摘要：本文重點(diǎn)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(jìn)機及矩形隧道的研究與用。以供異型斷面隧道研究、設計、施工參考。

　　關(guān)鍵詞：城市地下交通矩形隧道頂管機設計中間試驗工程應用

　　城市建設發(fā)展速度越來(lái)越陜，交通運輸對城市建設發(fā)展的作用更加凸現。發(fā)展與建設的推進(jìn)求城市解決更多的地下人行通道，如地鐵車(chē)站的進(jìn)出口的過(guò)街人行隧道、城市地下管線(xiàn)共同溝等類(lèi)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(jìn)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法隧道是1826年開(kāi)始建造的英國倫敦穿越泰晤士問(wèn)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(kāi)挖和施工中涌水淹沒(méi)事故，長(cháng)458m的矩形隧道掘進(jìn)了18年才完工。

　　20世紀70年代以來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，盾構掘進(jìn)機施工技術(shù)有了新的飛躍。尤其是日本，地下空間的開(kāi)發(fā)和利用的需求，促進(jìn)了盾構隧道技術(shù)的進(jìn)—步發(fā)展。20世紀80鋼代后，世界各國掀起了開(kāi)發(fā)異形斷面盾構掘進(jìn)機的高潮，先后進(jìn)行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道盾構掘進(jìn)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(lái)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，因而矩形盾構掘進(jìn)機的重新研究開(kāi)發(fā)和應用意義十分分重大。

　　日本對大斷面矩形盾構工法開(kāi)展了研究，主要解決穿越鐵路的車(chē)行下立交工程施工，用鋼管片拼裝后再澆筑混凝土內襯，盾構施工最淺覆土僅3m.1981年，名古屋和東京都采用4.29mx 3.09m手掘式矩形盾構掘進(jìn)2條長(cháng)534m和298m的共同溝。名古屋還采用5.23mx4.38m的手掘式矩形盾構掘進(jìn)1條長(cháng)374m矩形隧道�？傊�，矩形隧道和矩形盾構技術(shù)的應用方興未艾，其優(yōu)點(diǎn)日益體現，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(kāi)始啟動(dòng)矩形隧道研究并通過(guò)立題論迅1995年完成2.5mx2.5m可變網(wǎng)格矩形頂管機設計、矩形隧道試驗工程方案和工程設計。1999年4月，上海地鐵三號線(xiàn)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(pán)式土壓平衡頂管機。矩形隧道于4月中旬始發(fā)推進(jìn)，6月初完成第2條矩形隧道工程，工程質(zhì)量?jì)?yōu)良，施工中確保了上海延安東路隧道的正常運營(yíng)和陸家嘴路地下管線(xiàn)的安全。國內首次施工矩形盾構隧道僅花了40天完成了兩條隧道的推進(jìn)，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(jìn)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(guò)街人行通道要求埋深淺，因此矩形隧道更能滿(mǎn)足人行通道的施工要求。

　　城市交通過(guò)街人行通道作為地鐵車(chē)站的進(jìn)出口日益增多，城市地下管線(xiàn)共同溝也將在我國得到發(fā)展，而這類(lèi)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(xiàn)如下：

　�。�1）對國外有關(guān)矩形盾構和矩形隧道工程的消化吸收；

　�。�2）矩形頂管試驗工程的設想和設計；

　�。�3）矩形頂管機機型的技術(shù)經(jīng)濟比較，機型方案設計和選擇；

　�。�4）試驗用矩形頂管機的研制，在試驗機的基礎研制工程用矩形頂管機；

　�。�5）矩形鋼筋混凝土管節通過(guò)結構試驗了解結構受力分布，改進(jìn)管節設計節設計優(yōu)化提供依據；

　�。�6）通過(guò)2.5mx2.5m矩形隧道試驗工程，了解矩形隧道頂進(jìn)的施工參數和掌握規律，為工程應用提供依據；

　�。�7）進(jìn)行工程應用方案設計、施工設計，完成工程應用，進(jìn)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(jiǎn)單、造價(jià)低、上馬快的優(yōu)點(diǎn)，在試驗中同樣可以獲取有價(jià)值的各類(lèi)數據，所以選擇了這一方案。

