矩形隧道工程技术发展与应1

矩形隧道工程技术发展与应用

傅德明1 张冠军2

1．上海申通地铁集团有限公司 2. 上海隧道工程股份有限公司

摘要：论文介绍了我国城市过街人行地道采用矩形掘进机施工的技术发展历程，第一台3.8m ×3.8m 组合刀盘矩形隧道掘进机的研制、隧道结构形式、工程施工技术工艺和工程应用。第二台6m ×4 m 偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机的研制、隧道结构形式、工程施工技术工艺和工程应用。介绍了地下商场工程采用大断面20m ×6 m盾构掘进机的研制、现浇钢筋混凝土隧道衬砌的结构和施工技术工艺的开发应用。

关键词：矩形隧道 掘进机 衬砌结构 施工技术

联系：傅德明 [1**********]-75449 [1**********] [email protected]

Development and Application of Engineering Technologies for Rectangular Tunnels

Fu Deming1 Zhang Guanjun2

Shanghai Shentong Metro Group Co., Ltd.

Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd.

Abstract

This paper introduces the development course of China ’s technologies of constructing urban underground street crossings by means of rectangular tunnel boring machines. It presents the study result on the rectangular tunnel boring machine with the 3.8m×3.8m composite disc, the structural type of the bored rectangular tunnel as well as the technological workmanship and application of the engineering construction. It also introduces the study result on the earth-pressure balanced tunnel boring machine with the 6m ×4m eccentric and multi-axled dics, the structural type of the bored rectangular tunnel as well as the technological workmanship and application of the engineering construction. Finally, it presents the study result on the tunnel boring machine with the 20m×6m big cross section as used in underground shopping mall projects, the structure of the reinforced concrete tunnel lining grouted on site as well as the development and application of the relevant construction workmanship and technologies.

Key words

rectangular tunnel; boring machine; lining structure; construction technologies

1825年英国伦敦泰晤士河下首次采用盾构法掘进道路隧道，断面为11.6m ×6.4m 的矩形。但由于圆形断面具有结构受力好、易拼装、施工方便等优点，以后的盾构法隧道99%采用圆形。近20年来，日本在矩形、椭圆形、马蹄形等异形盾构隧道技术上开发应用了许多新工法。

近几年来，随着城市地下空间开发数量的日趋增长，矩形断面的地下构筑物（隧道）的使用也越来越多。从使用功能看，公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、人行地道、地下共同沟的断面形式以矩形最为合适和经济。与圆形断面相比，矩形断面其有效使用面积比圆形节约了45％以上，与双圆隧道相比，矩形断面有效使用面积比双圆断面的节约了35%左右，如图1所示。随着隧道施工技术的提高，形成了局部气压、泥水加压（或附带气平衡）和土压平衡式等新型掘进机技术，掘进机刀盘也开发出反铲式、条幅式、面板式、大刀盘式、多刀盘式、组合刀盘式（带仿形刀）、滚刀式和偏心多轴式等类型，使矩形隧道施工有了更进一步的技术支持和安全保障。

图1 圆形、双圆、矩形断面有效空间对比图

1 矩形隧道掘进机及施工技术研究及工程应用

1995年8月上海隧道工程股份有限公司开展矩形隧道掘进施工技术研究和试验工作，在消化吸收日本矩形盾构隧道工程技术的基础上，研制1台2.5m ×2.5m 可变网格式矩形隧道掘进机，并在1996年2月完成了60m 工程推进试验，如图2所示。

图2 2.5m ×2.5m 可变网格式矩形掘进机及工程试验

1998年2月，地铁2号线陆家嘴站5号出入口地下人行通道工程需穿越建成运营的延安东路隧道引道和陆家嘴路，经比选，采用了矩形掘进机施工方案。隧道结构采用长2m 的钢筋混凝土管节，内净尺寸3m ×3m 。1999年3月，研制了一台 3.8m ×3.8m 组合刀盘式土压平衡矩形掘进机，如图3所示。

针对矩形隧道掘进机施工中可能出现的机头背土、旋转、轴线不易控制、全断面切削和顶力大等难点，采取了以下技术措施：

（1）利用大刀盘及正反两把仿形刀完成矩形断面的全断面切削；

（2）通过对机头顶部压浆等措施解决矩形掘进机机头背土问题；

（3）利用刀盘的正反转及压浆纠转法解决了矩形掘进机机头旋转问题；

（4）利用纠偏装置和压浆纠偏两种方法对顶进轴线进行纠偏差控制等。

图3 3.8m ×3.8m 组合刀盘式土压平衡矩形掘进机 （a ）上海市陆家嘴站五号出入口地下人行通道

（c ）昆山市长江南路地下人行地道 （d ）上海市共富路地下人行通道

图4 3.8m ×3.8m 组合刀盘式土压平衡矩形掘进机应用工程

1999年4月～6月，3.8m ×3.8m 组合刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机在陆家嘴路下4m 顺利完成2条长54m 的地下人行通道，离延安东路隧道引道底板不到1m 。以后，又陆续完成了上海地铁4号线浦东南路站过街人行地道、昆山市长江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多项工程，部分应用工程如图4所示。

偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机的研制和工程应用 2 6m×4m

2002年11月，上海隧道工程股份有限公司在消化吸收日本异型盾构技术的基础上，设计制造了一台截面尺寸1.2m ×1m 马蹄形的偏心多轴刀盘式掘进试验机进行了模拟掘进试验，如图5所示，掌握了切削掘进原理及相关技术参数。

图5 偏心多轴刀盘式样机及室内模拟试验

2003年，上海隧道工程股份有限公司针对不同土层的性质和技术参数，进行了偏心多轴刀盘式掘进机的切削性能和相关技术参数的针对性模拟试验。通过模拟试验和设计研究，在原有的矩形隧道掘进应用工程的基础上，研制了一台6m ×4m 偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道

掘进机，如图6所示。该掘进机在宁波市开明街－药行街地下通道和地铁车站过街人行地道等多项工程中得到应用。

图6 6m ×4m 偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机及应用工程

2006年以来，上海地铁有20余项地铁车站出入口人行通道工程采用矩形隧道掘进机施工。南京市洪武路地下过街通道、矩形顶管工程等4项工程也采用矩形隧道掘进机施工。

扬州广鑫机械有限公司JD3300mm ×5000mm 矩形顶管机是土压平衡式顶管机，从它的正面看：主要由图—1所示的处于中间的大刀盘和四个角上的四个小刀盘组成。

广州首次采用的顶管施工法，被誉为“广州第一顶”的地铁六号线东湖站Ⅱ号出入口过街通道顶管工程于7月31日上午成功到达接收井，

需要施工，通道断面尺寸确定为6.9m ×4.2m （内净6m ×3.3m ），为此需要设计与制造两台满足相应断面尺寸的土压平衡矩形掘进机，所有出入口人行通道工程将在2009年内完工。

除了上海隧道工程股份有限公司研制了上述矩形掘进机外，上海建工集团机施公司2005年也采用日本小松技术制造了一台6.36m ×4.24m 的小刀盘式土压平衡矩形掘进机，并在轨道交通线地铁车站出入口人行通道工程中得到应用。

4 20m×6.2m 矩形盾构及隧道现浇衬砌同步施工技术的研究和工程应用

2004年6月，新疆乌鲁木齐市辰野名品广场地下商业街二期工程，其结构断面为19.8m ×6m ，如图10所示，全长328m ，结构顶平均覆土厚度约4.0m 。由于该工程地处乌鲁木齐市交通繁忙和商业繁华的解放北路下，为了不影响道路交通和地下各类管线的正常运营，经比选，采用大断面的矩形盾构掘进和隧道衬砌现浇同步施工方案，如图11所示。

针对该项工程施工的特殊要求，确定了20m ×6.2m 矩形盾构掘进及隧道现浇衬砌同步施工的新方法，如图12所示。根据地下水位低、土砂的自立性好的特点，设计制造了20m ×6.2m 三联体组合断面的敞开式矩形盾构，如图13所示，采用3台液压反铲挖土，设计了伸缩式液压帽檐挡土，盾尾46台液压油缸最大可提供60000kN 推力，推进速度4 cm/ min。

图11 20m ×6.2m 三联体盾构

浇筑免振式自流平混凝土。盾构推进油缸顶在钢模上，盾构顶力通过钢模传到已浇筑的混凝土衬砌上。盾构推进时在盾尾产生的间隙，采用壁后注浆充填。大刚度隧道衬砌模板结构和分块如图16所示，钢模加工20套，在完成第18环推进后，可拆除第1环模板周转使用。设计研制的履带式大型模板液压拼装机如图17所示。

图14 管棚法盾构工作井施工

图15 盾尾密封、隧道衬砌环施工缝等一系列技术难题，控制了地面沉降，确保了道路交通和地下管线的安全，形成了大断面矩形盾构隧道掘进和现浇衬砌同步施工新工法。300m 地下商业街于2007年5月1日完成施工并举行开张典礼，如图18所示。

图18 地下商业街隆重开张

5 结语

随着盾构施工技术的不断提高，矩形断面的地下空间开发技术安全度越来越有保障，在长距离、大断面和掘进轴线变化多端的地下空间开发过程中，矩形掘进机中盾构替代顶管是必然趋势。据悉，南京有条1.04km 的地下商业街即将施工。最近，上海城建集团、上海隧道股份和上海城建设计院准备联合开发与研制一台9.9m ×6m 的大断面偏心多轴刀盘土压平衡式矩形盾构，该台盾构是针对城市轨道交通地铁区间段施工而研发的，与双圆盾构相同，一次推进即可完成上下引线两条隧道，但其在设计深度（覆土厚度）及空间节约利用上有了更多选择余地。目前要继续发展矩形盾构施工技术，还有许多相关的辅助技术有待跟进，如刀盘的驱动形式、掘进平衡形式、预应力拼装式管片和管片拼装机等技术的研究，随着这些技术的不断突破、更新，矩形隧道施工技术的应用也将进入一个新的高潮。