地面出入式盾構法隧道新技術

吳惠明，周文波，滕 麗

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082；2.上海大學，上海 200072；3.上海城建(集團)公司，上海 200122)

地面出入式盾構法隧道新技術

吳惠明1，2，周文波3，滕 麗3

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082；2.上海大學，上海 200072；3.上海城建(集團)公司，上海 200122)

地面出入式盾構法隧道新技術省略了用于盾構始發與接收的工作井，在地面與地下連接區域用盾構掘進替代大開挖施工，具有環境影響小和建設工期短的顯著優勢，在中國屬首次研發應用。該技術存在結構變形、接縫滲漏和軸線偏離等工程難題，以南京機場線地面與地下過渡段示范工程為背景，通過理論計算、三維仿真和模型試驗等方法，重點闡述隧道變形、防水和盾構姿態控制等關鍵技術，并將其成功應用于示范工程，驗證了GPST新技術的可行性和有效性，為推廣應用提供了理論和實踐支持。

南京機場線；盾構法隧道；超淺覆土；地面出入式；GPST

0 引言

隨著城市規模的日益龐大，盾構法隧道施工在構建城市交通網絡中的作用越來越大。傳統盾構隧道始發與接收需要盾構工作井，需要對地面與地下連接區域進行大面積的開挖。盾構工作井的施工方案不僅要考慮到地下工程自身的穩定，還要考慮到其對周邊地層及地面的影響。施工過程中的豎井周圍加固及地下工程涌水涌砂等不可預見性因素，都會影響施工質量、進度、安全及經濟效益，給工程帶來巨大的風險[1-4]。同時，大面積的開挖不僅會阻塞交通，而且施工機械產生的噪音、振動會給周邊居民的生活帶來諸多不便。近年來，由于城市的擁擠，建筑的密集，對文明施工、環境保護要求的提高，地面與地下隧道的交通接線工程面臨的問題越來越突出。為更好地解決地面與地下隧道的交通接線問題，在南京機場線地下與地面連接段隧道工程中研發使用一種地面出入式盾構法隧道建造施工技術。

地面出入式盾構法隧道新技術GPST(Ground Penetrating Shield Technology)，是指盾構從地表始發，在淺覆土條件下掘進，最后在目標地點從地表到達。這種方法用盾構掘進替代暗埋段明挖，可以減小地面開挖面積50%～80%，減少搬拆遷和對周圍環境的影響；以淺埋導坑替代深大工作井，可以減少施工風險和開挖方量，縮短建設工期。日本有類似工法的案例：文獻[5]提到了盾構急速下穿法URUP法；文獻[6]介紹了URUP法，并對此工法的特點及其在日本的應用實例進行了介紹。URUP法是針對沒有始發井和到達井的暗挖地下道路、下穿鐵路的地下通道、公路及其他公共設施的一種工法，和GPST工法相似。GPST工法在國內沒有施工案例，國內學者、專家對此工法的研究比較少。南京機場線地下與地面連接段隧道工程中使用的GPST工法，在我國首次研究應用，相應的理論和技術研究對類似工程的設計和施工具有重要的借鑒意義。

本文基于南京機場線地下與地面連接段隧道工程，針對GPST工法特有的結構變形、接縫滲漏和軸線偏離等關鍵技術難點，介紹隧道變形控制、防水和盾構姿態控制等新技術。GPST新技術盾構地面示意如圖1所示。

1 工程概況

南京機場線秣陵站至將軍站區間總長4 460 m，含地下隧道及地面高架，其中的地下與地面連接段作為首次采用GPST新技術的示范工程。該工程位于將軍大道下，左右線隧道總長約258 m。隧道管片外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，環寬為1.2 m。管片環由3個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊構成，采用錯縫拼裝。

