軟土地層中大斷面矩形盾構關鍵施工技術研究

吳 韜

（上海申虹投資發展有限公司，上海市 200000）

0 引言

21世紀是隧道及地下空間大力發展的時代[1]。隨著經濟發展和城市建設的加速，傳統圓形盾構法隧道在國內大中城市交通發展中有著廣泛的工程應用，積累了豐富的設計和施工經驗。

現代化都市的核心區域通常已建成高密度的建筑樓宇和各類地下設施，人車交通流量趨于飽和。近年來，伴隨著城市更新和功能提升的步伐，這些區域對大斷面地下車行和人行通道的連接產生了更廣泛的需求，復雜的周邊環境也給隧道建設提出了更嚴苛的要求。

傳統盾構隧道多采用圓形斷面，相比之下，矩形斷面的盾構隧道在提高空間使用效率、潛覆土環境施工、優化土體切削量和縮短建設工期等方面具有顯著優勢[2]。矩形盾構隧道的工程實踐始于日本，在日本千葉縣排水隧道、日本京都高鐵東西線等工程中應用[3-4]。

2015年，國內自主研發的首臺大斷面土壓平衡矩形盾構機在上海虹橋臨空經濟區11-3地塊地下連通道項目中完成了首次工程應用，成功建造了28m長的矩形隧道[5]。該臺矩形盾構機隨后轉運至上海虹橋商務區開展了第二次工程實踐。本文依托虹橋商務區至國展中心地下人行通道工程，聚焦研究矩形盾構穿越道路和高架橋墩施工過程中的關鍵施工技術，形成的經驗和結論以期對實施類似工程提供幫助。

1 工程概況

如圖1所示，虹橋商務區至國家會展中心地下人行通道工程，向東連接上海虹橋商務區地下中央軸線通道，向西接入國家會展中心下沉式廣場。通道全長524m，其中矩形盾構段長83.95m，位于華翔路及嘉閔高架路下方，坡度為5‰。

圖1 地下人行通道總平面圖

隧道管片外包尺寸為9.75m（寬）×4.95m（高），內凈尺寸為8.65m（寬）×3.85m（高），隧道上方覆土厚度約7.5m。開挖土層主要有②3號灰色粉砂層、③號粉質黏土層和④號淤泥質黏土層。

下穿的華翔路上管線眾多，包含各類市政管線，分布情況如圖2所示。將φ300和φ500的煤氣管整體抬高，原管采取廢棄處理；將11孔非開挖的信息管搬遷；雨水管井底部距矩形盾構外殼最近距離為2.18m。

圖2 矩形盾構穿越華翔路市政管線

嘉閔高架路橋梁位于華翔路上方，相鄰墩柱間跨徑為25m。橋梁承臺采用群樁基礎，矩形盾構從跨中穿越，距離南側承臺5.086m，距離北側承臺3.962m。位置關系如圖3所示。

圖3 矩形盾構與嘉閔高架承臺樁基平面位置關系

2 矩形盾構裝備與襯砌結構

隧道掘進設備是國內第一臺大型土壓平衡式矩形盾構機，盾構本體機總長9.05m，寬10.10m，高5.30m，如圖4所示。矩形盾構機本體由切口環、支撐環和盾尾三部分組成，通過M30螺栓連接成整體。盾構機后部配置8組設備車架，機頭總重量約300t。此外，為了實現矩形管片的拼裝，國內自主研發了雙立柱式拼裝機。雙立柱式拼裝機由立柱、滑套、回轉支撐、橫臂和拼裝頭等部件組成[6]。

圖4 矩形盾構在工廠內拼裝

本次矩形隧道襯砌采用鋼混復合結構管片，在箱型鋼結構內部填充C50混凝土。每環管片分為六分塊，包括拱底塊、兩側下塊、兩側上塊、封頂塊，縱向采用通縫拼裝形式，如圖5所示。

