朱瑶宏， 朱雁飞 ， 黄德中， 杨志豪， 柳 献， 刘 爽

(1. 宁波市轨道交通集团有限公司， 浙江 宁波 315101； 2. 上海隧道工程有限公司， 上海 200232；3. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院， 上海 200235； 4. 同济大学， 上海 200092)

类矩形盾构法隧道关键技术研究与应用

朱瑶宏1， 朱雁飞2， 黄德中2， 杨志豪3， 柳 献4， 刘 爽2

(1. 宁波市轨道交通集团有限公司， 浙江 宁波 315101； 2. 上海隧道工程有限公司， 上海 200232；3. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院， 上海 200235； 4. 同济大学， 上海 200092)

在宁波地铁4号线工程中，创新采用“科研—设计—施工一体化”的管理模式，开发了“轨道交通类矩形盾构隧道”技术体系。该技术体系在类矩形盾构法隧道的衬砌结构设计方面，解决了管片设计、结构优化等问题；在类矩形盾构方面，开发了全断面切削刀盘与驱动系统、壳体铰接与密封、环臂式拼装机等技术；在施工技术方面，研究了同步注浆技术、管片拼装仿真与工艺优化、盾构轴线控制等关键技术。这一新的技术体系将为我国地铁建设提供一种全新的单峒双线隧道类型，以解决都市核心区和老旧城区“地下空间摆不下、邻近设施碰不起”的普遍问题。

类矩形盾构； 衬砌结构设计； 全断面切削； 环臂式拼装机； 管片拼装； 同步注浆

Abstract: The management mode of scientific research-design-construction integration is adopted in Line No. 4 project of Ningbo Metro; and the technical system of railway transit quasi-rectangular shield tunnel is developed. By adopting the above-mentioned technical system, the problems of segment design and structural optimization have been solved. The full-face cutterhead and driving system, shield hinging and sealing technology and ring-arm segment erector have been developed. The simultaneous grouting technology, segment erection simulation and technical optimization and shield axial line control have been studied. A new kind of single-tube double-line tunnel will appear to solve the problem of limit underground space in core districts of cities in China.

Keywords: quasi-rectangular shield; lining structure design; full workface excavation; ring-arm segment erector; segment assembling; simultaneous grouting

0 引言

作为一座具有1 500余年历史的古城，宁波市随着城市建设的不断发展，地下空间利用率问题逐渐突显。老城区道路狭窄、交通繁忙、两侧基础较差的老旧建筑密集等情况，导致轨道交通建设面临地下空间狭小、施工期建构筑物保护、运营期振动噪音控制、后续地下空间开发区间隧道保护等诸多难题，这也是我国古城、老城区面临的共同难题，制约着老旧城区和既有都市核心区的可持续发展[1]。

通过评估，现有的常规软土地区地铁区间隧道技术体系难以满足宁波市狭小空间的线网布设和日益苛刻的环境保护要求，所以必须针对性、系统性地开发新的技术体系，以保证隧道建设的可持续发展。

2015年，在宁波地铁4号线工程中，针对该工程在狭小地下空间内的施工和环境保护要求，创新采用“科研—设计—施工一体化”的管理模式，开发了“轨道交通类矩形盾构隧道”技术体系。该技术体系主要研究课题如图1所示。本文在撰写之前，前3项课题研究已完成，具体内容见表1，后3项课题为深化扩展课题，目前正在研究中。本文拟从工程技术角度对宁波地铁4号线工程的主要研究成果和应用情况进行总结，以供业内人士参考。

图1 类矩形盾构法隧道技术体系

表1 类矩形盾构研究课题的主要内容

1 类矩形盾构法隧道的定义与特点

“类矩形”在隧道领域是一个新术语，其含义相当于日本文献所称的“复合圆形盾构”，其断面由数条光滑、可导的曲线构成，形成类似于矩形的封闭轮廓。图2为东京地铁副都心线神宫前—涩谷区间复合圆形盾构法隧道。宁波地铁类矩形盾构法隧道限界和结构如图3所示。不同隧道结构效率和空间利用效率对比见表2。可见，类矩形盾构法隧道在结构效率和空间利用效率方面比较平衡； 与矩形断面相比，占用空间略大，但结构厚度大幅减小；与普通圆隧道和单峒双线大型圆隧道相比，大幅减小了占用的地下空间，但结构厚度略有增加。与21世纪初引入我国的双圆盾构相比，类矩形盾构法隧道有可能局部区段不设中立柱，空间使用具有更好的灵活性和发展潜力，例如可在区间内设渡线或存车线，亦可作为车站主体的一部分。

