摘要：本文重點(diǎn)介紹上海隧道施工技術(shù)研究所對(duì)城市交通矩形地下通道掘進(jìn)機(jī)及矩形隧道的研究與用。以供異型斷面隧道研究、設(shè)計(jì)、施工參考。 關(guān)鍵詞：城市　地鐵　矩形　地下通道　掘進(jìn)機(jī)　 　　城市建設(shè)發(fā)展速度越來(lái)越陜，交通運(yùn)輸對(duì)城市建設(shè)發(fā)展的作用更加凸現(xiàn)。發(fā)展與建設(shè)的推進(jìn)求城市解決更多的地下人行通道，如地鐵車站的進(jìn)出口的過(guò)街人行隧道、城市地下管線共同溝等類地下隧道工程以矩形最為經(jīng)濟(jì)。因此城市交通矩形地下通道掘進(jìn)機(jī)的研究與應(yīng)用十分必要。 1 矩形隧道的發(fā)展與應(yīng)用 世界最早的盾構(gòu)法隧道是1826年開(kāi)始建造的英國(guó)倫敦穿越泰晤士問(wèn)底的公俏隧道，其隧道斷面為11.4mx6.8m的矩形，由于采用人工開(kāi)挖和施工中涌水淹沒(méi)事故，長(zhǎng)458m的矩形隧道掘進(jìn)了18年才完工。 　　20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)有了新的飛躍。尤其是日本，地下空間的開(kāi)發(fā)和利用的需求，促進(jìn)了盾構(gòu)隧道技術(shù)的進(jìn)—步發(fā)展。20世紀(jì)80鋼代后，世界各國(guó)掀起了開(kāi)發(fā)異形斷面盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的高潮，先后進(jìn)行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及施工技術(shù)的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。從隧道的使用功能來(lái)分析，城市交通人行地道、地下共同溝、地鐵隧道的斷面形式以矩形最為合適，最為經(jīng)濟(jì)，因而矩形盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的重新研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用意義十分分重大。 　　日本對(duì)大斷面矩形盾構(gòu)工法開(kāi)展了研究，主要解決穿越鐵路的車行下立交工程施工，用鋼管片拼裝后再澆筑混凝土內(nèi)襯，盾構(gòu)施工最淺覆土僅3m.1981年，名古屋和東京都采用4.29mx 3.09m手掘式矩形盾構(gòu)掘進(jìn)2條長(zhǎng)534m和298m的共同溝。名古屋還采用5.23mx4.38m的手掘式矩形盾構(gòu)掘進(jìn)1條長(zhǎng)374m矩形隧道?？傊匦嗡淼篮途匦味軜?gòu)技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，其優(yōu)點(diǎn)日益體現(xiàn)，其技術(shù)也日趨成熟。 　　上海隧道施工技術(shù)研究所于1995年起，開(kāi)始啟動(dòng)矩形隧道研究并通過(guò)立題論迅1995年完成2.5mx2.5m可變網(wǎng)格矩形頂管機(jī)設(shè)計(jì)、矩形隧道試驗(yàn)工程方案和工程設(shè)計(jì)。1999年4月，上海地鐵三號(hào)線五號(hào)出入口矩形通道施工采用上海隧道施工技術(shù)研究所自行研制的3.8mx 3.8m矩形刀盤式土壓平衡頂管機(jī)。矩形隧道于4月中旬始發(fā)推進(jìn)，6月初完成第2條矩形隧道工程，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，施工中確保了上海延安東路隧道的正常運(yùn)營(yíng)和陸家嘴路地下管線的安全。國(guó)內(nèi)首次施工矩形盾構(gòu)隧道僅花了40天完成了兩條隧道的推進(jìn)，矩形隧道研究和推廣應(yīng)用取得了成功。 2 城市交通矩形地下通道掘進(jìn)機(jī)的研究 2.1矩形隧道應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)跬矩形斷面與圓形斷面相比，其有效使用面積比圓形增大20％以上。城市交通過(guò)街人行通道要求埋深淺，因此矩形隧道更能滿足人行通道的施工要求。 　　城市交通過(guò)街人行通道作為地鐵車站的進(jìn)出口日益增多，城市地下管線共同溝也將在我國(guó)得到發(fā)展，而這類地下隧道工程以矩形最為經(jīng)濟(jì)，因此矩形隧道的研究和應(yīng)用可直接為工程建設(shè)的需求服務(wù)，并有廣泛的應(yīng)用前景。 2.2矩形隧道的研究方法矩形隧道的可行性研究力祛和技術(shù)路線如下： 　?。?）對(duì)國(guó)外有關(guān)矩形盾構(gòu)和矩形隧道工程的消化吸收； 　?。?）矩形頂管試驗(yàn)工程的設(shè)想和設(shè)計(jì)； 　?。?）矩形頂管機(jī)機(jī)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，機(jī)型方案設(shè)計(jì)和選擇； 　?。?）試驗(yàn)用矩形頂管機(jī)的研制，在試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)研制工程用矩形頂管機(jī)； 　?。?）矩形鋼筋混凝土管節(jié)通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)了解結(jié)構(gòu)受力分布，改進(jìn)管節(jié)設(shè)計(jì)節(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)； 　?。?）通過(guò)2.5mx2.5m矩形隧道試驗(yàn)工程，了解矩形隧道頂進(jìn)的施工參數(shù)和掌握規(guī)律，為工程應(yīng)用提供依據(jù)； 　?。?）進(jìn)行工程應(yīng)用方案設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)，完成工程應(yīng)用，進(jìn)行施工工法研究。 2.3矩形頂管機(jī)的研制由于可變網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)具有加工相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、上馬快的優(yōu)點(diǎn)，在試驗(yàn)中同樣可以獲取有價(jià)值的各類數(shù)據(jù)，所以選擇了這一方案。 研發(fā)設(shè)計(jì)原則矩形網(wