吳 韜

（上海申虹投資發(fā)展有限公司，上海市 200000）

0 引言

21世紀是隧道及地下空間大力發(fā)展的時代[1]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市建設的加速，傳統(tǒng)圓形盾構法隧道在國內大中城市交通發(fā)展中有著廣泛的工程應用，積累了豐富的設計和施工經(jīng)驗。

現(xiàn)代化都市的核心區(qū)域通常已建成高密度的建筑樓宇和各類地下設施，人車交通流量趨于飽和。近年來，伴隨著城市更新和功能提升的步伐，這些區(qū)域對大斷面地下車行和人行通道的連接產(chǎn)生了更廣泛的需求，復雜的周邊環(huán)境也給隧道建設提出了更嚴苛的要求。

傳統(tǒng)盾構隧道多采用圓形斷面，相比之下，矩形斷面的盾構隧道在提高空間使用效率、潛覆土環(huán)境施工、優(yōu)化土體切削量和縮短建設工期等方面具有顯著優(yōu)勢[2]。矩形盾構隧道的工程實踐始于日本，在日本千葉縣排水隧道、日本京都高鐵東西線等工程中應用[3-4]。

2015年，國內自主研發(fā)的首臺大斷面土壓平衡矩形盾構機在上海虹橋臨空經(jīng)濟區(qū)11-3地塊地下連通道項目中完成了首次工程應用，成功建造了28m長的矩形隧道[5]。該臺矩形盾構機隨后轉運至上海虹橋商務區(qū)開展了第二次工程實踐。本文依托虹橋商務區(qū)至國展中心地下人行通道工程，聚焦研究矩形盾構穿越道路和高架橋墩施工過程中的關鍵施工技術，形成的經(jīng)驗和結論以期對實施類似工程提供幫助。

1 工程概況

如圖1所示，虹橋商務區(qū)至國家會展中心地下人行通道工程，向東連接上海虹橋商務區(qū)地下中央軸線通道，向西接入國家會展中心下沉式廣場。通道全長524m，其中矩形盾構段長83.95m，位于華翔路及嘉閔高架路下方，坡度為5‰。

圖1 地下人行通道總平面圖

隧道管片外包尺寸為9.75m（寬）×4.95m（高），內凈尺寸為8.65m（寬）×3.85m（高），隧道上方覆土厚度約7.5m。開挖土層主要有②3號灰色粉砂層、③號粉質黏土層和④號淤泥質黏土層。

下穿的華翔路上管線眾多，包含各類市政管線，分布情況如圖2所示。將φ300和φ500的煤氣管整體抬高，原管采取廢棄處理；將11孔非開挖的信息管搬遷；雨水管井底部距矩形盾構外殼最近距離為2.18m。

圖2 矩形盾構穿越華翔路市政管線

嘉閔高架路橋梁位于華翔路上方，相鄰墩柱間跨徑為25m。橋梁承臺采用群樁基礎，矩形盾構從跨中穿越，距離南側承臺5.086m，距離北側承臺3.962m。位置關系如圖3所示。

圖3 矩形盾構與嘉閔高架承臺樁基平面位置關系

2 矩形盾構裝備與襯砌結構

隧道掘進設備是國內第一臺大型土壓平衡式矩形盾構機，盾構本體機總長9.05m，寬10.10m，高5.30m，如圖4所示。矩形盾構機本體由切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾三部分組成，通過M30螺栓連接成整體。盾構機后部配置8組設備車架，機頭總重量約300t。此外，為了實現(xiàn)矩形管片的拼裝，國內自主研發(fā)了雙立柱式拼裝機。雙立柱式拼裝機由立柱、滑套、回轉支撐、橫臂和拼裝頭等部件組成[6]。

圖4 矩形盾構在工廠內拼裝

本次矩形隧道襯砌采用鋼混復合結構管片，在箱型鋼結構內部填充C50混凝土。每環(huán)管片分為六分塊，包括拱底塊、兩側下塊、兩側上塊、封頂塊，縱向采用通縫拼裝形式，如圖5所示。

圖5 矩形盾構管片拼裝

3 矩形盾構軸線控制技術

隧道軸線控制是盾構隧道施工的核心技術之一，軸線偏差也是隧道施工質量驗收的關鍵指標。矩形盾構由于機身形狀大而平坦，更易造成平面上的偏差。本次工程中，矩形盾構機在盾尾離開加固區(qū)域后，出現(xiàn)機身上浮的不利情況。相較于設計軸線，盾構機切口的最大偏差為向上99mm，盾構機尾部的最大偏差為向上159mm。對此，本工程嘗試研究相關控制措施并付諸實踐。

