黃土隧道馬蹄形盾構(gòu)工法選擇及應(yīng)用

申志軍， 夏 勇

(1． 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

黃土隧道馬蹄形盾構(gòu)工法選擇及應(yīng)用

申志軍1， 夏 勇2

(1． 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

目前鐵路隧道施工以礦山法為主，但在黃土等軟弱圍巖隧道施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)大、進(jìn)度慢；而盾構(gòu)法已在地鐵、水下隧道等軟弱地層中得到了廣泛應(yīng)用。針對蒙華鐵路砂質(zhì)新黃土隧道： 1)通過礦山法與盾構(gòu)法比較確定采用盾構(gòu)法施工。2)從開挖內(nèi)輪廓、刀盤開挖特點(diǎn)、管片拼裝方式、管片受力及配筋4個(gè)方面對馬蹄形盾構(gòu)隧道和圓形盾構(gòu)隧道進(jìn)行對比分析，得出馬蹄形盾構(gòu)隧道的斷面利用率更高，馬蹄形管片與圓形管片受力有所差別而馬蹄形管片配筋量更低。3)介紹馬蹄形盾構(gòu)設(shè)備概況，并對馬蹄形管片設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。4)例舉馬蹄形盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇到的防寒防凍、管片底部開裂和遇到含姜石的老黃土掘進(jìn)困難等問題以及相應(yīng)的處理措施。經(jīng)過1年多的施工實(shí)踐證明，在黃土隧道馬蹄形盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)低，質(zhì)量高，安全可靠。

黃土隧道; 馬蹄形盾構(gòu); 圓形盾構(gòu)； 開挖內(nèi)輪廓； 開挖盲區(qū)； 管片拼裝； 管片受力； 管片配筋； 低溫凍結(jié)； 管片開裂； 鈣質(zhì)結(jié)核

0 引言

近30年，隨著盾構(gòu)技術(shù)的逐步成熟，盾構(gòu)隧道也正向著大斷面、深覆土方向發(fā)展，但其施工的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。目前國內(nèi)外對大斷面盾構(gòu)的研究主要集中在圓形盾構(gòu)上[1-3]，因其具有設(shè)備和開挖簡單、推進(jìn)軸線容易控制、隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力均勻等優(yōu)點(diǎn)[4]，而對異形盾構(gòu)的研究相對較少，但也取得了許多重大進(jìn)展。

朱瑤宏等[5]基于寧波地鐵4號(hào)線工程,創(chuàng)新采用了“科研—設(shè)計(jì)—施工一體化”的管理模式,開發(fā)了“軌道交通類矩形盾構(gòu)隧道”技術(shù)體系，研究了類矩形盾構(gòu)法隧道的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面和施工技術(shù)方面的關(guān)鍵技術(shù)，幫助解決都市核心區(qū)和老舊城區(qū)空間不夠的普遍問題。孫巍等[6]基于矩形盾構(gòu)隧道的梁-彈簧模型計(jì)算法,從襯砌的外形、側(cè)壓力系數(shù)、接頭剛度等計(jì)算參數(shù)對襯砌受力的影響進(jìn)行了研究。朱葉艇[7]基于原型三環(huán)管片力學(xué)加載試驗(yàn)對異形盾構(gòu)管片環(huán)向接頭彎矩傳遞系數(shù)進(jìn)行了深入研究。李飛宇等[8]以應(yīng)用世界首臺(tái)馬蹄形盾構(gòu)施工的蒙華鐵路MHTJ-03標(biāo)白城隧道為例,研究了負(fù)環(huán)管片拼裝中管片的定位與固定方式,并設(shè)計(jì)了馬蹄形管片在管片推出時(shí)的支護(hù)方式和工裝。黃田忠等[9]提出了一種新型的異形斷面盾構(gòu)切削機(jī)構(gòu)和電液比例控制系統(tǒng)方案。秦元[10]介紹了一種可防止異型盾構(gòu)雙刀盤運(yùn)行過程中在同一平面內(nèi)發(fā)生干擾的同步控制方法，幫助盾構(gòu)正常施工。董子博等[11]提出了一種基于狀態(tài)觀測器的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)時(shí)辨識(shí)方法。張子新等[12]研究了多種因素對異形盾構(gòu)縱向力學(xué)性能的影響。鄭中山等[13]介紹了新型異形斷面管片拼裝機(jī)系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)、工作原理和設(shè)計(jì)方案,并對拼裝機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究了預(yù)應(yīng)力對懸臂梁結(jié)構(gòu)的固有頻率的影響。吳笑偉等[14-15]運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)原理,對異形盾構(gòu)的連桿與驅(qū)動(dòng)輸入之間的規(guī)律以及約束條件進(jìn)行了研究。薛廣記等[16]對應(yīng)用于白城隧道的大斷面、深覆土條件下的馬蹄形盾構(gòu)進(jìn)行了研發(fā)與相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜上所述，國內(nèi)外在大斷面圓形盾構(gòu)的工程實(shí)踐和技術(shù)研究方面相對比較成熟，而在空間利用率較高的異形盾構(gòu)領(lǐng)域,在矩形、類矩形和雙圓盾構(gòu)方面有一定研究和工程實(shí)踐,但其適用性受到限制,特別在隧道埋深較大、承受較大覆土壓力時(shí)，其結(jié)構(gòu)形式將不再適用[17]。馬蹄形盾構(gòu)在小斷面、敞開式施工方面有個(gè)別應(yīng)用，但在大斷面隧道施工中基本處于空白。本文針對具有較高空間利用率，又能適應(yīng)深覆土、大跨度工況的馬蹄形盾構(gòu)工法進(jìn)行研究并總結(jié)其應(yīng)用情況，以期拓展異形盾構(gòu)施工領(lǐng)域，并推動(dòng)隧道技術(shù)不斷進(jìn)步。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

