我国矩形隧道施工技术的研究与应用.doc

天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 我国矩形隧道施工技术的研究与应用 提要：本文介绍了我国矩形隧道施工技术的研究与应用现状、现有矩形顶管机类型和技术水平，指出要提高我国矩形隧道施工技术水平，必须开展对矩形盾构施工技术的研究。 关键词：矩形隧道矩形顶管机矩形盾构施工技术 1概述自从英国人布鲁诺受“甲克虫打洞”启示，采用矩形盾构掘进机修建伦敦泰晤士河底隧道以来，至今已逾170多年的历史，在此漫长的历史变迁中，盾构作为地下工程掘进机械，几经发展和变化，施工技术也在不断的运用中得到发展和提高，隧道断面形状由最初的矩形发展到现在的圆形、椭圆形、马蹄形和多圆形等。圆形隧道以其结构受力好、设备制造简单和推进轴线容易控制等优点，在地下工程掘进技术领域占有主导地位，早先开发的矩形隧道施工技术因鲜有发展而渐渐地被忽视了。近几年来，随着市政建设的高速发展，基本建设对地下空间的利用与日俱增，特别是双层隧道、纵形和横形隧道、地下车行与人行通道和共同沟等结构设施的开发，加上隧道施工技术的提高，形成了局部气压、泥水加压和土压平衡式等新型掘进机技术，掘进机刀盘也开发出反铲式、条幅式、面板式、大刀盘式、多刀盘式、组合刀盘式（带仿形刀）、滚刀式和偏心多轴式等类型，为矩形隧道施工技术的重新崛起创造了时机和条件。目前，世界上研制应用的部分矩形盾构机如图1所示。 2矩形隧道的特点和施工难点 2.1特点 (1) 能充分利用结构断面，提高有效面积的使用； (2) 合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积，降低了工程造价（图2）。(3) 与圆形隧道施工技术有许多相似之处，可利用先进的施工技术加强和实施矩形隧道施工。 2.2施工难点 2.2.1 机头背土 由于土体和机壳间的摩擦作用，引起机头顶部背土，产生的土体扰动和流失给地面建筑和环境带来破坏，也给掘进施工带来诸多不利。 2.2.2机头旋转 各种形状的掘进机，推进中不可避免地产生机头旋转，矩形机头的纠转不仅克服土体摩擦力，还须克服土体的抗力。 2.2.3轴线偏差 掘进施工中会产生实际顶进轴线同设计轴线的偏差，由于土体抗力的作用，机头纠偏更加不易。 2.2.4顶力大矩形截面机头与施工土层的接触面积要大于同等截面的圆形机头，顶力也大于后者。 2.2.5衬砌、接头和止水带形式 矩形结构受力复杂，接头和止水带质量决定了衬砌、接头和止水带设计、施工的难度。 2.2.6衬砌制作和钢模精度 钢模精度决定着衬砌制作的质量，而衬砌质量又决定着隧道施工的质量能否满足设计和使用要求。 2.2.7机头进出洞技术 矩形掘进机进出洞，对洞口止水框、橡胶止水板要求较高，特别是橡胶止水板四角翻边容易引起撕裂，影响止水效果（图3）。3矩形隧道施工技术研究 1995年4月，隧道股份立项开始了矩形隧道施工技术的研究和试验工作。针对矩形隧道施工中可能出现的机头背土、旋转、轴线不易控制和顶力大等难点，进行重点研究，采取了如下技术措施： （1） 解决机头背土 在机头壳体顶部注浆，形成泥浆膜，减少土体与壳体的摩擦，防止背土发生（图4）。（2） 解决机头旋转 利用纠转装置、压浆、变角切口等纠转。 （3） 轴线控制 利用纠偏装置和变角切口纠偏，控制出土量，调整正面土压等施工参数。 （4） 设计顶力 通过理论计算和设置泥浆套等技术措施，设计掘进机顶力。 （5） 采集施工参数 通过收集各种施工参数和工况记录，研究矩形隧道施工技术。 （6） 衬砌结构设计与接头止水 除了必要的结构设计计算，对衬砌进行12缩尺结构承载模拟试验和接头止水试验，止水框、橡胶止水板选型设计和材料强度试验相结合。 （7） 洞口止水框与橡胶止水板设计 当年10月研制成功断面尺寸2500mm2500mm可变网格式矩形顶管机，并于同年11月在南汇航头试验基地试推进60m地下通道取得成功。试验中获得各项施工参数为以后矩形隧道施工技术推广应用打下坚实的基础， 试验顶管机所穿越的土层分别是：进出洞段为灰色淤泥质粘土和灰色淤泥质粉质粘土；区间段为灰色淤泥质粘土和灰色砂质粉土（见图5）。