3.1 調節(jié)千斤頂推力分配

矩形盾構掘進過程中，通過動態(tài)測量和調整土壓力來控制盾構切口面的穩(wěn)定。除此之外，隧道軸線控制的關鍵在于調整編組千斤頂?shù)男谐滩詈晚斄?，產(chǎn)生糾偏力矩，同時控制好管片的成環(huán)拼裝質量。

如圖2所示，盾構沿推進方向存在1.38%的向上坡度，盾構機所受的推進反力傾斜向上，與浮力的疊加效應致使盾構機切口及盾尾高程易產(chǎn)生向上變化的趨勢。施工中先后采取如下措施進行控制。

（1）等比例調整各區(qū)千斤頂編組的推力，保證推進方向向下，總推力加大至1900t，同時放慢推進速度，維持住盾構姿態(tài)不再向上變化。

（2）將上、下、左、右各區(qū)千斤頂編組的推力減小至500t、18t、40t和20t。隨后再逐漸增大各區(qū)推力，分別調整至1300t、60t、130t和120t。

由于下區(qū)千斤頂推力減至極小值，在確保盾構機穩(wěn)定的前提下，盾尾下方形成支點，上區(qū)的千斤頂推力迫使盾構機繞支點轉動，成功實現(xiàn)了切口姿態(tài)向下調整的目的。

3.2 泥墊糾偏

區(qū)別于圓形盾構，矩形盾構橫斷面不是中心對稱圖形，在各種因素的作用下，極易產(chǎn)生側向偏轉，給矩形盾構的進洞和后續(xù)使用功能造成很大影響。為此，本臺盾構機在四周設有壓泥口，通過向指定位置土層注入高壓泥流，形成具有一定壓力的泥墊，可以為矩形盾構機提供有效糾偏力。

3.3 出泥糾偏

本次施工中，盾構上浮趨勢明顯。為了進一步控制盾構姿態(tài)，施工中嘗試對盾殼進行改造，如圖6所示。具體做法如下：

圖6 出泥糾偏具體做法示意圖

（1）拆除原有的壓泥口錐形蓋板并加裝新蓋板。新蓋板均開設3個直徑4in的出泥孔并配備球閥。盾構前部下方的土體在推進過程中會被擠出，切口姿態(tài)得到有效控制。

（2）為了進一步控制盾尾姿態(tài)，在支撐環(huán)下半部均勻開設3個直徑4in的出泥孔并配備球閥，向土體中注入清水，攪松后排出泥漿，有效降低了盾尾高程。

3.4 軸線控制效果

本工程中，矩形盾構切口及盾尾的水平姿態(tài)均控制在允許范圍內，如圖7和圖8所示，保證了矩形盾構機順利進洞，隧道施工軸線滿足設計要求。

圖7 切口高程變化量統(tǒng)計

圖8 盾尾高程變化量統(tǒng)計

4 矩形管片橫豎內徑控制技術

研究表明，矩形管片在施工期存在多種受力工況。其中，脫出盾尾階段和同步注漿階段是管片施工中最不利的2個受力階段[7]。螺栓預緊力對控制矩形襯砌結構變形提供幫助，但并不是越高越好[8]。因此，矩形管片的橫豎內徑控制應該采取多次測量、多次調整的原則開展精細化作業(yè)。主要措施如下：

4.1 單塊管片拼裝要點

（1）拼裝左下塊與右下塊鄰接塊時，應盡量向內拉緊管片，進行第1次測量并復核橫徑，滿足設計要求后方可進行左上塊及右上塊鄰接塊的拼裝。

（2）左上塊及右上塊鄰接塊拼裝完成后，進行第2次測量并復核橫徑，滿足設計要求后進行封頂塊拼裝。

（3）封頂塊到位后，進行第3次測量并復核豎徑，滿足設計要求后方可人工擰緊螺栓。

（4）每塊管片拼裝時，應滿足管片與盾尾間隙為5.5cm。每塊管片調整就位后，使用千斤頂頂緊。

4.2 新成環(huán)管片形狀控制

新一環(huán)管片拼裝完成后，應立即復核新成環(huán)的橫徑和豎徑，符合設計要求后，方可使用液壓扳手緊固螺栓。如不符合要求，應將形狀保持器前進至圖9所示位置，同時對成環(huán)管片施加頂力，直至復核測量滿足要求后，才能開展下一步操作。

