超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

文章詳細(xì)介紹了超大斷面矩形盾構(gòu)頂管(10.12 m×7.27 m)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究：1)矩形斷面開(kāi)挖形式的研究與選型分析；2)超寬矩形薄殼體強(qiáng)度、剛度研究；3)頂推機(jī)構(gòu)電液比例集成控制研究；4)矩形斷面渣土改良技術(shù)研究。以上關(guān)鍵技術(shù)的研究解決，在施工現(xiàn)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用，為城市超大矩形斷面交通隧道施工提出了一種全新工法。矩形隧道施工將會(huì)成為最經(jīng)濟(jì)、安全和快捷的工法。

超大矩形盾構(gòu)頂管；鄭州下穿中州大道；有限元分析；開(kāi)挖系統(tǒng)；薄殼體；渣土改良

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，路面空間越來(lái)越小，地下隧道建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前建筑施工領(lǐng)域的一個(gè)新方向。以往的地下隧道多為圓形隧道，主要用于雨水、污水、電力和地鐵等方面，現(xiàn)今隨著車流量的增加，地下人行通道、下穿車行道等矩形截面的地下隧道需求量越來(lái)越大，且該種工程多位于市中心或繁華地段，明挖法受到了很多條件的限制，比如地面有大量的人流、車流，還有高架線路等限制，造成空間不足，機(jī)械設(shè)備無(wú)法施工。

矩形盾構(gòu)頂管是矩形隧道的施工機(jī)械，在日本發(fā)展起來(lái)用于建造地鐵車站、地下人行通道及水底隧道旁通道等。川合一成等[1]于2002年介紹了小松公司研制的矩形盾構(gòu)。久保田敏和等[2]在矩形盾構(gòu)的施工報(bào)告中證明了矩形管道相對(duì)于圓形管道的優(yōu)點(diǎn)在于大的過(guò)流斷面和少的修建費(fèi)用。矩形盾構(gòu)頂管與以前的圓形頂管掘進(jìn)斷面相比，具有空間利用率高、覆土淺和施工成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，其有效使用面積增大20%以上(見(jiàn)圖1)，加之城市交通過(guò)街人行通道要求埋深淺，此項(xiàng)技術(shù)將必然在城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道等隧道工程得到廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外已完成的矩形盾構(gòu)頂管施工案例中，最大開(kāi)挖尺寸停留在6 m寬的人行通道級(jí)別，用于10 m 寬的矩形交通隧道還是屬于世界首例，它的成功應(yīng)用顛覆了城市道路隧道的設(shè)計(jì)理念及施工工法。

圖1 圓形隧道與矩形隧道的比較Fig.1 Comparison and contrast between circular tunnel and rectangular tunnel

1 依托工程概況

超大斷面矩形盾構(gòu)頂管依托中國(guó)中鐵鄭州下穿中州大道隧道工程Ⅰ標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。紅專路下穿中州大道隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為城市次干路，根據(jù)城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和相交道路性質(zhì)，下穿的中州大道隧道工程道路設(shè)計(jì)為雙向4車道，單車道寬度為3.5 m，如圖2所示。

下穿隧道盾構(gòu)頂管段長(zhǎng)度為110 m，覆土厚3.2～4 m，下穿1根DN600污水管，距離盾構(gòu)頂管頂板高度2.1 m。隧道主要穿越地質(zhì)以粉土為主，地下水位深8 m，地層的滲透系數(shù)為1.38×10-4～1.15×10-6m/s(12～0.1 m/d)，屬于弱透水地層，如圖3和圖4所示。

(a)

(b)

圖3 地質(zhì)剖面圖Fig.3 Longitudinal geological profile

圖4 現(xiàn)場(chǎng)巖芯Fig.4 Drill cores

2 矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

中州大道下穿隧道施工矩形盾構(gòu)頂管開(kāi)挖斷面尺寸為10.12 m×7.27 m，與目前國(guó)內(nèi)已成功施工過(guò)的最大斷面6.9 m×4.9 m頂管工程相比，橫向尺寸增大了46%，高度尺寸增大了52%，橫斷面積增大了123%，由于斷面尺寸增大，會(huì)給矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)帶來(lái)以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)相對(duì)于單刀盤(pán)圓盾構(gòu)開(kāi)挖而言，在滿足矩形斷面開(kāi)挖覆蓋率需求的同時(shí)，還要考慮矩形開(kāi)挖斷面的開(kāi)挖穩(wěn)定性，因此矩形盾構(gòu)頂管開(kāi)挖形式的選型研究是該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。為了實(shí)現(xiàn)矩形斷面開(kāi)挖，設(shè)計(jì)研究了偏心多軸擺動(dòng)刀盤(pán)[3]、組合刀盤(pán)和仿形刀盤(pán)等開(kāi)挖形式，并對(duì)其開(kāi)挖原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了深入探究，分析總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及工況適應(yīng)性。