1999年8月，隧道股份针对矩形隧道施工技术的研究，立项研制了偏心多轴式刀盘（异形）盾构模拟机，并在2001年12月进行了室内模拟试验，通过试验验证该机型的技术可靠性和对各种土质的适用性，采集各种施工参数，获得刀具磨损速率比，为长距离掘进提供研究依据。图7为模拟试验机和掘削断面。4试验结论 （1） 矩形顶管机的背土问题是可以解决的。 （2） 圆形顶管的施工技术基本适应矩形顶管。 （3） 采用的土压平衡式矩形机头对控制机头姿态、轴线有利。 （4） 建立泥浆套使矩形机头摩阻系数接近圆形机头。 （5） 解决机头背土和有效控制机头姿态，能确保浅埋矩形隧道施工进入大城市。 （6） 矩形衬砌结构选型，接头形式达到设计要求，采用F形钢套接头，齿形橡胶止水带是可行的。 5矩形隧道施工技术的应用 应用工程1：地铁2号线陆家嘴站5号出入口地下人行通道工程 本案位于浦东陆家嘴金融贸易中心，其中5号出入口工作井和4号出入口接收井分布在延安东路越江南北线隧道的两侧。 工程沿线穿越陆家嘴路、延安东路越江隧道引道段、上水管、煤气管、污水管、市话线和电力排管等，其中南北线隧道引道段底板结构距矩形隧道顶部仅为1.56 m。 通道由两条长度均为62.25 m的平行矩形隧道组成，隧道截面为3.8m3.8m ，壁厚400mm，每节管节重27.2t，管节总用量为64节。隧道净间距为2.2m，坡度为0.2%，覆土约5.3m。结构全部采用预制钢筋混凝土衬砌，“F”形接头承插式、锯齿型橡胶止水带和弹性密封垫内外两道接头防水，混凝土级配C50，抗渗S8。 施工用掘进设备为3820mm3820mm组合刀盘式土压平衡顶管机，机头由大刀盘及正反面两把仿形刀组成，能够满足全断面切削，适应在粉砂层及加固层中施工(图8)。研制的高精度钢模制作的衬砌,前后长度误差控制在1mm,边长误差控制在2mm，对角线误差控制在3mm，完全达到设计要求。 施工中吸收了试验工程中的经验，防止了机头背土，控制了机头旋转和轴线偏差，轴线偏差控制在5mm，旋转控制在0.5，平均日掘进速度为5m/d,最高达到8m/d。 图9为施工用顶管机和完成的隧道断面。 应用工程2：人民大厦地下连通道工程 本案位于市中心人民广场北端，主要功能为连接上海市城市规划展示厅和市政府大楼人防通道。 通道采用3028mm3028mm组合小刀盘式土压平衡矩形顶管机和局部管棚暗挖法施工。通道总长108m，其中工作井至人民大厦段72m、坡度3.29%（顶管法）；工作井至展示厅段34m、坡度-3.29%（顶管法），管棚暗挖段2m。通道覆土厚度2.76.9m不等，内净尺寸2500mm2500mm。 通道结构采用钢筋混凝土预制管节，外形尺寸3000mm3000mm2000mm，壁厚250mm，管节长2m，每节管节重13.75t，管节总用量为53节。管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置由锯齿形橡胶止水圈和弹性密封垫内外两道组成。 工程将穿越上水、煤气、雨水、市话和电力等大量管线，距离顶管轴线较近的市政府贵宾车道旁的广玉兰树，须协同园林部门加以保护。 图10为施工用顶管机和完成的隧道断面。应用工程3：昆山市长江南路地下人行地道工程 本案为跨越昆山市区交通干道长江南路的地下双向人行地道。地道东起昆山市经济开发区内，西端紧邻规划中的众来国际商务中心，由两条平行的矩形隧道和两座地面出入口组成。隧道采用3820mm3820mm组合大刀盘式土压平衡顶管机掘进施工。 两条地道全长45m，间距2.2m，坡度0.0%，覆土厚度3.5m。地道结构采用预制矩形钢筋混凝土管节，外形尺寸3800mm3800mm，壁厚400mm，管节长2m,重27.2t，管节总用量为46节。管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置由锯齿形橡胶止水圈和弹性密封垫内外两道组成。 顶管沿线穿越西侧下水道、交通主干道、东侧600mm下水道、1000mm自来水管，东侧接收井结构外（顶管进洞处）1.5m处有一条通信光缆（管底埋深0.79m），其中东侧600mm下水道离隧道顶部净距仅为1.3m。 图11为施工用顶管机和完成的隧道断面。