蒙華鐵路白城隧道全長3 345 m，盾構(gòu)法施工段長2 960 m,為雙線隧道，位于陜西省靖邊縣內(nèi)，毛烏素沙漠邊緣。地貌屬黃土剝蝕丘陵，最大埋深約81 m，洞身工程地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土，性質(zhì)為稍密—密實(shí)、稍濕、局部具針孔狀孔隙、局部含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚3.8～85.0 m，在隧道區(qū)域內(nèi)廣泛分布。隧道地表稍密的砂質(zhì)新黃土具有濕陷性。隧道進(jìn)口表層分布風(fēng)積沙，距出口約300 m處存在風(fēng)積沙，性質(zhì)為松散、稍濕，礦物成分以石英、長石為主。隧道下穿包茂高速公路段覆土厚約27 m。

1.2 水文地質(zhì)

1.2.1 地表水

地表水不發(fā)育，勘測期間未發(fā)現(xiàn)地表水。

1.2.2 地下水

勘測期間，未見地下水，地下水位于隧道洞身以下。周邊未發(fā)現(xiàn)泉、井。雨季部分段落可能含水量增大，或出現(xiàn)少量流水。最大年降水量為546.3 mm，平均降水量為388.7 mm，采用降雨入滲法計(jì)算隧道涌水量，預(yù)計(jì)最大涌水量為677 m3/d。

2 施工工法比選

在山嶺隧道中，開挖方法以礦山法為主，主要因?yàn)榈V山法的適用范圍廣泛、斷面選擇自由度大，也較為經(jīng)濟(jì)。白城隧道，由于洞身工程地質(zhì)為稍密稍濕、局部具空隙的砂質(zhì)新黃土，進(jìn)口表層分布松散的風(fēng)積沙，因此需要多種輔助工法和大剛度的支護(hù)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、進(jìn)度慢。

盾構(gòu)法在城市淺埋地層和跨江越海隧道的施工中得到了大量應(yīng)用，盾構(gòu)的斷面形式以圓形為主，尤其針對雙線大斷面隧道，大部分采用大斷面圓形盾構(gòu)。國際上也有采用雙圓甚至三圓土壓平衡盾構(gòu)的先例，但存在開挖斷面加大、受力效果差和支護(hù)構(gòu)件增加的劣勢。受大量異形盾構(gòu)工程啟發(fā)，提出了采用盾構(gòu)法施工白城隧道的設(shè)想。若采用盾構(gòu)法，則首先需要研究盾構(gòu)法的適用性，并進(jìn)行機(jī)型選擇；在此基礎(chǔ)上，還需要對盾構(gòu)工法和礦山法進(jìn)行綜合比選，以選出合理的設(shè)計(jì)和施工方案。

2.1 盾構(gòu)法的工程適用性與機(jī)型選擇

白城隧道主要穿越地層以砂質(zhì)新黃土為主，細(xì)顆粒含量足夠，天然含水量較低，弱透水(新黃土滲透系數(shù)為2.9×10-6～7.8×10-6m/s)。隧道黃土地基承載力大于200 kPa，盾構(gòu)主機(jī)總重與盾體投影面積比值(40 kPa)小于該數(shù)值，能夠保證主機(jī)掘進(jìn)過程中不會(huì)下沉，滿足盾構(gòu)法施工要求。

