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矩形盾构施工新技术在隧道施工中的应用

（上海建通工程建设有限公司）

0 引言
隧道盾构法施工具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、安全环保等优点，特别是在地质情况复杂、地下水位高等情况下，更具有明显的优势性，因此隧道盾构法施工在我国城市地铁隧道施工中得到了广泛的应用。这些地铁盾构隧道施工使用的盾构机一般都是呈圆形的，地下施工领域具有长距离、大直径、大埋深等特点。而在城市地下人行通道、车行地道、地铁设施、共同管沟等地下领域，一般都具有地下空间狭窄、覆土浅、距离短、周围建筑物密集、地下管线繁多等环境特点，圆形盾构机在这里无法发挥其应有的作用。矩形盾构机的开发恰恰填补了这项空白，将在这些领域得到逐步推广，前景较好。笔者以上海市虹桥地区一在建工程的矩形盾构施工为例，讲述矩形盾构施工的技术特点以及在隧道施工中的应用。
1 工程概况
1.1 盾构区段工程设计情况
上海虹桥商务核心区(一期)与中国博览会会展综合体地下人行通道东段工程长约 249 m，其下穿嘉闵高架段采用矩形盾构法施工。盾构段长度 83.95 m，覆土 7.5 m；隧道断面呈矩形，内部净空尺寸宽 8.65 m，高 3.85 m；衬砌结构采用钢板混凝土复合管片，厚度为 0.55 m，环宽 1 m，采用通缝拼装方式。每块管片由钢板焊接成型，内部填充 C50 混凝土。每环共 6 块管片，分别为底块、左下块、左上块、右下块、右上块和封顶块。每环内管片之间用 M45 螺栓连接，环与环之间用 M36 螺栓连接。
1.2 工程地质状况
工程所在地为正常沉寂区，盾构穿越的土层主要为 ②3 层灰色粉砂、③层灰色淤泥质粉质黏土及④层灰色淤泥质黏土。灰色粉砂土土质稍密，中压缩性，厚度 1.4 m～4.4 m，在一定水头的动水压力作用下易产生流砂现象；灰色淤泥质粉质黏土及灰色淤泥质黏土的厚度分别为 1.0 m～6.6 m、4.7 m ～7.3 m，属于淤泥质软弱层，具有含水量高、孔隙比大、强度低、高压缩性、灵敏度高等不良地质特性，受扰动易发生结构破坏，对施工安全的影响很大。
1.3 工程水文地质条件
地下水由浅部土层中的潜水和深部粉(砂)性土层中的承压水组成，补给来源主要是大气降水和地表径流。地下潜水位埋深为 1.10 m～4.90 m(高程 3.92 m～1.62 m)，受潮汐、降水量、季节、气候等因素影响而变化。承压水主要有⑦1 层，承压水水位一般低于潜水位，年呈周期性变化，埋深 3.0 m～12.0 m。2014 年 7 月 1 日～2014 年 7 月 8 日勘测结果：承压水水头埋深 5.83 m，水头标高－0.39 m。
1.4 周边环境条件
盾构区段周边环境复杂，毗邻重要建筑物，管线众多。隧道上方为华翔路和嘉闵高架；在平行于华翔路走向方向有燃气管道 2 根、给水管道 2 根、信息管道 4 根、雨水管道 2 根、电力管道 2 根、路灯 2 根，共 14 根市政管线；在垂直于华翔路方向位于隧道上方有雨水和信息管道各 1 根。其中 2 根燃气管线在进洞加固区，1 根电力管线在出洞加固区内。矩形盾构隧道距离嘉闵高架桥墩桩基最近距离 4.17 m，距离雨水管道窨井最近处为 2.18 m。
1.5 隧道盾构施工完成情况
本工程盾构区段于 2016 年 11 月 2 日管片拼装全部结束，盾构机脱离隧道最后一环管片及洞门，盾构掘进施工全部结束。经过对隧道净空尺寸、轴线平面位置及高程、防水、管片接缝、错台等项目的现场检查，均符合规范和设计要求。第三方监测数据显示，地表沉降、管线沉降、高架桥变形均在合理范围内。在项目施工过程中，盾构掘进没有对各种管线、嘉闵高架和华翔路的运营造成任何影响。
2 矩形盾构施工技术在隧道施工中的优势
由于城市地下工况条件复杂，多数情况要穿越主要道路及众多地下管线，对地面沉降控制要求较高。矩形盾构施工综合了圆形盾构施工和矩形顶管施工的优点，特别适合城市地下通道、管廊的施工。其优越性如下。
(1)与传统的圆形盾构相比较，具有空间利用优势。矩形盾构可使断面利用率提升 20% 以上，甚至可达 45%；能充分利用结构断面，提高有效面积的使用率，节约地下空间资源，提高在狭窄的地下环境穿越的能力，降低对周边环境的影响。
(2)具有施工深度优势，可实现浅覆土施工，使得隧道的埋深更浅。
