城市地铁矩形地下通道掘进机的研究与应用
【摘要】本文重点介绍上海隧道施工技术研究所对城市交通矩形地下通道掘进机及矩形隧道的研究与用．以供异型断面隧道研究、设计、施工参考。
【关键词】城市地下交通 矩形隧道 顶管机设计 中间试验 工程应用
城市建设发展速度越来越陕，交通运输对城市建设发展的作用更加凸现。发展与建设的推进求城市解决更多的地下人行通道，如地铁车站的进出口的过街人行隧道、城市地下管线共同沟等类地下隧道工程以矩形最为经济。因此城市交通矩形地下通道掘进机的研究与应用十分必要。
1 矩形隧道的发展与应用
世界最早的盾构法隧道是1826年开始建造的英国伦敦穿越泰晤士问底的公俏隧道，其隧道断面为11．4mx6．8m的矩形，由于采用人工开挖和施工中涌水淹没事故，长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。
20世纪70年代以来，随着经济的发展，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。尤其是日本，地下空间的开发和利用的需求，促进了盾构隧道技术的进—步发展。20世纪80钢代后，世界各国掀起了开发异形断面盾构掘进机的高潮，先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道盾构掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。从隧道的使用功能来分析，城市交通人行地道、地下共同沟、地铁隧道的断面形式以矩形最为合适，最为经济，因而矩形盾构掘进机的重新研究开发和应用意义十分分重大。
日本对大断面矩形盾构工法开展了研究，主要解决穿越铁路的车行下立交工程施工，用钢管片拼装后再浇筑混凝土内衬，盾构施工最浅覆土仅3m。1981年，名古屋和东京都采用4．29mx 3．09m手掘式矩形盾构掘进2条长534m和298m的共同沟。名古屋还采用5．23mx4．38m的手掘式矩形盾构掘进1条长374m矩形隧道。总之，矩形隧道和矩形盾构技术的应用方兴未艾，其优点日益体现，其技术也日趋成熟。
上海隧道施工技术研究所于1995年起，开始启动矩形隧道研究并通过立题论迅1995年完成2．5mx2．5m可变网格矩形顶管机设计、矩形隧道试验工程方案和工程设计。1999年4月，上海地铁三号线五号出入口矩形通道施工采用上海隧道施工技术研究所自行研制的3．8mx 3．8m矩形刀盘式土压平衡顶管机。矩形隧道于4月中旬始发推进，6月初完成第2条矩形隧道工程，工程质量优良，施工中确保了上海延安东路隧道的正常运营和陆家嘴路地下管线的安全。国内首次施工矩形盾构隧道仅花了40天完成了两条隧道的推进，矩形隧道研究和推广应用取得了成功。
2 城市交通矩形地下通道掘进机的研究
2.1矩形隧道应用的经济跬
矩形断面与圆形断面相比，其有效使用面积比圆形增大20％以上。城市交通过街人行通道要求埋深浅，因此矩形隧道更能满足人行通道的施工要求。
城市交通过街人行通道作为地铁车站的进出口日益增多，城市地下管线共同沟也将在我国得到发
展，而这类地下隧道工程以矩形最为经济，因此矩形隧道的研究和应用可直接为工程建设的需求服务，
并有广泛的应用前景。
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术路线如下：
(1)对国外有关矩形盾构和矩形隧道工程的消化吸收；
(2)矩形顶管试验工程的设想和设计；
(3)矩形顶管机机型的技术经济比较，机型方案设计和选择；
(4)试验用矩形顶管机的研制，在试验机的基础研制工程用矩形顶管机；
(5)矩形钢筋混凝土管节通过结构试验了解结构受力分布，改进管节设计节设计优化提供依据；
(6)通过2．5mx2．5m矩形隧道试验工程，了解矩形隧道顶进的施工参数和掌握规律，为工程应用提供依据；
(7)进行工程应用方案设计、施工设计，完成工程应用，进行施工工法研究。
2．3 矩形顶管机的研制
