大截面矩形盾構機的研制及應用

過浩侃

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

矩形隧道盾構法施工具有地下空間利用率高的優點，可以實現淺覆土、中長距離、曲線隧道等情況的施工，同時具有盾構法施工工業化程度高，有利于環境保護等特點，可應用于城市地下通道、淺埋道路隧道、地鐵隧道、綜合管廊等城市建設和地下空間開發領域。此前，矩形盾構機的研制和相關隧道設計施工技術主要在國際上少數國家（如日本等）進行過相關實踐[1-5]，國內此前尚無真正意義上的矩形盾構機的研制。

我公司在以往大斷面矩形頂管機設計制造施工實踐經驗基礎上，聯合設計院、科研院所，自行研制了具有自主知識產權的國內首臺大斷面土壓平衡式矩形盾構機，在研發過程中申請了30余項專利，其中發明專利20余項，已獲得國家授權發明專利6項，并且已成功應用于上海虹橋地區的2個地下通道工程。

本文結合盾構機研制過程和上海虹橋商務區核心區（一期）與國家會展中心（上海）人行地下通道工程矩形盾構隧道段實施情況，對國內首臺大斷面矩形盾構機及其工程應用情況進行了介紹和分析。

1 矩形盾構機

綜合考慮車輛通行要求、襯砌結構厚度和道路設備空間等因素，該矩形盾構機的殼體外包尺寸為：寬10.10 m，高5.30 m。矩形盾構機（圖1）采用土壓平衡式，整機長9.05 m，分成切口環、支撐環和盾尾三部分。整機包含刀盤切削系統、排土系統、管片拼裝系統、推進系統、防背土裝置、泥墊糾偏裝置和隧道形狀保持器等部分。

1.1 刀盤切削系統

旋轉切削方式由于實現方式簡單可靠，效率高，因而在盾構機切削刀盤設計中被廣泛采用。對于圓形盾構機而言，切削刀盤的運動軌跡和盾構機的斷面形狀一致，因此采用單個刀盤即可以實現全斷面切削。對于矩形盾構機，由于盾構機斷面為矩形，如果使用單個切削刀盤，則會形成較大的切削盲區，施工風險高。

為此，在該矩形盾構機的切削刀盤設計上，采用了我公司在矩形頂管機上創新研發并已成熟應用的多刀盤組合形式，通過在切削斷面布置多個刀盤，允許各個刀盤的切削面積有一定的重疊，使得斷面的切削率能夠滿足盾構施工需要。本次采用8個大刀盤及3個小刀盤的多刀盤組合形式，利用多刀盤組合實現切削刀盤模塊化靈活組合和切削斷面的優化配置，同時在刀盤切削盲區內設置劈刀，以進一步提高斷面切削率（圖2）。

圖1 矩形盾構機

圖2 切削刀盤組合

通常，切削刀盤在軸向是固定狀態，刀盤在切削土體時，僅能實現旋轉切削動作。在本次切削刀盤設計中，8個大刀盤均設計為軸向可伸縮式刀盤（圖3），利用內花鍵結構套與花鍵結構的匹配構造，實現了切削大刀盤的軸向伸縮與旋轉切削的有機結合，一個或多個刀盤可以同時軸向伸縮并切削土體。切削刀盤的軸向伸縮可以顯著降低盾構機掘進阻力和設備負荷峰值，并能對盾構機提供導向，以利于軸線糾偏等。

1.2 螺旋機排土系統

在土壓平衡盾構施工中，如果遇到透水性大，級配不良的砂土或粉土時，土倉內的渣土壓力往往不能夠在螺旋排土機內逐漸降低，大量的水土就會從螺旋排土機的排土口噴出，形成噴涌，不僅會影響正常的盾構掘進施工，而且嚴重時還會對周邊環境造成惡劣影響。為此，該矩形盾構機設有2個不等螺距式螺旋排土機。螺旋排土機內設置了不等距的葉片形式，高壓力的水土經過不同葉片時會有效釋放壓力，從而降低排土口的水壓力，防止螺旋排土機的排土口發生噴涌。

