第14卷第9期铁道科学与工程学报 Volume 14 Number 9 2017年9月Journal of Railway Science and Engineering September 2017
异形盾构工法研究现状及其应用
孙统立
(中设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014)
摘要:针对异形盾构工法的国内外研究现状,从模型试验研究、施工扰动土体位移特征和衬砌结构受力特征等方面进行阐述,并从土体扰动机理、地面沉降控制技术和防止盾构机旋转技术、异形盾构在深埋地铁车站中的应用等4个方面进行分析。分析异形盾构施工控制技术及其应用,介绍异形盾构工法在过街通道、地铁隧道和城市隧道中的应用实例,对其研究动向及应用前景作进一步展望。
关键词:城市地下空间;异形盾构工法;研究现状;工程应用
中图分类号:O319.56 文献标志码:A 文章编号:1672?7029(2017)09?1959?08
The research status and engineering application of non-circular shield method
SUN Tongli
(China Design Group Co., Ltd, Nanjing 210014, China)
Abstract:This paper describes the domestic and foreign researches with shield methods, from the model test, construction disturbance displacement characteristics of soil and lining structure characteristics. The construction control technology and its application of the special shaped shield were analyzed through soil disturbance mechanism, ground surface settlement control technology, rotation control technique of shield machine and application of the non-circular shield in deep buried metro station. The study introduced the application examples of non-circular shield methods in the underpass, subway tunnel, city tunnel, and the research trends and application prospects were discussed.
Key words: urban underground space; non-circular shield; research status; engineering application
当前,盾构工法向大断面化、大深度化、长距离和小半径化、异形断面等方向发展,是地下空间开发利用的主流施工技术[1]。常用的盾构隧道掘进机为圆形,主要是圆形结构受力合理,施工摩阻力小,即使盾构机头发生旋转影响也不大。但是圆形隧道断面空间利用率低,尤其在人行地道和车行隧道工程中,矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。通常,工程费用与掘削断面呈正比例。由于环境条件的制约,要求能够兼顾使用功能,并尽量减少隧道断面面积。根据这样的需要,就此不断研发了MF、DOT、H&V等多圆形、自由断面、MMST、偏心多轴等异形断面和扩大、球体等的盾构工法,并应用到各种实际工程中。从掘进原理和开挖面稳定机理来看,异形盾构工法和圆形盾构法差别不大。但由于盾构机体型的变化以及配置设备的不同,造成二者施工工艺上的差异,主要
收稿日期:2016?10?08
通信作者:孙统立(1978?),男,江苏沛县人,高级工程师,博士,从事隧道与地下结构工程设计及施工技术研究;E?mail:
tlsun@http://www.70edu.com
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铁道科学与工程学报 2017年9月1960