圖5 矩形盾構管片拼裝

3 矩形盾構軸線控制技術

隧道軸線控制是盾構隧道施工的核心技術之一，軸線偏差也是隧道施工質量驗收的關鍵指標。矩形盾構由于機身形狀大而平坦，更易造成平面上的偏差。本次工程中，矩形盾構機在盾尾離開加固區域后，出現機身上浮的不利情況。相較于設計軸線，盾構機切口的最大偏差為向上99mm，盾構機尾部的最大偏差為向上159mm。對此，本工程嘗試研究相關控制措施并付諸實踐。

3.1 調節千斤頂推力分配

矩形盾構掘進過程中，通過動態測量和調整土壓力來控制盾構切口面的穩定。除此之外，隧道軸線控制的關鍵在于調整編組千斤頂的行程差和頂力，產生糾偏力矩，同時控制好管片的成環拼裝質量。

如圖2所示，盾構沿推進方向存在1.38%的向上坡度，盾構機所受的推進反力傾斜向上，與浮力的疊加效應致使盾構機切口及盾尾高程易產生向上變化的趨勢。施工中先后采取如下措施進行控制。

（1）等比例調整各區千斤頂編組的推力，保證推進方向向下，總推力加大至1900t，同時放慢推進速度，維持住盾構姿態不再向上變化。

（2）將上、下、左、右各區千斤頂編組的推力減小至500t、18t、40t和20t。隨后再逐漸增大各區推力，分別調整至1300t、60t、130t和120t。

由于下區千斤頂推力減至極小值，在確保盾構機穩定的前提下，盾尾下方形成支點，上區的千斤頂推力迫使盾構機繞支點轉動，成功實現了切口姿態向下調整的目的。

3.2 泥墊糾偏

區別于圓形盾構，矩形盾構橫斷面不是中心對稱圖形，在各種因素的作用下，極易產生側向偏轉，給矩形盾構的進洞和后續使用功能造成很大影響。為此，本臺盾構機在四周設有壓泥口，通過向指定位置土層注入高壓泥流，形成具有一定壓力的泥墊，可以為矩形盾構機提供有效糾偏力。

3.3 出泥糾偏

本次施工中，盾構上浮趨勢明顯。為了進一步控制盾構姿態，施工中嘗試對盾殼進行改造，如圖6所示。具體做法如下：

圖6 出泥糾偏具體做法示意圖

（1）拆除原有的壓泥口錐形蓋板并加裝新蓋板。新蓋板均開設3個直徑4in的出泥孔并配備球閥。盾構前部下方的土體在推進過程中會被擠出，切口姿態得到有效控制。

（2）為了進一步控制盾尾姿態，在支撐環下半部均勻開設3個直徑4in的出泥孔并配備球閥，向土體中注入清水，攪松后排出泥漿，有效降低了盾尾高程。

3.4 軸線控制效果

本工程中，矩形盾構切口及盾尾的水平姿態均控制在允許范圍內，如圖7和圖8所示，保證了矩形盾構機順利進洞，隧道施工軸線滿足設計要求。

圖7 切口高程變化量統計

圖8 盾尾高程變化量統計

4 矩形管片橫豎內徑控制技術

研究表明，矩形管片在施工期存在多種受力工況。其中，脫出盾尾階段和同步注漿階段是管片施工中最不利的2個受力階段[7]。螺栓預緊力對控制矩形襯砌結構變形提供幫助，但并不是越高越好[8]。因此，矩形管片的橫豎內徑控制應該采取多次測量、多次調整的原則開展精細化作業。主要措施如下：

4.1 單塊管片拼裝要點

（1）拼裝左下塊與右下塊鄰接塊時，應盡量向內拉緊管片，進行第1次測量并復核橫徑，滿足設計要求后方可進行左上塊及右上塊鄰接塊的拼裝。

（2）左上塊及右上塊鄰接塊拼裝完成后，進行第2次測量并復核橫徑，滿足設計要求后進行封頂塊拼裝。

（3）封頂塊到位后，進行第3次測量并復核豎徑，滿足設計要求后方可人工擰緊螺栓。

（4）每塊管片拼裝時，應滿足管片與盾尾間隙為5.5cm。每塊管片調整就位后，使用千斤頂頂緊。

4.2 新成環管片形狀控制

新一環管片拼裝完成后，應立即復核新成環的橫徑和豎徑，符合設計要求后，方可使用液壓扳手緊固螺栓。如不符合要求，應將形狀保持器前進至圖9所示位置，同時對成環管片施加頂力，直至復核測量滿足要求后，才能開展下一步操作。

