矩形盾構隧道管片拼裝方法的研究*

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 矩形盾構隧道概述

盾構機作為一種專用機械化施工工具，在城市建設和地下空間開發中發揮著越來越重要的作用。傳統的盾構隧道斷面為圓形，主要因為圓形隧道斷面結構受力合理，但是圓形隧道結構斷面利用率低（圖1）。而矩形隧道斷面結構相比圓形結構，具有充分利用斷面結構、節約20%以上的有效使用面積和減少隧道結構施工深度等優勢，因此矩形斷面結構在我國城市地鐵出入口通道、過街通道、下立交通道等工程中得到了越來越多的應用[1,2]。在我國國內，矩形斷面結構目前僅限于矩形頂管施工，還沒有矩形盾構機。當前，矩形隧道和通道正朝著大截面、長距離的方面發展，矩形頂管在背土效應、對周邊環境的影響、長距離頂力、長距離軸線等方面的控制難度將越來越大，為此，開展矩形盾構的研究和應用勢在必行。

圖1 圓形與矩形隧道埋深與開挖面積對比

由于管片斷面形狀的變化，管片拼裝方法與圓形盾構相比大不相同，在圓形盾構施工中采用單個圓形拼裝機進行回轉拼裝的方法在矩形盾構施工中已無法應用，其管片拼裝難度隨著矩形隧道管斷面形狀的變化而變化。

2 圓形盾構隧道管片拼裝方法

盾構隧道的斷面形狀通常為圓形，其襯砌管片由大小不等的數塊組成，每塊之間及環與環之間一般通過螺栓連接在一起。拼裝管片用的管片拼裝機安裝在盾構機的盾尾處，采用回轉方式拼裝，可以實現平移、回轉、升降、仰俯、橫搖和偏轉6 個自由度的拼裝動作[3]，如圖2所示。

圖2 圓形盾構的管片拼裝機

在拼裝管片前，管片車將每塊管片運至盾構機頭部的橫梁處，由橫梁上的葫蘆將管片吊至管片拼裝機可抓取的位置；用管片拼裝機的夾取裝置將管片夾起，然后通過管片拼裝機的平移、旋轉、升降、微調等動作按照拱底塊→標準塊→鄰接塊→封頂塊的順序自下而上對稱拼裝管片，將每塊管片安裝在隧道斷面位置。封頂塊拼裝時，通常是先與鄰接塊搭接一定長度，徑向推上，再縱向插入，封閉成環；在此過程中同步安裝管片環向螺栓和縱向螺栓，完成一環管片的拼裝作業。

3 矩形盾構隧道管片拼裝方法

矩形盾構隧道管片形狀呈矩形或扁平形，管片拼裝作業空間隨管片斷面尺寸的變化而變化，與圓形盾構不同，無法采用一個圓形拼裝機拼裝管片，管片拼裝難度隨隧道斷面形狀、管片分塊形式、隧道施工方法、管線和管道布置等的不同而不同。

3.1 采用懸臂起重機式管片拼裝機拼裝

1965年～1968年，日本名古屋市采用手掘式矩形盾構機修建了長480 m的電力、電信、電話共用溝工程[4]。矩形盾構機外包尺寸為4.29 m×3.09 m，采用的管片為鋼筋混凝土管片，管片外包尺寸為4.1 m×2.9 m，壁厚250 mm，管片寬高比為1.4。

在該矩形盾構施工中，管片拼裝用的拼裝機為懸臂起重機式管片拼裝機，拼裝機由基座、上下移動機構、旋轉機構、徑向伸縮機構和管片抓取機構等組成。基座下安裝有車輪，可以在隧道內橫向移動，使得管片拼裝機可以安裝左右側管片；安裝在基座上的上下移動機構，使得管片拼裝機可以安裝上部和下部管片；旋轉機構、徑向伸縮機構保證了管片拼裝機可以將管片安裝到設定位置；由于管片拼裝機本身為懸臂起重機，因此管片拼裝機可以將管片從管片車上吊起，并做旋轉和移動[4]。

拼裝拱底塊時，由管片拼裝機將管片從管片車上吊起，然后直接安裝到位。拼裝標準塊和鄰接塊時，由懸臂起重機式管片拼裝機將管片從管片車上吊起，然后旋轉伸長至既定位置。拼裝封頂塊時，先將相鄰的2 塊鄰接塊管片支承住，再由懸臂起重機式管片拼裝機將上部封頂塊管片插入。

采用懸臂起重機式管片拼裝機，操作方法類似于采用起重機安裝設備部件。但是采用該方法拼裝管片時，管片拼裝作業幾乎占據了整個隧道斷面，一方面，矩形盾構機內部的管路、管線布置困難，很容易受到損壞；另一方面，出于安全考慮，下部的通道也不能使用。而且，該矩形盾構機為手掘式盾構機，未使用螺旋出土機。