采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，易于獲得流塑性良好的碴土，建立土艙的平衡壓力，掘進(jìn)時(shí)能夠有效控制地表沉降?？紤]到城市地鐵黃土地層土壓平衡盾構(gòu)施工已經(jīng)有成功經(jīng)驗(yàn)，且土壓平衡盾構(gòu)綜合投資要低于泥水平衡盾構(gòu)，因此白城隧道若采用盾構(gòu)，則應(yīng)選擇土壓平衡盾構(gòu)。

2.2 礦山法與盾構(gòu)法方案比選

礦山法與盾構(gòu)法的對比分析見表1。

表1 礦山法與盾構(gòu)法比較

由表1可知，盾構(gòu)法由于存在初期的盾構(gòu)研發(fā)費(fèi)用和制造成本，在考慮較高的機(jī)械折舊率情況下，投資較礦山法略高。但盾構(gòu)法施工在安全、質(zhì)量、環(huán)保、工期和近接影響上有明顯優(yōu)勢，因此經(jīng)補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、專家論證和綜合研究，確定采用盾構(gòu)施工工法。

3 馬蹄形盾構(gòu)與圓形盾構(gòu)對比分析

鐵路隧道一般為馬蹄形斷面，因此若采用馬蹄形盾構(gòu)進(jìn)行施工，與圓形斷面相比，其斷面面積小，空間利用率高，投資有所降低。

3.1 內(nèi)輪廓對比分析

馬蹄形盾構(gòu)能適應(yīng)各種不同斷面，尤其在不規(guī)則斷面中優(yōu)勢更為明顯，在常規(guī)雙線隧道中馬蹄形盾構(gòu)能節(jié)省斷面面積約10%，在單線斷面、矩形斷面的不規(guī)則斷面中則斷面節(jié)省優(yōu)勢更大。

馬蹄形內(nèi)輪廓和圓形內(nèi)輪廓的凈空尺寸和限界關(guān)系見圖1。2種斷面的凈空面積比較見表2?？梢钥闯觯捎民R蹄形斷面較圓形斷面內(nèi)輪廓可減少約7.1 m2，減少部位為圓形斷面仰拱底部混凝土仰拱填充，馬蹄形斷面可顯著減少傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)的仰拱底部混凝土圬工方，較圓形斷面節(jié)省投資。

3.2 刀盤開挖對比分析

圓形盾構(gòu)為面板式開挖刀盤，開挖不存在盲區(qū)，刀盤適應(yīng)地層相對較為廣泛。馬蹄形盾構(gòu)刀盤為多個(gè)小型刀盤組成，其特點(diǎn)是小刀盤對地層擾動(dòng)較小，且小刀盤轉(zhuǎn)矩較小，設(shè)備構(gòu)件較容易實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，缺點(diǎn)是由于存在盲區(qū)，目前只適合在軟土中施工，對于硬質(zhì)地層施工還需要進(jìn)一步深化研究，以減小或消除開挖盲區(qū)。

(a) 馬蹄形

(b) 圓形

Table 2 Comparison between horseshoe-shaped shield and circular shield in terms of clearance (ballastless) m2

3.3 管片拼裝方式對比分析

圓形盾構(gòu)目前一般采用通用環(huán)管片拼裝方式居多，而馬蹄形盾構(gòu)由于斷面不規(guī)則，無法采用通用環(huán)模式，一般直線地段采取“奇數(shù)環(huán)+偶數(shù)環(huán)”拼裝方式，曲線地段需按照“左轉(zhuǎn)環(huán)+右轉(zhuǎn)環(huán)+直線環(huán)”的模式，因此馬蹄形盾構(gòu)管片類型相對偏多，其糾偏能力及防翻滾能力也較圓形盾構(gòu)管片要弱。

3.4 管片受力及配筋對比分析

3.4.1 管片受力特點(diǎn)對比

馬蹄形盾構(gòu)的每環(huán)管片位置是相對固定的，因此每環(huán)管片按照其受力形態(tài)配筋即可，每環(huán)管片配筋均不一樣，存在較大差異性。

圓形盾構(gòu)由于通用環(huán)布置，其管片配筋是按照內(nèi)力計(jì)算圖中內(nèi)外側(cè)最大受力來進(jìn)行配筋的，各環(huán)管片配筋無差異，因此，個(gè)別部位的管片配筋存在一定浪費(fèi)。

