地鐵隧道大斷面矩形盾構設計與施工關鍵技術研究

劉波

摘 要：在現階段城市開發建設中，以大斷面矩形盾構工程的發展建設最突出，但是大斷面矩形盾構的一些工程設計與關鍵技術仍存在很大缺陷。為解決地鐵隧道大斷面矩形盾構設計與施工技術問題，研究將以某工程為基礎進行大斷面矩形盾構施工設計與施工關鍵技術研究，解決管片設計、組合、施工以及防水等問題，以期為相關人員或相關單位提供幫助。

關鍵詞：地鐵隧道;盾構設計;施工技術;管片

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0096-03

Research on Key Technologies of Design and Construction of Large

Section Rectangular Shield in Metro Tunnel

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113112）

Abstract： In the current urban development and construction， the development and construction of large section rectangular shield is the most prominent， but some engineering design and key technologies of large section rectangular shield still have great defects. In this regard， in order to solve the problems of design and construction technology of large section rectangular shield in metro tunnel， the key technologies of construction design and construction of large section rectangular shield will be studied based on a project， so as to solve the problems of segment design， combination， construction and waterproof， so as to provide help for relevant personnel or units.

Keywords： subway tunnel;shield design;construction technology;segment

地鐵隧道大斷面矩形盾構設計需要以盾體結構、掘進技術以及矩形管片結構優化等方向為主體。綜合考慮地質適應性、環境影響以及結構特征對掘進的影響，本文設計了一套具有高度地質適應性的地鐵隧道大斷面矩形盾構方案[1]。

1 城市隧道掘進工程概況

浙江省寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構設計工程全長2 980 m，施工范圍內軟弱沉積地層居多，矩形盾構主體方向為南北設計，最小直線距離為450 m，最長直線距離為780 m，最大偏轉弧度為9°，最大坡度為36.5°。施工路線多經過農田或村鎮，只有部分掘進路段上層為樓宇和大型建筑。隧道穿越地層類型主要包括淤泥層、淤泥質黏土層、淤泥質粉質黏土層和粉質黏土層等。施工路線地質特征分布均勻，且掘進路線經過的土層均具有中等壓縮性，壓縮系數約為0.25 MPa，液性指數為0.35，頂板標高設定為-55.48～-39.57 m，設定揭露層厚為0.72～6.53 m，均厚約為3.13 m。

2 矩形盾構設計

2.1 盾體結構設計

在圓形盾殼的基礎上對矩形盾殼進行受力分析。矩形盾殼因承載面積大、承載結構受力不均勻，在使用過程中容易發生變形。若盾構機盾體產生變形，則會直接影響后續的地表沉降、注漿質量以及隧道成型。此外，若通過增加鋼板厚度的方式提高盾殼堅固程度，會使盾殼質量過大，造成矩形盾構主機出現栽頭、吊裝不平衡等問題，因此不能依靠增加鋼板厚度的方式提高盾體的抗壓能力。以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構設計工程為例，對矩形盾構的超大斷面薄殼設計進行分析，明確矩形盾構機盾殼受力的薄弱部位。通過建筑信息模型（Building Information Medeling，BIM）技術進行分析與建模，優化盾體結構，如圖1所示。其中，箱形結構上下部設計采用微拱形結構，可以分散垂直載荷，具有較高的抗變形能力[2]。

2.2 不規則管片拼裝與滾轉糾偏設計

為解決矩形管片拼裝環節拼裝機回轉空間不足、管片拼裝超出回轉范圍、中立柱拼裝困難以及盾構部件需要與拼裝機協調安裝等難點，將使用雙管片拼裝機拼裝不規則矩形管片。

針對滾轉糾偏問題，將通過主動鉸接模式對盾構機前盾與尾盾的銜接模式進行設計。在主動鉸接裝置中配備24根具有高鉸接能力的油缸，在矩形四邊各設計1個含行程傳感器的鉸接油缸。通過精密的計算與分組控制設計的方式，可實現從前盾監控尾盾轉動角度的效果[3-4]，并通過調整鉸接油缸實現動力輔助推進系統對盾構掘進的轉彎要求。