(a) 几何截面

(b) 隧道断面(单位： m)

Fig. 2 Combined-circles shield tunnel on Fukutoshin Line of Tokyo Metro

图3 类矩形盾构法隧道限界和结构图(单位： mm)Fig. 3 Boundary and structure of quasi-rectangular shield tunnel (unit: mm)

表2不同隧道结构效率和空间利用效率对比

Table 2 Comparison between structural effectiveness and space utilization effectiveness of different tunnel structures

对比方面隧道类型普通圆隧道单峒双线圆隧道双室矩形隧道类矩形隧道 主要结构厚度/m0．350．51．00．45 结构外包尺寸/m2ϕ6．2ϕ11．211．5×7．511．5×7．5 地下空间占用范围宽：21m高：9m宽：13．5m高：13．5m宽：14．5m高：10．5m宽：14．5m高：10m

注： 1)以B2型车、最高车速80 km/h计； 2)以中等埋深估计，矩形取地下连续墙围护，复合墙明挖法隧道； 3)以区间隧道两侧1.5 m不允许其他建构筑物侵入计。

2 衬砌结构

2.1管片设计

出于对经济性的考虑，常规类矩形盾构区间隧道衬砌采用设立柱的钢筋混凝土管片(掺钢纤维)，设计最大顶覆土厚度>25 m，限界按B2鼓型车考虑，兼顾A型车要求，特殊段采用钢或钢混复合管片后具备取消立柱的能力。

综合平衡结构受力要求和管片回转、拼装空间，将衬砌环全环分为11块，混凝土管片厚度为450 mm。环间采用错缝拼装，管片环、纵向连接分别采用40根M36铸铁手孔短螺栓和30根M30斜螺栓，通过采用A型和B型衬砌环交错拼装形成错缝，见图4。

图4 类矩形盾构管片(单位： mm)

2.2结构试验与优化

作为一种新型隧道衬砌结构，除了进行常规的管片接头力学性能试验和弹性密封垫防水性能试验外，在管片定型生产前，还应进行整环力学性能试验。

根据断面特点，整环力学性能试验采用轴对称加载方式，30点加荷油缸反力作用于大刚度钢框架，除重力场影响外，与设计计算荷载基本一致。试验场景见图5。

图5 试验场景Fig. 5 Test field

首次整环试验表明，结构设计完全能够满足强度和刚度的要求，在此基础上对结构进行了进一步优化，将正弯矩区螺栓中心位置向内弧面方向移动50 mm，负弯矩区螺栓中心位置向外弧面方向移动50 mm。经第2次整环试验验证，这一看似简单的优化措施效果非常明显，在不增加配筋的情况下，显著提高了衬砌极限承载能力。设计17 m覆土的中埋管片，经改进后，极限荷载可提高到相当于30 m覆土(均为结构裂缝控制)，如图6所示。

图6 整环试验荷载-变形图

整环试验还模拟了隧道两侧卸荷的运营扰动工况。试验结果揭示，类矩形盾构隧道即使两侧完全对称卸荷，隧道仍然能够保持稳定，裂缝宽度也未超过0.2 mm。这是由于类矩形隧道设置了中立柱，且断面高宽比很小，侧向土体压力对隧道结构稳定的贡献远小于普通圆隧道。这一特点意味着类矩形盾构隧道对邻近深基坑施工扰动的抵抗能力远高于普通圆隧道，对地铁沿线的后续地下空间开发具有现实意义。

2.3现场实测与分析反馈

试验工程中，在其中2环衬砌内布设了钢筋应力/螺栓应力和应变片，测得了实际工况下管片的内力情况。图7为试验工程第56环实测数据反算轴力、弯矩与计算、试验结果的对比。可见，由于试验采用水平放置的方案，轴力偏差略大，而弯矩的误差非常小，证明设计荷载取值非常准确，结构计算模型与实际工况符合度很高。

图7 第56环实测数据反算轴力、弯矩与计算、试验结果

Fig. 7 Axial force and bending moment back-calculated from test data of ring No. 56 and results of actual test