应用工程4：上海市共富路地下人行通道工程 上海市共富路地下人行隧道顶管工程，位于蕴川路与共富路交叉路口以南55m处，其中西侧出入口为始发井，东侧出入口为接收井，通道全长67.3m，分布在蕴川路的东西两侧。 通道结构采用钢筋混凝土预制管节，管节外形尺寸和接头止水形式同上。管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8，管节总用量为66节。通道采用3820mm3820mm组合大刀盘式土压平衡矩形顶管机施工。 顶管沿线由西往东将穿越300mm上水管、500mm煤气管、1200mm上水管、600mm雨水管、200mm雨水管（其两侧有路灯电力线各一根）、600mm雨水管、三根电话线、100mm上水管、300mm上水管、100mm上水管和一组电力线，其中西侧300mm上水管管底埋深1.35m，离隧道顶部净距为2.05m。 图12为施工用顶管机和完成的隧道断面。应用工程5：宁波市开明街药行街地下通道工程 本案位于宁波市开明街至药行街交叉路口，为地下双向人行通道。药行街是宁波市内主要交通道路之一，客流量和车流量都很大。通道共设南苑鞋城、天一广场、亚细亚商城及城隍庙商城四个出入口，其中南苑鞋城的出入口开在鞋城内。 通道由两条长度为50m的平行矩形隧道、两个工作井及四个出入口组成，两条隧道净间距为2m，坡度0.0%，平均覆土厚度4m。始发井内净尺寸17m9m，接收井内净尺寸17m7m，基坑开挖深度均为9.65m。该通道采用6028mm4028mm偏心多轴式刀盘土压平衡顶管机施工，机头长6185mm。 通道结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节外形尺寸6000mm4000mm，壁后500mm，长度1.5m。每节管节重33.75t。管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置由锯齿形橡胶止水圈和弹性密封垫内外两道组成。管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8，管节总用量为66节。通道将穿越药行街下的给水管、热力管、电力电缆、雨水管、电信电缆和污水管，其中埋深最深的450mm污水管距通道顶仅为1m。 目前，该通道正在施工阶段，图13为本案施工用偏心多轴式刀盘土压平衡顶管机，图14为施工现场6我国矩形隧道施工技术水平和存在问题 从上海地铁2号线陆家嘴站5号出入口首次运用矩形隧道施工技术至今，只有5个工程实例，隧道最大断面为4m6m，最大掘进长度为62.5m，与国外技术先进的国家相比，还存在一定的差距，但研制使用的掘进机技术已经达到相当的先进水准，如4m6m的偏心多轴式刀盘土压平衡顶管机，属世界较先进的隧道掘进机。 随着矩形断面隧道使用量的提高，大断面、长距离及根据实际工况必须曲线顶进的矩形隧道的出现，现有的设备、技术已不能满足施工要求。目前最大断面的宁波市药行街地下人行通道，单节管节的重量已达34t，必须配备大型起重设备和运输工具。如果缩短管节长度，则自身刚度和稳定性受到影响，运输难度增加。同样，随着断面和顶进长度的增加，摩阻力和顶力也随之增加，施工中的抗旋转、轴线控制、曲线顶进的变坡及转弯、管节接头止水和地面沉降控制等，均增加了难度。 总而言之，要继续完善和提高矩形盾构施工技术，必须开发矩形盾构和拼装管节技术。隧道施工技术发达的日本，已有矩形盾构和拼装管节的施工实例。 在日本千叶县习志野市津田沼地区，在菊田川2号干线施工中，需建造两条平行的合流污水矩形管道。管道外形尺寸4 200mm3 800mm，顶板和底板厚500mm、两侧板厚400mm，两隧道净间距仅为600mm，隧道掘进长度为310m，覆土厚度2.43.7m。管道上坡为0.13%、下坡为-0.13%，隧道是按照下坡0.6%推进，此后再按平坡直达目的地。 由于隧道跨越交通量大且狭窄的东金街，还要在隧道上部安装地下线网、水道管路及煤气管道，为了确保自然排放的管底标高达到设计标准，采用圆弧状的矩形偏心多轴式刀盘土压盾构施工。考虑到隧道两侧的民房、地下构筑物和地面上一棵400年树龄的银杏古树，隧道平面轴线形成了一条曲率半径为70m的S型曲线。此外，在横跨县立公路船桥的东金街区域，又要经过半径分