大断面矩形隧道盾构现浇衬砌同步施工技术

大断面矩形隧道盾构现浇衬砌同步施工技术

董来军

(中建新疆建工集团第一建筑工程有限责任公司新疆乌鲁木齐830011)

一直以来，国内外盾构法施工在软土地层中运用较多，而大断面矩形隧道在硬土层中采用现浇衬砌施工的范例极少。本文主要通过工程的特殊性和技术创新点来论述该施工技术的特点和成果。

盾构；大断面；矩形；现浇衬砌；同步注浆；沉降

随着科技水平的提高和社会需求的增长，地下结构的发展正突飞猛进，同时施工技术也在不断的应用中得到发展和提高。在西北地区首次采用大断面矩形隧道现浇衬砌同步施工技术构建世界第一宽度（截至2010年查新报告）的地下商业街，标志着矩形隧道施工技术的一个突破，进一步拓展了矩形隧道在闹市区建设地下通道、地铁车站出入口、公用管线共同沟等地下工程的应用前景。

1 施工技术的形成

大断面矩形隧道现浇衬砌同步施工技术是在ECL工法（Extruded Concrete Lining），即加压灌注混凝土衬砌工法的基础上，结合盾构法施工工艺和拟建地下建筑物的结构特点，通过工程施工过程中不断的技术改进逐步形成。

2004年拟建的辰野名品广场地下商业街二期工程，地处乌鲁木齐市交通繁忙和商业繁华的解放北路下，车流量大，地下管线多，尤其是一条Ф800主排水管道无法引流和迁移，只能采用非开挖技术进行施工。

为充分利用地下资源，业主理想的商业街的结构断面为20m×6m，并完成了结构设计。在此条件下，进行了矩形盾构壳体、现浇衬砌、同步注浆、机械推进和电控系统等的设计研发，并初步形成了大断面矩形隧道现浇衬砌同步施工技术的雏形，在随后50m始发段的施工中，通过不断的数据采集、分析、改进、反馈，将大断面矩形隧道现浇衬砌同步施工技术调整和改进，并在其后的施工中不断完善。

新的施工技术表现在地层中以非开挖的方式，以多联体矩形盾构掘进机的共体的盾尾作为活动的外模板，连续地浇筑混凝土，以构建大型地下结构。组合成的各单体矩形盾构机可单个地运输和吊装，在施工现场再组合，因此克服了超大断面盾构在运输和吊装方面的困难，同时又避免了大开挖方式所特有的占用土地、影响交通的缺陷。

2 工程项目简介

由于施工工程主体结构的特殊性导致了大断面矩形隧道现浇衬砌同步施工技术的研发，所以有必要对地下商城做一下总体介绍。

2.1 结构和地形

地下商城总长328m，宽19.8m，净高4.9m，分为四个防护单元。解放北路的地势呈南高北低，地面高差达2.85m。掘进的坡度和路面的坡度保持一致，即和路面保持相对固定的覆土厚度。根据设计及计算要求，覆土层厚度为4.9m。地下商城为现浇混凝土无梁盖板结构，顶板及地板厚0.55m，壁板厚0.35m。混凝土设计标号为C40，抗渗等级为0.8Mpa。掘进施工每2m为一环，总计164环。

图1 地下商城结构断面图

2.2地质条件

对本工程施工有影响的地层自上到下的简况如下：

Z层：杂填土，层厚1.8～3.5m不等。土质不均，结构松散，以建筑及生活垃圾为主。

1层：角砾，埋藏深度1.8～3.5m，层厚7.1～10.6m。灰黄色，颗粒级配良好，最大粒径80mm，充填物以总粗砂及粉土为主。隧道结构即处在该土层。

2层：强风化砂岩，埋藏深度9.7～13.6m，可见层厚1.2～2.0m。灰红色，结构密实，风化成小碎块状。

3层：中风化泥质砂岩，埋藏深度10.9～15.0m，可见层厚1.0～1.3m(未见底)。

4层：粘质粉土，层厚1.5～3.4m。稍密状态，中等压缩性，含粉砂团块，局部为粉质粘土。灰红色，岩芯完整。本工程主要在1层角砾土层中顶进。

2.3 水文条件

场地地下水呈孔隙潜水为主，地下水位埋深一般在10.2～11.0m左右，含水层为角砾，主要由大气降水及生活废水渗漏组成，年变幅在0.8m以内。地下水对混凝土具有中等腐蚀性，总矿化度平均为1378.58mg/L，PH值为7.2，对混凝土结构中钢筋具有中等腐蚀性。

2.4 环境条件

地下管线主要有给水管、热力管、电力电缆、雨水管、电信电缆、污水管等共24条管线。其中埋深最深的Φ800污水管距隧道顶为2.7m，并且污水管已有20多年的历史，未进行管节防漏处理，对施工的隐患非常大。

3 施工技术研发内容

针对施工项目的结构特性和地质、水文、环境的条件，施工前的技术研发内容如下：

3.1 大断面矩形盾构掘进机和三联体组合技术的研发

根据拟施工的土层条件和主体结构计算并设计矩形盾构掘进机壳体的形式及推进系统的顶力布置。

因施工现场附近无条件进行20m宽的盾构掘进机的制造，加上整体矩形盾构掘进机的壳体重达80t，现场不具备下井的条件，并考虑运输的限制，研发的思路为盾构壳体改为左右三联体、上下两层分开场外制造，六块壳体分别运输后在现场组装焊接，再整体入井就位后进行各系统的安装，完成大断面矩形盾构掘进机。