2)矩形盾構(gòu)頂管的開(kāi)挖過(guò)程，不同于常規(guī)圓形盾構(gòu)，上部覆土不容易形成穩(wěn)定的自然拱，加之該矩形斷面寬度較大，因此殼體上部承受的載荷較大，自然土體的卸荷拱示意圖如圖5所示。對(duì)于殼體本身而言，圓形薄殼體綜合力學(xué)性能良好，各個(gè)方向的抗剪、抗彎能力相同，且始終為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，頂部或底部受到的土體壓力可通過(guò)圓弧形成拱橋結(jié)構(gòu)，使頂部一部分載荷逐步分散使之受土體側(cè)向壓力；矩形薄殼體由于寬度在水平跨度方向上較長(zhǎng)，且受到其上部土體壓力造成的均布載荷作用，因此受到的彎矩比圓形薄殼體較大，故剛度也隨之下降，圓形與矩形盾體受力載荷分布情況比較分析如圖6所示。因此，如何提高超寬矩形薄殼體強(qiáng)度、剛度是該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

圖5 卸荷拱示意圖Fig.5 Relieving arch

(a)圓形盾構(gòu)

(b)矩形盾構(gòu)

3)在掘進(jìn)過(guò)程中，需要根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的調(diào)向、糾偏，因此要求液壓頂推系統(tǒng)對(duì)壓力和速度能實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)矩形盾構(gòu)頂管的糾偏和在不同地層下推力的調(diào)整。因此，頂推系統(tǒng)對(duì)不同工況的順應(yīng)性也是該項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

4)該項(xiàng)目的開(kāi)挖斷面是目前世界最大矩形的斷面，橫向跨度大，6刀盤(pán)同時(shí)開(kāi)挖，攪拌效果不均勻，同時(shí)存在攪拌盲區(qū)，渣土改良存在很大的不均勻性。矩形斷面開(kāi)挖，渣土改良不均勻造成左右兩側(cè)土壓不同，對(duì)姿態(tài)控制和沉降控制產(chǎn)生重大影響。因此，做好渣土改良系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

3 矩形盾構(gòu)頂管關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 矩形斷面開(kāi)挖形式研究與選型分析

圓形盾構(gòu)的刀盤(pán)開(kāi)挖方式僅為單刀盤(pán)回轉(zhuǎn)開(kāi)挖，但是矩形斷面開(kāi)挖要復(fù)雜得多[4]，在實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)矩形切削斷面的同時(shí)，還要保證對(duì)土體的攪拌效果、有效控制對(duì)地層的擾動(dòng)和有效控制地表的沉降等。根據(jù)矩形斷面的幾何特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡、組合軌跡及仿形軌跡的模擬，可得出偏心多軸擺動(dòng)刀盤(pán)和組合刀盤(pán)方案。

1)偏心多軸擺動(dòng)刀盤(pán)。采用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，4個(gè)偏心曲軸同步驅(qū)動(dòng)1個(gè)矩形仿形刀盤(pán)，刀盤(pán)上的各個(gè)刀具繞著以各自支撐圓心點(diǎn)與曲軸回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)之間的距離為半徑作平面圓周運(yùn)動(dòng)，與軸向推進(jìn)的方向合成來(lái)完成全斷面的切削掘進(jìn)[5]，如圖7所示。

圖7 偏心多軸刀盤(pán)Fig.7 DPLEX cutterhead

2)組合旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)。組合刀盤(pán)形式主要依靠前后刀盤(pán)開(kāi)挖面的相互彌補(bǔ)來(lái)盡可能地減少矩形區(qū)域的開(kāi)挖盲區(qū)[6]。采用3前3后平行軸式布置,相鄰刀盤(pán)的切削區(qū)域相互交叉，刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑與管片的圓角外徑相同，其開(kāi)挖率可以達(dá)到90%以上。大小刀盤(pán)可以各自控制，同時(shí)旋轉(zhuǎn)對(duì)土體進(jìn)行切削、攪拌，如圖8所示。