表现在盾构刀盘型式、注浆体系、土体扰动机理、盾构机不允许旋转、异形断面隧道衬砌结构受力特征等[2]。日本在城市地下空间开发与利用走在世界的前列。1986年,日本日立造船株式会社为日本熊谷组承包商制造了世界上第一台双圆泥水加压式盾构,并应用于日本东京的京叶线京桥隧道,成功开创了双圆盾构法的施工先例。20世纪90年代,日本的隧道盾构技术进入了“多元复合型”的全新时代[2]。为了提高地下空间的利用效率、降低建设成本,1990年,第一台水平双圆(MF型)盾构应用于京叶线东京地下车站,双线区间隧道建设施工取得成功,从而引发了日本隧道盾构掘进机的革命。垂直双圆型、水平三圆型、局部扩掘型、水平与垂直自由组合型、球型、马蹄型和四圆组合型等多种形式的高性能复合型盾构掘进机开始研制与开发,为地铁的区间隧道和车站的暗挖施工建设,创造了极好的条件。第一台“水平三圆盾构”在大阪地铁7号线新大阪副都中心车站的暗挖施工建设中的成功,谱写了世界地铁建设史的新篇章。在国内,2004年,上海轨道交通M8和M6线率先引进双圆盾构工法,开创了我国异形盾构工法施工的先河。随后双圆盾构应用于上海轨道交通10号线、2号线东延伸段工程中。
1 异形盾构工法国内外研究现状
1.1异形盾构模型试验研究
Matsumoto等[3]进行了多圆断面盾构掘削特性的试验研究。试验表明,多圆盾构(横向或纵向)具有良好的开挖面稳定性以及掘进中刀盘扭矩和千斤顶推力要比建造同样双线隧道的大单圆盾构更小。Sonoda等[4]开发了H & V盾构,该盾构工法可以根据线路走向的需要使用旋转装置使多圆形开挖断面由水平—倾斜—垂直的螺旋旋转,或者相反,以及由多圆形断面分叉为分离的单圆隧道。现场掘进试验表明,该工法引起的70%~80%地面沉降出现在盾构机通过阶段,地面沉降特征或多或少与单圆隧道类似。Kashima等[5]为了开发DPLEX盾构,进行了盾构和管片模型试验,并为此制备了四种典型模拟地层—松散细砂、压密细砂、砾石及夹有大卵石的砾石层。DPLEX(任意断面)盾构法是采用带有平行链式开挖机构的盾构去开挖各种断面形状(矩形、椭圆形等)隧道的盾构施工工法,DPLEX 衬砌管片是用由不同曲率半径的曲线断面拼合而成的圆角矩形。20世纪90年代末,日本掀起了开发异形断面盾构的高潮,先后进行了矩形、椭圆形、双圆形、多圆形隧道盾构机的试验研究和工程应用,取得了瞩目的成绩,其试验研究主要侧重于盾构机的掘进试验,用以测试各种新型盾构开挖面的稳定性、刀盘扭矩、千斤顶推力等参数、地层的适应性、对地面沉降的影响等。
1.2异形盾构施工扰动土体位移特征
周文波[6]研究了软土地区双圆隧道掘进施工引起的土体变形、水土压力等环境影响的变化规律,通过实时监测,结合盾构施工参数的分析,为地层变形控制施工参数优化提供可靠依据。朱洪高等[7]基于双圆盾构隧道的施工特点,运用土体位移叠加法,研究了双圆盾构隧道引起的土体地表沉降的特性。结果表明:双圆盾构隧道的地表沉降槽的形态与圆形盾构隧道相似,双圆盾构隧道的地表沉降量大,影响范围广,双圆盾构隧道的地表沉降与埋深和直径之比有关。宋博[8]结合国内第一条双圆盾构区间隧道(上海M8线),对双圆盾构隧道施工引起的地表沉降特征进行了分析,从考虑地层损失的角度建立了一种半理论、半经验的地表沉降预测方法,并采用三维有限元程序进行数值分析。周文波[9]通过双圆盾构施工的现场动态试验,测试盾构推进不同阶段的地面变形、水土压力、土体分层沉降及水平位移,以及管片拼装过程中施工荷载、管片内力及变形;采用基因表达式分析双圆盾构法隧道施工地面沉降纵向和横向沉降槽形态,采用分级神经网络进行隧道施工地面沉降预测,构建自评价多模型优化模型,给出了双圆盾构法隧道施工中各种不同计算模型的竞争机制。陈馈等[10]依托于郑州中州大道下穿工程,对超大断面矩形盾构顶管进行了选型分析和适应性设计,对施工中的重难点,如盾构始发与到达、土体沉降控制、姿态控制等方面进行了分析,提出了矩形盾构施工控制措施。汤继新等[11]以宁波轨道交通3号线一期出入段线工程为背景,采用三维数值模拟类矩形盾构的掘进过程。研究结果表明:类矩形盾构地表沉降曲线类似Peck 曲线,深层土体沉降呈“W”型;最大水平位移发
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生在距隧道边缘约3.5 m(约0.5H)处;施工中适当提高土舱压力,并采用凝结时间短、凝结后弹模高的同步注浆材料,有利于控制地层变形。
许多学者在单圆盾构隧道研究的基础上,采用理论分析、现场监测、数值模拟等手段,对双圆、矩形盾构掘进引起的地层变形、地面沉降、土体扰动特征、环境土工影响等进行了深入的研究[2],为异形盾构施工引起的地层变形预测提供了一定的参考。