3 类矩形盾构

3.1设计指标

类矩形盾构技术体系主要应用于城市核心区和老旧城区的地铁建设。针对这一需求，类矩形盾构的总体设计要求和指标如下： 1)采用土压平衡模式，外包尺寸为11.83 m×7.27 m，具备浅覆土和超浅覆土施工能力； 2)最大顶覆土不小于25 m； 3)最小转弯半径<350 m； 4)系统性强化沉降控制能力； 5)确保长距离推进的设备可靠性； 6)具有富水软土地区普遍的地层适应能力； 7)施工效率与普通盾构相当。

经试验工程验证，类矩形盾构达到了上述指标要求，刀盘、壳体铰接和拼装机设计都具有创新性。

3.2全断面切削刀盘与驱动系统

目前国内设计的矩形顶管、盾构大多采用多刀盘近似全断面切削的方案，这一类型的盾构于1984年自日本引入国内，最早应用于上海芙蓉江路泵站排水系统。其成本低廉，在比较均匀的软土中也有很好的沉降控制能力，但断面内若遇到黏土—砂土地层交界面，则容易出现进土不均、轴线控制难度大等问题，且在加固区内推进速度非常缓慢，在日本属于已淘汰技术。

为提高类矩形盾构的地层适应能力和沉降控制能力，必须采用100%全断面切削的刀盘。根据类矩形盾构的特点，借鉴具有长期使用经验的双圆盾构和偏心多轴刀盘矩形顶管，形成前后错层布置的“2X+I”刀盘方案。其中，“X”为辐条式主刀盘，双刀盘并列于前方；“I”为4曲轴偏心多轴刀盘，布置于主刀盘后方，完全填补主刀盘的切削盲区。类矩形盾构刀盘布置如图8所示。

图8 类矩形盾构刀盘布置Fig. 8 Layout of cutterhead of quasi-rectangular shield

这一刀盘与驱动系统最大的设计难题在于“2X”刀盘的运动同步控制。由于左右两侧地层差异和机械结构不可能完全一致，两侧刀盘会逐渐产生相位差，达到一定程度时可能会发生刀盘碰撞的致命后果。为此，利用实体驱动总成模拟各种工况进行试验，最终通过自主研发的软硬件实现了在双刀盘运动中闭环控制相位差，实时动态调整，比日本双圆盾构超差停机、静态调整的方法更加高效。

这一新型刀盘系统在试验工程中经受了考验，在单轴抗压强度大于1 MPa的进出洞加固区、拔桩后回填的软硬不均匀地层、承载力仅40 kN/m2的淤泥质地层均实现了顺利推进。

偏心多轴刀盘存在坚硬地层切削速度低、刀盘后方搅拌作用差等缺点，国外目前基本不再采用。随着新一代软件控制异形刀盘驱动技术的研发，未来有望进一步提高全断面切削异形刀盘的地层适应能力，扩大适用范围。

3.3壳体铰接与密封

类矩形盾构既要适应老城区线路曲折多变，转弯半径往往接近规范极限的要求，又要尽量减少小半径曲线推进时的地层损失；因此，必须设置壳体铰接结构。

类矩形盾构的横径达到了11.83 m，铰接系统行程差较大，异形壳体加工精度也比圆盾构更难以控制，对密封材料要求更高，在以往类似的矩形顶管中出现过铰接密封渗漏的问题。

经过多方案比选和密封结构实际耐压能力测试(见图9)，最终选用左右行程1.0°、上下行程1.5°、总推力8万4 800 kN的主动铰方案。密封系统包括1道齿型密封、1道可更换应急密封以及止浆钢板刷。其中，可更换应急密封经测试在主密封完全失效的情况下可单独抵抗0.3 MPa的水压，且可从盾构内部更换，进一步提高了施工安全性。

图9 密封结构实际耐压能力测试Fig. 9 Test of compressive strength of sealing structure

3.4环臂式拼装机

从表面上看，类矩形盾构与双圆盾构有相似性，可以沿用双圆盾构的拼装机。实际上，类矩形盾构隧道具有拱顶和仰拱，普通拼装机径向行程无法满足“T”型块拼装要求，同时，整体拼装的立柱长度达5 220 mm(双圆盾构仅3 500 mm)，在隧道空间内必须进行复杂的翻转运动才能竖起和插入，套用双圆盾构的双头拼装机也无法满足拼装要求。