3.4.2 管片受力對比

馬蹄形和圓形盾構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式有所差別，所以在相同地層條件下，管片內(nèi)力有所差別。經(jīng)荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，分別模擬淺埋、中埋、深埋3種斷面工況，對比分析2種盾構(gòu)所受內(nèi)力。

3.4.2.1 淺埋斷面

在淺埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構(gòu)管片彎矩和軸力見圖2和圖3，彎矩對比見表3，軸力對比見表4。

圖2 淺埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 2 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under shallow-buried condition (unit: kN·m)

圖3 淺埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 3 Sketch of bending moment of circular segment under shallow-buried condition (unit: kN·m)

表3淺埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 3 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under shallow-buried condition in terms of bending moment kN·m

表4淺埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 4 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under shallow-buried condition in terms of axial force kN

由淺埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由438.8 kN·m增大到564.2 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由375.5 kN·m減小到80.22 kN·m。

由淺埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.2 中埋斷面

在中埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構(gòu)彎矩和軸力見圖4和圖5，彎矩對比見表5，軸力對比見表6。

由中埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由529.3 kN·m增大到833.7 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由483.0 kN·m減小到103.9 kN·m。

圖4 中埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 4 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under medium-buried condition (unit: kN·m)

圖5 中埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 5 Sketch of bending moment of circular segment under medium-buried condition (unit: kN·m)

表5中埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 5 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under medium-buried condition in terms of bending moment kN·m

表6中埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 6 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under medium-buried condition in terms of axial force kN

由中埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.3 深埋斷面

在深埋斷面且外界條件均一樣的情況下，2種形式盾構(gòu)彎矩和軸力見圖6和圖7，彎矩對比見表7，軸力對比見表8。

圖6 深埋斷面馬蹄形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 6 Sketch of bending moment of horseshoe-shaped segment under deep-buried condition (unit: kN·m)

圖7 深埋斷面圓形管片彎矩圖(單位： kN·m)

Fig. 7 Sketch of bending moment of circular segment under deep-buried condition (unit: kN·m)

表7深埋斷面馬蹄形管片和圓形管片彎矩對比

Table 7 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under deep-buried condition in terms of bending moment kN·m

表8深埋斷面馬蹄形管片和圓形管片軸力對比

Table 8 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment under deep-buried condition in terms of axial force kN

由深埋斷面管片彎矩對比可以看出，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、邊墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大，由371.7 kN·m增大到518 kN·m；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大，由302.2 kN·m減小到75.92 kN·m。

由深埋斷面管片軸力對比可以看出，馬蹄形斷面與圓形斷面各處軸力沒有明顯差別。

3.4.2.4 馬蹄形管片受力現(xiàn)場測試

1)中埋斷面和深埋斷面馬蹄形管片受力測試結(jié)果見圖8和圖9。

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

Fig. 8 Stress of horseshoe-shaped shield segment under medium-buried condition

2)馬蹄形管片受力分析：

①隧道拱頂、拱底為正彎矩，最大正彎矩基本都出現(xiàn)在拱頂，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在左右拱腰及左拱腳處；隧道各斷面橫向的最大軸力基本出現(xiàn)在隧道兩側(cè)，均為壓力。

(a) 彎矩圖(單位： kN·m)

(b) 軸力圖(單位： kN)

Fig. 9 Stress of horseshoe-shaped shield segment under deep-buried condition

②在管片脫出盾尾后，管片內(nèi)力均迅速增大，之后內(nèi)力變化呈現(xiàn)一定波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。

③通過現(xiàn)場實(shí)測與設(shè)計(jì)計(jì)算對比分析，管片軸力均為壓應(yīng)力，大小較為接近；實(shí)測彎矩較小，與設(shè)計(jì)計(jì)算差異較大，從量測數(shù)據(jù)來看，隧道結(jié)構(gòu)屬于小偏心受壓構(gòu)件，因此管片配筋仍然有進(jìn)一步優(yōu)化的余地。

3.4.3 管片配筋對比

馬蹄形管片和圓形管片配筋對比見表9。

表9馬蹄形管片和圓形管片配筋對比

Table 9 Comparison between horseshoe-shaped shield segment and circular segment in terms of steel bar arrangement

kg/m3

從配筋對比來看，圓形斷面由于通用環(huán)布置，其管片配筋是按照內(nèi)力計(jì)算圖中內(nèi)外側(cè)最大受力來進(jìn)行配筋的，因此配筋用量較馬蹄形盾構(gòu)要高。

4 馬蹄形盾構(gòu)概況及管片設(shè)計(jì)