3.2 开敞式机械挖土及输送机系统的设计和制造

套筒式反铲挖掘机械手、螺旋输送机、皮带输送机设计图一套；反铲挖掘机基本达到全断面开挖的要求。

3.3 盾构液压推进系统和电气操作系统的研究

在满足顶力的基础上利用电控分组形式控制纠偏。

3.4 非闭合式盾尾脱模和同步注浆技术的研究

底部非闭合式盾尾可减小顶进脱模时的阻力，并不影响同步注浆的效果，模内外与土层及混凝土接触部的同步注浆有效降低了路面沉降。

3.5 现浇钢筋混凝土衬砌的钢模板分类、分块和连接，并具备盾构推进支承功能技术及可调式模板支撑系统的研究

利用钢模板和混凝土的摩阻力为盾构机提供反力。模板拆后支前循环使用率高。

3.6 在城市浅覆土层、道路交通正常运营和地下管线密集条件下的大断面矩形盾构掘进施工技术的研究

商业用途要求埋深较浅，这对于大断面矩形盾构掘进施工技术的要求较高，主要在于对沉降的控制及减小大断面矩形盾构背土的影响。

图2 盾构机纵向剖面图

4 技术改进措施

施工技术从研发到运用，通过逐步的改进使该技术不断的加以完善和成熟，具体如下：

4.1 出土形式

将使用套筒式反铲挖掘机械手挖土，输送机运土改为采用小型挖掘机直接挖土装车的形式，效率提高并易于维修。

4.2 同步注浆系统

原同步注浆的形式为顶板底部多点垂直注浆，改进后为水平向沿盾尾内壁设置同步注浆管，使注浆更及时，提高了沉降控制的稳定性。

4.3 减摩措施

在盾尾和盾壳内壁黏贴薄塑料板，解决了现浇衬砌脱膜问题。减小了钢模和混凝土的摩擦力，同时也降低了顶进时对混凝土的扰动。降低了顶进阻力，更利于顶进系统分组纠偏的使用。

4.4 止退措施

在上条减小了钢模和混凝土的摩擦力的同时，盾构反力相应减小。在节约造价的同时而不增加钢模的环数，设置预埋铁件增加模板的竖向阻力以满足盾构反力。

4.5 顶进形式

改进为先顶后挖，充分利用盾构机的设计顶力将壳体前部插入土层中，利用土层自然塌落度的稳定性和自立性比先使用机械挖土的安全性提高。

4.6 现浇衬砌

采用高性能加压灌注自密实混凝土工艺，通过一个灌注点达到20m范围的封闭空间内保持不离析和均匀性，充满模板的每个角落达到充分密实的效果。

图3 注浆、浇筑系统断面图

5 技术成果创新点

本盾构是世界上第一个三联体组装形式的矩形盾构,外形尺寸20mX6.2mX7.8m，断面为世界最大。在国内盾构法施工中自主创新设计套筒式反铲挖掘机械手、螺旋输送机和皮带输送机作为挖土和输送土体系统。在国内盾构法施工中首次采用盾尾内壁设置同步注浆管，使注浆更及时,效果更明显。

在盾构法施工中自主创新开发大断面矩形隧道衬砌现浇施工的成套技术，研制的钢模支撑系统构思新颖合理，采用非闭和的盾尾和盾壳内壁粘贴泡沫塑料板技术,解决了现浇衬砌脱模问题。

履带式行走模板拼装机设计集成创新，工作性能优良，可作90O的带载回转，具有三维带载动作功能，使模板可在水平面与垂直面进行位置调整。

在国内首次采用盾构法施工地下商业街和坑道式始发井，为城市大断面地下空间开发采用非开挖技术施工提供了新技术、新工艺。

6 成效和不足

在上海市科学技术委员会组织的技术验收会中评论为：首创开发应用大断面矩形盾构隧道现浇衬砌同步施工技术解决了盾构推进纠偏、沉降控制、隧道衬砌同步现浇、盾尾同步注浆、接缝防水等一系列技术难点；该课题成果为国际首创，总体技术水平达国际先进。

本技术优点在于配套的设备和机械造价相对较低，施工总体操作简单，可控性强；一次性构造断面大，并且空间利用率高；覆土层厚度较薄，适合于在闹市区建设地下工程；在盾尾封闭空间内衬砌采用自密实免振混凝土浇筑，降低了劳动力强度，消除了振捣噪音，减小了混凝土施工损耗；采用专用模板台车支拆模板，降低了劳动力强度，提高了施工进度，同时利用模板与混凝土的摩阻力为盾构提供支座反力；根据土层地质情况可选择多种开挖和运输方式，投入设备和施工成本较低，工作效率高。

但因跨度太大且结构为矩形，所以采用了现浇混凝土的形式进行结构主体施工。而盾构的推进反力是依靠混凝土和钢模的摩擦力提供，混凝土的初凝时间就制约了盾构的推进时间，即增加了每环施工的无效停滞工期。若能改进采用预制成品管节进行拼装结构施工，则施工工期和成本将会大幅度降低，同时增强该工法的实用性。

责任编辑：余咏梅

The Simultaneous Cast-in-Place Lining Construction Technology of the Big Cross Section Rectangle Tunneling Shield

At home and abroad,shield method is always widely used in soft soil stratum,but there are very few examples of the cast-in-place lining construction applied for big cross section rectangle tunneling shield in hard soil stratum.The paper mainly used the particularity and technology innovation points of this project and discussed the characteristics and achievements of this kind of construction technology.

tunneling shield;big cross section;rectangle;cast-in-place;synchronized injection;precipitation

U455.91

A

1671-9107（2011）07-0026-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.07.026

2011-03-9

董来军（1961-），男，汉族，高级工程师，国家注册安全工程师，一级建造师，现任中建新疆建工集团第一建筑工程有限责任公司董事长。