3)選型分析。針對(duì)該項(xiàng)目，覆土厚度最小僅為3 m，因此開(kāi)挖形式的選擇主要考慮開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)及渣土攪拌性，從而有效控制地表沉降。針對(duì)2種開(kāi)挖形式對(duì)周圍土體擾動(dòng)性及渣土流動(dòng)性進(jìn)行了流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)該項(xiàng)目穿越粉土、粉細(xì)砂為主的地質(zhì)情況，項(xiàng)目組建立了物理渣土流場(chǎng)模型。假設(shè)開(kāi)挖倉(cāng)為滿倉(cāng)，渣土的密度為2.2×103kg/m3,黏度系數(shù)為1.5 Pa·s的單相流體，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.0 r/min。通過(guò)Fluent軟件，模擬2種開(kāi)挖形式轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)和對(duì)渣土攪拌效果的影響。定義掘進(jìn)方向?yàn)閆向，掌子面位置為Z=0，矩形截取Z=-400時(shí)的速度和壓力分布。偏心多軸式擺動(dòng)刀盤(pán)和圓刀盤(pán)對(duì)比仿真如圖9(刀盤(pán)速度分布對(duì)比)、圖10(壓力分布對(duì)比)和圖11(速度矢量圖對(duì)比)所示。

圖8 組合旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)Fig.8 Combined rotating cutterheads

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

綜上所述，采用偏心多軸式擺動(dòng)刀盤(pán)開(kāi)挖，每把刀切削軌跡小，切削扭矩小、攪拌扭矩大，開(kāi)挖無(wú)盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)全斷面開(kāi)挖；缺點(diǎn)是對(duì)周圍土體擾動(dòng)大，不利于頂管姿態(tài)控制及地表沉降控制，設(shè)備本身加工制造復(fù)雜，運(yùn)行可靠性差。多刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)挖切削扭矩大、攪拌扭矩低，對(duì)周圍土體擾動(dòng)小，同時(shí)盾體跳動(dòng)小，有利于頂管姿態(tài)控制及地表沉降控制，設(shè)備本身制造加工簡(jiǎn)單，設(shè)備后期的運(yùn)行可靠性高；但存在的缺點(diǎn)是開(kāi)挖面存在一定的開(kāi)挖盲區(qū)，因此不適合在較硬地層掘進(jìn)，若在較硬地層掘進(jìn)需要增加輔助措施對(duì)盲區(qū)進(jìn)行預(yù)處理。

3.2 超寬矩形薄殼體強(qiáng)度、剛度研究

矩形盾構(gòu)頂管殼體主要承受水土壓力及地面載荷壓力，承受載荷較大；同時(shí)考慮到該項(xiàng)目地層承載力，盾殼設(shè)計(jì)質(zhì)量不宜過(guò)大[7]，因此要在滿足強(qiáng)度剛度的情況下盡量減小其質(zhì)量。

1)模型建立及網(wǎng)格劃分。采用有限元軟件將超大斷面矩形盾構(gòu)頂管薄殼體結(jié)構(gòu)按1∶1創(chuàng)建模型，并合理地劃分模型[8]，如圖12所示。

2)邊界條件的確定及加載。前盾與尾盾通過(guò)糾偏油缸連接，前盾在正常掘進(jìn)承受后面?zhèn)鱽?lái)的推力、扭矩及土壓力在調(diào)向時(shí)均由尾盾承受，因此將糾偏油缸支座的每個(gè)Ux，Uy，Uz進(jìn)行約束自由度處理，并按照周圍所承受土體壓力進(jìn)行加載。薄殼體上部載荷0.19 MPa；薄殼體側(cè)向上部載荷0.063 MPa；薄殼體側(cè)向載荷0.175 MPa；薄殼體底部載荷0.435 MPa(載荷參考土力學(xué)計(jì)算，不做詳細(xì)介紹)。

3)應(yīng)力及變形量分布云圖。矩形薄殼體為Q345B鋼板焊接組對(duì)的大型結(jié)構(gòu)件，根據(jù)有限元分析結(jié)果，矩形薄殼體所承受的應(yīng)力主要在100 MPa以下，滿足使用要求(見(jiàn)圖13)。殼體變形量最大處發(fā)生在盾體箱體后部的中間，變形值4.38 mm，且主驅(qū)動(dòng)面板的變形很小，有利于刀盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)，故強(qiáng)度和剛度上均能滿足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)圖14)。

