刘波

摘 要：在现阶段城市开发建设中，以大断面矩形盾构工程的发展建设最突出，但是大断面矩形盾构的一些工程设计与关键技术仍存在很大缺陷。为解决地铁隧道大断面矩形盾构设计与施工技术问题，研究将以某工程为基础进行大断面矩形盾构施工设计与施工关键技术研究，解决管片设计、组合、施工以及防水等问题，以期为相关人员或相关单位提供帮助。

关键词：地铁隧道;盾构设计;施工技术;管片

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0096-03

Research on Key Technologies of Design and Construction of Large

Section Rectangular Shield in Metro Tunnel

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113112）

Abstract： In the current urban development and construction， the development and construction of large section rectangular shield is the most prominent， but some engineering design and key technologies of large section rectangular shield still have great defects. In this regard， in order to solve the problems of design and construction technology of large section rectangular shield in metro tunnel， the key technologies of construction design and construction of large section rectangular shield will be studied based on a project， so as to solve the problems of segment design， combination， construction and waterproof， so as to provide help for relevant personnel or units.

Keywords： subway tunnel;shield design;construction technology;segment

地铁隧道大断面矩形盾构设计需要以盾体结构、掘进技术以及矩形管片结构优化等方向为主体。综合考虑地质适应性、环境影响以及结构特征对掘进的影响，本文设计了一套具有高度地质适应性的地铁隧道大断面矩形盾构方案[1]。

1 城市隧道掘进工程概况

浙江省宁波市地铁隧道大断面矩形盾构设计工程全长2 980 m，施工范围内软弱沉积地层居多，矩形盾构主体方向为南北设计，最小直线距离为450 m，最长直线距离为780 m，最大偏转弧度为9°，最大坡度为36.5°。施工路线多经过农田或村镇，只有部分掘进路段上层为楼宇和大型建筑。隧道穿越地层类型主要包括淤泥层、淤泥质黏土层、淤泥质粉质黏土层和粉质黏土层等。施工路线地质特征分布均匀，且掘进路线经过的土层均具有中等压缩性，压缩系数约为0.25 MPa，液性指数为0.35，顶板标高设定为-55.48～-39.57 m，设定揭露层厚为0.72～6.53 m，均厚约为3.13 m。

2 矩形盾构设计

2.1 盾体结构设计

在圆形盾壳的基础上对矩形盾壳进行受力分析。矩形盾壳因承载面积大、承载结构受力不均匀，在使用过程中容易发生变形。若盾构机盾体产生变形，则会直接影响后续的地表沉降、注浆质量以及隧道成型。此外，若通过增加钢板厚度的方式提高盾壳坚固程度，会使盾壳质量过大，造成矩形盾构主机出现栽头、吊装不平衡等问题，因此不能依靠增加钢板厚度的方式提高盾体的抗压能力。以宁波市地铁隧道大断面矩形盾构设计工程为例，对矩形盾構的超大断面薄壳设计进行分析，明确矩形盾构机盾壳受力的薄弱部位。通过建筑信息模型（Building Information Medeling，BIM）技术进行分析与建模，优化盾体结构，如图1所示。其中，箱形结构上下部设计采用微拱形结构，可以分散垂直载荷，具有较高的抗变形能力[2]。

2.2 不规则管片拼装与滚转纠偏设计

为解决矩形管片拼装环节拼装机回转空间不足、管片拼装超出回转范围、中立柱拼装困难以及盾构部件需要与拼装机协调安装等难点，将使用双管片拼装机拼装不规则矩形管片。

针对滚转纠偏问题，将通过主动铰接模式对盾构机前盾与尾盾的衔接模式进行设计。在主动铰接装置中配备24根具有高铰接能力的油缸，在矩形四边各设计1个含行程传感器的铰接油缸。通过精密的计算与分组控制设计的方式，可实现从前盾监控尾盾转动角度的效果[3-4]，并通过调整铰接油缸实现动力辅助推进系统对盾构掘进的转弯要求。

在掘进施工中或掘进后续铺设完毕后，盾构机管片会发生滚转，此时可以通过往盾体前预留的注浆孔中注入泥浆的方式实现纠偏。

3 软弱沉积地层掘进稳定性技术

3.1 控制地表沉降设计

现阶段，我国大断面矩形盾构开挖方式主要有3种，即双圆刀盘开挖、异形刀盘开挖和多刀盘旋转开挖。参考宁波市地铁隧道大断面矩形盾构设计工程案例数据，本文提出以平行轴式六刀盘作为开挖施工方案，以控制掘进过程中地表沉降现象。其间需要对尺寸方向与开挖缝隙进行重点设计。在尺寸方向设计中，开挖尺寸应当与前盾构尺寸相同，需保证小刀盘平均分布在大刀盘的前平面上，形成交叉分布形式，并在护盾内侧设置盾体切刀，以确保盾构具有较高的渣土传输能力。辐条结构刀具在处理某些土质时不易结泥饼，有利于减小刀盘的搅拌力矩。通过在每根辐条上安装搅拌棒的方式，扩大刀具搅拌区域，降低旋转刀盘对地层的扰动，实现控制地表沉降和保持土仓压力稳定的效果[5]。

设计中还需要安装一种配有承重系统和传感器的称重皮带机，方便技术人员准确计算出掘进排渣量与砂石质量[6]。

3.2 纠偏控制技术

以宁波市地铁隧道大断面矩形盾构设计工程数据为例，构建以施工地形、地质条件以及設计文件等参数为基础的盾构纠偏三维分析模型，通过计算矩形盾构机掘进时矩形管片展现的受力、变形以及地表位移等数据，总结盾构经过不同土质时矩形管片受地面压力而出现的变形大小与空间分布规律，从而为技术人员判断盾构是否出现位移或偏差提供帮助[7]。掘进过程中，技术人员可以通过数值模型的方式验证各项控制措施是否具有时效性，利用数值模型构建纠偏应急预案，在出现偏差前兆时以三维分析模型反演出偏差掘进参数，从而修正矩形盾构的偏差路线。

