將使用雙管片拼裝機(jī)拼裝不規(guī)則矩形管片。

針對(duì)滾轉(zhuǎn)糾偏問(wèn)題，將通過(guò)主動(dòng)鉸接模式對(duì)盾構(gòu)機(jī)前盾與尾盾的銜接模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在主動(dòng)鉸接裝置中配備24根具有高鉸接能力的油缸，在矩形四邊各設(shè)計(jì)1個(gè)含行程傳感器的鉸接油缸。通過(guò)精密的計(jì)算與分組控制設(shè)計(jì)的方式，可實(shí)現(xiàn)從前盾監(jiān)控尾盾轉(zhuǎn)動(dòng)角度的效果[3-4]，并通過(guò)調(diào)整鉸接油缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的轉(zhuǎn)彎要求。

在掘進(jìn)施工中或掘進(jìn)后續(xù)鋪設(shè)完畢后，盾構(gòu)機(jī)管片會(huì)發(fā)生滾轉(zhuǎn)，此時(shí)可以通過(guò)往盾體前預(yù)留的注漿孔中注入泥漿的方式實(shí)現(xiàn)糾偏。

3 軟弱沉積地層掘進(jìn)穩(wěn)定性技術(shù)

3.1 控制地表沉降設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，我國(guó)大斷面矩形盾構(gòu)開挖方式主要有3種，即雙圓刀盤開挖、異形刀盤開挖和多刀盤旋轉(zhuǎn)開挖。參考寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)工程案例數(shù)據(jù)，本文提出以平行軸式六刀盤作為開挖施工方案，以控制掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降現(xiàn)象。其間需要對(duì)尺寸方向與開挖縫隙進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。在尺寸方向設(shè)計(jì)中，開挖尺寸應(yīng)當(dāng)與前盾構(gòu)尺寸相同，需保證小刀盤平均分布在大刀盤的前平面上，形成交叉分布形式，并在護(hù)盾內(nèi)側(cè)設(shè)置盾體切刀，以確保盾構(gòu)具有較高的渣土傳輸能力。輻條結(jié)構(gòu)刀具在處理某些土質(zhì)時(shí)不易結(jié)泥餅，有利于減小刀盤的攪拌力矩。通過(guò)在每根輻條上安裝攪拌棒的方式，擴(kuò)大刀具攪拌區(qū)域，降低旋轉(zhuǎn)刀盤對(duì)地層的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制地表沉降和保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定的效果[5]。

設(shè)計(jì)中還需要安裝一種配有承重系統(tǒng)和傳感器的稱重皮帶機(jī)，方便技術(shù)人員準(zhǔn)確計(jì)算出掘進(jìn)排渣量與砂石質(zhì)量[6]。

3.2 糾偏控制技術(shù)

以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)工程數(shù)據(jù)為例，構(gòu)建以施工地形、地質(zhì)條件以及設(shè)計(jì)文件等參數(shù)為基礎(chǔ)的盾構(gòu)糾偏三維分析模型，通過(guò)計(jì)算矩形盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)矩形管片展現(xiàn)的受力、變形以及地表位移等數(shù)據(jù)，總結(jié)盾構(gòu)經(jīng)過(guò)不同土質(zhì)時(shí)矩形管片受地面壓力而出現(xiàn)的變形大小與空間分布規(guī)律，從而為技術(shù)人員判斷盾構(gòu)是否出現(xiàn)位移或偏差提供幫助[7]。掘進(jìn)過(guò)程中，技術(shù)人員可以通過(guò)數(shù)值模型的方式驗(yàn)證各項(xiàng)控制措施是否具有時(shí)效性，利用數(shù)值模型構(gòu)建糾偏應(yīng)急預(yù)案，在出現(xiàn)偏差前兆時(shí)以三維分析模型反演出偏差掘進(jìn)參數(shù)，從而修正矩形盾構(gòu)的偏差路線。

