大截面矩形盾构机的研制及应用

过浩侃

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

矩形隧道盾构法施工具有地下空间利用率高的优点，可以实现浅覆土、中长距离、曲线隧道等情况的施工，同时具有盾构法施工工业化程度高，有利于环境保护等特点，可应用于城市地下通道、浅埋道路隧道、地铁隧道、综合管廊等城市建设和地下空间开发领域。此前，矩形盾构机的研制和相关隧道设计施工技术主要在国际上少数国家（如日本等）进行过相关实践[1-5]，国内此前尚无真正意义上的矩形盾构机的研制。

我公司在以往大断面矩形顶管机设计制造施工实践经验基础上，联合设计院、科研院所，自行研制了具有自主知识产权的国内首台大断面土压平衡式矩形盾构机，在研发过程中申请了30余项专利，其中发明专利20余项，已获得国家授权发明专利6项，并且已成功应用于上海虹桥地区的2个地下通道工程。

本文结合盾构机研制过程和上海虹桥商务区核心区（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程矩形盾构隧道段实施情况，对国内首台大断面矩形盾构机及其工程应用情况进行了介绍和分析。

1 矩形盾构机

综合考虑车辆通行要求、衬砌结构厚度和道路设备空间等因素，该矩形盾构机的壳体外包尺寸为：宽10.10 m，高5.30 m。矩形盾构机（图1）采用土压平衡式，整机长9.05 m，分成切口环、支撑环和盾尾三部分。整机包含刀盘切削系统、排土系统、管片拼装系统、推进系统、防背土装置、泥垫纠偏装置和隧道形状保持器等部分。

1.1 刀盘切削系统

旋转切削方式由于实现方式简单可靠，效率高，因而在盾构机切削刀盘设计中被广泛采用。对于圆形盾构机而言，切削刀盘的运动轨迹和盾构机的断面形状一致，因此采用单个刀盘即可以实现全断面切削。对于矩形盾构机，由于盾构机断面为矩形，如果使用单个切削刀盘，则会形成较大的切削盲区，施工风险高。

为此，在该矩形盾构机的切削刀盘设计上，采用了我公司在矩形顶管机上创新研发并已成熟应用的多刀盘组合形式，通过在切削断面布置多个刀盘，允许各个刀盘的切削面积有一定的重叠，使得断面的切削率能够满足盾构施工需要。本次采用8个大刀盘及3个小刀盘的多刀盘组合形式，利用多刀盘组合实现切削刀盘模块化灵活组合和切削断面的优化配置，同时在刀盘切削盲区内设置劈刀，以进一步提高断面切削率（图2）。

图1 矩形盾构机

图2 切削刀盘组合

通常，切削刀盘在轴向是固定状态，刀盘在切削土体时，仅能实现旋转切削动作。在本次切削刀盘设计中，8个大刀盘均设计为轴向可伸缩式刀盘（图3），利用内花键结构套与花键结构的匹配构造，实现了切削大刀盘的轴向伸缩与旋转切削的有机结合，一个或多个刀盘可以同时轴向伸缩并切削土体。切削刀盘的轴向伸缩可以显著降低盾构机掘进阻力和设备负荷峰值，并能对盾构机提供导向，以利于轴线纠偏等。

1.2 螺旋机排土系统

在土压平衡盾构施工中，如果遇到透水性大，级配不良的砂土或粉土时，土仓内的渣土压力往往不能够在螺旋排土机内逐渐降低，大量的水土就会从螺旋排土机的排土口喷出，形成喷涌，不仅会影响正常的盾构掘进施工，而且严重时还会对周边环境造成恶劣影响。为此，该矩形盾构机设有2个不等螺距式螺旋排土机。螺旋排土机内设置了不等距的叶片形式，高压力的水土经过不同叶片时会有效释放压力，从而降低排土口的水压力，防止螺旋排土机的排土口发生喷涌。

1.3 管片拼装系统

根据管片单体抗弯试验、接头抗弯试验、接头抗剪试验、整环试验、组焊工艺评定、混凝土充填试验、防水试验等试验的结果和衬砌结构设计计算结果，最终采用六面覆盖钢板的钢混复合管片（图4）结构形式，满足了扁平隧道结构的受力要求。

图3 轴向可伸缩式刀盘

图4 钢混复合管片

衬砌管片外包尺寸为：宽9.75 m、高4.95 m、厚0.55 m、环宽1.00 m。管片为6分块，由1块拱底块、4块转弯块和1块拱顶块组成，采用通缝拼装方式。

管片拼装作业是盾构施工作业中的重要工序。一方面，对于矩形盾构隧道而言，由于衬砌管片断面形状的变化，管片拼装难度比圆形隧道大；另一方面，国外已有的矩形盾构管片宽高比多为1.4～1.5，而本矩形盾构机的管片宽高比约为2，宽高比大，盾构机及相应的衬砌管片更加扁平，管片在扁平狭小空间内的拼装难度大，以往国外矩形盾构机采用过的双回转式管片拼装机和轨道式管片拼装机等拼装方式无法适用。