1.3 管片拼裝系統

根據管片單體抗彎試驗、接頭抗彎試驗、接頭抗剪試驗、整環試驗、組焊工藝評定、混凝土充填試驗、防水試驗等試驗的結果和襯砌結構設計計算結果，最終采用六面覆蓋鋼板的鋼混復合管片（圖4）結構形式，滿足了扁平隧道結構的受力要求。

圖3 軸向可伸縮式刀盤

圖4 鋼混復合管片

襯砌管片外包尺寸為：寬9.75 m、高4.95 m、厚0.55 m、環寬1.00 m。管片為6分塊，由1塊拱底塊、4塊轉彎塊和1塊拱頂塊組成，采用通縫拼裝方式。

管片拼裝作業是盾構施工作業中的重要工序。一方面，對于矩形盾構隧道而言，由于襯砌管片斷面形狀的變化，管片拼裝難度比圓形隧道大；另一方面，國外已有的矩形盾構管片寬高比多為1.4～1.5，而本矩形盾構機的管片寬高比約為2，寬高比大，盾構機及相應的襯砌管片更加扁平，管片在扁平狹小空間內的拼裝難度大，以往國外矩形盾構機采用過的雙回轉式管片拼裝機和軌道式管片拼裝機等拼裝方式無法適用。

為此，創新研制了中心可移動的雙立柱式管片拼裝機，該拼裝機由立柱、回轉支承和拼裝頭等部分組成，立柱不僅為盾構機殼體提供支撐作用，還為拼裝機提供移動軌道，拼裝頭負責抓取并夾緊管片，保證管片在運送過程中不發生脫落，拼裝頭上的小型液壓油缸可以對管片姿態進行微調，保證管片順利安裝，通過拼裝頭的升降運動、旋轉運動和徑向伸縮運動將管片運送、安裝到位。拱底塊和封頂塊管片由2臺拼裝機同步作業，徑向頂入、縱向插入，轉彎塊管片由單臺拼裝機拼裝，成環后完成螺栓緊固（圖5）。

1.4 防背土裝置

盾構機在掘進施工過程中，受上覆土壓力、盾構機殼體與周圍土體間的摩擦力以及周圍土體的黏性等因素的影響，當上覆土體與殼體的黏結強度大于兩者之間的摩擦力時，上覆土體有時會黏附在殼體上表面，隨著盾構機一同向前運動，形成背土現象。對大斷面矩形盾構機而言，其上表面大而扁平，與上覆土的接觸面積大，加上覆土往往較淺，上部土體的卸載拱作用相對不明顯，矩形盾構機頂部易發生背土。背土現象對盾構隧道施工有極大的危險性，特別是在周邊環境保護要求高的情況下。為克服背土現象，該矩形盾構機設置了減摩注漿系統和液壓防背土裝置。

在盾構機上表面設有2排減摩注漿孔，盾構機內配備了減摩注漿系統，通過向盾構機殼體外注入減摩泥漿，在盾構機殼體表面形成減摩泥漿薄膜，既降低了上覆土黏附在盾構機殼體上的可能性，又有效地減小了掘進阻力。

在注漿減摩的基礎上，該矩形盾構機配置了液壓防背土裝置（圖6），包括盾構機頂面設置的防背土板、盾構機內設置的液壓機構及傳動機構，用來緩解掘進施工中可能發生的背土現象。在矩形盾構推進過程中，位移傳感器采集的數據會反饋至自動控制系統，然后通過液壓機構控制防背土板的移動，將矩形盾構機殼體上部土體作有效分割，減輕盾構機因上表面大而平坦造成的背土問題。為保證推進過程中防背土板在正常情況下不發生位移，在液壓機構上設置了控制閥。