4 矩形管片結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

4.1 管片組合方式

設(shè)計(jì)地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)的線路擬合時(shí)，由于矩形隧道的盾構(gòu)無(wú)法利用自身的旋轉(zhuǎn)盾構(gòu)管片實(shí)現(xiàn)隨時(shí)掘進(jìn)和隨時(shí)糾偏，常規(guī)的大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)都會(huì)極力避免出現(xiàn)需要頻繁糾偏的設(shè)計(jì)路線，多采用直線段、豎曲線段或者平曲線段作為主要設(shè)計(jì)方式。已有研究表明，現(xiàn)階段矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)的隧道襯砌分塊通常分為錯(cuò)縫和通縫兩種模式。錯(cuò)縫拼裝設(shè)計(jì)會(huì)受到矩形隧道的挖掘特點(diǎn)限制，而不能像圓管隧道掘進(jìn)法利用旋轉(zhuǎn)拼裝方式進(jìn)行錯(cuò)縫施工，因此在矩形盾構(gòu)下必須采用適當(dāng)分塊的方式進(jìn)行拼接[8]。本文將使用平面對(duì)稱設(shè)計(jì)的方式設(shè)計(jì)矩形盾構(gòu)中的R型管片和F型管片。設(shè)計(jì)中：R型管片可以細(xì)分為K塊（一塊）、RA塊（一塊）、RD塊（一塊）、RB塊（兩塊）、RC塊（兩塊）;F型管片同樣可以細(xì)分為K塊（一塊）、FA塊（一塊）、FD塊（一塊）、FB塊（兩塊）以及FC塊（兩塊）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，因?yàn)镽、F型管片中同名的結(jié)構(gòu)塊所處位置均不相同，所以若想實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫拼裝施工，還需要重點(diǎn)考慮千斤頂受力方向與楔形量的限制。R型管片與F型管片的具體分塊設(shè)計(jì)如圖2所示。在拼裝組合不同型號(hào)的管片時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合各分塊的大小和分布位置等信息來(lái)采取相應(yīng)的施工措施，從而在錯(cuò)縫拼裝的前提下實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)線路的糾偏與擬合。

4.2 管片連接接頭分析

管片接縫設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮盾構(gòu)防水構(gòu)造的設(shè)計(jì)，使用楔形環(huán)為管片拼裝縫提供良好的防水防護(hù)。設(shè)計(jì)中需要依據(jù)常規(guī)管片接縫防水設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)劃矩形盾構(gòu)管片的防水設(shè)計(jì)。以管片接縫防水設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，在管片接縫處安裝2道高彈性的密封墊，并在管片內(nèi)側(cè)預(yù)留嵌縫槽。通過(guò)實(shí)際案例可知，在管片內(nèi)側(cè)縱環(huán)縫中設(shè)計(jì)一定規(guī)律的凹凸榫槽，不但可以全面提高盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)環(huán)間的抗剪能力，而且能夠增加管片連接處的剛度。在環(huán)、縱縫內(nèi)側(cè)的凹凸榫槽位置處設(shè)計(jì)定位裝置，還可以提高掘進(jìn)施工時(shí)的拼裝精度?？紤]到管片連接頭處斜螺栓的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，需要加強(qiáng)斜螺栓構(gòu)件設(shè)計(jì)，以避免接頭兩邊出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。與斜螺栓相比，直螺栓截面的抗剪面積較大，且能夠承擔(dān)接頭處較高的剪力，所以不再對(duì)直螺栓進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4.3 管片分塊研究

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性，將在覆土厚度為15 m的施工區(qū)域進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)在土層壓力下出現(xiàn)的變形進(jìn)行研究。

設(shè)計(jì)管片厚度為0.45 m、幅寬為1.2 m，采用錯(cuò)縫拼裝連接方式。由此得出的結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

從矩形盾構(gòu)管片整體堅(jiān)固性角度出發(fā)，可以看出A模式下的管片設(shè)計(jì)比B模式下的管片設(shè)計(jì)受力更加均勻。特別是當(dāng)B模式下矩形管片在拱頂時(shí)，總體剛度較小且變形較大。本文設(shè)計(jì)的管片構(gòu)造參數(shù)如表2所示。

4.4 管片防水技術(shù)設(shè)計(jì)

常規(guī)盾構(gòu)設(shè)計(jì)下溝槽設(shè)計(jì)尺寸均偏小，因此盾構(gòu)的實(shí)際防水能力較弱，不能真正滿足特殊地形下矩形管片銜接的防水要求。本文中，溝槽的設(shè)計(jì)將以材料的變形理論為基礎(chǔ)，通過(guò)有限元模擬水楔對(duì)矩形管片的入侵過(guò)程，全面考察水侵下矩形溝槽的防水性能變化，并結(jié)合混凝土斷裂力學(xué)理論對(duì)模擬管片拼裝進(jìn)行探究，重點(diǎn)對(duì)溝槽周邊的混凝土情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了在長(zhǎng)時(shí)間的水流侵蝕下矩形管片銜接處混凝土的開裂情況。

5 結(jié)語(yǔ)

以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)工程為參考，重點(diǎn)對(duì)矩形盾構(gòu)的整體架構(gòu)、盾構(gòu)外殼以及矩形管片進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方式對(duì)地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)工程施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。仿真模擬實(shí)驗(yàn)證明，本文所分析的地鐵隧道大斷面矩形盾構(gòu)系統(tǒng)能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程提供技術(shù)保障，并可為相關(guān)工程的盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供理論支持。

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