大截面矩形盾構(gòu)機的研制及應(yīng)用

過浩侃

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

矩形隧道盾構(gòu)法施工具有地下空間利用率高的優(yōu)點，可以實現(xiàn)淺覆土、中長距離、曲線隧道等情況的施工，同時具有盾構(gòu)法施工工業(yè)化程度高，有利于環(huán)境保護(hù)等特點，可應(yīng)用于城市地下通道、淺埋道路隧道、地鐵隧道、綜合管廊等城市建設(shè)和地下空間開發(fā)領(lǐng)域。此前，矩形盾構(gòu)機的研制和相關(guān)隧道設(shè)計施工技術(shù)主要在國際上少數(shù)國家（如日本等）進(jìn)行過相關(guān)實踐[1-5]，國內(nèi)此前尚無真正意義上的矩形盾構(gòu)機的研制。

我公司在以往大斷面矩形頂管機設(shè)計制造施工實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，聯(lián)合設(shè)計院、科研院所，自行研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)首臺大斷面土壓平衡式矩形盾構(gòu)機，在研發(fā)過程中申請了30余項專利，其中發(fā)明專利20余項，已獲得國家授權(quán)發(fā)明專利6項，并且已成功應(yīng)用于上海虹橋地區(qū)的2個地下通道工程。

本文結(jié)合盾構(gòu)機研制過程和上海虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)（一期）與國家會展中心（上海）人行地下通道工程矩形盾構(gòu)隧道段實施情況，對國內(nèi)首臺大斷面矩形盾構(gòu)機及其工程應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和分析。

1 矩形盾構(gòu)機

綜合考慮車輛通行要求、襯砌結(jié)構(gòu)厚度和道路設(shè)備空間等因素，該矩形盾構(gòu)機的殼體外包尺寸為：寬10.10 m，高5.30 m。矩形盾構(gòu)機（圖1）采用土壓平衡式，整機長9.05 m，分成切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾三部分。整機包含刀盤切削系統(tǒng)、排土系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、防背土裝置、泥墊糾偏裝置和隧道形狀保持器等部分。

1.1 刀盤切削系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)切削方式由于實現(xiàn)方式簡單可靠，效率高，因而在盾構(gòu)機切削刀盤設(shè)計中被廣泛采用。對于圓形盾構(gòu)機而言，切削刀盤的運動軌跡和盾構(gòu)機的斷面形狀一致，因此采用單個刀盤即可以實現(xiàn)全斷面切削。對于矩形盾構(gòu)機，由于盾構(gòu)機斷面為矩形，如果使用單個切削刀盤，則會形成較大的切削盲區(qū)，施工風(fēng)險高。

為此，在該矩形盾構(gòu)機的切削刀盤設(shè)計上，采用了我公司在矩形頂管機上創(chuàng)新研發(fā)并已成熟應(yīng)用的多刀盤組合形式，通過在切削斷面布置多個刀盤，允許各個刀盤的切削面積有一定的重疊，使得斷面的切削率能夠滿足盾構(gòu)施工需要。本次采用8個大刀盤及3個小刀盤的多刀盤組合形式，利用多刀盤組合實現(xiàn)切削刀盤模塊化靈活組合和切削斷面的優(yōu)化配置，同時在刀盤切削盲區(qū)內(nèi)設(shè)置劈刀，以進(jìn)一步提高斷面切削率（圖2）。

圖1 矩形盾構(gòu)機

圖2 切削刀盤組合

通常，切削刀盤在軸向是固定狀態(tài)，刀盤在切削土體時，僅能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削動作。在本次切削刀盤設(shè)計中，8個大刀盤均設(shè)計為軸向可伸縮式刀盤（圖3），利用內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)套與花鍵結(jié)構(gòu)的匹配構(gòu)造，實現(xiàn)了切削大刀盤的軸向伸縮與旋轉(zhuǎn)切削的有機結(jié)合，一個或多個刀盤可以同時軸向伸縮并切削土體。切削刀盤的軸向伸縮可以顯著降低盾構(gòu)機掘進(jìn)阻力和設(shè)備負(fù)荷峰值，并能對盾構(gòu)機提供導(dǎo)向，以利于軸線糾偏等。

