大斷面矩形隧道盾構(gòu)現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)

大斷面矩形隧道盾構(gòu)現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)

董來軍

(中建新疆建工集團第一建筑工程有限責任公司新疆烏魯木齊830011)

一直以來，國內(nèi)外盾構(gòu)法施工在軟土地層中運用較多，而大斷面矩形隧道在硬土層中采用現(xiàn)澆襯砌施工的范例極少。本文主要通過工程的特殊性和技術(shù)創(chuàng)新點來論述該施工技術(shù)的特點和成果。

盾構(gòu)；大斷面；矩形；現(xiàn)澆襯砌；同步注漿；沉降

隨著科技水平的提高和社會需求的增長，地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展正突飛猛進，同時施工技術(shù)也在不斷的應(yīng)用中得到發(fā)展和提高。在西北地區(qū)首次采用大斷面矩形隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)構(gòu)建世界第一寬度（截至2010年查新報告）的地下商業(yè)街，標志著矩形隧道施工技術(shù)的一個突破，進一步拓展了矩形隧道在鬧市區(qū)建設(shè)地下通道、地鐵車站出入口、公用管線共同溝等地下工程的應(yīng)用前景。

1 施工技術(shù)的形成

大斷面矩形隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)是在ECL工法（Extruded Concrete Lining），即加壓灌注混凝土襯砌工法的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)法施工工藝和擬建地下建筑物的結(jié)構(gòu)特點，通過工程施工過程中不斷的技術(shù)改進逐步形成。

2004年擬建的辰野名品廣場地下商業(yè)街二期工程，地處烏魯木齊市交通繁忙和商業(yè)繁華的解放北路下，車流量大，地下管線多，尤其是一條Ф800主排水管道無法引流和遷移，只能采用非開挖技術(shù)進行施工。

為充分利用地下資源，業(yè)主理想的商業(yè)街的結(jié)構(gòu)斷面為20m×6m，并完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計。在此條件下，進行了矩形盾構(gòu)殼體、現(xiàn)澆襯砌、同步注漿、機械推進和電控系統(tǒng)等的設(shè)計研發(fā)，并初步形成了大斷面矩形隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)的雛形，在隨后50m始發(fā)段的施工中，通過不斷的數(shù)據(jù)采集、分析、改進、反饋，將大斷面矩形隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)調(diào)整和改進，并在其后的施工中不斷完善。

新的施工技術(shù)表現(xiàn)在地層中以非開挖的方式，以多聯(lián)體矩形盾構(gòu)掘進機的共體的盾尾作為活動的外模板，連續(xù)地澆筑混凝土，以構(gòu)建大型地下結(jié)構(gòu)。組合成的各單體矩形盾構(gòu)機可單個地運輸和吊裝，在施工現(xiàn)場再組合，因此克服了超大斷面盾構(gòu)在運輸和吊裝方面的困難，同時又避免了大開挖方式所特有的占用土地、影響交通的缺陷。

2 工程項目簡介

由于施工工程主體結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致了大斷面矩形隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)的研發(fā)，所以有必要對地下商城做一下總體介紹。

2.1 結(jié)構(gòu)和地形

地下商城總長328m，寬19.8m，凈高4.9m，分為四個防護單元。解放北路的地勢呈南高北低，地面高差達2.85m。掘進的坡度和路面的坡度保持一致，即和路面保持相對固定的覆土厚度。根據(jù)設(shè)計及計算要求，覆土層厚度為4.9m。地下商城為現(xiàn)澆混凝土無梁蓋板結(jié)構(gòu)，頂板及地板厚0.55m，壁板厚0.35m。混凝土設(shè)計標號為C40，抗?jié)B等級為0.8Mpa。掘進施工每2m為一環(huán)，總計164環(huán)。

圖1 地下商城結(jié)構(gòu)斷面圖

2.2地質(zhì)條件

對本工程施工有影響的地層自上到下的簡況如下：

Z層：雜填土，層厚1.8～3.5m不等。土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，以建筑及生活垃圾為主。

1層：角礫，埋藏深度1.8～3.5m，層厚7.1～10.6m?；尹S色，顆粒級配良好，最大粒徑80mm，充填物以總粗砂及粉土為主。隧道結(jié)構(gòu)即處在該土層。

2層：強風(fēng)化砂巖，埋藏深度9.7～13.6m，可見層厚1.2～2.0m?；壹t色，結(jié)構(gòu)密實，風(fēng)化成小碎塊狀。

3層：中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，埋藏深度10.9～15.0m，可見層厚1.0～1.3m(未見底)。