由于可变网格式矩形顶管机具有加工相对简单、造价低、上马快的优点，在试验中同样可以获取有价值的各类数据，所以选择了这一方案。
2．3．1研发设计原则
矩形网格式顶管机采用网格切割土体，并挡住开挖面土体有效防止正面土体坍塌，以人工出土方法进行开挖。它由主顶进推动机头向前运动，机头分成前后两段，中间由纠偏油缸连接，在壳体二侧装有纠转装置，可防止彤¨正转角。切口环处安装变角切口，可进行一定量的超挖，有利于机头的姿态控制，保证隧道轴线的偏差在设计范围内。网格中包含四个可变网格，可以调整机头正面的进土量，有利于控制正面土体的稳定性。
2．3．2设计基本情况
为了保证管节和土体之间有一定的间隙，有利于泥浆套成环，设计中将机头的截面尺寸设计得大于管节的截面尺寸。顶管机主机可分成前后两段，中间由纠偏油缸连接。前后段之间的密封采用一道唇形密封和一道支承橡胶圈，切口环处装有变角切口。网格中装有可调节开口率的可变网格，在壳体两侧装有纠转装置。上述装置可对机头姿态进行控制。
主顶进装置由8台油缸及u形顶铁、顶环、垫铁、底架、钢后靠等组成，8台油缸分成二组，各4台叠加呈对称分布，并用分体式结构的支座固定，工作行程为1 450mm。每台油缸可单独控制。纠偏装置主要用于机头左右、上下轴线偏差的控制，总纠偏力为752t，纠偏角度为±2度。注浆纠转系统(翅板+压浆)主要用于机头旋转后的纠正，纠转力矩可达210x2--420kN
2．4 矩形隧道工程试验
2．4．1试验工程概况
试验工程位于上海南汇县航头地区，顶进距离为60m，覆土深度为6．45m。距离顶进轴线北侧10m处有条小河，南侧10m处是场内钢筋混凝土主干道路，见图1。顶管机所穿越的土层分别为：进出洞段是灰色淤泥质粘土和灰色淤泥质粉质粘土；区间段是灰色淤泥质粘土和灰色砂质粉土，见图2。
2．4．2工程试验效果
矩形通道顶管设计为平坡顶进，施工采用注浆技术，在机头壳体、管节与土体之间形成泥浆膜(套)，对降低顶管顶力和减轻土体扰动起着重大作用。通过工程试验，验证了矩形顶管机的设计选型、矩形管节选型、接头型式和止水带设计选型；通过采集的各种施工参数和工况记录，研究了矩形顶管施工工法。工程试验完成了对矩形顶管机的技术关键进行试验研究，收集了第一手的资料和数据，积累了矩形断面隧道掘进的实际施工经验。
3 矩形在城市地铁地下人行通道的应用
1998年2月，课题组提出地铁陆家嘴站五号出入口地道矩形顶管施工方案。上海地铁二号线陆家嘴车站二号出入口通道需建立2条62m，内净尺寸3mx 3m胡矩形隧道。
3．1 组合刀盘式土压平衡顶管机的研制
3．8mx 3．8m组合刀盘式土压平衡顶管机是在2．5mx2．5m矩形顶管机研制、试验成功的基础上，针对上海地铁二号线陆家嘴车站五号出入口地下通道工程而研制的。
3．1．1 矩形地下通道掘进机的选型
结合工程情况，通过方案比选，考虑到大刀盘加仿形刀具有结构紧凑、可靠性好、操作简便等特点，一致认为工程应采用全断面切削土压平衡顶管机进行施工。组合刀盘式土压平衡顶管机采用大刀盘及仿形刀切割土体．并挡住开挖面土体，有效防止正面土体倒塌，利用调整螺旋机的转速及顶进速度来控制土仓的土压力，以保持开挖面的稳定。为了保证管节和土体之间有一定的间隙，有利于泥浆套成环，设计中将机头的截面尺寸设计得大于管节的截面尺寸。(机头的外包截面尺寸3．828mx3．828m，管节外包截面尺寸3．8mx3．8m）。
3．1．2 组合刀盘式土压平衡矩形顶管机的特点
顶管机主机可分成前后两段，中间由16台纠偏油缸连接。前后段之间的密封采用二道唇形橡胶密封圈。正面由大刀盘及四把仿形刀对土体进行全断面切削。由螺旋输送机出土，调整螺旋输送机的转速可保持土仓内的土压平衡，维持开挖面的稳定，见图3。主要技术性能参数：断面尺寸：3 828mmx3 828mm(前段)、3 800mmx3 800mm(后段)；长度：3 920mm、4020mm；，总纠偏力(额定)14000kN；纠偏角度1．8度。
图3 组合刀盘式土压平衡矩形顶管机机头总图
3.2组合刀盘式土压平衡矩形顶管机的关键技术