1.2 螺旋機排土系統(tǒng)

在土壓平衡盾構(gòu)施工中，如果遇到透水性大，級配不良的砂土或粉土?xí)r，土倉內(nèi)的渣土壓力往往不能夠在螺旋排土機內(nèi)逐漸降低，大量的水土就會從螺旋排土機的排土口噴出，形成噴涌，不僅會影響正常的盾構(gòu)掘進(jìn)施工，而且嚴(yán)重時還會對周邊環(huán)境造成惡劣影響。為此，該矩形盾構(gòu)機設(shè)有2個不等螺距式螺旋排土機。螺旋排土機內(nèi)設(shè)置了不等距的葉片形式，高壓力的水土經(jīng)過不同葉片時會有效釋放壓力，從而降低排土口的水壓力，防止螺旋排土機的排土口發(fā)生噴涌。

1.3 管片拼裝系統(tǒng)

根據(jù)管片單體抗彎試驗、接頭抗彎試驗、接頭抗剪試驗、整環(huán)試驗、組焊工藝評定、混凝土充填試驗、防水試驗等試驗的結(jié)果和襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果，最終采用六面覆蓋鋼板的鋼混復(fù)合管片（圖4）結(jié)構(gòu)形式，滿足了扁平隧道結(jié)構(gòu)的受力要求。

圖3 軸向可伸縮式刀盤

圖4 鋼混復(fù)合管片

襯砌管片外包尺寸為：寬9.75 m、高4.95 m、厚0.55 m、環(huán)寬1.00 m。管片為6分塊，由1塊拱底塊、4塊轉(zhuǎn)彎塊和1塊拱頂塊組成，采用通縫拼裝方式。

管片拼裝作業(yè)是盾構(gòu)施工作業(yè)中的重要工序。一方面，對于矩形盾構(gòu)隧道而言，由于襯砌管片斷面形狀的變化，管片拼裝難度比圓形隧道大；另一方面，國外已有的矩形盾構(gòu)管片寬高比多為1.4～1.5，而本矩形盾構(gòu)機的管片寬高比約為2，寬高比大，盾構(gòu)機及相應(yīng)的襯砌管片更加扁平，管片在扁平狹小空間內(nèi)的拼裝難度大，以往國外矩形盾構(gòu)機采用過的雙回轉(zhuǎn)式管片拼裝機和軌道式管片拼裝機等拼裝方式無法適用。

為此，創(chuàng)新研制了中心可移動的雙立柱式管片拼裝機，該拼裝機由立柱、回轉(zhuǎn)支承和拼裝頭等部分組成，立柱不僅為盾構(gòu)機殼體提供支撐作用，還為拼裝機提供移動軌道，拼裝頭負(fù)責(zé)抓取并夾緊管片，保證管片在運送過程中不發(fā)生脫落，拼裝頭上的小型液壓油缸可以對管片姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，保證管片順利安裝，通過拼裝頭的升降運動、旋轉(zhuǎn)運動和徑向伸縮運動將管片運送、安裝到位。拱底塊和封頂塊管片由2臺拼裝機同步作業(yè)，徑向頂入、縱向插入，轉(zhuǎn)彎塊管片由單臺拼裝機拼裝，成環(huán)后完成螺栓緊固（圖5）。

1.4 防背土裝置

盾構(gòu)機在掘進(jìn)施工過程中，受上覆土壓力、盾構(gòu)機殼體與周圍土體間的摩擦力以及周圍土體的黏性等因素的影響，當(dāng)上覆土體與殼體的黏結(jié)強度大于兩者之間的摩擦力時，上覆土體有時會黏附在殼體上表面，隨著盾構(gòu)機一同向前運動，形成背土現(xiàn)象。對大斷面矩形盾構(gòu)機而言，其上表面大而扁平，與上覆土的接觸面積大，加上覆土往往較淺，上部土體的卸載拱作用相對不明顯，矩形盾構(gòu)機頂部易發(fā)生背土。背土現(xiàn)象對盾構(gòu)隧道施工有極大的危險性，特別是在周邊環(huán)境保護(hù)要求高的情況下。為克服背土現(xiàn)象，該矩形盾構(gòu)機設(shè)置了減摩注漿系統(tǒng)和液壓防背土裝置。