3.2 采用2 臺回轉式管片拼裝機拼裝

1999年到2004年，在日本京都市地鐵東西線的六地藏北工區中，采用矩形盾構修建了長760.79 m的區間隧道，其中渡線室部分為56 m、一般線路部分703 m[5]。矩形盾構機外包尺寸為10.24 m×6.87 m，采用的管片為鋼混復合管片和鑄鐵管片，管片外包尺寸為9.9 m×6.5 m，壁厚550 mm，管片寬高比為1.52。

在該矩形盾構施工中，采用了在斷面左右各設置1 臺回轉式管片拼裝機的方法進行管片拼裝。

采用2 臺回轉式管片拼裝機拼裝管片，其操作方法與圓形盾構基本類似，不同之處在于先利用左右2 臺回轉式管片拼裝機共同拼裝拱底塊管片，再分別利用2 臺回轉式管片拼裝機依次拼裝各標準塊、鄰接塊和封頂塊。這種拼裝方法比較成熟，但是，由于采用回轉式管片拼裝機拼裝管片，要求鄰接塊管片的形狀與管片拼裝機外形差不多，應為圓形或接近圓形，否則在管片拼裝機抓取鄰接塊管片旋轉到該位置并拼裝鄰接塊時，局部空間較小，導致鄰接管片拼裝作業困難。特別是對于斷面比較扁平的隧道，由于鄰接塊形狀與圓形相差較大，拼裝機會無法將管片旋轉并伸長至設定位置；另一方面，由于在隧道斷面內布置了2 臺回轉式管片拼裝機，管片拼裝機占用隧道斷面空間較大，可利用來布置盾構內的管線、管路、螺旋出土機等的空間也有限，管線、管路布置要求較高，而且螺旋出土機也需要左右分離布置。

3.3 采用軌道式管片拼裝機拼裝

2009到2012年，在日本東京首都圈中央聯絡車輛道路相模縱貫川尻隧道工程中，采用矩形盾構修建了長417 m的往復段[6]。盾構機外包尺寸為11.96 m×8.24 m，襯砌管片為鋼纖維增強高流動混凝土管片，管片外包尺寸為11.8 m×8.08 m，頂部和底部管片厚度500 mm、側墻管片厚度400 mm，管片寬高比為1.46。

在該矩形盾構施工中，采用了軌道式管片拼裝機進行管片拼裝。管片拼裝機構安裝在盾構機盾尾處固定的軌道上，管片拼裝機構可以在軌道上行走，并且在軌道上設置了可防止管片拼裝機構滑動的鎖緊裝置。在拼裝每一塊管片時，管片拼裝機構夾持住管片，然后旋轉至預定位置，鎖緊管片拼裝機構，將管片安裝至設定位置。

采用軌道式管片拼裝機拼裝管片，其操作方法與圓形盾構較類似，管片拼裝機內部的空間也較寬裕，布置管線、管路、螺旋出土機等方便，而且軌道的形狀可根據斷面的形狀加工。但是該管片拼裝結構設計復雜，軌道、拼裝機構、鎖緊等裝置的加工制造要求高，否則若拼裝過程中未鎖緊，將形成重大安全隱患或造成事故。

4 結語

管片拼裝是盾構隧道施工中的一項重要工序，尤其對于矩形盾構隧道，其管片拼裝難度比圓形隧道大。本文在研究分析國外矩形盾構隧道管片拼裝方法的基礎上，討論了不同矩形隧道管片拼裝方法的優缺點，可供其他工程參考，總結如下：

（a）管片拼裝難度隨隧道斷面形狀、管片分塊形式、隧道施工方法、管線和管道布置等的不同而不同。

（b）采用懸臂起重機式管片拼裝機拼裝管片的操作方法類似于采用起重機安裝，但管片拼裝作業幾乎占據了整個隧道斷面，矩形盾構機內部的管路、管線布置困難，很容易受到損壞。

（c）采用2 臺回轉式管片拼裝機拼裝管片的操作方法與圓形盾構類似，但對鄰接塊管片的形狀有一定要求，且拼裝斷面內空間有限，對管線、管路布置要求較高。

（d）采用軌道式管片拼裝機拼裝管片的操作方法與圓形盾構較類似，拼裝機內部的空間較寬裕，方便布置管線、管路、螺旋出土機等，且軌道的形狀可根據斷面的形狀加工，但管片拼裝結構設計復雜，軌道、拼裝機構、鎖緊等裝置的加工制造要求高。