圖12 矩形薄殼體網(wǎng)格劃分Fig.12 Mesh of thin rectangular shell

圖13 矩形薄殼體應(yīng)力分布云圖Fig.13 Contour of stress of thin rectangular shell

圖14 矩形薄殼體變形量分布云圖Fig.14 Contour of deformation of thin rectangular shell

4)基于有限元模型的盾殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。線性靜力結(jié)構(gòu)分析通常是用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。此處在相同的邊界和相同的載荷條件下，分別模擬1個(gè)支撐梁(見(jiàn)圖15)和2個(gè)支撐梁(見(jiàn)圖16)的整體受力情況,計(jì)算出關(guān)鍵考察部位單元節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值和變形值，反復(fù)多次進(jìn)行對(duì)比改進(jìn)。

圖15 單支撐梁時(shí)變形云圖Fig.15 Contour of deformation of thin rectangular shell with one single support beam

圖16 雙支撐梁時(shí)整體變形云圖Fig.16 Contour of deformation of thin rectangular shell with dual support beams

3.3 頂推機(jī)構(gòu)電液比例集成控制研究

矩形盾構(gòu)頂管頂推過(guò)程中需要具備較好的載荷順應(yīng)性，因此對(duì)該系統(tǒng)要求響應(yīng)特性高，以提高姿態(tài)控制的精度。頂推系統(tǒng)采用壓力和流量復(fù)合泵控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了2套自主開(kāi)發(fā)的雙閉環(huán)電液比例控制技術(shù)，泵控制如圖17所示。泵控原理如圖18所示。泵控AMESim仿真如圖19所示。通過(guò)不斷仿真優(yōu)化控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)頂管推力和位移的復(fù)合控制，仿真曲線如圖20和圖21所示，能使盾構(gòu)頂管頂推系統(tǒng)適應(yīng)各種復(fù)雜工況要求，具有較好的順應(yīng)性及響應(yīng)特性。

3.4 矩形斷面渣土改良技術(shù)研究

鄭州市中州大道下穿工程主要以粉土、粉細(xì)砂為主，改良的方法通常為澎潤(rùn)土、泡沫和水添加劑為主[9]，為了得到較好的渣土流動(dòng)性和塑性，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行渣土改良實(shí)驗(yàn)研究。渣土改良泵站如圖22所示，實(shí)驗(yàn)方法如圖23所示。

圖17 頂推泵的反饋控制Fig.17 Feedback control of pumps of thrust system

圖18 泵液壓原理圖Fig.18 Diagram of hydraulic system of pump

圖19 泵控AMESim仿真Fig.19 AMESim Simulation of pump control

通過(guò)取相同的土樣，并進(jìn)行除水干燥處理，分別向3組干燥土樣中加入水改良、泡沫改良及泡沫和澎潤(rùn)土泥漿改良進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行相應(yīng)的坍落度測(cè)試，坍落度檢測(cè)主要通過(guò)坍落度桶完成。將攪拌均勻的土體裝入到坍落度桶內(nèi)，然后輕輕壓平，清除桶外渣土，保持坍落度桶靜止1 min；將坍落度桶慢慢垂直提起，5～10 s內(nèi)完成；并用鋼尺量出土樣頂部中心與坍落度桶頂部高度差，同時(shí)用搗棒輕輕敲打土體側(cè)面，觀察其黏聚性及析水情況；做3次平行試驗(yàn)，取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同含水量的坍落度試驗(yàn)如圖24所示。

圖20 泵出口壓力與比例溢流設(shè)定壓力特性曲線Fig.20 Curve of pump out pressure Vs proportional relief setting pressure

圖21 泵斜盤(pán)擺角與輸入電流變化曲線Fig.21 Curve of pump swashplate swinging angle Vs input current curve

圖22 渣土改良泵站Fig.22 Soil conditioning pump unit

1)不同含水量坍落度試驗(yàn)結(jié)論,見(jiàn)圖25。

2)泡沫改良坍落度試驗(yàn)結(jié)論，見(jiàn)圖26。

3)泡沫+膨潤(rùn)土漿液改良坍落度試驗(yàn)結(jié)論,見(jiàn)圖27。

圖23 渣土改良實(shí)驗(yàn)方法

(a)

(b)

圖25 不同含水量土樣坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖26 泡沫改良土樣坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖27 泡沫+膨潤(rùn)土漿液改良土樣坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.27 Curves of slump Vs foam and bentonite injection rate

從圖26(泡沫改良)和圖27(膨潤(rùn)土+泡沫改良)得出結(jié)論：對(duì)于該地層，采用泡沫和水的組合改良為最佳方式；膨潤(rùn)土漿液改良能有效增加土體黏聚性，對(duì)于土體的改良效果有一定的作用，但是綜合考慮成本，其意義不大；為了增強(qiáng)設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)性，設(shè)備設(shè)計(jì)上預(yù)留膨潤(rùn)土漿液注入接口。