为此，创新研制了中心可移动的双立柱式管片拼装机，该拼装机由立柱、回转支承和拼装头等部分组成，立柱不仅为盾构机壳体提供支撑作用，还为拼装机提供移动轨道，拼装头负责抓取并夹紧管片，保证管片在运送过程中不发生脱落，拼装头上的小型液压油缸可以对管片姿态进行微调，保证管片顺利安装，通过拼装头的升降运动、旋转运动和径向伸缩运动将管片运送、安装到位。拱底块和封顶块管片由2台拼装机同步作业，径向顶入、纵向插入，转弯块管片由单台拼装机拼装，成环后完成螺栓紧固（图5）。

1.4 防背土装置

盾构机在掘进施工过程中，受上覆土压力、盾构机壳体与周围土体间的摩擦力以及周围土体的黏性等因素的影响，当上覆土体与壳体的黏结强度大于两者之间的摩擦力时，上覆土体有时会黏附在壳体上表面，随着盾构机一同向前运动，形成背土现象。对大断面矩形盾构机而言，其上表面大而扁平，与上覆土的接触面积大，加上覆土往往较浅，上部土体的卸载拱作用相对不明显，矩形盾构机顶部易发生背土。背土现象对盾构隧道施工有极大的危险性，特别是在周边环境保护要求高的情况下。为克服背土现象，该矩形盾构机设置了减摩注浆系统和液压防背土装置。

在盾构机上表面设有2排减摩注浆孔，盾构机内配备了减摩注浆系统，通过向盾构机壳体外注入减摩泥浆，在盾构机壳体表面形成减摩泥浆薄膜，既降低了上覆土黏附在盾构机壳体上的可能性，又有效地减小了掘进阻力。

在注浆减摩的基础上，该矩形盾构机配置了液压防背土装置（图6），包括盾构机顶面设置的防背土板、盾构机内设置的液压机构及传动机构，用来缓解掘进施工中可能发生的背土现象。在矩形盾构推进过程中，位移传感器采集的数据会反馈至自动控制系统，然后通过液压机构控制防背土板的移动，将矩形盾构机壳体上部土体作有效分割，减轻盾构机因上表面大而平坦造成的背土问题。为保证推进过程中防背土板在正常情况下不发生位移，在液压机构上设置了控制阀。

图5 管片拼装机

图6 防背土装置

1.5 泥垫纠偏装置

矩形盾构机在推进过程中易产生侧向偏转，为此，在盾构机底面设泥垫充泥口，盾构机内装有渣土泵、控制阀、注泥管路和控制器等部件。

矩形盾构机发生侧转时，根据偏转方向从相应的充泥口注入高压渣土，在矩形盾构机底面形成高压泥垫，对矩形盾构机产生纠偏力矩，控制矩形盾构机的侧向偏转（图7）。

图7 泥垫纠偏

1.6 隧道形状保持器

在大跨度扁平隧道施工中，已拼装完成的管片脱出盾尾后，在上覆荷载作用下会产生一定的变形，而盾尾内新拼装管未发生受荷变形，两者之间变形不协调，会导致纵向螺栓有时会安装困难。

在隧道内设置了隧道形状保持器（图8），形状保持器的形状保持功能与管片运输、管片喂给三个功能合一。利用形状保持器上的提升油缸加载，可对管片提供临时支撑，起到保持管片形状的作用。

图8 隧道形状保持器

2 工程概况

上海虹桥商务区核心区（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程位于上海虹桥商务核心区与国家会展中心（上海）之间，东接虹桥商务区核心区（一期）地下空间中轴，西至国家会展中心（上海）东出入口。会展通道东段工程起止范围为嘉闵高架西侧道路红线至申滨南路西侧红线，其中下穿嘉闵高架段通道采用矩形盾构法进行施工。矩形盾构隧道段通道长度为83.95 m，坡度为0.50%，通道外包尺寸为：宽9.75 m，高4.95 m（图9）。

图9 会展通道平面示意

根据地质报告，矩形盾构隧道施工穿越土层为第③层灰色淤泥质粉质黏土和第④层灰色淤泥质黏土，上覆土层为第①1层填土、第②1层黄-灰黄色粉质黏土和第②3层灰色粉砂。通道埋深为7.3～7.8 m。

本工程下穿嘉闵高架，嘉闵高架桥墩采用群桩基础，桩基础采用φ800 mm钻孔灌注桩，下穿嘉闵高架段通道距南侧承台5.086 m，距北侧承台3.962 m。下穿的华翔路下方分布较多的市政管线，主要有电力、雨水、污水、给水，雨水管窨井距矩形盾构机外壳最近距离为2.180 m。

