城市地铁矩形地下通道掘进机的研究与应用(1)

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。

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。

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，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。

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，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。

3.2.1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．

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。

（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。