在掘進施工中或掘進后續鋪設完畢后，盾構機管片會發生滾轉，此時可以通過往盾體前預留的注漿孔中注入泥漿的方式實現糾偏。

3 軟弱沉積地層掘進穩定性技術

3.1 控制地表沉降設計

現階段，我國大斷面矩形盾構開挖方式主要有3種，即雙圓刀盤開挖、異形刀盤開挖和多刀盤旋轉開挖。參考寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構設計工程案例數據，本文提出以平行軸式六刀盤作為開挖施工方案，以控制掘進過程中地表沉降現象。其間需要對尺寸方向與開挖縫隙進行重點設計。在尺寸方向設計中，開挖尺寸應當與前盾構尺寸相同，需保證小刀盤平均分布在大刀盤的前平面上，形成交叉分布形式，并在護盾內側設置盾體切刀，以確保盾構具有較高的渣土傳輸能力。輻條結構刀具在處理某些土質時不易結泥餅，有利于減小刀盤的攪拌力矩。通過在每根輻條上安裝攪拌棒的方式，擴大刀具攪拌區域，降低旋轉刀盤對地層的擾動，實現控制地表沉降和保持土倉壓力穩定的效果[5]。

設計中還需要安裝一種配有承重系統和傳感器的稱重皮帶機，方便技術人員準確計算出掘進排渣量與砂石質量[6]。

3.2 糾偏控制技術

以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構設計工程數據為例，構建以施工地形、地質條件以及設計文件等參數為基礎的盾構糾偏三維分析模型，通過計算矩形盾構機掘進時矩形管片展現的受力、變形以及地表位移等數據，總結盾構經過不同土質時矩形管片受地面壓力而出現的變形大小與空間分布規律，從而為技術人員判斷盾構是否出現位移或偏差提供幫助[7]。掘進過程中，技術人員可以通過數值模型的方式驗證各項控制措施是否具有時效性，利用數值模型構建糾偏應急預案，在出現偏差前兆時以三維分析模型反演出偏差掘進參數，從而修正矩形盾構的偏差路線。

4 矩形管片結構優化技術

4.1 管片組合方式

設計地鐵隧道大斷面矩形盾構的線路擬合時，由于矩形隧道的盾構無法利用自身的旋轉盾構管片實現隨時掘進和隨時糾偏，常規的大斷面矩形盾構設計都會極力避免出現需要頻繁糾偏的設計路線，多采用直線段、豎曲線段或者平曲線段作為主要設計方式。已有研究表明，現階段矩形盾構設計的隧道襯砌分塊通常分為錯縫和通縫兩種模式。錯縫拼裝設計會受到矩形隧道的挖掘特點限制，而不能像圓管隧道掘進法利用旋轉拼裝方式進行錯縫施工，因此在矩形盾構下必須采用適當分塊的方式進行拼接[8]。本文將使用平面對稱設計的方式設計矩形盾構中的R型管片和F型管片。設計中：R型管片可以細分為K塊（一塊）、RA塊（一塊）、RD塊（一塊）、RB塊（兩塊）、RC塊（兩塊）;F型管片同樣可以細分為K塊（一塊）、FA塊（一塊）、FD塊（一塊）、FB塊（兩塊）以及FC塊（兩塊）。在實際設計中，因為R、F型管片中同名的結構塊所處位置均不相同，所以若想實現錯縫拼裝施工，還需要重點考慮千斤頂受力方向與楔形量的限制。R型管片與F型管片的具體分塊設計如圖2所示。在拼裝組合不同型號的管片時，應當充分結合各分塊的大小和分布位置等信息來采取相應的施工措施，從而在錯縫拼裝的前提下實現掘進線路的糾偏與擬合。