　　2.3.1研發(fā)設計原則矩形網(wǎng)格式頂管機采用網(wǎng)格切割土體，并擋住開(kāi)挖面土體有效防止正面土體坍塌，以人工出土方法進(jìn)行開(kāi)挖。它由主頂進(jìn)推動(dòng)機頭向前運動(dòng)，機頭分成前后兩段，中間由糾偏油缸連接，在殼體二側裝有糾轉裝置，切口環(huán)處安裝變角切口，可進(jìn)行一定量的超挖，有利于機頭的姿態(tài)控制，保證隧道軸線(xiàn)的偏差在設計范圍內。網(wǎng)格中包含四個(gè)可變網(wǎng)格，可以調整機頭正面的進(jìn)土量，有利于控制正面土體的穩定性。

　　2.3.2設計基本情況為了保證管節和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設計中將機頭的截面尺寸設計得大于管節的截面尺寸。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)格中裝有可調節開(kāi)口率的可變網(wǎng)格，在殼體兩側裝有糾轉裝置。上述裝置可對機頭姿態(tài)進(jìn)行控制。

　　主頂進(jìn)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(chēng)分布，并用分體式結構的支座固定，工作行程為1450mm.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(xiàn)偏差的控制，總糾偏力為752t，糾偏角度為±2度。注漿糾轉系統（翅板+壓漿）主要用于機頭旋轉后的糾正，糾轉力矩可達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，頂進(jìn)距離為60m，覆土深度為6.45m.距離頂進(jìn)軸線(xiàn)北側10m處有條小河，南側10m處是場(chǎng)內鋼筋混凝土主干道路，見(jiàn)圖1.頂管機所穿越的土層分別為：進(jìn)出洞段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；區間段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色砂質(zhì)粉土，通過(guò)工程試驗，驗證了矩形頂管機的設計選型、矩形管節選型、接頭型式和止水帶設計選型；通過(guò)采集的各種施工參數和工況記錄，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(jìn)行試驗研究，收集了第一手的資料和數據，積累了矩形斷面隧道掘進(jìn)的實(shí)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(xiàn)陸家嘴車(chē)站二號出入口通道需建立2條62m，內凈尺寸3mx 3m胡矩形隧道。

　　3.1組合刀盤(pán)式土壓平衡頂管機的研制3.8mx 3.8m組合刀盤(pán)式土壓平衡頂管機是在2.5mx2.5m矩形頂管機研制、試驗成功的基礎上，針對上海地鐵二號線(xiàn)陸家嘴車(chē)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(jìn)機的選型結合工程情況，通過(guò)方案比選，考慮到大刀盤(pán)加仿形刀具有結構緊湊、可靠性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，一致認為工程應采用全斷面切削土壓平衡頂管機進(jìn)行施工。組合刀盤(pán)式土壓平衡頂管機采用大刀盤(pán)及仿形刀切割土體。并擋住開(kāi)挖面土體，有效防止正面土體倒塌，利用調整螺旋機的轉速及頂進(jìn)速度來(lái)控制土倉的土壓力，以保持開(kāi)挖面的穩定。為了保證管節和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設計中將機頭的截面尺寸設計得大于管節的截面尺寸。（機頭的外包截面尺寸3.828mx3.828m，管節外包截面尺寸3.8mx3.8m）。

　　3.1.2組合刀盤(pán)式土壓平衡矩形頂管機的特點(diǎn)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(pán)及四把仿形刀對土體進(jìn)行全斷面切削。由螺旋輸送機出土，調整螺旋輸送機的轉速可保持土倉內的土壓平衡，維持開(kāi)挖面的穩定．