4.1 馬蹄形盾構(gòu)概況

馬蹄形盾構(gòu)于2015年11月開始設(shè)計(jì)、制造，于2016年7月11日在鄭州下線，并于2016年11月11日在白城隧道進(jìn)口始發(fā)。

馬蹄形盾構(gòu)刀盤高10.95 m、寬11.9 m，盾體采用雙螺旋輸送機(jī)出土，是世界最大尺寸的異形掘進(jìn)機(jī)。馬蹄形盾構(gòu)刀盤布置如圖10所示。刀盤采用9個(gè)小刀盤共同組成一個(gè)馬蹄形斷面的創(chuàng)新組合方式，可實(shí)現(xiàn)全斷面切削； 9個(gè)刀盤采用“前后錯(cuò)開、左右對稱”的布置原則，既可同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、任意組合轉(zhuǎn)動(dòng)、不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，有調(diào)試、掘進(jìn)、維保3種模式可供選擇；當(dāng)盾構(gòu)發(fā)生滾轉(zhuǎn)時(shí)，可通過多個(gè)刀盤同向轉(zhuǎn)動(dòng)使盾構(gòu)獲得反方向的轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到滾轉(zhuǎn)糾偏的目的。由于盾構(gòu)刀盤分為9個(gè)小型刀盤，刀盤轉(zhuǎn)矩相對較小，其軸承目前均可實(shí)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)。

圖10 馬蹄形盾構(gòu)刀盤布置

4.2 馬蹄形管片設(shè)計(jì)

1)管片襯砌。綜合考慮地層條件以及大直徑盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)管片采用單層襯砌、鋼筋混凝土管片類型。

2)管片寬度。管片寬度的選擇需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、防水、盾構(gòu)機(jī)械能力、線路曲線以及掘進(jìn)速度等要求。管片環(huán)寬過大不利于施工運(yùn)輸和拼裝；管片環(huán)寬過小則增加接縫長度和拼裝次數(shù)，降低施工速度，增大接縫處滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。由于管片內(nèi)輪廓非圓形，采用真空吸盤吊裝困難，選擇采取機(jī)械抓取吊裝，這對吊裝能力有一定的要求。結(jié)合目前國內(nèi)機(jī)械抓舉吊裝經(jīng)驗(yàn)，將管片吊裝質(zhì)量要求控制在10 t左右。

綜合考慮上述因素，本次設(shè)計(jì)管片寬度取環(huán)寬 1 600 mm。

3)管片分塊。襯砌環(huán)的分塊在滿足施工機(jī)械能力的前提下，應(yīng)盡量減少縱向、環(huán)向接縫。管片分塊需考慮因素為管片的拼裝形式、盾構(gòu)的拼裝能力、縱向螺栓的位置分布等。管片的分塊方案主要有3種： 封頂塊等分方案、1/2封頂塊方案、1/3封頂塊方案?？紤]目前國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道管片多采用1/3封頂塊方案，決定采用1/3封頂塊方案。

經(jīng)綜合分析比較，考慮到施工的便利性、管片的力學(xué)特征、對盾構(gòu)拼裝設(shè)備的要求等方面，本次設(shè)計(jì)研究了“7+1”、“8+1”管片劃分模式。每塊管片的圓心角根據(jù)襯砌不同曲線擬定，“7+1”方案最大塊質(zhì)量為9.23 t，最小塊質(zhì)量為3.08 t。“8+1”方案最大塊質(zhì)量為8.12 t，最小塊質(zhì)量為2.71 t。“7+1”塊結(jié)構(gòu)剛度大、對結(jié)構(gòu)變形控制有利，而拼裝難度相對略大，但在盾構(gòu)拼裝能力允許的前提下，分塊數(shù)越少，對結(jié)構(gòu)越有利，安裝節(jié)奏越快。因盾構(gòu)拼裝能力按照10 t進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足“7+1”拼裝要求，因此確定采用“7+1”分塊模式。管片設(shè)置奇偶環(huán)，無楔形量，采取錯(cuò)縫拼裝，管片混凝土等級C50，抗?jié)B等級P10。管片連接采用螺栓連接，環(huán)向44顆RD30螺栓，縱向16顆RD36螺栓，機(jī)械性能等級為8.8級。

4)管片配筋設(shè)計(jì)。盾構(gòu)管片按照覆土厚<1.5D、1.5D～2.5D、≥2.5D(D為盾構(gòu)寬度) 3種條件，采用均質(zhì)圓環(huán)法、梁-彈簧模型分別進(jìn)行管片配筋計(jì)算，以最不利受力狀況進(jìn)行了配筋設(shè)計(jì)。