经多方案比选，采用全新结构的六自由度环臂式拼装机，如图10所示。这种拼装机结构本质上是回转盘体上附着一只多自由度机械臂[2]，所以能够在占用空间不变的情况下大幅度提高工作范围，完成管片拼装。

图10 六自由度环臂式拼装机[3]Fig. 10 Ring-arm segment erector with 6 free degrees[3]

环臂式拼装机的新构造带来了控制方面的困难。普通拼装机轻易可实现的圆周径向运动，而环臂式拼装机必须采用盘体回转和机械臂摆动2个运动叠加拟合；因此，必须开发自动控制系统，以便于工人操作。此类协调不同类型动作机构的重载、高精度伺服控制系统研制较为困难，经多次模拟试验，最终投入使用的控制系统已经达到直线运动时波动不超过0.5 mm的拟合精度，且具有半自动控制功能，可按程序将管片大致送到拼装位置，定位精度±100 mm，为日后加装闭环控制，实现全自动拼装打下了基础[4-5]。

由于“科研—设计—施工一体化”的管理模式带来的高效率，加上研究团队有比较丰富的技术积累，类矩形盾构装备研发设计仅耗时3个月，9个月内首台样机即完成厂内验收。日本专家对此评价道： 日本研制此类盾构并不困难，但在9个月内完成是不可能的。

4 施工关键技术

与普通盾构和双圆盾构施工技术相比，类矩形盾构施工既有普遍性也有特殊性，相应施工技术的研究和应用可分为2个层次。首先，解决新型隧道的基本施工工艺问题，包括轴线和转角控制、管片拼装优化、同步注浆等问题；其次，在双圆盾构施工经验基础上进一步提高沉降控制能力，解决好宁波地区盾构隧道普遍存在的隧道上浮问题，以适应实际工程环境。

4.1同步注浆技术

以往双圆盾构在使用过程中暴露出地层沉降控制效果不稳定的缺点，很大程度上是由于它采用了两点注入的双液浆同步注浆工艺，不符合软弱的淤泥质地层，也不适应我国注浆材料的供应现状。

为将同步注浆系统的设计和施工从经验积累上升到理论，采用了光滑粒子流体系学(SPH)无网格分析—模拟注浆试验—现场验证的方法对同步注浆问题进行研究。

SPH模拟分析揭示，同步注浆在异形盾壳周围并非是均匀扩散的，而是与浆液材料、表面位置等因素有着复杂的关系，同步注浆点位均匀布置是不合理的。因此，类矩形盾构设置了8点非均布同步注浆管，见图11。

(a) 100 s

(b) 800 s

Fig. 11 3D grouting mode of shield tail ring of quasi-rectangular shield under standard hole position at different time zones

在数值模拟的基础上，借助国家泥水盾构工程中心试验平台，首次采用透明管节进行可视化同步注浆模拟试验(见图12)。试验清晰地验证了SPH分析得出的同步注浆“水波状”扩散规律，类矩形盾构注浆系统见图13，测得了同步注浆对成型隧道的附加荷载影响规律，如图14所示。

(a) 模拟透明管片

(b) 注浆压力采集传感器

Fig. 12 Visible simultaneous grouting simulation by transparent tube segments

(a) 注浆流淌路径

(b) 注浆孔位布置

在上述试验结果的指导下，经优化的同步注浆工艺在实际施工中效果良好，盾尾脱出后地层沉降平稳且收敛较快。同时，同步注浆有效地抑制了隧道的上浮趋势，实测隧道上浮量优于同类地层中的普通地铁隧道，一般不超过30 mm，最大不超过50 mm。

图14 同步注浆对成型隧道的附加荷载影响规律

Fig. 14 Influencing laws of simultaneous grouting on additional load of formed tunnel

4.2管片拼装仿真与工艺优化

类矩形盾构的管片设计和拼装机配置允许采取2种模式拼装管片： 最后拼装立柱的方案A和最后拼装封顶块的方案B。

在实际施工前，采用误差概率模型进行有限元计算，对方案A和方案B进行拼装效果对比，其中立柱LZ和封顶块F拼装可用间隙概率对比，见图15和图16。可见，方案B具有更好的平均拼装间隙，因拼装间隙过小，强行挤压造成管片损伤的概率更低。