圖5 管片拼裝機

圖6 防背土裝置

1.5 泥墊糾偏裝置

矩形盾構機在推進過程中易產生側向偏轉，為此，在盾構機底面設泥墊充泥口，盾構機內裝有渣土泵、控制閥、注泥管路和控制器等部件。

矩形盾構機發生側轉時，根據偏轉方向從相應的充泥口注入高壓渣土，在矩形盾構機底面形成高壓泥墊，對矩形盾構機產生糾偏力矩，控制矩形盾構機的側向偏轉（圖7）。

圖7 泥墊糾偏

1.6 隧道形狀保持器

在大跨度扁平隧道施工中，已拼裝完成的管片脫出盾尾后，在上覆荷載作用下會產生一定的變形，而盾尾內新拼裝管未發生受荷變形，兩者之間變形不協調，會導致縱向螺栓有時會安裝困難。

在隧道內設置了隧道形狀保持器（圖8），形狀保持器的形狀保持功能與管片運輸、管片喂給三個功能合一。利用形狀保持器上的提升油缸加載，可對管片提供臨時支撐，起到保持管片形狀的作用。

圖8 隧道形狀保持器

2 工程概況

上海虹橋商務區核心區（一期）與國家會展中心（上海）人行地下通道工程位于上海虹橋商務核心區與國家會展中心（上海）之間，東接虹橋商務區核心區（一期）地下空間中軸，西至國家會展中心（上海）東出入口。會展通道東段工程起止范圍為嘉閔高架西側道路紅線至申濱南路西側紅線，其中下穿嘉閔高架段通道采用矩形盾構法進行施工。矩形盾構隧道段通道長度為83.95 m，坡度為0.50%，通道外包尺寸為：寬9.75 m，高4.95 m（圖9）。

圖9 會展通道平面示意

根據地質報告，矩形盾構隧道施工穿越土層為第③層灰色淤泥質粉質黏土和第④層灰色淤泥質黏土，上覆土層為第①1層填土、第②1層黃-灰黃色粉質黏土和第②3層灰色粉砂。通道埋深為7.3～7.8 m。

本工程下穿嘉閔高架，嘉閔高架橋墩采用群樁基礎，樁基礎采用φ800 mm鉆孔灌注樁，下穿嘉閔高架段通道距南側承臺5.086 m，距北側承臺3.962 m。下穿的華翔路下方分布較多的市政管線，主要有電力、雨水、污水、給水，雨水管窨井距矩形盾構機外殼最近距離為2.180 m。

3 工程實施

上海虹橋會展地下通道工程，是本臺矩形盾構首個正式應用的項目。在總結臨空園區地下通道試驗段的基礎上，對設備配套及施工流程進行了改進優化，取得了較好的效果。

3.1 反力系統

盾構出洞施工時，通常在始發工作井內設置由反力架、閉口負環、開口負環、146°鋼弧形環及鋼支撐組成的后盾反力系統。矩形盾構施工時，如果仍按常規方法在開口負環上部設置鋼環和鋼支撐，會占用部分施工材料吊運空間。所以根據盾構千斤頂的布置形式、出洞反力要求、施工材料吊運空間要求等，在第一、第二環開口負環安裝時，在其封頂塊兩側安裝特殊傳力牛腿（圖10），確保盾構機進入土體時，閉口環封頂塊所承受的推力可以傳遞分配至開口環兩側的鄰接管片上，形成由反力架、閉口負環、開口負環及傳力牛腿組成的后盾反力系統。

與傳統的后盾反力系統相比，封頂塊與傳力牛腿的連接位置確定，封頂塊和牛腿的受力明確，結構也更加穩固。在確保了施工物資吊運空間的前提下，傳力牛腿還可以重復使用，經濟性也得到了良好體現。