5 馬蹄形盾構(gòu)掘進(jìn)遇到問題及措施

5.1 掘進(jìn)基本情況

2016年11月11日馬蹄形盾構(gòu)始發(fā)，截至2017年12月15日，累計(jì)掘進(jìn)1 787環(huán)、2 859 m。盾構(gòu)先后成功穿越淺埋層、天然氣管道、包茂高速等重大風(fēng)險(xiǎn)源地帶。最高單日掘進(jìn)16 m(10環(huán))，最高月掘進(jìn)308.8 m，施工進(jìn)度是礦山法的3倍以上。

盾構(gòu)推力為5.0×104～7.9×104kN，推進(jìn)速度為 12～21 mm/min。

5.2 掘進(jìn)遇到的問題及對策

5.2.1 冬季連續(xù)皮帶機(jī)防凍對策

白城隧道連續(xù)皮帶機(jī)總設(shè)計(jì)長度為3 km，根據(jù)施工安排，冬季也將進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工。為防止冬季低溫凍結(jié)碴土及連續(xù)皮帶機(jī)，造成停機(jī)，必須對連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行防護(hù)保溫。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，主要采取了以下應(yīng)對措施，并取得了良好效果。1)冬季施工前完成皮帶機(jī)防護(hù)罩安裝，增加供暖設(shè)施，見圖11； 2)研究防凍型碴土改良外加劑； 3)加強(qiáng)工序銜接，避免人為因素造成的停機(jī)。

(a)

(b)

5.2.2 管片開裂

5.2.2.1 概況

白城隧道馬蹄形盾構(gòu)掘進(jìn)前期，管片存在破損、裂縫現(xiàn)象，對發(fā)生問題的部位進(jìn)行認(rèn)真分析調(diào)查并及時(shí)采取相應(yīng)處理措施。

前期破損位置基本呈現(xiàn)在3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)、9點(diǎn)位置，見圖12和圖13，上述部位在管片脫出盾尾后均出現(xiàn)不同程度的破損、裂縫情況。破損的具體情況大多為管片接縫位置沿縱向、從前向后于內(nèi)弧表面發(fā)生規(guī)律性整塊破碎，破損深度為 2～20 cm。

5.2.2.2 原因分析

1)盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)不相匹配，管片的環(huán)面與盾構(gòu)推進(jìn)方向存在夾角，其合力作用下的管片部位發(fā)生破碎。

2)管片脫出盾尾殼后，在同步注漿作用下，管片呈現(xiàn)整體上浮現(xiàn)象，底部上鼓，導(dǎo)致凹凸榫處應(yīng)力集中，產(chǎn)生壓剪破壞。

3)凹凸榫處加強(qiáng)筋施作時(shí)預(yù)留的鋼筋保護(hù)層厚度偏大。

5.2.2.3 處理措施及效果

處理措施： 1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)行走姿態(tài)。2)對已預(yù)制管片進(jìn)行植筋，見圖14。3)同步注漿中添加AB液，控制同步注漿漿液凝固時(shí)間，見圖15。4)未預(yù)制管片增設(shè)角部鋼筋，提高抗剪能力。

(a) 偶數(shù)環(huán)

(b) 奇數(shù)環(huán)

圖13 現(xiàn)場管片開裂照片

圖14 管片植筋

(a) AB液配置

(b) 同步注漿控制

處理效果： 在采取上述措施后，管片開裂現(xiàn)象已得到控制。

5.2.3 遇到鈣質(zhì)結(jié)核推進(jìn)困難

5.2.3.1 概況

2017年6月9號(hào)盾構(gòu)掘進(jìn)到第900環(huán)時(shí)地質(zhì)開始發(fā)生變化，碴土中出現(xiàn)少量鈣質(zhì)結(jié)核體及堅(jiān)實(shí)的老黃土土塊，該段掘進(jìn)還處于可控狀態(tài)。6月22日盾構(gòu)推力逐漸加大(7.2×104kN升至8.5×104kN)，導(dǎo)致螺旋機(jī)轉(zhuǎn)矩增大并發(fā)生斷裂。7月12日螺旋輸送機(jī)修復(fù)完成，恢復(fù)掘進(jìn)(第1 045環(huán))初期推力即居高不下(達(dá)8.5×104kN以上)，掘進(jìn)速度基本維持在8～10 mm/min；后續(xù)掘進(jìn)中推力持續(xù)增大，最大推力達(dá)9.2×104kN，同時(shí)底部4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)刀盤幾乎無轉(zhuǎn)矩，且盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)上浮跡象，碴土中大塊老黃土及結(jié)核塊增多；在7月17日掘進(jìn)第1 064環(huán)時(shí)，盾構(gòu)推力達(dá)9.0×104kN以上，刀盤轉(zhuǎn)矩極低且掘進(jìn)速度幾乎為0。由于掘進(jìn)中添加了膨潤土改良劑，懷疑刀盤被糊住，開艙后發(fā)現(xiàn)刀盤正常，掌子面底部往上2～3 m為黏質(zhì)老黃土夾姜石、3～7 m為黏質(zhì)老黃土。實(shí)驗(yàn)室測得姜石塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.06 MPa。