3 工程实施

上海虹桥会展地下通道工程，是本台矩形盾构首个正式应用的项目。在总结临空园区地下通道试验段的基础上，对设备配套及施工流程进行了改进优化，取得了较好的效果。

3.1 反力系统

盾构出洞施工时，通常在始发工作井内设置由反力架、闭口负环、开口负环、146°钢弧形环及钢支撑组成的后盾反力系统。矩形盾构施工时，如果仍按常规方法在开口负环上部设置钢环和钢支撑，会占用部分施工材料吊运空间。所以根据盾构千斤顶的布置形式、出洞反力要求、施工材料吊运空间要求等，在第一、第二环开口负环安装时，在其封顶块两侧安装特殊传力牛腿（图10），确保盾构机进入土体时，闭口环封顶块所承受的推力可以传递分配至开口环两侧的邻接管片上，形成由反力架、闭口负环、开口负环及传力牛腿组成的后盾反力系统。

与传统的后盾反力系统相比，封顶块与传力牛腿的连接位置确定，封顶块和牛腿的受力明确，结构也更加稳固。在确保了施工物资吊运空间的前提下，传力牛腿还可以重复使用，经济性也得到了良好体现。

3.2 掘进姿态调整与纠偏

在实际施工中，矩形盾构迎土面大，容易遇到土质不均匀等问题带来的轴线偏离及机体侧转等问题，特别是侧转现象。

轴线偏离一般采用分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，逐步进行，不能一次到位。每环的纠偏量在水平方向上不超过6 mm，在竖直方向上不超过5 mm。

由于前期已重视侧转问题，在盾构机上专门设置了泥垫式防侧转纠偏装置，在整个推进过程中，出现偏转趋势就及时纠正，发挥了明显的作用。整个项目中侧向偏转角度绝大部分环数小于15′，个别数据在15′～30′之间，均满足矩形盾构管片拼装的要求。

3.3 管片拼装技术

管片拼装成环后，先测量新成环管片的横纵内径，符合设计允许偏差时，方可进行螺栓拧紧施工。如横纵径不符合设计要求，应采用形状保持器顶紧已拼装管片，直至新成环管片纵径达到设计尺寸，然后使用液压扳手进行螺栓拧紧，管片纵缝螺栓的拧紧力矩应符合设计要求。盾构推进时，及时复紧管片的环缝螺栓。管片脱出盾尾后，受周围土水压力作用，管片受荷变形，这时应根据监测结果复紧管片间的纵缝螺栓。

管片纵径标准值3 850 mm，实测纵径偏差基本在－30 mm以内。

3.4 自动化高密度监测

由于隧道上方交通繁忙，为严控盾构施工对道路交通及管线的影响，本工程部分关键位置监测采用自动扫描全站仪，一共布设了3个断面共15个地面沉降点，每隔2 min采集一次数据，数据接入信息系统，自动绘出沉降曲线，直观实时地反映了矩形盾构在通过监测断面前后土体的变形情况，为调整盾构推进参数提供了直接依据。

采集的数据通过手机APP进行发布，方便相关施工技术人员及时掌握监测数据。

3.5 近距离穿越桥桩

在盾构穿越嘉闵高架过程中，为了保护高架桩基安全，在高架桩基与矩形盾构隧道之间施工MJS隔离桩。为了精确反映盾构施工对桥桩的影响，在矩形盾构隧道与MJS隔离桩之间增加设置了3个土体分层沉降点、2个土体测斜点、2个水位观测孔。

根据监测结果，盾构穿越过程中，高架立柱几乎没有位移。同时，土体分层沉降最大值为－3.30 mm，土体测斜最大值为4.48 mm，矩形盾构掘进施工时对两侧土体扰动较小。

该段矩形盾构隧道已贯通，盾构施工中的地表沉降值在－30～10 mm之间，矩形盾构隧道内无渗漏（图11）。

图10 传力牛腿

图11 隧道贯通

4 结语

本文结合设备研制和工程实施，对国内首台大断面矩形盾构机及其首次工程应用情况进行了相应介绍和分析，总结如下：

1）该矩形盾构机为土压平衡式矩形盾构机，刀盘切削系统采用8个大刀盘及3个小刀盘的多刀盘组合形式，8个大刀盘均为轴向可伸缩式刀盘，实现了矩形截面的近似全断面切削和刀盘的轴向伸缩。

2）设置了2个不等螺距式螺旋排土机，利用不等距的叶片形式降低排土口的水压力，防止排土口喷涌。

3）管片为六面覆盖钢板的复合管片结构形式，拼装机为创新研制的中心可移动的双立柱式管片拼装机，解决了扁平隧道结构的受力要求和管片拼装难题。

4）设置了减摩注浆系统和液压防背土装置，利用减摩泥浆薄膜和液压防背土机构，有效降低和缓解可能产生的背土情况。

5）设置了隧道形状保持器，对管片提供临时支撑，解决了管片脱出盾尾后的变形协调问题。

6）采用传力牛腿和负环管片组成矩形盾构反力系统，二者连接可靠，具有构造简明、受力明确和增加吊运空间等优点。

7）管片拼装成环后，根据横纵内径测量结果，采用液压扳手拧紧螺栓，并施加拧紧力矩，横纵径不符合设计要求时，可采用形状保持器顶紧已拼装管片。