盾構先從盾構工作井始發至導坑地面到達，調頭后從左線地面始發，返回工作井完成接收。沿線覆土工況為-0.3D(D為隧道直徑)、零覆土、0.1D、0.3D、0.5D和斜坡段。示范工程隧道平面示意如圖2所示。隧道斷面主要處于①-2素填土、②-3c2粉土、②-1b2粉質黏土、④-1b1粉質黏土、J31-1全風化安山巖及J31-2強風化安山巖中。地下水靜止水位埋深為2.4 m。土層物理參數見表1。

圖1 GPST新技術盾構地面示意圖

圖2 示范工程隧道平面示意圖

表1 巖土的物理性質指標(平均值)Table 1 Geotechnical parameters (average values)

2 隧道變形控制技術

2.1 管片結構受力計算

GPST管片受力狀況不同于傳統隧道，地面出入段隧道受力如圖3所示。管片露出地面時，管片上部沒有豎向外荷載。本文采用均質圓環和殼-彈簧管片模型進行計算，地面出入段隧道結構受力彎矩較小，軸力非常小，在-0.3D覆土工況時隧道頂部甚至出現軸力為拉應力的情況(如圖4和表2所示)，這對管片的受力和防水都極為不利。GPST技術的管片接頭剛度差異較大，以-0.3D覆土工況為例(見表2)，最大值為7 668 kN·m/rad，最小值為600 kN·m/rad。同時，因為盾構正面壓力小，管片縱向壓緊力不足，造成管片拼裝整體性較差、結構防水難度加大及盾構施工姿態控制困難。

2.2 結構設計

2.2.1 接頭形式

管片環縫及縱縫采用斜螺栓連接設計，如圖5所示。斜螺栓具有管片接縫錯臺小和整環橢圓度小等特點，承受正負彎矩的能力較均衡，特別在負彎矩處接頭剛度較大。

2.2.2 管片高精度拼裝定位件

為提高拼裝精度，管片設有定位銷(位于管片環面)及定位棒(位于管片縱縫面)。

圖3 隧道地面出入段管片受力模式Fig.3 Loading conditions of segment lining of entrance/exit section of tunnel

(a) 軸力圖

(b) 彎矩圖

圖4埋深-0.3D工況圖
Fig.4 Loading conditions of tunnel section with -0.3Doverburden

表2覆土-0.3D無超載工況接頭彎曲剛度表
Table 2 Bending rigidity of segment joints of tunnel section with -0.3Doverburden

接頭編號 彎矩/(kN·m)軸力/kN抗彎剛度/(kN·m/rad)1862735369122258-1516003-1062233311074-16104925572953632261470606-368153917668

圖5 管片斜螺栓結構(單位：mm)

2.3 管片穩定裝置應用

管片穩定機構的作用是在盾構推進過程中能支撐和穩定管片，使管片保持形狀，有效防止管片錯臺等現象的發生。管片穩定機構由支撐環、固定環、加強梁、工作平臺等部件組成(見圖6)。支撐環上分布有8個滾輪，滾輪由千斤頂控制伸縮支撐管片，滾輪可在管片上滾動，盾構推進帶動整個管片穩定機構一同前進。

圖6 管片穩定機構組成

3 隧道防水技術

3.1 縱向長螺栓設計

為提高淺覆土管片抗剪能力及接縫防水性能，每環管片增加4只縱向通長螺栓進行拉緊。縱向長螺栓設計進行了防水試驗和仿真分析，通過三維數值分析，其縱向剛度提高了約2.5倍。縱向長螺栓位置圖見圖7。

圖7 管片縱向長螺栓位置圖

3.2 新型防水密封件

根據GPST新技術的要求，設計多種橡膠密封墊截面形式，從65度、55度、50度、45度4種硬度考慮材料。通過橡膠墊裝配力數值模擬(見圖8)和壓縮試驗(見圖9)確定橡膠密封墊的裝配力-壓縮量曲線，通過一字縫和T字縫防水試驗確定橡膠墊的防水能力曲線(見圖10)及合理的錯動和張開量控制指標，最后得到橡膠硬度為55度的新型密封件形式。壓縮量對密封墊的防水性能影響較大，根據試驗建議將壓縮量控制在3.5 mm以上，橡膠墊錯動控制在8 mm以內，密封橡膠墊的最小防水能力為0.31 MPa，安全系數為2.58。