在盾構(gòu)機上表面設(shè)有2排減摩注漿孔，盾構(gòu)機內(nèi)配備了減摩注漿系統(tǒng)，通過向盾構(gòu)機殼體外注入減摩泥漿，在盾構(gòu)機殼體表面形成減摩泥漿薄膜，既降低了上覆土黏附在盾構(gòu)機殼體上的可能性，又有效地減小了掘進(jìn)阻力。

在注漿減摩的基礎(chǔ)上，該矩形盾構(gòu)機配置了液壓防背土裝置（圖6），包括盾構(gòu)機頂面設(shè)置的防背土板、盾構(gòu)機內(nèi)設(shè)置的液壓機構(gòu)及傳動機構(gòu)，用來緩解掘進(jìn)施工中可能發(fā)生的背土現(xiàn)象。在矩形盾構(gòu)推進(jìn)過程中，位移傳感器采集的數(shù)據(jù)會反饋至自動控制系統(tǒng)，然后通過液壓機構(gòu)控制防背土板的移動，將矩形盾構(gòu)機殼體上部土體作有效分割，減輕盾構(gòu)機因上表面大而平坦造成的背土問題。為保證推進(jìn)過程中防背土板在正常情況下不發(fā)生位移，在液壓機構(gòu)上設(shè)置了控制閥。

圖5 管片拼裝機

圖6 防背土裝置

1.5 泥墊糾偏裝置

矩形盾構(gòu)機在推進(jìn)過程中易產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，為此，在盾構(gòu)機底面設(shè)泥墊充泥口，盾構(gòu)機內(nèi)裝有渣土泵、控制閥、注泥管路和控制器等部件。

矩形盾構(gòu)機發(fā)生側(cè)轉(zhuǎn)時，根據(jù)偏轉(zhuǎn)方向從相應(yīng)的充泥口注入高壓渣土，在矩形盾構(gòu)機底面形成高壓泥墊，對矩形盾構(gòu)機產(chǎn)生糾偏力矩，控制矩形盾構(gòu)機的側(cè)向偏轉(zhuǎn)（圖7）。

圖7 泥墊糾偏

1.6 隧道形狀保持器

在大跨度扁平隧道施工中，已拼裝完成的管片脫出盾尾后，在上覆荷載作用下會產(chǎn)生一定的變形，而盾尾內(nèi)新拼裝管未發(fā)生受荷變形，兩者之間變形不協(xié)調(diào)，會導(dǎo)致縱向螺栓有時會安裝困難。

在隧道內(nèi)設(shè)置了隧道形狀保持器（圖8），形狀保持器的形狀保持功能與管片運輸、管片喂給三個功能合一。利用形狀保持器上的提升油缸加載，可對管片提供臨時支撐，起到保持管片形狀的作用。

圖8 隧道形狀保持器

2 工程概況

上海虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)（一期）與國家會展中心（上海）人行地下通道工程位于上海虹橋商務(wù)核心區(qū)與國家會展中心（上海）之間，東接虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)（一期）地下空間中軸，西至國家會展中心（上海）東出入口。會展通道東段工程起止范圍為嘉閔高架西側(cè)道路紅線至申濱南路西側(cè)紅線，其中下穿嘉閔高架段通道采用矩形盾構(gòu)法進(jìn)行施工。矩形盾構(gòu)隧道段通道長度為83.95 m，坡度為0.50%，通道外包尺寸為：寬9.75 m，高4.95 m（圖9）。