圖9 矩形管片形狀保持器使用示意圖

緊固螺栓時，應嚴格按照設計要求控制擰緊扭矩。本工程控制值為3300N·m。螺栓擰緊施工完成后，再次復核管片橫豎內徑偏差在允許范圍內，方能進行下一環(huán)掘進。

4.3 實時監(jiān)測與復緊螺栓

新成環(huán)管片在荷載和變形穩(wěn)定之前，需要經(jīng)歷如下工況荷載：

（1）盾構推進階段，千斤頂推力直接作用在管片側面。

（2）脫出盾構階段，外部水土荷載直接作用在管片上。

（3）同步注漿階段，漿液擴散前所產(chǎn)生的附加荷載。荷載的變化將直接導致管片縱橫徑產(chǎn)生變化。

為此，施工中對成環(huán)管片的縱橫徑開展實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)研判，并及時復緊螺栓。

如圖10所示，通過動態(tài)的監(jiān)測與調整，管片過程中以及最終的橫徑偏差控制在+20mm以內，豎徑偏差控制在-30mm以內，符合設計要求。

圖10 矩形盾構成環(huán)管片橫徑與豎徑監(jiān)測

5 施工環(huán)境影響控制

5.1 高架樁基變形

為確保高架市政設施在施工期間的安全，提前在盾構與橋樁間實施了高強度MJS樁予以隔離，并設置了土體深層沉降監(jiān)測點、土體測斜監(jiān)測點和水位觀測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，矩形盾構穿越之后，橋樁橫向和豎向位移數(shù)值極小。同時，深層土體最大沉降為3.3mm，土體測斜水平位移最大為4.48mm。

5.2 地表變形監(jiān)控

本次沿矩形盾構推進軸線共布設了14個地表沉降監(jiān)測點，離始發(fā)井側最近的監(jiān)測點為ZD1，離接收井側最近的監(jiān)測點為ZD14。

圖11選取了兩個典型監(jiān)測點的沉降曲線，反映了矩形盾構掘進期間地面高程的變化規(guī)律。

圖11 地面高程變化曲線

（1）在盾構出洞階段推進時，地表點開始出現(xiàn)少許下沉。這是盾構初始掘進階段，對土層擾動所致。

（2）進入正常推進階段后，為了控制盾構上浮，加大了盾構推進時總推力，所以推進時盾構前方地表點先開始隆起。

（3）在盾構推進穿越時，因為土體損失，地表點首先出現(xiàn)下沉。穿越后應及時進行二次注漿，但因隧道內部臺車限制操作空間，二次注漿不能及時跟進，導致地表沉降持續(xù)時間較長。

（4）二次注漿后，地表沉降得到有效控制。

從矩形盾構推進整個過程來看，地表沉降的規(guī)律類似于傳統(tǒng)圓形盾構推進，但相比圓形盾構，矩形盾構的不良姿態(tài)對土層位移的影響更大。通過及時采取控制措施，可以將地面高程控制在允許值以內。

6 結語

本文依托工程實踐，對矩形盾構施工中的關鍵技術開展探索和研究，主要結論如下：

（1）關于隧道軸線控制，動態(tài)調整編組千斤頂?shù)男谐滩詈晚斄梢援a(chǎn)生糾偏力偶，可以穩(wěn)定盾構的姿態(tài)并進一步實現(xiàn)糾偏，實現(xiàn)隧道軸線控制。

（2）關于盾構機糾偏，在矩形盾構機指定部位注入和排出泥漿，可以有效調整局部外荷載，在矩形盾構高程控制和側向旋轉糾偏方面，取得了滿意的效果。

（3）關于管片拼裝，矩形隧道管片的縱橫徑變化在工況荷載變化時更加敏感，應該采取多次測量、多次調整、多次復擰螺栓的原則開展精細化作業(yè)。

（4）關于環(huán)境影響控制，矩形盾構推進對側向鄰近樁基及土層的影響較小，地表沉降規(guī)律類似于傳統(tǒng)圓形盾構推進，但相比圓形盾構，矩形盾構的不良姿態(tài)對土層位移的影響更大。