矩形盾构法隧道施工技术探索（李刚）..doc

软土地层矩形盾构法隧道技术探索 摘要：目前盾构法隧道设计均为圆形，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。矩形盾构法隧道在断面空间利用率上存在较大优势，同时在相同覆土情况下，较圆形隧道更具有适用性。但矩形盾构法隧道因其隧道结构受力和变形、盾构推进控制、矩形管片拼装等难题，未能得到有效的发展。本文初步分析了矩形盾构法隧道施工的难点，并提出解决的设想，从创新创意角度实现矩形盾构的可行性。通过技术探索，为今后进入研究矩形盾构法隧道施工技术提出建议。 关键词：矩形盾构，管片拼装，隧道稳定 1 引言 目前，盾构法隧道绝大多数设计为圆形，其主要得益于隧道结构受力合理、盾构机设备开挖面切削全面、拼装施工工艺简便等优点，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。从盾构法隧道的发展来看，世界上第一条隧道是布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下建造的，隧道工程就采用了矩形盾构断面为11.3m×6.7m[1]。从隧道的使用功能来分析，以矩形断面最为合适，最为经济。矩形断面与圆形断面相比，其有效使用面积比圆形增大20％以上，且可大大减小隧道覆土。此外，在满足相同净空要求的情况下，矩形隧道较圆形隧道所需的覆土厚度小，进而相同坡度的矩形隧道与地面的接线段长度也相应减小。如图1所示。 图1 矩形隧道和圆形隧道比较 基于当前中国乃至世界的经济形势、城市建设与市场的需要，围绕土地、能源的高效利用的关注日益受到重视，而矩形盾构隧道在地下空间利用率和地面接线段影响方面的优势得以凸显。因此，对于矩形盾构法隧道技术的探索和研究具有重要意义和经济价值的。 然而，因形状形成优势的矩形盾构法隧道，在实际的设计和施工中却面临着隧道结构受力变形、盾构推进控制、矩形管片拼装等诸多难点，必须通过技术研究和工程试验应用加以解决，并最终形成合理可行的矩形盾构法隧道技术。 2 国内外对矩形盾构法隧道的研究应用 2.1 国外对矩形盾构法隧道的研究应用 在国外，日本因其地理空间狭隘和资源匮乏，其对地下空间的开发和利率最为重视。因此，日本在矩形盾构法隧道的研究较为先进。早在1965年~1968年，日本名古屋和东京都使用了4.29m×3.09m的手掘式矩形盾构机[2]；1981年，名古屋使用了5.23m×4.38m的手掘式矩形盾构机；1995年，习志野市使用了4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾构机[3]。至2009年，三菱重工及大林组等在矩形隧道盾构装备及施工技术方面取得了有效成果，相模纵贯川尻隧道成为应用矩形盾构隧道技术的典型工程。相模纵贯川尻隧道工程建设期为2009年3月6日～2012年3月31日，盾构机采用复合拱形断面敞开式盾构机（外径：宽11.96m×高8.24m；顶部·底部梁高500mm、侧部梁高400mm）如图2所示。管片采用多功能SFRC管片（错缝拼装形式，钢纤维增强高流动混凝土管片、8块分割、宽度1.7m），其中单块最重的管片位于左右转角处，重约9590kg。如图3所示。隧道上半部为粘性50KN/m2左右的关东壤土层；隧道下半部为N值50以上的硬质砂砾层（包括600mm以上砾径）。 图2 敞开式矩形盾构机 图3 矩形管片立体示意图 此外，日本还有类似的矩形盾构法隧道设备及工程，如用在京都地铁工程中的“Wagging Cutter Shield”工法、国道20号新宿地下步行道工程的7.82m×4.72m矩形盾构等[4]。 2.2 国内对矩形盾构法隧道的研究应用 在我国矩形隧道施工技术的研究已经取得了一定的成果，但基本均属于顶管法技术领域，与盾构法矩形隧道还存在管片拼装、隧道稳定等方面的差异。 对于顶管法矩形隧道，在1999年上海的地铁2号线陆家嘴站五号出入口首次运用3.8m×3.8m组合刀盘土压平衡式矩形顶管技术[5]，并完成了十多例工程实例。2003年，上海隧道工程股份有限公司研制了一台4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机，建造了宁波、上海等地的地下人行通道。2004年，新疆乌鲁木齐采用了20m×6.2m×7.8m三联体组装形式的矩形盾构机、履带式行走模板拼装机和现浇衬砌箱体钢模施工了超大断面矩形隧道[6]。 3 矩形盾构难点分析 3.1 矩形盾构隧道结构受力 由于矩形结构荷载模式不同于圆形结构，对于矩形隧道分块预制结构的受力分布模式尚缺少合理的解决办法。通过对矩形的受力分析可以看出，如图6、7所示，矩形较圆形没有明显的拱效应，且在角部位置为应力集中点，同时矩形预制管片的接头部位受弯矩和剪力影响。圆形隧道截面内力主要以轴力产生的压应力为主，矩形隧道截面内力主要以弯矩产生的拉应力为主，且矩形结构的接头需抵抗弯矩和剪力。 图6 矩形结构受力有限元弯矩图[7] 图7 矩形结构受力有限元剪力图[7] 3.2 矩形盾构切削和管片拼装系统 由于矩形与圆形的