圖9 會展通道平面示意

根據(jù)地質(zhì)報告，矩形盾構(gòu)隧道施工穿越土層為第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和第④層灰色淤泥質(zhì)黏土，上覆土層為第①1層填土、第②1層黃-灰黃色粉質(zhì)黏土和第②3層灰色粉砂。通道埋深為7.3～7.8 m。

本工程下穿嘉閔高架，嘉閔高架橋墩采用群樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)采用φ800 mm鉆孔灌注樁，下穿嘉閔高架段通道距南側(cè)承臺5.086 m，距北側(cè)承臺3.962 m。下穿的華翔路下方分布較多的市政管線，主要有電力、雨水、污水、給水，雨水管窨井距矩形盾構(gòu)機外殼最近距離為2.180 m。

3 工程實施

上海虹橋會展地下通道工程，是本臺矩形盾構(gòu)首個正式應(yīng)用的項目。在總結(jié)臨空園區(qū)地下通道試驗段的基礎(chǔ)上，對設(shè)備配套及施工流程進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，取得了較好的效果。

3.1 反力系統(tǒng)

盾構(gòu)出洞施工時，通常在始發(fā)工作井內(nèi)設(shè)置由反力架、閉口負(fù)環(huán)、開口負(fù)環(huán)、146°鋼弧形環(huán)及鋼支撐組成的后盾反力系統(tǒng)。矩形盾構(gòu)施工時，如果仍按常規(guī)方法在開口負(fù)環(huán)上部設(shè)置鋼環(huán)和鋼支撐，會占用部分施工材料吊運空間。所以根據(jù)盾構(gòu)千斤頂?shù)牟贾眯问?、出洞反力要求、施工材料吊運空間要求等，在第一、第二環(huán)開口負(fù)環(huán)安裝時，在其封頂塊兩側(cè)安裝特殊傳力牛腿（圖10），確保盾構(gòu)機進(jìn)入土體時，閉口環(huán)封頂塊所承受的推力可以傳遞分配至開口環(huán)兩側(cè)的鄰接管片上，形成由反力架、閉口負(fù)環(huán)、開口負(fù)環(huán)及傳力牛腿組成的后盾反力系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的后盾反力系統(tǒng)相比，封頂塊與傳力牛腿的連接位置確定，封頂塊和牛腿的受力明確，結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)固。在確保了施工物資吊運空間的前提下，傳力牛腿還可以重復(fù)使用，經(jīng)濟性也得到了良好體現(xiàn)。

3.2 掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏

在實際施工中，矩形盾構(gòu)迎土面大，容易遇到土質(zhì)不均勻等問題帶來的軸線偏離及機體側(cè)轉(zhuǎn)等問題，特別是側(cè)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

軸線偏離一般采用分區(qū)操作推進(jìn)油缸來調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，逐步進(jìn)行，不能一次到位。每環(huán)的糾偏量在水平方向上不超過6 mm，在豎直方向上不超過5 mm。

由于前期已重視側(cè)轉(zhuǎn)問題，在盾構(gòu)機上專門設(shè)置了泥墊式防側(cè)轉(zhuǎn)糾偏裝置，在整個推進(jìn)過程中，出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)趨勢就及時糾正，發(fā)揮了明顯的作用。整個項目中側(cè)向偏轉(zhuǎn)角度絕大部分環(huán)數(shù)小于15′，個別數(shù)據(jù)在15′～30′之間，均滿足矩形盾構(gòu)管片拼裝的要求。

3.3 管片拼裝技術(shù)

管片拼裝成環(huán)后，先測量新成環(huán)管片的橫縱內(nèi)徑，符合設(shè)計允許偏差時，方可進(jìn)行螺栓擰緊施工。如橫縱徑不符合設(shè)計要求，應(yīng)采用形狀保持器頂緊已拼裝管片，直至新成環(huán)管片縱徑達(dá)到設(shè)計尺寸，然后使用液壓扳手進(jìn)行螺栓擰緊，管片縱縫螺栓的擰緊力矩應(yīng)符合設(shè)計要求。盾構(gòu)推進(jìn)時，及時復(fù)緊管片的環(huán)縫螺栓。管片脫出盾尾后，受周圍土水壓力作用，管片受荷變形，這時應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果復(fù)緊管片間的縱縫螺栓。