5.2.3.2 原因分析

馬蹄形盾構(gòu)刀盤由9個(gè)大、小刀盤組成，刀盤切割存在盲區(qū)(見圖16)，盲區(qū)主要依靠盾構(gòu)殼周邊切刀切割，底部盲區(qū)較大，且底部分布含姜石的黃土塊，強(qiáng)度較高，切刀無法切動(dòng)，導(dǎo)致盾構(gòu)推力加大，但掘進(jìn)速度幾乎為0。

圖16 馬蹄形盾構(gòu)盲區(qū)示意

5.2.3.3 處理措施及效果

處理措施： 1)在土艙底部5點(diǎn)和7點(diǎn)位置增加圓錐形分碴器，破壞此處掌子面老黃土塊。2)為防止碴土在5號(hào)刀盤中心旋轉(zhuǎn)軸下部集結(jié)，取消底部攪拌器，并在原攪拌器中間位置增加大型分碴器(見圖17)，便于碴土直接排到螺旋輸送機(jī)口，保證出土順暢。

圖17 分碴器

處理效果： 設(shè)置分碴器后，盾構(gòu)推力下降到5.0×104kN左右，盾構(gòu)推進(jìn)正常，日管片成環(huán)約10環(huán)。

6 結(jié)論與建議

本文針對蒙華鐵路砂質(zhì)新黃土白城隧道，通過礦山法與盾構(gòu)法比較、馬蹄形盾構(gòu)與圓形盾構(gòu)比較，提出了馬蹄形盾構(gòu)隧道的設(shè)想，介紹了世界首臺(tái)大斷面馬蹄形盾構(gòu)概況，對馬蹄形斷面的管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了施工實(shí)踐。結(jié)論如下：

1)通過白城隧道礦山法與盾構(gòu)法比較，盾構(gòu)法施工在安全、質(zhì)量、環(huán)保、工期和近接影響上有明顯優(yōu)勢，但在考慮較高盾構(gòu)折舊率的情況下，投資較礦山法略高。

2)采用馬蹄形盾構(gòu)較圓形盾構(gòu)內(nèi)輪廊減小約7.1 m3，可降低工程造價(jià)。通過對比淺埋、中埋、深埋3種斷面工況盾構(gòu)受力情況，馬蹄形斷面拱頂、拱肩、連墻處彎矩均小于圓形斷面，其中拱肩彎矩差距較大；仰拱處馬蹄形斷面彎矩較圓形斷面要大，且差別很大；二者各處軸力沒有明顯差別。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算，馬蹄形盾構(gòu)管片配筋率小于圓形盾構(gòu)。

3)馬蹄形盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)采用單層襯砌、鋼筋混凝土管片類型，環(huán)寬1 600 mm，采用“7+1”管片劃分模式和 1/3封頂塊方案。

4)施工過程中，為預(yù)防碴土凍結(jié)采取皮帶防護(hù)罩，對出現(xiàn)的少量開裂采取AB液同步注漿、增加配筋、控制掘進(jìn)姿態(tài)等措施，遇到含姜石老黃土增加分碴器等措施，解決了施工中遇到的難題。施工實(shí)踐證明，馬蹄形盾構(gòu)在黃土隧道施工風(fēng)險(xiǎn)低，質(zhì)量高，安全可靠，施工速度是礦山法的3倍以上。

作為一種全機(jī)械化的鐵路黃土隧道施工新方法，馬蹄形盾構(gòu)為山嶺隧道施工提供了新思路、新方法，創(chuàng)新了隧道機(jī)械化施工新模式，在類似地質(zhì)和埋深條件的隧道工程施工中具有較大工程應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

需要指出的是，由于地質(zhì)的不確定性，在山嶺土質(zhì)隧道采用盾構(gòu)法施工時(shí)，也面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，摸清全隧地質(zhì)情況，進(jìn)而采取相應(yīng)的施工措施。同時(shí)，盾構(gòu)引入山嶺隧道后，對于不同埋深的受力計(jì)算，還需進(jìn)一步研究。