圖8 錯位量為5 mm的計算模型

(a) 防水試驗的設備

(b) 橡膠墊壓縮截面試驗照片

4 盾構姿態控制技術

4.1 低圍壓進出土試驗

低圍壓下進出土困難，盾構姿態不易控制。在盾構裝備上通過選型掘進試驗，分析了刀盤的結構形式、刀具布置及開口率，采用了輻條式大開口率的刀盤結構(見圖11)，保證了低圍壓下盾構正面土體順利進入土艙。

圖10 硬度55度密封墊接觸應力與防水能力曲線Fig.10 Curves of contact stress and waterproofing performance of sealing gasket with degree 55 stiffness

圖11 GPST大開口率盾構

4.2 GPST專有土體改良

通過改良材料選取、室內配合比試驗及模擬試驗研究出新的改良材料，其黏度>30 s，比重<1.05 g/cm3，使改良后的土體具有良好的塑性、流動性和均勻度，解決了土艙內無壓力狀態下螺旋機的排土問題，保證了開挖面的穩定與軸線的控制。

4.3 高精度監控系統

1)土壓平衡高精度控制。在土艙內壁增設土壓計數量，更準確和敏感地反映出土艙壓力的變化。采用負反饋控制系統，提高土壓波動的檢測，設計新算法可同時調整螺旋機的出土量、刀盤轉速和推進速度，能更精確地控制開挖面的土壓平衡。

2)同步注漿高精度控制技術。配置2臺施維英KSP-12注漿泵，共4個注漿點，單點單控，注漿量比例無級調速，注漿控制精度高，滿足GPST施工的高精度要求。

3)螺旋機高精度控制技術。采用流量比例無級調速，PLC內置PID調節，精度高，可實現低于5 mm/min速度下盾構推進的穩定性和對土體的微擾動。

5 示范工程應用分析

2013年1月成功完成了南京機場線GPST示范工程(見圖12和圖13)，隧道變形控制在4‰以內，隧道軸線控制在±50 mm，完全滿足地鐵隧道驗收標準。具體情況如下：

1)地面出入段的管片變形控制。管片在拼裝時橫向變形為2‰～6‰，進入穩定裝置后橫向變形減小，最小可達1‰；管片脫出穩定裝置后橫向變形有所增加，但都在4‰內。

2)隧道防水控制。采用新型密封墊和1 250 kN的拼裝壓力及每環4只縱向拉緊螺栓等措施，隧道未發生滲漏現象，管片接縫張開量變化控制在1.5 mm以內。

3)隧道軸線控制。隧道左右線成環管片高程均控制在±50 mm以內，地面到達段隧道上浮基本控制在15 mm左右。地面到達段隧道軸線變化曲線圖如圖14所示。

4)盾構姿態控制。通過對施工參數的優化以及盾構推進千斤頂行程差和坡度的控制，盾構在各工況段姿態控制良好。盾構高程和平面均控制在±50 mm以內。地面到達段盾構高程姿態偏差折線圖如圖15所示。

圖12 南京機場線盾構地面始發

圖13 南京機場線盾構地面到達

圖14 地面到達段隧道軸線變化曲線圖

圖15 地面到達段盾構高程姿態偏差折線圖Fig.15 Deviation of altitude of shield in ground surface arriving section