(3)与明挖法施工相比，避免了占路施工和管线搬迁，更有利于在城市中心区域实施。
(4)相对于矩形顶管法，可长距离、曲线推进，拼装运输容易，而且能大大降低对周围土体的扰动。
3 矩形盾构机的设备构造特点
本工程采用的盾构机是由上海市机械施工集团有限公司制造的国内首台土压平衡式矩形盾构机，由盾构本体机和 6 节台车等设备组成。盾构本体机总长 9 050 mm、宽 10 100 mm、高 5 300 mm，总重量约 300 t，设备总推力 5 250 t，由三段(即切口环、支撑环和盾尾)组成。切口环与支撑环采用 424 个 M30 mm 螺栓联接，支撑环与盾尾采用378 个 M30 mm 螺栓联接；每段之间有 4 个定位销。该机是按照上海及周边江浙地区的不同地质条件设计，正常施工时能将地面沉降控制在 +1 cm～－3 cm 之间，并有较好的防水性能，盾构推进平均速度为 1 m/d～1.5 m/d。该盾构机创造性地采用了组合式可伸缩刀盘系统、变螺距超短螺旋输送机、双立柱式拼装机系统、泥垫纠偏系统、防背土系统和故障诊断专家系统等先进技术，加强掘进过程中的控制，从而使得该新型矩形盾构机在技术、经济和环境保护方面居于行业的领先地位。
4 矩形盾构在隧道推进施工中的技术特点
4.1 土体切削
矩形盾构机由于矩形断面的特点，无法像圆形盾构机那样采用一个大刀盘进行全断面土体切削。为了实现土体切削面积最大化，盾构机刀盘切削系统设置了 8 个切削式大刀盘和 3 个切削式小刀盘，并在切口环帽檐前端安装有约 200 个周边刀(如图 1 所示)。这 11 个刀盘可设定成同一方向旋转，也可单独设置转向，其中 8 个大刀盘可轴向伸出，当断面土体软硬不均时据此保持掘进方向。

4.2 盾构推进
矩形盾构机的盾构推进由支撑环内 30 只主千斤顶负担，其中长油缸 7 只，行程 2 150 mm；短油缸 23 只，行程 1 400 mm；千斤顶推力 1 750 kN/只，后座总顶力可达5 250 t。30 只千斤顶有独立的油路控制系统，并且按照上下左右分为四个区，实行分区控制。通过分区操作，调整每组油缸的推进速度和压力，来对盾构进行纠偏和调整方向。
4.3 渣土排出方式
矩形盾构机的排土系统包括螺旋出渣机(2 台)、皮带运输机、渣土车及电瓶车等设备。由于盾构机特有的矩形断面，为便于土仓渣土排出均衡，设置了两台螺旋出渣机同时出土。皮带运输机轨道在台车机架上，机头部分可以升降，当进行管片拼装时，机头抬起腾出空间，管片即可运进拼装现场。
该矩形盾构机属于新设备新工艺，本工程是使用该设备的第二个项目(第一个项目为试用阶段)。其排土系统较上一个项目有了很大改进，即增加了皮带运输机系统。皮带运输机的使用缩短了渣土车水平运输的距离，可以一次安排多台渣土车连续出渣，从而实现连续推进作业时间的延长，缩短了工艺间歇时间，为长距离盾构推进奠定了基础。
4.4 管片拼装工艺

该矩形盾构机首次采用双立柱式拼装机(矩形断面内左右侧各 1 台立柱式拼装机)进行管片的拼装。拼装机由立柱、滑套、回转支撑、横臂和拼装头等部分组成。管片运输到现场后，先把管片从运输车上吊运到管片喂片机上，再由喂片机送给管片拼装机。管片布置及安装顺序，如图 2 所示。
(1)每环的管片安装均从底块开始，然后依次安装相邻块(左下块、左上块或者右下块、右上块)，最后安装封顶块；安装底块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平。
(2)封顶块安装前，对止水条进行润滑处理；安装时，先径向插入 700 mm，调整位置后缓慢纵向顶推。
(3)管片安装到位后，应及时伸出相应位置的推进千斤顶油缸顶紧管片，然后方可移开管片拼装机。
(4)每环管片脱离盾尾后，要对管片连接螺栓进行二次紧固。
4.5 隧道保持器
由于矩形盾构机管片封顶块的曲率半径较大、横向接近水平，当管片脱出盾尾后，与圆形隧道相比在自重和土压的作用下会产生稍大变形，给后续管片的安装及保持隧道净空尺寸带来困难。利用隧道保持器上的千斤顶对管片进行临时支撑，保证了管片的成环拼装质量。
4.6 掘进偏差调整
盾构在掘进过程中，盾构本体因受到司机操作经验、地质情况的变化、推进阻力分部不均、刀盘运转的反作用力、同步注浆压力的不均衡等因素的影响，会发生掘进方向、轴线方位及旋转角度控制的超标。如果不及时采取措施纠偏，将对施工和隧道质量产生严重影响。
4.6.1 盾构掘进方向的控制
