城市地鐵矩形地下通道掘進機的研究與應用
【摘要】本文重點介紹上海隧道施工技術(shù)研究所對城市交通矩形地下通道掘進機及矩形隧道的研究與用．以供異型斷面隧道研究、設(shè)計、施工參考。
【關(guān)鍵詞】城市地下交通 矩形隧道 頂管機設(shè)計 中間試驗 工程應用
城市建設(shè)發(fā)展速度越來越陜，交通運輸對城市建設(shè)發(fā)展的作用更加凸現(xiàn)。發(fā)展與建設(shè)的推進求城市解決更多的地下人行通道，如地鐵車站的進出口的過街人行隧道、城市地下管線共同溝等類地下隧道工程以矩形最為經(jīng)濟。因此城市交通矩形地下通道掘進機的研究與應用十分必要。
1 矩形隧道的發(fā)展與應用
世界最早的盾構(gòu)法隧道是1826年開始建造的英國倫敦穿越泰晤士問底的公俏隧道，其隧道斷面為11．4mx6．8m的矩形，由于采用人工開挖和施工中涌水淹沒事故，長458m的矩形隧道掘進了18年才完工。
20世紀70年代以來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，盾構(gòu)掘進機施工技術(shù)有了新的飛躍。尤其是日本，地下空間的開發(fā)和利用的需求，促進了盾構(gòu)隧道技術(shù)的進—步發(fā)展。20世紀80鋼代后，世界各國掀起了開發(fā)異形斷面盾構(gòu)掘進機的高潮，先后進行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道盾構(gòu)掘進機及施工技術(shù)的試驗研究和工程應用。從隧道的使用功能來分析，城市交通人行地道、地下共同溝、地鐵隧道的斷面形式以矩形最為合適，最為經(jīng)濟，因而矩形盾構(gòu)掘進機的重新研究開發(fā)和應用意義十分分重大。
日本對大斷面矩形盾構(gòu)工法開展了研究，主要解決穿越鐵路的車行下立交工程施工，用鋼管片拼裝后再澆筑混凝土內(nèi)襯，盾構(gòu)施工最淺覆土僅3m。1981年，名古屋和東京都采用4．29mx 3．09m手掘式矩形盾構(gòu)掘進2條長534m和298m的共同溝。名古屋還采用5．23mx4．38m的手掘式矩形盾構(gòu)掘進1條長374m矩形隧道。總之，矩形隧道和矩形盾構(gòu)技術(shù)的應用方興未艾，其優(yōu)點日益體現(xiàn)，其技術(shù)也日趨成熟。
上海隧道施工技術(shù)研究所于1995年起，開始啟動矩形隧道研究并通過立題論迅1995年完成2．5mx2．5m可變網(wǎng)格矩形頂管機設(shè)計、矩形隧道試驗工程方案和工程設(shè)計。1999年4月，上海地鐵三號線五號出入口矩形通道施工采用上海隧道施工技術(shù)研究所自行研制的3．8mx 3．8m矩形刀盤式土壓平衡頂管機。矩形隧道于4月中旬始發(fā)推進，6月初完成第2條矩形隧道工程，工程質(zhì)量優(yōu)良，施工中確保了上海延安東路隧道的正常運營和陸家嘴路地下管線的安全。國內(nèi)首次施工矩形盾構(gòu)隧道僅花了40天完成了兩條隧道的推進，矩形隧道研究和推廣應用取得了成功。
2 城市交通矩形地下通道掘進機的研究
2.1矩形隧道應用的經(jīng)濟跬
矩形斷面與圓形斷面相比，其有效使用面積比圓形增大20％以上。城市交通過街人行通道要求埋深淺，因此矩形隧道更能滿足人行通道的施工要求。
城市交通過街人行通道作為地鐵車站的進出口日益增多，城市地下管線共同溝也將在我國得到發(fā)
展，而這類地下隧道工程以矩形最為經(jīng)濟，因此矩形隧道的研究和應用可直接為工程建設(shè)的需求服務(wù)，
并有廣泛的應用前景。
2．2 矩形隧道的研究方法
矩形隧道的可行性研究力祛和技術(shù)路線如下：
(1)對國外有關(guān)矩形盾構(gòu)和矩形隧道工程的消化吸收；