1.3异形盾构隧道衬砌结构受力特征
宋博[8]运用梁-弹簧模型对双圆盾构隧道衬砌在上海特定的水文、工程地质条件下的力学特性进行计算,并针对实际选用的管片形式进行了1:1的模型试验,试验中测定了管片的变形、管片接缝张开角的变化以及管片的整体变形情况。试验证明管片的强度、接头形式以及环的整体刚度满足设计要求。楼葭菲[12]针对双圆盾构隧道衬砌管片的结构特点和使用阶段的受荷情况,推导出用自由变形的均质圆环模型计算双圆盾构法隧道衬砌内力的解析公式,结合有限元方法和相关模型试验资料分析管片形式、管片外形特征等参数对衬砌内力的影响规律。袁金荣等[13]采用修正惯用法与梁-弹簧模型对上海地铁M8线实际工程采用的双圆盾构衬砌进行了分析对比,重点讨论了计算中各种设计参数对计算结果的敏感性。结果表明,不同的设计参数对结构计算结果的影响程度各不相同,对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略,否则计算结果将偏于不安全。胡欣雨等[14]对目前国内所采用的双圆盾构内力计算模型(自由变形均质圆环模型、梁-弹簧模型)进行综合分析,并进行了对称荷载作用下荷载结构法与地层结构法的对比。计算表明,最大负弯矩出现在中间立柱上、下方的两圆交接处或横向宽度最大处,最大的正弯矩出现在结构上、下方竖径最大处附近,中间立柱受轴力几乎最大,结构受剪力较小。孙巍等[15?16]以上海虹桥临空园区10-3、11-3地块地下连接通道工程为背景,对矩形盾构隧道的结构受力进行了论述。研究表明矩形盾构法隧道由于形状的关系,管片接头需要承受较大的弯矩与剪力,通过结构性能试验,采用钢?砼复合管片的结构形式可以满足隧道的受力要求。
与传统的单圆隧道相比,双圆型、矩形断面受力复杂,尤其是中间立柱与顶底部管片连接处,容易出现应力集中。对于矩形隧道,因其断面跨度大、管片分块多、防水问题突出,其衬砌结构受力特征、对地层参数的敏感性、环向接头刚度的影响等,还需要进一步的研究。
2 异形盾构施工控制技术及其应用
2.1双圆盾构施工土体扰动机理
双圆盾构掘进土体扰动呈现区域性时段性的特征,其扰动特征与单圆盾构存在类似之处,由于其体型变化、施工工艺的不同,不可避免地存在着机理的差异[2, 17]。表现在:1)双圆盾构采用辐条式刀盘,直径达φ550 mm的刀盘对土体切削扰动极大,若土仓内土体的塑流性能较差,无法及时补偿辐条旋转后出现的建筑空隙,将引发盾构正面及上方土体的涌入,导致地面变形;2) 双圆盾构上下海鸥块处易产生背土、挤土现象,造成盾构背部土体整体向前上方位移,导致地表尤其是深层土体呈现先隆后沉的现象,地面沉降较为严重;3) 由于双圆盾构固有的体型特征,盾构机在掘进过程中,易发生自旋,将进一步增加地层损失;4) 双圆盾构同步注浆采用双液浆、二点式注浆,注浆孔设在盾构中轴线上下两凹槽处,当盾构在淤泥质粘土层中掘进时,土体迅速向建筑空隙内坍塌导致注浆材料无法及时填充到位,导致地面沉降过大。5) 双圆盾构在拼装过程中,海鸥块和中间立柱的就位困难,经常出现管片被局部压碎的现象。同时,保持两圆的真圆度也较难,由此产生额外的管片椭圆变形,造成管片受力不均以及额外的土体沉降。
2.2双圆盾构施工地面沉降控制技术
由于双圆盾构固有的施工特点,如采用辐条式刀盘、双液二点式注浆体系、海鸥管片上方的背土、挤土效应、盾构机不允许出现旋转等,在进行地面沉降控制、特别是穿越浅覆土层、地下管线、地下建(构)筑物时应采取相应的对策,加强监测,及时反馈施工信息,实行信息化施工。
控制双圆盾构地层变形的主要技术措施为[2]:1) 设定与外部原状土相当的土压力值,减少对正面及上部土体的扰动;2) 进行土体改良,增加土仓内土体的塑流性能,及时填充辐条转动留下的建筑空
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隙;3) 利用盾构中心顶部的注浆孔及时填充润滑材料,减少凹槽处的背土现象;4) 进行壁后注浆,确保浆液及时填充盾构与管片间的建筑空隙;5) 设置有效的土层变形监测点,及时监测并同步反馈至盾构控制室,以便进行施工参数的调整。
实践证明,双圆盾构应配以“添加剂工法”,在黏性土层中施工可以把水作为添加剂,在砂性土层中施工可以把泥浆作为添加剂;可以将目前的二点式注浆位置改进为四点或六点式注浆位置,则其对于地面沉降的控制将会有更好的效果。采取同步注浆、后续补压浆、正面土压力正确设定、精心施工完全可将地面沉降控制在“+1,?4 cm”范围内,甚而更小,同时深层土体扰动也可以大大减小。