管片縱徑標(biāo)準(zhǔn)值3 850 mm，實測縱徑偏差基本在－30 mm以內(nèi)。

3.4 自動化高密度監(jiān)測

由于隧道上方交通繁忙，為嚴(yán)控盾構(gòu)施工對道路交通及管線的影響，本工程部分關(guān)鍵位置監(jiān)測采用自動掃描全站儀，一共布設(shè)了3個斷面共15個地面沉降點，每隔2 min采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接入信息系統(tǒng)，自動繪出沉降曲線，直觀實時地反映了矩形盾構(gòu)在通過監(jiān)測斷面前后土體的變形情況，為調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)提供了直接依據(jù)。

采集的數(shù)據(jù)通過手機APP進(jìn)行發(fā)布，方便相關(guān)施工技術(shù)人員及時掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.5 近距離穿越橋樁

在盾構(gòu)穿越嘉閔高架過程中，為了保護(hù)高架樁基安全，在高架樁基與矩形盾構(gòu)隧道之間施工MJS隔離樁。為了精確反映盾構(gòu)施工對橋樁的影響，在矩形盾構(gòu)隧道與MJS隔離樁之間增加設(shè)置了3個土體分層沉降點、2個土體測斜點、2個水位觀測孔。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)穿越過程中，高架立柱幾乎沒有位移。同時，土體分層沉降最大值為－3.30 mm，土體測斜最大值為4.48 mm，矩形盾構(gòu)掘進(jìn)施工時對兩側(cè)土體擾動較小。

該段矩形盾構(gòu)隧道已貫通，盾構(gòu)施工中的地表沉降值在－30～10 mm之間，矩形盾構(gòu)隧道內(nèi)無滲漏（圖11）。

圖10 傳力牛腿

圖11 隧道貫通

4 結(jié)語

本文結(jié)合設(shè)備研制和工程實施，對國內(nèi)首臺大斷面矩形盾構(gòu)機及其首次工程應(yīng)用情況進(jìn)行了相應(yīng)介紹和分析，總結(jié)如下：

1）該矩形盾構(gòu)機為土壓平衡式矩形盾構(gòu)機，刀盤切削系統(tǒng)采用8個大刀盤及3個小刀盤的多刀盤組合形式，8個大刀盤均為軸向可伸縮式刀盤，實現(xiàn)了矩形截面的近似全斷面切削和刀盤的軸向伸縮。

2）設(shè)置了2個不等螺距式螺旋排土機，利用不等距的葉片形式降低排土口的水壓力，防止排土口噴涌。

3）管片為六面覆蓋鋼板的復(fù)合管片結(jié)構(gòu)形式，拼裝機為創(chuàng)新研制的中心可移動的雙立柱式管片拼裝機，解決了扁平隧道結(jié)構(gòu)的受力要求和管片拼裝難題。

4）設(shè)置了減摩注漿系統(tǒng)和液壓防背土裝置，利用減摩泥漿薄膜和液壓防背土機構(gòu)，有效降低和緩解可能產(chǎn)生的背土情況。

5）設(shè)置了隧道形狀保持器，對管片提供臨時支撐，解決了管片脫出盾尾后的變形協(xié)調(diào)問題。

6）采用傳力牛腿和負(fù)環(huán)管片組成矩形盾構(gòu)反力系統(tǒng)，二者連接可靠，具有構(gòu)造簡明、受力明確和增加吊運空間等優(yōu)點。

7）管片拼裝成環(huán)后，根據(jù)橫縱內(nèi)徑測量結(jié)果，采用液壓扳手?jǐn)Q緊螺栓，并施加擰緊力矩，橫縱徑不符合設(shè)計要求時，可采用形狀保持器頂緊已拼裝管片。