3．2．1 矩形顶管机全断面切削问题
矩形顶管机若只有一个 大刀盘进行回转切削，只能做到90％左右的截面切削率，矩形顶管帆断面内的四个角就无法切削。针对陆家嘴地区复杂的地质条件、管线、环境保护和机头进出洞时需穿越SMW加固层等情况，采用大刀盘对大部分的正面土体进行切削，利用设置在刀盘后侧的仿形刀切削四个角上的土体，见图4。
3．2．2 矩形顶管机机头旋转问题
对矩形顶管机机头旋转现象，采用压浆纠转技术措施，盘正转或反转的办法实现纠转。
3．2．3矩形顶管机机头轴线偏差控制方法
根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏油缸进行编组及控制油缸伸缩量，使前、后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。此外还可采用压浆纠偏的办法，达到纠偏的目的，也可将两者结合起来进行纠偏。
3．3 矩形隧道工程施工
上海市地铁二号线陆家嘴五号出入口顶管工程，位于浦东陆家嘴金融贸易中心区。其五号出入口始发井，四号出入口为接收井，位置分布于延安东路隧道引道段南北两侧。通道由硼张度各为62．25m的平行管道组成，两条管道净间距为2．2m，管道坡度均为0．2％，管道顶平均覆土厚度约5．3m-通道结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节。管节外形尺寸为3 800x 3 800，壁厚为40cm，管节长度为2m。工程管节总用量为64节。
3．3．1顶进轴线的控制
轴线控制是矩形顶管顶进的一大难题。顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。
3．3．2环境保护和沉降控制
由于工程沿线将穿越陆家嘴路、延安东路隧道浦东引道段及上水管、煤气管、雨水管、污水管、市话线、电力线等管线。其中管道顶与中450污水管、中1 000而r欠管、小800雨水管底净距均为1m，与延安东路隧道引道段结构底净距为1．564m，见图5，在顶进过程中的地面沉降控制、实施环境保护将极为重要。
当顶管法施工引起隧道周围地表沉降，采用仿形刀装置：对矩形顶管机的四个死角内的土体切削配合大刀盘对正面土体进行充分切削。进行设置沉降监测，数据反馈，调整施工参数，实施信息化施工。
控制好地面沉降，实际已形成和达到环境保护。但本工程对延安东路隧道引道段提出的沉降量控制在+10mm~-30mm之间，故必须采取保证措施控制沉降，在特定的条件下，确保隧道引道段安全。
3．3．3 矩形顶管机顶进中的控制技术
(1)严格控制顶管的施工参数，防止超挖；
(2)严格控制顶管顶进的纠偏量，把“勤纠、缓纠”控制好顶进辆线的原则，贯穿于顶进的全过程；
(3)顶进速度不宜过陕，尽量做到均衡施工，顶进速度控制在15mm/min左右。
(4)顶进施工中，必须保证持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙能迅速得到填充，确保顶管管道上部土体的稳定。
(5)克服“背土”现象，除在机头处道过压注触变泥浆，避免机头“背土”现象发生外，还须在顶进过程中专门对出洞段管节上部进行注浆，随时填堵由于管节“背土”而出现的建筑空隙。
(6)监测控制顶管机机头后部已建成管道的高程出现的“下沉”或“上浮”。当出现管道下沉较严重时，应对下沉部位进行底部注浆，防止由此导致地面沉降。
4 结束语
矩形盾构隧道是国外在20世纪90年代开发应用的新颖盾构隧道技术，由于其断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点，该项技术可用于城市交通人行地道、车行地道、地下管线共同沟、引水和排水管道工程。矩形隧道工程试验的成功，标志着我国该项技术应用已进入实质性启动阶段，它填补了我国矩形顶管施工技术的空白，为该项技术的工程应用提供了设计依据和施工经验，必将具有广阔的应用前景。