4 工程應(yīng)用情況

目前，下穿中州大道項(xiàng)目，非機(jī)動(dòng)車道和機(jī)動(dòng)車道矩形盾構(gòu)頂管2條隧道的施工已完成(現(xiàn)場(chǎng)出渣照片如圖28所示)，為了驗(yàn)證上述關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[10]。針對(duì)機(jī)動(dòng)車道盾構(gòu)兩側(cè)土壓力和沉降進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，如圖29和30所示。

圖28 現(xiàn)場(chǎng)出渣照片F(xiàn)ig.28 Mucks discharged

(a)

(b)

圖30 開(kāi)挖沉降監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)Fig.30 Statistics of ground surface settlement

從圖29和圖30可以看出，矩形盾構(gòu)兩側(cè)的土壓力差值小于0.005 MPa，且壓力變化平穩(wěn)，說(shuō)明土倉(cāng)內(nèi)渣土流動(dòng)性較好；掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖沉降量也是控制在10 mm以內(nèi)，可判斷刀盤(pán)的開(kāi)挖形式對(duì)地層的擾動(dòng)較小及渣土壓力傳遞較好。

5 結(jié)論與討論

下穿中州大道超大斷面矩形盾構(gòu)頂管施工實(shí)踐表明，采用6刀盤(pán)聯(lián)合開(kāi)挖對(duì)地層擾動(dòng)較小，有利于地表沉降控制，對(duì)于大斷面、淺覆土施工有較強(qiáng)的推廣意義。通過(guò)對(duì)渣土改良試驗(yàn)分析，建立了一套完整的渣土改良試驗(yàn)方法，將對(duì)盾構(gòu)施工有很大的指導(dǎo)意義。通過(guò)超薄殼體強(qiáng)度剛度的研究，掌握了超大斷面矩形結(jié)構(gòu)盾構(gòu)的受力載荷普、力學(xué)模型及有限元分析優(yōu)化方法。通過(guò)對(duì)電液集成技術(shù)的研究，掌握了液壓系統(tǒng)與載荷的順應(yīng)特性的分析方法。隨著鋼復(fù)合管片的研究深入，矩形盾構(gòu)施工將在城市地下交通及管網(wǎng)建設(shè)中成為最經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保和快捷的工法。

[1]川合一成，南敬.矩形シールドの開(kāi)発[J].コマツテクニカルレポート,2002,47(3): 46-54.( 川合一成，南敬.矩形盾構(gòu)的開(kāi)發(fā)[J].技術(shù)報(bào)告,2002,47(3): 46-54.)(Kazunari Kawai,Takashi Minami.Development of Rectangular Shield[J].Technical Report,2002，47(3)：46-54.)

[2]久保田敏和，古川衛(wèi)，中尾努，等.大斷面矩形シールドの施工と覆工挙動(dòng)について[C]//トンネル工學(xué)研究論文報(bào)告集.東京: 土木學(xué)會(huì)，2003: 91-98.( 久保田敏和，古川衛(wèi)，中尾努，等.大斷面矩形盾構(gòu)施工及襯砌特性[C]//隧道工學(xué)研究論文報(bào)告集.東京：土木學(xué)會(huì)，2003: 91-98.(Tosikazu KUBOTA,Mamoru FURUKAWA,Tsutomu NAKAO,et al.Construction and behavior at the lining of a shield driven tunnel of large rectangular shape[C]//Tunnel Science Study.Tokyo : Japan Society of Civil Engineers,2003: 91-98.)

[3]シールド工法技術(shù)協(xié)會(huì).偏心多軸シールド工法[M].東京: 日本盾構(gòu)工法技術(shù)協(xié)會(huì)，2011: 1-49.(日本盾構(gòu)法協(xié)會(huì).偏心多軸工法[M].東京：日本盾構(gòu)工法技術(shù)協(xié)會(huì)，2011: 1-49.)(Shield Tunneling Association of Japan.DPLEX shield method[M].Tokyo : Shield Tunneling Association of Japan,2011: 1-49.)