　　3.2.1矩形頂管機全斷面切削問(wèn)題矩形頂管機若只有一個(gè) 大刀盤(pán)進(jìn)行回轉切削，只能做到90％左右的截面切削率，矩形頂管帆斷面內的四個(gè)角就無(wú)法切削。針對陸家嘴地區復雜的地質(zhì)條件、管線(xiàn)、環(huán)境保護和機頭進(jìn)出洞時(shí)需穿越SMW加固層等情況，采用大刀盤(pán)對大部分的正面土體進(jìn)行切削，利用設置在刀盤(pán)后側的仿形刀切削四個(gè)角上的土體．

　　3.2.2矩形頂管機機頭旋轉問(wèn)題對矩形頂管機機頭旋轉現象，采用壓漿糾轉技術(shù)措施，盤(pán)正轉或反轉的辦法實(shí)現糾轉。

　　3.2.3矩形頂管機機頭軸線(xiàn)偏差控制方法根據軸線(xiàn)偏差方位以及偏差量，對糾偏油缸進(jìn)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，也可將兩者結合起來(lái)進(jìn)行糾偏。

　　3.3矩形隧道工程施工上海市地鐵二號線(xiàn)陸家嘴五號出入口頂管工程，位于浦東陸家嘴金融貿易中心區。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。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-通道結構全部采用預制矩形鋼筋混凝土管節。管節外形尺寸為3 800x 3 800，壁厚為40cm，管節長(cháng)度為2m.工程管節總用量為64節。

　　3.3.1頂進(jìn)軸線(xiàn)的控制軸線(xiàn)控制是矩形頂管頂進(jìn)的一大難題。頂管在正常頂進(jìn)施工過(guò)程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線(xiàn)的控制。在每節管節頂進(jìn)結束后，必須進(jìn)行機頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過(guò)大，以避免土體出現較大的擾動(dòng)及管節間出現張角。

　　3.3.2環(huán)境保護和沉降控制由于工程沿線(xiàn)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(huà)線(xiàn)、電力線(xiàn)等管線(xiàn)。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構底凈距為1.564m，見(jiàn)圖5，在頂進(jìn)過(guò)程中的地面沉降控制、實(shí)施環(huán)境保護將極為重要。

　　當頂管法施工引起隧道周?chē)�地表沉降，采用仿形刀裝置：對矩形頂管機的四個(gè)死角內的土體切削配合大刀盤(pán)對正面土體進(jìn)行充分切削。進(jìn)行設置沉降監測，數據反饋，調整施工參數，實(shí)施信息化施工。

　　控制好地面沉降，實(shí)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(jìn)中的控制技術(shù)（1）嚴格控制頂管的施工參數，防止超挖；（2）嚴格控制頂管頂進(jìn)的糾偏量，把“勤糾、緩糾”控制好頂進(jìn)輛線(xiàn)的原則，貫穿于頂進(jìn)的全過(guò)程；（3）頂進(jìn)速度不宜過(guò)陜，盡量做到均衡施工，頂進(jìn)速度控制在15mm/min左右。

　�。�4）頂進(jìn)施工中，必須保證持續、均勻壓漿，使出現的建筑空隙能迅速得到填充，確保頂管管道上部土體的穩定。

　�。�5）克服“背土”現象，除在機頭處道過(guò)壓注觸變泥漿，避免機頭“背土”現象發(fā)生外，還須在 頂進(jìn)過(guò)程中專(zhuān)門(mén)對出洞段管節上部進(jìn)行注漿，隨時(shí)填堵由于管節“背土”而出現的建筑空隙。

　�。�6）監測控制頂管機機頭后部已建成管道的高程出現的“下沉”或“上浮”。當出現管道下沉較嚴重時(shí)，應對下沉部位進(jìn)行底部注漿，防止由此導致地面沉降。

　　4結束語(yǔ)

　　矩形盾構隧道是國外在20世紀90年代開(kāi)發(fā)應用的新穎盾構隧道技術(shù)，由于其斷面利用率大、覆土淺、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，該項技術(shù)可用于城市交通人行地道、車(chē)行地道、地下管線(xiàn)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(zhù)我國該項技術(shù)應用已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性啟動(dòng)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計依據和施工經(jīng)驗，必將具有廣闊的應用前景。