2.3双圆盾构施工旋转控制技术
在单圆盾构施工过程中,即使盾构机发生旋转,也不会影响建成隧道的使用功能。但在双圆盾构掘进中,若盾构机发生旋转,则会产生左右圆隧道的高低差以及中间立柱的倾斜,将严重影响线路参数和隧道限界,并对隧道结构受力不利,这是双圆、矩形及其他异形盾构工法施工控制技术的关键问题之一。
双圆盾构机纠偏具体包括平面、高程和旋转纠偏3部分。由于双圆盾构机横向尺寸加大,在偏转角度相同的情况下,其纠偏量会明显大于单圆盾构,因此可能会引起较大的地面沉降。在双圆盾构机掘进过程中,应坚持“勤测”、“勤纠”、“少纠”的原则,使盾构均衡施工。
修正双圆盾构机旋转的主要施工控制措施,如下表所示。综合以上旋转纠偏措施,在上海淤泥质黏土地层中,以压重效果最好[18]。
表1 纠偏对策评价
Table 1 Evaluation of rectification measures
技术措施使用时期需要时间需要费用使用效果备注
盾构机内压重发生之后大大大费时
使用纠偏千斤顶盾构机制造时(发生后) 小小小有时会伴随发生管片的偏转使用仿形刀进行超挖发生之后小小小有时会导致沉降加大使用单侧螺旋机出土发生之后小小小严重影响施工进度
改变注浆位置及浆量分配比例发生之后小小中对于改变隧道旋转效果明显大刀盘单侧加泥发生之后小小小
调节分区域千斤顶的压力发生之后小小小
台车牵引力变化发生之后大中小
2.4异形盾构在深埋地铁车站中的应用
随着城市轨道交通线网形成以及地下空间开发利用深度的增加,寻求建造深埋地铁车站的新技术,是地铁工程必须面临的一个新课题。
传统的盾构法车站是采用单圆盾构或单圆盾构与半盾构结合或单圆盾构与矿山法结合修建的。用MF盾构施工车站隧道,同传统的盾构挖掘圆断面双线隧道相比较,除施工安全进度快之外,还具有下述优点[2]:1) 能有效地利用盾构机,降低建设费用约14%(减少隧道高度、增加宽度、减少开挖断面等);2) 不占用地面道路,建设费用及环境影响最低;3) 安全性好,抗震性提高;4) 工期缩短;
5) 受环境制约小,对周围地层的变位影响小。
日本是最早研制和应用多圆形盾构法修建地下工程的国家,利用此法已建成东京地铁京叶线京桥隧道,地铁七号线白金台工区区间车站等[19?20]。多圆形盾构用于建造地铁车站时,有使用MF盾构建造岛式站台,以及运用可分离式三连体盾构或四心圆盾构建造侧式站台3种盾构掘进机型式,表2所示。该方法可以解决在城市繁华地区难以确保施工用地或其拆迁费过高的问题,而且可以在高地下水位超深埋条件下安全施工;但是相对于明挖、暗挖工程来讲,采用此工法将大幅增加盾构机的购置费用,其施工工艺、施工管理的要求也远高于单圆盾构。
国内通过对上海轨道交通M8线,M6线,10
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号线和2号线东延等多项工程的积累,对双圆盾构的施工扰动机理、地面沉降控制、盾构机旋转等方面,积累了较为成熟的经验;对于矩形盾构的施工扰动机理、环境土工影响,还需要工程实践的进一步积累。
3 异形盾构工法应用实例
日本在20世纪80年代开发应用了矩形隧道,在20世纪90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构,并完成了多条人行、公路、铁路、地铁、排水、市政共同沟隧道等,使异形盾构技术日益成熟。在双圆盾构技术领域内,三菱重工、石川岛播磨、川崎重工和日立造船等公司已经将该技术成功地应用于地铁和道路工程,代表了盾构隧道的最新发展方向[2]。
国内,上海隧道工程股份有限公司于1995年开始研究矩形隧道技术,1996年研制1台 2.5 m×2.5 m可变网格矩形顶管掘进机,顶进矩形隧道60 m,解决了推进轴线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月,上海地铁2号线陆家嘴站过街人行地道采用1台3.8 m×3.8 m组合刀盘矩形顶管掘进机施工,掘进距离124 m。2004年,上海轨道交通M8和M6线率先引进双圆盾构工法,开创了我国异形盾构工法施工的先河。
2014年,郑州红专路下穿中州大道隧道采用世界上最大矩形断面盾构顶管(10.12 m×7.27 m)顺利贯通,掘进长度110 m,地面沉降控制在3 cm以内[10]。
2015年,上海虹桥临空园区10-3和11-3地块地下连接通道工程中,首次应用矩形盾构机(10.1 m×5.3 m),通道开挖断面为9.75 m×4.95 m,掘进长度约28 m[21]。