[4]中村浩，中川嘉博，岡本直久,等.大斷面矩形シールドの実用化検討[C]//トンネル工學(xué)研究論文報(bào)告集.東京: 土木學(xué)會(huì)，2001: 351-356.(中村浩，中川嘉博，岡本直久,等.大斷面矩形盾構(gòu)實(shí)用化研究[C]//隧道工學(xué)研究論文報(bào)告集.東京: 土木學(xué)會(huì)，2001: 351-356.)(Hiroshi NAKAMURA,Yoshihiro NAKAGAWA,Naohisa OKAMOTO,et al.Utilization examination of a shield driven tunnel of large rectangular shape[C]//Tunnel Science Study.Tokyo : Japan Society of Civil Engineers,2001: 351-356.)

[5]王小濤，賈連輝，賀開(kāi)偉.矩形頂管機(jī)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)探討[J].城市建設(shè)理論研究,2013 (3): 183-185.(WANG Xiaotao,JIA Lianhui,HE Kaiwei.Study on rectangular pipe jacking machine cutterhead design[J].Urban Construction Theory Research,2013(3): 183-185.(in Chinese))

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國(guó)內(nèi)首條盾構(gòu)挖掘熱力管線將正式投用

2014年10月31日，國(guó)內(nèi)首條由盾構(gòu)挖通的熱力管線正式貫通。該工程為北京東北熱電中心配套熱網(wǎng)的北線，全長(zhǎng)12 km，其中6.2 km采用盾構(gòu)完成。盾構(gòu)于2014年3月9日始發(fā)，前后歷時(shí)237 d。該管線預(yù)計(jì)2014年底投入使用，將助力供熱方式“煤改氣”的轉(zhuǎn)變，可為北京空氣質(zhì)量的改善發(fā)揮積極作用。

此次工程是首次嘗試采用盾構(gòu)挖掘熱力管線，管線內(nèi)溫度高、濕度大，盾構(gòu)挖掘不用采取降水措施，減少了工程對(duì)地下水環(huán)境的影響。而機(jī)器作業(yè)時(shí)，可直接將管壁安裝至洞壁上，避免地上混凝土作業(yè)，減少地上環(huán)境污染。

盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)襯砌采用工廠加工預(yù)制，隱蔽性工程少，易于檢查和檢驗(yàn)。工廠預(yù)制構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行機(jī)械化拼裝，質(zhì)量可以得到嚴(yán)格控制，不再需要修筑內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。正常情況下，平均開(kāi)挖速度可達(dá)到約24 m/d，是一般暗挖法的8～15倍。盾構(gòu)下穿段的地上建筑物也不少，下穿機(jī)場(chǎng)二高速時(shí)，地面沉降只有1 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。

北京四大熱電中心外遷工程將于2015年完工，屆時(shí)城區(qū)內(nèi)將無(wú)大型燃煤鍋爐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四大熱電中心外遷工程需要新鋪設(shè)62.8 km的主熱力管線，分為東北、東南、西北、西南4部分。截至10月30日，已有43 km的管線灌水并將在今冬供暖時(shí)啟用，占整條管線的60%。2014年底，包括盾構(gòu)挖掘段在內(nèi)的近17 km管線也將投用。2015年供暖季來(lái)臨前，所有管線將全部投用，用于全市2億m2的供熱。2017年，北京市供熱將全部采用清潔能源。

目前，盾構(gòu)長(zhǎng)距離用于熱力管線的技術(shù)在世界上極為少見(jiàn)，未來(lái)該項(xiàng)技術(shù)還將向國(guó)內(nèi)其他熱力管線推廣。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=a040b00d-f828-437e-bff0-1c62050d4be1&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-11-04)

KeyTechnologiesforDesignofSuper-largeRectangularPipeJackingMachine

JIA Lianhui

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Study is made on the following key technologies for the design of a super-large rectangular pipe jacking machine (10.12 m×7.27 m): 1)study and selection of excavation modes of rectangular cross-section tunnels; 2)study on the strength and rigidity of the super-wide,rectangular and thin shell of the pipe jacking machine; 3)study on the integrated electro-hydraulic proportional control of the thrust system of the pipe jacking machine; 4)study on the soil conditioning of the rectangular tunnel.The results of the studies on afore-mentioned technologies have been successfully applied on a super-large rectangular pipe jacking machine,which will provide an economic,safe and rapid solution for the construction of rectangular tunnels in urban areas.

super-large pipe jacking machine; tunneling across underneath Zhongzhou avenue; finite element analysis; excavation system; thin shell; soil conditioning

2014-09-02;

2014-10-22

賈連輝(1981—)，男，河北三河人，2004年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，本科，工程師，主要從事盾構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.014

U 455.3

B

1672-741X(2014)11-1098-09