圖9 矩形管片形狀保持器使用示意圖

緊固螺栓時，應嚴格按照設計要求控制擰緊扭矩。本工程控制值為3300N·m。螺栓擰緊施工完成后，再次復核管片橫豎內徑偏差在允許范圍內，方能進行下一環掘進。

4.3 實時監測與復緊螺栓

新成環管片在荷載和變形穩定之前，需要經歷如下工況荷載：

（1）盾構推進階段，千斤頂推力直接作用在管片側面。

（2）脫出盾構階段，外部水土荷載直接作用在管片上。

（3）同步注漿階段，漿液擴散前所產生的附加荷載。荷載的變化將直接導致管片縱橫徑產生變化。

為此，施工中對成環管片的縱橫徑開展實時監測和數據研判，并及時復緊螺栓。

如圖10所示，通過動態的監測與調整，管片過程中以及最終的橫徑偏差控制在+20mm以內，豎徑偏差控制在-30mm以內，符合設計要求。

圖10 矩形盾構成環管片橫徑與豎徑監測

5 施工環境影響控制

5.1 高架樁基變形

為確保高架市政設施在施工期間的安全，提前在盾構與橋樁間實施了高強度MJS樁予以隔離，并設置了土體深層沉降監測點、土體測斜監測點和水位觀測點。監測數據表明，矩形盾構穿越之后，橋樁橫向和豎向位移數值極小。同時，深層土體最大沉降為3.3mm，土體測斜水平位移最大為4.48mm。

5.2 地表變形監控

本次沿矩形盾構推進軸線共布設了14個地表沉降監測點，離始發井側最近的監測點為ZD1，離接收井側最近的監測點為ZD14。

圖11選取了兩個典型監測點的沉降曲線，反映了矩形盾構掘進期間地面高程的變化規律。

圖11 地面高程變化曲線

（1）在盾構出洞階段推進時，地表點開始出現少許下沉。這是盾構初始掘進階段，對土層擾動所致。

（2）進入正常推進階段后，為了控制盾構上浮，加大了盾構推進時總推力，所以推進時盾構前方地表點先開始隆起。

（3）在盾構推進穿越時，因為土體損失，地表點首先出現下沉。穿越后應及時進行二次注漿，但因隧道內部臺車限制操作空間，二次注漿不能及時跟進，導致地表沉降持續時間較長。

（4）二次注漿后，地表沉降得到有效控制。

從矩形盾構推進整個過程來看，地表沉降的規律類似于傳統圓形盾構推進，但相比圓形盾構，矩形盾構的不良姿態對土層位移的影響更大。通過及時采取控制措施，可以將地面高程控制在允許值以內。

6 結語

本文依托工程實踐，對矩形盾構施工中的關鍵技術開展探索和研究，主要結論如下：

（1）關于隧道軸線控制，動態調整編組千斤頂的行程差和頂力可以產生糾偏力偶，可以穩定盾構的姿態并進一步實現糾偏，實現隧道軸線控制。

（2）關于盾構機糾偏，在矩形盾構機指定部位注入和排出泥漿，可以有效調整局部外荷載，在矩形盾構高程控制和側向旋轉糾偏方面，取得了滿意的效果。

（3）關于管片拼裝，矩形隧道管片的縱橫徑變化在工況荷載變化時更加敏感，應該采取多次測量、多次調整、多次復擰螺栓的原則開展精細化作業。

（4）關于環境影響控制，矩形盾構推進對側向鄰近樁基及土層的影響較小，地表沉降規律類似于傳統圓形盾構推進，但相比圓形盾構，矩形盾構的不良姿態對土層位移的影響更大。