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亞洲最長黃土砂質(zhì)隧道——蒙華鐵路萬榮隧道貫通

由中鐵十二局集團(tuán)有限公司承建的亞洲最長黃土砂質(zhì)隧道——蒙(西)華(中)鐵路萬榮隧道于2017年11月20日貫通，這條世界上一次建成里程最長的重載鐵路迎來重要節(jié)點(diǎn)。

萬榮隧道是國內(nèi)首條采用46 m仰拱棧橋、初期支護(hù)一次成環(huán)、水平旋噴鉆機(jī)超前加固等工藝聯(lián)合施工的隧道。

據(jù)了解，這座長7 683 m的隧道于2015年5月25日開工后，就一直與高風(fēng)險(xiǎn)搏斗。隧道97%以上是新黃土和粉細(xì)砂地層，打隧道就像在沙丘上掏洞一樣艱難，常常是開挖一方，流出一堆。為了讓松散的砂層變成硬殼，采取了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、超前加固，工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌質(zhì)量到位，加強(qiáng)監(jiān)控量測的“三超前、四到位、一加強(qiáng)”的管理措施，投入2 561萬元購買超前水平高壓旋噴設(shè)備，將砂層加固，起到了防流砂、抗滑移、防滲透作用，攻克了粉細(xì)砂地層開挖技術(shù)難題，也創(chuàng)造了世界同類型隧道的掘進(jìn)紀(jì)錄，將施工效率提高了1倍。

在萬榮隧道施工過程中，中鐵十二局集團(tuán)有限公司取得了14項(xiàng)科技創(chuàng)新成果，與西南交通大學(xué)聯(lián)合研究“格柵拱架優(yōu)化及加工工藝改進(jìn)技術(shù)”，通過對不同型號(hào)拱架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，優(yōu)化格柵拱架主筋、8字筋，每榀拱架可節(jié)約鋼材200 kg，實(shí)用前景非常廣闊。在隧道掌子面，濕噴機(jī)械手、一次性澆筑 24 m 仰拱的自行式棧橋、霧化式養(yǎng)護(hù)臺(tái)架、二次襯砌端頭模板、挖掘機(jī)松土器、銑挖機(jī)等構(gòu)成了機(jī)械化的“強(qiáng)大陣容”。

萬榮隧道貫通后，蒙華鐵路又一關(guān)鍵性控制工程銷號(hào)，為全線2019年12月建成通車奠定了基礎(chǔ)。

(摘自 搜狐網(wǎng) http://www.sohu.com/a/211713763_118392 2017-12-20)

SelectionandApplicationofHorseshoe-shapedShieldtoLoessTunnel

SHEN Zhijun1, XIA Yong2

(1.Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China; 2.ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

At present, the mining method, with high risk and low advancing speed in loess, is the main construction method for railway tunnels. However, the shield method has been widely used in metro and underwater tunnels. In this paper, the sandy new loess tunnel on Menghua Railway is taken for example. 1) The shield method is chosen by comparing to mining method. 2) Comparison is made between horseshoe-shaped shield tunnel and circular shield tunnel in terms of excavation inner contour, excavation characteristics of cuterhead, segment assembling mode and stress and steel bar arrangement of segment. It is shown that the horseshoe-shaped shield tunnel has a higher utility rate of cross-section comparing to circular shield tunnel; the stresses of horseshoe-shaped segment and circular segment are different; but the steel bar arrangement of horseshoe-shaped segment is lower than that of circular segment. 3) The general situation of horseshoe-shaped shield is presented; and the design of horseshoe-shaped shield segment is studied. 4) The difficulties, i.e. freezing prevention, cracks on segment bottom and calcareous concretion in old loess tunnel, encountered during horseshoe-shaped shield tunneling and corresponding countermeasures are put forward. The practice and application of horseshoe-shaped shield indicate that the horseshoe-shaped shield tunneling in loess tunnel can reduce the construction risk, improve the construction quality and guarantee the construction safety.

loess tunnel; horseshoe-shaped shield; circular shield; inner contour of excavation; excavation blind area; segment assembly; segment stress; segment steel bar arrangement; low temperature frozen; segment crack; calcareous concretion

2017-04-07

申志軍(1971—)，男，河南杞縣人，1996年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，地下工程與隧道工程專業(yè)，工程碩士，教授級高級工程師，主要從事隧道工程技術(shù)與科研工作。E-mail： szj71@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.003

U 455.43

A

2096-4498(2017)12-1518-11