(2)矩形頂管試驗工程的設(shè)想和設(shè)計；
(3)矩形頂管機機型的技術(shù)經(jīng)濟比較，機型方案設(shè)計和選擇；
(4)試驗用矩形頂管機的研制，在試驗機的基礎(chǔ)研制工程用矩形頂管機；
(5)矩形鋼筋混凝土管節(jié)通過結(jié)構(gòu)試驗了解結(jié)構(gòu)受力分布，改進管節(jié)設(shè)計節(jié)設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)；
(6)通過2．5mx2．5m矩形隧道試驗工程，了解矩形隧道頂進的施工參數(shù)和掌握規(guī)律，為工程應用提供依據(jù)；
(7)進行工程應用方案設(shè)計、施工設(shè)計，完成工程應用，進行施工工法研究。
2．3 矩形頂管機的研制
由于可變網(wǎng)格式矩形頂管機具有加工相對簡單、造價低、上馬快的優(yōu)點，在試驗中同樣可以獲取有價值的各類數(shù)據(jù)，所以選擇了這一方案。
2．3．1研發(fā)設(shè)計原則
矩形網(wǎng)格式頂管機采用網(wǎng)格切割土體，并擋住開挖面土體有效防止正面土體坍塌，以人工出土方法進行開挖。它由主頂進推動機頭向前運動，機頭分成前后兩段，中間由糾偏油缸連接，在殼體二側(cè)裝有糾轉(zhuǎn)裝置，可防止彤¨正轉(zhuǎn)角。切口環(huán)處安裝變角切口，可進行一定量的超挖，有利于機頭的姿態(tài)控制，保證隧道軸線的偏差在設(shè)計范圍內(nèi)。網(wǎng)格中包含四個可變網(wǎng)格，可以調(diào)整機頭正面的進土量，有利于控制正面土體的穩(wěn)定性。
2．3．2設(shè)計基本情況
為了保證管節(jié)和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設(shè)計中將機頭的截面尺寸設(shè)計得大于管節(jié)的截面尺寸。頂管機主機可分成前后兩段，中間由糾偏油缸連接。前后段之間的密封采用一道唇形密封和一道支承橡膠圈，切口環(huán)處裝有變角切口。網(wǎng)格中裝有可調(diào)節(jié)開口率的可變網(wǎng)格，在殼體兩側(cè)裝有糾轉(zhuǎn)裝置。上述裝置可對機頭姿態(tài)進行控制。
主頂進裝置由8臺油缸及u形頂鐵、頂環(huán)、墊鐵、底架、鋼后靠等組成，8臺油缸分成二組，各4臺疊加呈對稱分布，并用分體式結(jié)構(gòu)的支座固定，工作行程為1 450mm。每臺油缸可單獨控制。糾偏裝置主要用于機頭左右、上下軸線偏差的控制，總糾偏力為752t，糾偏角度為±2度。注漿糾轉(zhuǎn)系統(tǒng)(翅板+壓漿)主要用于機頭旋轉(zhuǎn)后的糾正，糾轉(zhuǎn)力矩可達210x2--420kN
2．4 矩形隧道工程試驗
2．4．1試驗工程概況
試驗工程位于上海南匯縣航頭地區(qū)，頂進距離為60m，覆土深度為6．45m。距離頂進軸線北側(cè)10m處有條小河，南側(cè)10m處是場內(nèi)鋼筋混凝土主干道路，見圖1。頂管機所穿越的土層分別為：進出洞段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；區(qū)間段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色砂質(zhì)粉土，見圖2。
2．4．2工程試驗效果
矩形通道頂管設(shè)計為平坡頂進，施工采用注漿技術(shù)，在機頭殼體、管節(jié)與土體之間形成泥漿膜(套)，對降低頂管頂力和減輕土體擾動起著重大作用。通過工程試驗，驗證了矩形頂管機的設(shè)計選型、矩形管節(jié)選型、接頭型式和止水帶設(shè)計選型；通過采集的各種施工參數(shù)和工況記錄，研究了矩形頂管施工工法。工程試驗完成了對矩形頂管機的技術(shù)關(guān)鍵進行試驗研究，收集了第一手的資料和數(shù)據(jù)，積累了矩形斷面隧道掘進的實際施工經(jīng)驗。