4.2 管片連接接頭分析

管片接縫設計應當重點考慮盾構防水構造的設計，使用楔形環為管片拼裝縫提供良好的防水防護。設計中需要依據常規管片接縫防水設計來規劃矩形盾構管片的防水設計。以管片接縫防水設計方案為基礎，在管片接縫處安裝2道高彈性的密封墊，并在管片內側預留嵌縫槽。通過實際案例可知，在管片內側縱環縫中設計一定規律的凹凸榫槽，不但可以全面提高盾構掘進時環間的抗剪能力，而且能夠增加管片連接處的剛度。在環、縱縫內側的凹凸榫槽位置處設計定位裝置，還可以提高掘進施工時的拼裝精度。考慮到管片連接頭處斜螺栓的結構性質，需要加強斜螺栓構件設計，以避免接頭兩邊出現錯動現象。與斜螺栓相比，直螺栓截面的抗剪面積較大，且能夠承擔接頭處較高的剪力，所以不再對直螺栓進行加強設計。

4.3 管片分塊研究

為驗證設計的科學性與實用性，將在覆土厚度為15 m的施工區域進行仿真模擬實驗，重點對盾構管片結構在土層壓力下出現的變形進行研究。

設計管片厚度為0.45 m、幅寬為1.2 m，采用錯縫拼裝連接方式。由此得出的結果數據如表1所示。

從矩形盾構管片整體堅固性角度出發，可以看出A模式下的管片設計比B模式下的管片設計受力更加均勻。特別是當B模式下矩形管片在拱頂時，總體剛度較小且變形較大。本文設計的管片構造參數如表2所示。

4.4 管片防水技術設計

常規盾構設計下溝槽設計尺寸均偏小，因此盾構的實際防水能力較弱，不能真正滿足特殊地形下矩形管片銜接的防水要求。本文中，溝槽的設計將以材料的變形理論為基礎，通過有限元模擬水楔對矩形管片的入侵過程，全面考察水侵下矩形溝槽的防水性能變化，并結合混凝土斷裂力學理論對模擬管片拼裝進行探究，重點對溝槽周邊的混凝土情況進行分析，驗證了在長時間的水流侵蝕下矩形管片銜接處混凝土的開裂情況。

5 結語

以寧波市地鐵隧道大斷面矩形盾構設計工程為參考，重點對矩形盾構的整體架構、盾構外殼以及矩形管片進行設計分析，通過設計驗證的方式對地鐵隧道大斷面矩形盾構工程施工關鍵技術進行探討。仿真模擬實驗證明，本文所分析的地鐵隧道大斷面矩形盾構系統能夠為相關工程提供技術保障，并可為相關工程的盾構掘進施工提供理論支持。

參考文獻：

[1]賈連輝.超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術[J].隧道建設，2014（11）：1098-1106.

[2]朱瑤宏，朱雁飛，黃德中，等.類矩形盾構法隧道關鍵技術研究與應用[J].隧道建設，2017（9）：1055-1062.

[3]孫巍，官林星，溫竹茵.大斷面矩形盾構法隧道的受力分析與工程應用[J].隧道建設，2015（10）：1028-1033.

[4]鄭慶坂，潘伍，覃永杰，等.大斷面矩形盾構隧道等效抗彎剛度研究[J].科學技術與工程，2020（23）：341-347.

[5]李向南.大斷面矩形盾構刀具修復技術[J].施工技術，2018（1）：701-704.

[6]周明.矩形盾構頂管施工技術在城市隧道中的應用[J].科技創新與應用，2021（15）：190-191.

[7]廖若倩，蔡永昌.矩形斷面盾構隧道在火災高溫作用下的力學性能研究[J].現代隧道技術，2018（5）：146-158.

[8]魏綱，張鑫海，徐銀鋒，等.一種類矩形盾構隧道施工中地表沉降計算方法：CN201710276428.2[P].2017-07-07.

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