(a) LZ插入间隙频率图

(b) F块插入间隙频率图

(a) LZ插入间隙频率图

(b) F块插入间隙频率图

实际施工中也是采用方案B，管片拼装时基本未发生碎裂的情况，较双圆盾构明显改善。

4.3盾构轴线控制

类矩形盾构在轴线控制方面的特点是除水平、垂直轴线控制外，还必须严格控制盾构和隧道的转动[6]。结合以往双圆盾构和矩形顶管施工的经验，先后尝试了①大刀盘正反转、②偏心刀盘正反转、③螺旋机出土量、④千斤顶编组、⑤单侧压重、⑥壳体单液浆压注等多种手段。其中，②效果不明显，③与④组合使用有一定的效果，⑥效果明显但容易产生浆液流入土舱，影响排土。最终以措施①和⑤为主，在转角产生之初尽快反转刀盘，如果趋势持续发展，可采用单侧压载措施。实际工程中将最大转角控制在14′以内。

综合应用上述措施后，施工工艺各环节均得到了有效地把控，地面沉降也得到了很好地控制，总体表现优于同类地层的普通盾构，达到了预期的目的。

5 试验工程与施工效果

试验工程位于宁波市轨道交通3号线高塘桥站南侧接出入段线，类矩形盾构段长390.3 m，区间隧道纵坡最大坡度35‰，最小平曲率半径400 m，隧道顶部埋深2.5～10.46 m，如图17所示。

隧道断面内主要地层均为软土，其中大部分断面位于流塑状②2a层淤泥、②2b层淤泥质粉质黏土层，承载力极低，灵敏度高，如表3所示。

图17 试验工程纵剖面图Fig. 17 Profile of project

表3 矩形盾构段及明挖段各土层物理力学指标Table 3 Physico-mechanical indexes of every soil layer of quasi-rectangular shield-bored section and open-cut section

试验段盾构掘进共计326环，共分为8个试验段，如图17所示。其中包括400 m半径曲线推进、流塑淤泥质地层浅覆土推进(<3.5 m)，极浅覆土穿越河流推进(设抗浮板，<2.5 m)，浅覆土下穿使用中的正宇电机厂房(3层砖混结构，条形基础)等困难工况的施工。2015年11月30日类矩形盾构始发，中途由于接收井场地协调问题，经历了数次停顿，于2016年11月11日盾构进洞，工程达到了预期效果，体现在：

1) 成型隧道平面、高程偏差均控制在±100 mm以内，横向、纵向收敛累计变量全部控制在±5 mm以内，后期沉降稳定。

2) 隧道质量优良，达到一级防水标准，隧道贯通后实景见图18。

3)沉降控制效果优于宁波地区普通盾构施工水平，如盾构在正宇电机厂正下方穿越后长期沉降控制在30 mm以内，如图19所示。

图18 隧道贯通后实景Fig. 18 Completed tunnel

图19 试验段沉降情况(2016年)Fig. 19 Settlements of test section in 2016

6 结语

目前，类矩形盾构法隧道技术体系研究的第一阶段内容已经完成验收。该台类矩形盾构“阳明号”在完成试验工程之后，经过升级改造并在宁波地铁4号线穿越老城区的区间内正式掘进。而另外一台类矩形盾构“阳明2号”已经完成加工制造，等待投入宁波地铁2号线2期工程中。可以期待不久的将来，这一新的技术体系将为我国地铁建设提供一种全新的单峒双线隧道类型，以解决都市核心区和老旧城区“地下空间摆不下、邻近设施碰不起”的普遍问题。

此外，本项目所采用的“科研—设计—施工一体化”模式所体现的科技成果转化高效率是罕见的。找到了从装备研发入手，打破设计、施工、装备制造之间的行业隔阂，高速推动我国地下工程技术迈向世界领先水平的方法。

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DevelopmentandApplicationofKeyTechnologiestoQuasi-rectangularShieldTunneling

ZHU Yaohong1, ZHU Yanfei2, HUANG Dezhong2, YANG Zhihao3, LIU Xian4, LIU Shuang2

(1.NingboRailTransitGroupCo.,Ltd.,Ningbo315101,Zhejiang,China; 2.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China; 3.ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200235,China; 4.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

U 45

A

1672-741X(2017)09-1055-08

2017-04-17;

2017-08-25

朱瑶宏(1960—)，男，浙江宁波人，1986年毕业于西南交通大学，铁路与桥梁工程专业，硕士，教授级高级工程师，主要从事铁路、桥梁、隧道工程等领域的安全技术工程管理及施工技术研究工作。E-mail: 406905816@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.001