(1)采用盾构机自带的自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。盾构机自带的自动导向系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置、与隧道设计轴线的偏差以及变化趋势。盾构司机据此来调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。
随着盾构的推进，导向系统后视基准点的前移必须通过人工测量来进行精确定位。每推进一环进行一次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。
(2)采用分区操作盾构机推进油缸，控制盾构掘进的方向。推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。
在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；
在下坡段掘进时，则适当加大上部油缸的推力。在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力。在直线平坡段掘进时，所有油缸的推力与盾构前方土压力保持平衡。
4.6.2 盾构掘进姿态的调整
(1)参照上述分区操作推进油缸的方法，来调整盾构机姿态和纠正偏差，将盾构机的姿态调整到符合要求的范围内。
(2)当盾构机轴线偏高且通过操作油缸调整效果不佳时，可以在盾构机底壳设置排泥孔以排出盾构机下面的泥浆，使盾构机的标高降下来。但是，要采取控制排泥量和防止泥浆喷涌的措施。
(3)泥垫纠偏技术。本盾构机开发了泥垫式防侧转纠偏装置，通过向盾构体下面注入高压泥浆，来纠正盾构机的侧向侧转；效果较好。
纠偏过程要逐步进行，不能一次到位。每环的纠偏量在水平方向上不超过 6 mm，在竖直方向上不超过 5 mm。
4.7 防背土技术
由于矩形盾构机顶面平缓接近水平，推进过程中容易背土。背土会给盾构推进、姿态调整以及地表沉降控制带来很大的麻烦。本盾构机采用了以下防背土措施。
4.7.1 减摩注浆系统
在掘进施工中，运用减摩注浆系统注入触变泥浆，以减少盾构机与土壤的摩阻力，使机体外壳形成完整的减摩浆液薄膜，消除背土形成的机理，减少顶进阻力，确保施工的正常进行。
(1) 在盾构机切口环配置 11 个减摩注浆口，在支撑环配置 6 个减摩注浆孔。
(2)触变泥浆由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。
(3)根据计算：注浆压力为 0.23 MPa 左右，实际压浆量一般可达理论值的 2 倍～3 倍。在施工中，要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等作适当调整。
4.7.2 盾构防背土机械装置
在盾构机顶面设置两个液压防背土装置，将壳体上部土体划分为 5 块，防背土滑板在盾构推进过程中与盾构壳体有一个相对运动的过程，可以使背土松动、分隔和滑脱，从而起到消除背土的作用。
4.8 隧道防水技术
4.8.1 防水要求
防水等级为二级。
(1)不允许渗水，结构表面可有少量湿渍。
(2)整条隧道平均渗漏量不应大于 0.05 L/m2·d；隧道内任意 100 m2 的平均渗漏量不应大于 0.15 L/m2·d。
(3)隧道内表面湿渍不应大于总表面积的 2‰；任意100 m2 内的湿渍不应大于 3 处；单个湿渍不应大于 3 处，单个湿渍的最大面积不应大于 0.2 m2。
4.8.2 防水措施
结合钢板混凝土复合管片的特点，采取了以下一些防水措施。
(1) 复合管片结构自防水。通过确保钢材加工焊接质量和混凝土密实性，来实现钢结构复合管片自身的防水性能。
(2)管片接缝。在管片近外弧侧面(包括环面和端面)设置遇水膨胀橡胶条及弹性橡胶密封垫。在近内弧侧面(包括环面和端面)设置嵌缝密封槽，通过嵌缝材料封堵渗漏水。必要时可以焊接堵漏。
(3)螺栓孔防水。在螺栓孔设置角部棱角分明的遇水膨胀框形橡胶密封圈。
9 结语
新技术的推广应用有一个完善改进的过程，在遇到不同的环境条件时，会出现各种意想不到的问题。当一个个问题得到解决后，该技术也就走向了成熟。矩形盾构技术也不例外。本项目在施工过程中出现过设备构配件损坏、螺旋出渣机堵塞、盾构姿态偏差稍大等问题。但是，通过施工技术和组织管理等方面的不断改进，一个个问题得到了及时解决，最终圆满完成了推进任务。
文章来源：（中国知网）