4層：粘質(zhì)粉土，層厚1.5～3.4m。稍密狀態(tài)，中等壓縮性，含粉砂團塊，局部為粉質(zhì)粘土?；壹t色，巖芯完整。本工程主要在1層角礫土層中頂進。

2.3 水文條件

場地地下水呈孔隙潛水為主，地下水位埋深一般在10.2～11.0m左右，含水層為角礫，主要由大氣降水及生活廢水滲漏組成，年變幅在0.8m以內(nèi)。地下水對混凝土具有中等腐蝕性，總礦化度平均為1378.58mg/L，PH值為7.2，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有中等腐蝕性。

2.4 環(huán)境條件

地下管線主要有給水管、熱力管、電力電纜、雨水管、電信電纜、污水管等共24條管線。其中埋深最深的Φ800污水管距隧道頂為2.7m，并且污水管已有20多年的歷史，未進行管節(jié)防漏處理，對施工的隱患非常大。

3 施工技術(shù)研發(fā)內(nèi)容

針對施工項目的結(jié)構(gòu)特性和地質(zhì)、水文、環(huán)境的條件，施工前的技術(shù)研發(fā)內(nèi)容如下：

3.1 大斷面矩形盾構(gòu)掘進機和三聯(lián)體組合技術(shù)的研發(fā)

根據(jù)擬施工的土層條件和主體結(jié)構(gòu)計算并設(shè)計矩形盾構(gòu)掘進機殼體的形式及推進系統(tǒng)的頂力布置。

因施工現(xiàn)場附近無條件進行20m寬的盾構(gòu)掘進機的制造，加上整體矩形盾構(gòu)掘進機的殼體重達80t，現(xiàn)場不具備下井的條件，并考慮運輸?shù)南拗?，研發(fā)的思路為盾構(gòu)殼體改為左右三聯(lián)體、上下兩層分開場外制造，六塊殼體分別運輸后在現(xiàn)場組裝焊接，再整體入井就位后進行各系統(tǒng)的安裝，完成大斷面矩形盾構(gòu)掘進機。

3.2 開敞式機械挖土及輸送機系統(tǒng)的設(shè)計和制造

套筒式反鏟挖掘機械手、螺旋輸送機、皮帶輸送機設(shè)計圖一套；反鏟挖掘機基本達到全斷面開挖的要求。

3.3 盾構(gòu)液壓推進系統(tǒng)和電氣操作系統(tǒng)的研究

在滿足頂力的基礎(chǔ)上利用電控分組形式控制糾偏。

3.4 非閉合式盾尾脫模和同步注漿技術(shù)的研究

底部非閉合式盾尾可減小頂進脫模時的阻力，并不影響同步注漿的效果，模內(nèi)外與土層及混凝土接觸部的同步注漿有效降低了路面沉降。

3.5 現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌的鋼模板分類、分塊和連接，并具備盾構(gòu)推進支承功能技術(shù)及可調(diào)式模板支撐系統(tǒng)的研究

利用鋼模板和混凝土的摩阻力為盾構(gòu)機提供反力。模板拆后支前循環(huán)使用率高。

3.6 在城市淺覆土層、道路交通正常運營和地下管線密集條件下的大斷面矩形盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的研究

商業(yè)用途要求埋深較淺，這對于大斷面矩形盾構(gòu)掘進施工技術(shù)的要求較高，主要在于對沉降的控制及減小大斷面矩形盾構(gòu)背土的影響。

圖2 盾構(gòu)機縱向剖面圖

4 技術(shù)改進措施

施工技術(shù)從研發(fā)到運用，通過逐步的改進使該技術(shù)不斷的加以完善和成熟，具體如下：

4.1 出土形式

將使用套筒式反鏟挖掘機械手挖土，輸送機運土改為采用小型挖掘機直接挖土裝車的形式，效率提高并易于維修。

4.2 同步注漿系統(tǒng)

原同步注漿的形式為頂板底部多點垂直注漿，改進后為水平向沿盾尾內(nèi)壁設(shè)置同步注漿管，使注漿更及時，提高了沉降控制的穩(wěn)定性。

4.3 減摩措施

在盾尾和盾殼內(nèi)壁黏貼薄塑料板，解決了現(xiàn)澆襯砌脫膜問題。減小了鋼模和混凝土的摩擦力，同時也降低了頂進時對混凝土的擾動。降低了頂進阻力，更利于頂進系統(tǒng)分組糾偏的使用。

4.4 止退措施

在上條減小了鋼模和混凝土的摩擦力的同時，盾構(gòu)反力相應(yīng)減小。在節(jié)約造價的同時而不增加鋼模的環(huán)數(shù)，設(shè)置預(yù)埋鐵件增加模板的豎向阻力以滿足盾構(gòu)反力。