2015年,世界最大断面土压平衡矩形盾构机在宁波轨道交通3号线一期工程中应用[22],开挖断面尺寸为11.83 m×7.27 m,该盾构在异型多刀盘切削系统、推进系统、防背土装置等核心技术方面实现了突破。
国内异形盾构工法主要工程实例[23]如表2所示。
表2 异形盾构工法工程实例
Table 2 Application examples of non-circular shield method
建设时间/年盾构类型工程应用1995 矩形顶管2.5 m×2.5 m 上海浦东南汇航头地区试验工程
1999 矩形顶管3.8 m×3.8 m 上海地铁2号线陆家嘴站过街通道
2004 双圆盾构(DOT) 上海轨道交通M8,M6,10号线和2号线东延伸段2004 矩形顶管6 m×4 m(DPLEX) 宁波市开明街-药行街地下通道
2014 矩形顶管10.12 m×7.27 m 郑州下穿中州大道隧道
2015 矩形盾构10.1 m×5.3 m 上海虹桥临空园区地下通道
2015 类矩形盾构11.83 m×7.27 m 宁波轨道交通3号线出入段线
4 异形盾构工法研究动向及前景
我国在盾构机研制方面已有多年经验,20世纪90年代以来,自主研发了挤压式盾构、气压式盾构,重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作。目前,国内许多企业,如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和沈阳重型机械集团公司等单位相继开展了盾构设备的研制和相关技术的开发。
与国外相比,我国现代盾构机的研制在适应性设计、系统集成技术和关键元配件的生产制造等方面,存在着一定的差距[24]。英、德、日、法和美等国,在长期的理论和实践过程中,形成了一整套针对本国隧道地质条件的盾构设备设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据,包括掘进机刀盘形式、刀具选型和布置、出土形式等,同时也逐渐形成了安装和调试的系统技术。尤其是日本,依赖于盾构技术的发展,除了目前能用盾构开发出各种异形空间外,还提出大深度开发地下空间的种种构想,包
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括建造地下城市,深度常常达到地下百米以上(如图1所示)。
图1 城市深层地下空间开发
Fig. 1 Urban deep underground space development
目前,上海城区深层地下空间的利用已开始起步,地铁四号线修复工程基坑开挖深度达41.5 m,正在建设中的北横通道工程其利用地下空间的深度也已达48 m,可以预见异形盾构工法将在城市深层地下空间开发利用中发挥更大作用。
近年来,国内开展了对双圆、矩形、多圆盾构、偏心多轴式刀盘(异形)盾构的研究[2],进行了相关的模拟试验,这些课题的研究为我国异形盾构工法的进一步开发应用提供了技术储备。
5 结论
1) 双圆盾构、矩形盾构、异形盾构工法代表着当今盾构技术的发展方向,不但可在地上、地下空间密集的闹市区推广使用,还可在此基础上进而开发应用多圆盾构进行地下侧式或岛式深埋地铁车站施工,以及应用多圆盾构建造多车道城市地下道路隧道等,因而在我国有着广阔的应用空间,需要进一步加大研究力度,以提供更多的技术储备。
2) 对于异形盾构工法,因其断面形状复杂、结
构跨度大、管片分块多、防水问题突出,其衬砌结
构受力特征、施工扰动土体位移特征、环境土工影响、施工控制技术及应用等,还需要进一步的研究
和工程实践经验的积累。
3) 对于异形盾构工法的研究,应结合已建或在
建地下工程为依托,进行设备制造、设计、施工、科研一体化的研究,通过理论分析、室内试验、现
场监测、数值模拟等多种手段,解决异形盾构工法
应用中的关键技术问题,为其进一步应用提供经验
积累。如在宁波轨道交通3号线出入段线、2号线
二期工程中,即采用了设计、施工、科研总承包的
模式,以联合体进行类矩形盾构工法的一体化
研究。
4) 目前双圆盾构、矩形顶管、矩形盾构已逐渐
应用于我国的城市地下工程中,尤其对于矩形盾构
工法的研究方兴未艾。应加大对于异形盾构工法的
国产化研制力度,着手如三圆盾构、子母盾构等异
形盾构的前期研究,推动异形盾构工法在地下工程
各种特殊条件下的应用,探索采用三圆盾构修建地
铁车站的可行性方案。
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