6 結論與展望

1)GPST管片受力狀況不同于傳統隧道，主要從管片接頭形式、管片高精度拼裝定位件及管片穩定裝置應用方面對隧道變形進行控制。

2)地面出入段盾構正面壓力小，管片密封墊壓緊力較小，采用管片拉緊長螺栓，從材料和結構方面改進，全面提高結構整體防水性能。

3)隧道處于負覆土或淺覆土工況之下，盾構推進軸線控制難度較大，成型隧道極易發生變形過大問題，主要從盾構前方進土、螺旋機排土和高精度等方面進行控制。

4)南京示范工程的成功應用驗證了GPST盾構完全適應低圍壓工況下的施工要求，體現了隧道變形、防水和盾構姿態控制等核心關鍵技術的可行性和實用性。

GPST技術在地面直接始發和接收，省略了深大的工作井，減少了明挖施工，減少了建設資金的投入，降低了施工風險，縮短了建設工期，將節能、環保、低碳的建筑特色植入到地下空間開發領域。其在越江、城市公路和市政管道等地下大直徑隧道領域，必將具有更廣泛的應用前景。

[1]李治國,周明發,王海,等.天津海河共同溝隧道盾構始發井注漿堵水加固技術[J].地下工程與隧道,2009(S1): 72-75.

[2]沈永東,楊流,陳凱.復雜周邊環境地區超深盾構始發井施工技術[J].隧道建設,2007,27(S2): 365-371.(SHEN Yongdong,YANG Liu,CHEN Kai.Construction technique of deep launching shaft of shield under difficult conditions[J].Tunnel Construction,2007,27(S2): 365-371.(in Chinese))

[3]馮義,陳壽根,王稼祥.深圳地鐵五號線盾構始發掘進技術研究[J].建筑機械化,2010(8): 69-71,74,4.(FENG Yi,CHEN Shougen,WANG Jiaxiang.Research of shield originating tunneling in Shenzhen No.5 railway project[J].Construction Mechanization,2010(8): 69-71,74,4.(in Chinese))

[4]唐賢海,董子龍,陳潮學.黏土地層條件下盾構始發端頭井加固技術[J].建筑機械化,2012(S2): 233-235.

[5]Tadashi Hashimoto，Yujian LIU.市區軟土地層地下工程施工新技術[J].隧道建設,2012,32(3): 261-269.(Tadashi Hashimoto,Yujian LIU.New technologies for underground construction in soft ground of urban area[J].Tunnel Construction,2012,32(3): 261-269.(in Chinese))

[6]隋濤.淺覆土下盾構快速穿越法: URUP法[J].現代隧道技術,2012,49(6): 43-48.(SUI Tao.The rapid driving techniques of a shield machine under a section with shallow overburden: URUP Method [J].Modern Tunnelling Technology,2012,49(6): 43-48.(in Chinese))

CaseStudyonGroundPenetratingShieldTechnology(GPST)

WU Huiming1,2,ZHOU Wenbo3,TENG Li3

(1.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200082,China;2.ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.ShanghaiUrbanConstruction(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200122,China)

It is the first time that Ground Penetrating Shield Technology (GPST) has been developed and applied in China.For the sake of the GPST,the shield launching shaft and the shield arriving shaft needed by conventional shield tunneling technology can be cancelled,the connection section between the underground tunnel and the above-ground tunnel can be bored by shield,the influence of the tunnel construction on the environment can be minimized and the construction period can be shortened.Therefore,GPST has great advantages.However,GPST has disadvantages related to structural deformation,joint seepage and axis deviation.In the paper,the control of the deformation of the tunnel structure,the waterproofing of the tunnel and the control of the posture of the shield are studied by means of theoretical calculation,3D simulation and model test,with the connection section between the underground tunnel and the above-ground tunnel of the airport line of Nanjing Metro as an example.The study results have been applied in the construction of the mentioned works,which proves that the GPST is feasible and effective.The paper can provide theoretical and practical support for the further application of GPST.

airport line of Nanjing Metro; shield-bored tunnel; super-shallow overburden; Ground Penetrating Shield Technology (GPST)

2013-10-08;

2013-10-28

吳惠明(1970—)，男，上海人，1993年畢業于上海大學，機械工程專業，本科，教授級高級工程師，主要從事隧道施工工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.011

U 45

B

1672-741X(2014)01-0067-06