3.2 掘進姿態調整與糾偏

在實際施工中，矩形盾構迎土面大，容易遇到土質不均勻等問題帶來的軸線偏離及機體側轉等問題，特別是側轉現象。

軸線偏離一般采用分區操作推進油缸來調整盾構機姿態，逐步進行，不能一次到位。每環的糾偏量在水平方向上不超過6 mm，在豎直方向上不超過5 mm。

由于前期已重視側轉問題，在盾構機上專門設置了泥墊式防側轉糾偏裝置，在整個推進過程中，出現偏轉趨勢就及時糾正，發揮了明顯的作用。整個項目中側向偏轉角度絕大部分環數小于15′，個別數據在15′～30′之間，均滿足矩形盾構管片拼裝的要求。

3.3 管片拼裝技術

管片拼裝成環后，先測量新成環管片的橫縱內徑，符合設計允許偏差時，方可進行螺栓擰緊施工。如橫縱徑不符合設計要求，應采用形狀保持器頂緊已拼裝管片，直至新成環管片縱徑達到設計尺寸，然后使用液壓扳手進行螺栓擰緊，管片縱縫螺栓的擰緊力矩應符合設計要求。盾構推進時，及時復緊管片的環縫螺栓。管片脫出盾尾后，受周圍土水壓力作用，管片受荷變形，這時應根據監測結果復緊管片間的縱縫螺栓。

管片縱徑標準值3 850 mm，實測縱徑偏差基本在－30 mm以內。

3.4 自動化高密度監測

由于隧道上方交通繁忙，為嚴控盾構施工對道路交通及管線的影響，本工程部分關鍵位置監測采用自動掃描全站儀，一共布設了3個斷面共15個地面沉降點，每隔2 min采集一次數據，數據接入信息系統，自動繪出沉降曲線，直觀實時地反映了矩形盾構在通過監測斷面前后土體的變形情況，為調整盾構推進參數提供了直接依據。

采集的數據通過手機APP進行發布，方便相關施工技術人員及時掌握監測數據。

3.5 近距離穿越橋樁

在盾構穿越嘉閔高架過程中，為了保護高架樁基安全，在高架樁基與矩形盾構隧道之間施工MJS隔離樁。為了精確反映盾構施工對橋樁的影響，在矩形盾構隧道與MJS隔離樁之間增加設置了3個土體分層沉降點、2個土體測斜點、2個水位觀測孔。

根據監測結果，盾構穿越過程中，高架立柱幾乎沒有位移。同時，土體分層沉降最大值為－3.30 mm，土體測斜最大值為4.48 mm，矩形盾構掘進施工時對兩側土體擾動較小。

該段矩形盾構隧道已貫通，盾構施工中的地表沉降值在－30～10 mm之間，矩形盾構隧道內無滲漏（圖11）。

圖10 傳力牛腿

圖11 隧道貫通

4 結語

本文結合設備研制和工程實施，對國內首臺大斷面矩形盾構機及其首次工程應用情況進行了相應介紹和分析，總結如下：

1）該矩形盾構機為土壓平衡式矩形盾構機，刀盤切削系統采用8個大刀盤及3個小刀盤的多刀盤組合形式，8個大刀盤均為軸向可伸縮式刀盤，實現了矩形截面的近似全斷面切削和刀盤的軸向伸縮。

2）設置了2個不等螺距式螺旋排土機，利用不等距的葉片形式降低排土口的水壓力，防止排土口噴涌。

3）管片為六面覆蓋鋼板的復合管片結構形式，拼裝機為創新研制的中心可移動的雙立柱式管片拼裝機，解決了扁平隧道結構的受力要求和管片拼裝難題。

4）設置了減摩注漿系統和液壓防背土裝置，利用減摩泥漿薄膜和液壓防背土機構，有效降低和緩解可能產生的背土情況。

5）設置了隧道形狀保持器，對管片提供臨時支撐，解決了管片脫出盾尾后的變形協調問題。

6）采用傳力牛腿和負環管片組成矩形盾構反力系統，二者連接可靠，具有構造簡明、受力明確和增加吊運空間等優點。

7）管片拼裝成環后，根據橫縱內徑測量結果，采用液壓扳手擰緊螺栓，并施加擰緊力矩，橫縱徑不符合設計要求時，可采用形狀保持器頂緊已拼裝管片。