4 矩形管片结构优化技术

4.1 管片组合方式

设计地铁隧道大断面矩形盾构的线路拟合时，由于矩形隧道的盾构无法利用自身的旋转盾构管片实现随时掘进和随时纠偏，常规的大断面矩形盾构设计都会极力避免出现需要频繁纠偏的设计路线，多采用直线段、竖曲线段或者平曲线段作为主要设计方式。已有研究表明，现阶段矩形盾构设计的隧道衬砌分块通常分为错缝和通缝两种模式。错缝拼装设计会受到矩形隧道的挖掘特点限制，而不能像圆管隧道掘进法利用旋转拼装方式进行错缝施工，因此在矩形盾构下必须采用适当分块的方式进行拼接[8]。本文将使用平面对称设计的方式设计矩形盾构中的R型管片和F型管片。设计中：R型管片可以细分为K块（一块）、RA块（一块）、RD块（一块）、RB块（两块）、RC块（两块）;F型管片同样可以细分为K块（一块）、FA块（一块）、FD块（一块）、FB块（两块）以及FC块（两块）。在实际设计中，因为R、F型管片中同名的结构块所处位置均不相同，所以若想实现错缝拼装施工，还需要重点考虑千斤顶受力方向与楔形量的限制。R型管片与F型管片的具体分块设计如图2所示。在拼装组合不同型号的管片时，应当充分结合各分块的大小和分布位置等信息来采取相应的施工措施，从而在错缝拼装的前提下实现掘进线路的纠偏与拟合。

4.2 管片连接接头分析

管片接缝设计应当重点考虑盾构防水构造的设计，使用楔形环为管片拼装缝提供良好的防水防护。设计中需要依据常规管片接缝防水设计来规划矩形盾构管片的防水设计。以管片接缝防水设计方案为基础，在管片接缝处安装2道高弹性的密封垫，并在管片内侧预留嵌缝槽。通过实际案例可知，在管片内侧纵环缝中设计一定规律的凹凸榫槽，不但可以全面提高盾构掘进时环间的抗剪能力，而且能够增加管片连接处的刚度。在环、纵缝内侧的凹凸榫槽位置处设计定位装置，还可以提高掘进施工时的拼装精度。考虑到管片连接头处斜螺栓的结构性质，需要加强斜螺栓构件设计，以避免接头两边出现错动现象。与斜螺栓相比，直螺栓截面的抗剪面积较大，且能够承担接头处较高的剪力，所以不再对直螺栓进行加强设计。

4.3 管片分块研究

为验证设计的科学性与实用性，将在覆土厚度为15 m的施工区域进行仿真模拟实验，重点对盾构管片结构在土层压力下出现的变形进行研究。

设计管片厚度为0.45 m、幅宽为1.2 m，采用错缝拼装连接方式。由此得出的结果数据如表1所示。

从矩形盾构管片整体坚固性角度出发，可以看出A模式下的管片设计比B模式下的管片设计受力更加均匀。特别是当B模式下矩形管片在拱顶时，总体刚度较小且变形较大。本文设计的管片构造参数如表2所示。

4.4 管片防水技术设计

常规盾构设计下沟槽设计尺寸均偏小，因此盾构的实际防水能力较弱，不能真正满足特殊地形下矩形管片衔接的防水要求。本文中，沟槽的设计将以材料的变形理论为基础，通过有限元模拟水楔对矩形管片的入侵过程，全面考察水侵下矩形沟槽的防水性能变化，并结合混凝土断裂力学理论对模拟管片拼装进行探究，重点对沟槽周边的混凝土情况进行分析，验证了在长时间的水流侵蚀下矩形管片衔接处混凝土的开裂情况。

5 结语

以宁波市地铁隧道大断面矩形盾构设计工程为参考，重点对矩形盾构的整体架构、盾构外壳以及矩形管片进行设计分析，通过设计验证的方式对地铁隧道大断面矩形盾构工程施工关键技术进行探讨。仿真模拟实验证明，本文所分析的地铁隧道大断面矩形盾构系统能够为相关工程提供技术保障，并可为相关工程的盾构掘进施工提供理论支持。

参考文献：

[1]贾连辉.超大断面矩形盾构顶管设计关键技术[J].隧道建设，2014（11）：1098-1106.

[2]朱瑶宏，朱雁飞，黄德中，等.类矩形盾构法隧道关键技术研究与应用[J].隧道建设，2017（9）：1055-1062.

[3]孙巍，官林星，温竹茵.大断面矩形盾构法隧道的受力分析与工程应用[J].隧道建设，2015（10）：1028-1033.

[4]郑庆坂，潘伍，覃永杰，等.大断面矩形盾构隧道等效抗弯刚度研究[J].科学技术与工程，2020（23）：341-347.

[5]李向南.大断面矩形盾构刀具修复技术[J].施工技术，2018（1）：701-704.

[6]周明.矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用[J].科技创新与应用，2021（15）：190-191.

[7]廖若倩，蔡永昌.矩形断面盾构隧道在火灾高温作用下的力学性能研究[J].现代隧道技术，2018（5）：146-158.

[8]魏纲，张鑫海，徐银锋，等.一种类矩形盾构隧道施工中地表沉降计算方法：CN201710276428.2[P].2017-07-07.

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