4.5 頂進形式

改進為先頂后挖，充分利用盾構(gòu)機的設(shè)計頂力將殼體前部插入土層中，利用土層自然塌落度的穩(wěn)定性和自立性比先使用機械挖土的安全性提高。

4.6 現(xiàn)澆襯砌

采用高性能加壓灌注自密實混凝土工藝，通過一個灌注點達到20m范圍的封閉空間內(nèi)保持不離析和均勻性，充滿模板的每個角落達到充分密實的效果。

圖3 注漿、澆筑系統(tǒng)斷面圖

5 技術(shù)成果創(chuàng)新點

本盾構(gòu)是世界上第一個三聯(lián)體組裝形式的矩形盾構(gòu),外形尺寸20mX6.2mX7.8m，斷面為世界最大。在國內(nèi)盾構(gòu)法施工中自主創(chuàng)新設(shè)計套筒式反鏟挖掘機械手、螺旋輸送機和皮帶輸送機作為挖土和輸送土體系統(tǒng)。在國內(nèi)盾構(gòu)法施工中首次采用盾尾內(nèi)壁設(shè)置同步注漿管，使注漿更及時,效果更明顯。

在盾構(gòu)法施工中自主創(chuàng)新開發(fā)大斷面矩形隧道襯砌現(xiàn)澆施工的成套技術(shù)，研制的鋼模支撐系統(tǒng)構(gòu)思新穎合理，采用非閉和的盾尾和盾殼內(nèi)壁粘貼泡沫塑料板技術(shù),解決了現(xiàn)澆襯砌脫模問題。

履帶式行走模板拼裝機設(shè)計集成創(chuàng)新，工作性能優(yōu)良，可作90O的帶載回轉(zhuǎn)，具有三維帶載動作功能，使模板可在水平面與垂直面進行位置調(diào)整。

在國內(nèi)首次采用盾構(gòu)法施工地下商業(yè)街和坑道式始發(fā)井，為城市大斷面地下空間開發(fā)采用非開挖技術(shù)施工提供了新技術(shù)、新工藝。

6 成效和不足

在上海市科學(xué)技術(shù)委員會組織的技術(shù)驗收會中評論為：首創(chuàng)開發(fā)應(yīng)用大斷面矩形盾構(gòu)隧道現(xiàn)澆襯砌同步施工技術(shù)解決了盾構(gòu)推進糾偏、沉降控制、隧道襯砌同步現(xiàn)澆、盾尾同步注漿、接縫防水等一系列技術(shù)難點；該課題成果為國際首創(chuàng)，總體技術(shù)水平達國際先進。

本技術(shù)優(yōu)點在于配套的設(shè)備和機械造價相對較低，施工總體操作簡單，可控性強；一次性構(gòu)造斷面大，并且空間利用率高；覆土層厚度較薄，適合于在鬧市區(qū)建設(shè)地下工程；在盾尾封閉空間內(nèi)襯砌采用自密實免振混凝土澆筑，降低了勞動力強度，消除了振搗噪音，減小了混凝土施工損耗；采用專用模板臺車支拆模板，降低了勞動力強度，提高了施工進度，同時利用模板與混凝土的摩阻力為盾構(gòu)提供支座反力；根據(jù)土層地質(zhì)情況可選擇多種開挖和運輸方式，投入設(shè)備和施工成本較低，工作效率高。

但因跨度太大且結(jié)構(gòu)為矩形，所以采用了現(xiàn)澆混凝土的形式進行結(jié)構(gòu)主體施工。而盾構(gòu)的推進反力是依靠混凝土和鋼模的摩擦力提供，混凝土的初凝時間就制約了盾構(gòu)的推進時間，即增加了每環(huán)施工的無效停滯工期。若能改進采用預(yù)制成品管節(jié)進行拼裝結(jié)構(gòu)施工，則施工工期和成本將會大幅度降低，同時增強該工法的實用性。

責任編輯：余詠梅

The Simultaneous Cast-in-Place Lining Construction Technology of the Big Cross Section Rectangle Tunneling Shield

At home and abroad,shield method is always widely used in soft soil stratum,but there are very few examples of the cast-in-place lining construction applied for big cross section rectangle tunneling shield in hard soil stratum.The paper mainly used the particularity and technology innovation points of this project and discussed the characteristics and achievements of this kind of construction technology.

tunneling shield;big cross section;rectangle;cast-in-place;synchronized injection;precipitation

U455.91

A

1671-9107（2011）07-0026-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.07.026

2011-03-9

董來軍（1961-），男，漢族，高級工程師，國家注冊安全工程師，一級建造師，現(xiàn)任中建新疆建工集團第一建筑工程有限責任公司董事長。