3 矩形在城市地鐵地下人行通道的應用
1998年2月，課題組提出地鐵陸家嘴站五號出入口地道矩形頂管施工方案。上海地鐵二號線陸家嘴車站二號出入口通道需建立2條62m，內(nèi)凈尺寸3mx 3m胡矩形隧道。
3．1 組合刀盤式土壓平衡頂管機的研制
3．8mx 3．8m組合刀盤式土壓平衡頂管機是在2．5mx2．5m矩形頂管機研制、試驗成功的基礎(chǔ)上，針對上海地鐵二號線陸家嘴車站五號出入口地下通道工程而研制的。
3．1．1 矩形地下通道掘進機的選型
結(jié)合工程情況，通過方案比選，考慮到大刀盤加仿形刀具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、操作簡便等特點，一致認為工程應采用全斷面切削土壓平衡頂管機進行施工。組合刀盤式土壓平衡頂管機采用大刀盤及仿形刀切割土體．并擋住開挖面土體，有效防止正面土體倒塌，利用調(diào)整螺旋機的轉(zhuǎn)速及頂進速度來控制土倉的土壓力，以保持開挖面的穩(wěn)定。為了保證管節(jié)和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設(shè)計中將機頭的截面尺寸設(shè)計得大于管節(jié)的截面尺寸。(機頭的外包截面尺寸3．828mx3．828m，管節(jié)外包截面尺寸3．8mx3．8m）。
3．1．2 組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機的特點
頂管機主機可分成前后兩段，中間由16臺糾偏油缸連接。前后段之間的密封采用二道唇形橡膠密封圈。正面由大刀盤及四把仿形刀對土體進行全斷面切削。由螺旋輸送機出土，調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速可保持土倉內(nèi)的土壓平衡，維持開挖面的穩(wěn)定，見圖3。主要技術(shù)性能參數(shù)：斷面尺寸：3 828mmx3 828mm(前段)、3 800mmx3 800mm(后段)；長度：3 920mm、4020mm；，總糾偏力(額定)14000kN；糾偏角度1．8度。
圖3 組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機機頭總圖
3.2組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機的關(guān)鍵技術(shù)
3．2．1 矩形頂管機全斷面切削問題
矩形頂管機若只有一個 大刀盤進行回轉(zhuǎn)切削，只能做到90％左右的截面切削率，矩形頂管帆斷面內(nèi)的四個角就無法切削。針對陸家嘴地區(qū)復雜的地質(zhì)條件、管線、環(huán)境保護和機頭進出洞時需穿越SMW加固層等情況，采用大刀盤對大部分的正面土體進行切削，利用設(shè)置在刀盤后側(cè)的仿形刀切削四個角上的土體，見圖4。
3．2．2 矩形頂管機機頭旋轉(zhuǎn)問題
對矩形頂管機機頭旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用壓漿糾轉(zhuǎn)技術(shù)措施，盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的辦法實現(xiàn)糾轉(zhuǎn)。
3．2．3矩形頂管機機頭軸線偏差控制方法
根據(jù)軸線偏差方位以及偏差量，對糾偏油缸進行編組及控制油缸伸縮量，使前、后殼體形成一夾角，從而改變機頭方向，以達到糾偏目的。此外還可采用壓漿糾偏的辦法，達到糾偏的目的，也可將兩者結(jié)合起來進行糾偏。
3．3 矩形隧道工程施工
上海市地鐵二號線陸家嘴五號出入口頂管工程，位于浦東陸家嘴金融貿(mào)易中心區(qū)。其五號出入口始發(fā)井，四號出入口為接收井，位置分布于延安東路隧道引道段南北兩側(cè)。通道由硼張度各為62．25m的平行管道組成，兩條管道凈間距為2．2m，管道坡度均為0．2％，管道頂平均覆土厚度約5．3m-通道結(jié)構(gòu)全部采用預制矩形鋼筋混凝土管節(jié)。管節(jié)外形尺寸為3 800x 3 800，壁厚為40cm，管節(jié)長度為2m。工程管節(jié)總用量為64節(jié)。
3．3．1頂進軸線的控制
軸線控制是矩形頂管頂進的一大難題。頂管在正常頂進施工過程中，必須密切注意頂進軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進結(jié)束后，必須進行機頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。
3．3．2環(huán)境保護和沉降控制
由于工程沿線將穿越陸家嘴路、延安東路隧道浦東引道段及上水管、煤氣管、雨水管、污水管、市話線、電力線等管線。其中管道頂與中450污水管、中1 000而r欠管、小800雨水管底凈距均為1m，與延安東路隧道引道段結(jié)構(gòu)底凈距為1．564m，見圖5，在頂進過程中的地面沉降控制、實施環(huán)境保護將極為重要。
當頂管法施工引起隧道周圍地表沉降，采用仿形刀裝置：對矩形頂管機的四個死角內(nèi)的土體切削配合大刀盤對正面土體進行充分切削。進行設(shè)置沉降監(jiān)測，數(shù)據(jù)反饋，調(diào)整施工參數(shù)，實施信息化施工。
控制好地面沉降，實際已形成和達到環(huán)境保護。但本工程對延安東路隧道引道段提出的沉降量控制在+10mm~-30mm之間，故必須采取保證措施控制沉降，在特定的條件下，確保隧道引道段安全。
3．3．3 矩形頂管機頂進中的控制技術(shù)
(1)嚴格控制頂管的施工參數(shù)，防止超挖；
(2)嚴格控制頂管頂進的糾偏量，把“勤糾、緩糾”控制好頂進輛線的原則，貫穿于頂進的全過程；
(3)頂進速度不宜過陜，盡量做到均衡施工，頂進速度控制在15mm/min左右。
(4)頂進施工中，必須保證持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙能迅速得到填充，確保頂管管道上部土體的穩(wěn)定。
(5)克服“背土”現(xiàn)象，除在機頭處道過壓注觸變泥漿，避免機頭“背土”現(xiàn)象發(fā)生外，還須在頂進過程中專門對出洞段管節(jié)上部進行注漿，隨時填堵由于管節(jié)“背土”而出現(xiàn)的建筑空隙。
(6)監(jiān)測控制頂管機機頭后部已建成管道的高程出現(xiàn)的“下沉”或“上浮”。當出現(xiàn)管道下沉較嚴重時，應對下沉部位進行底部注漿，防止由此導致地面沉降。
4 結(jié)束語
矩形盾構(gòu)隧道是國外在20世紀90年代開發(fā)應用的新穎盾構(gòu)隧道技術(shù)，由于其斷面利用率大、覆土淺、施工成本低等優(yōu)點，該項技術(shù)可用于城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道工程。矩形隧道工程試驗的成功，標志著我國該項技術(shù)應用已進入實質(zhì)性啟動階段，它填補了我國矩形頂管施工技術(shù)的空白，為該項技術(shù)的工程應用提供了設(shè)計依據(jù)和施工經(jīng)驗，必將具有廣闊的應用前景。
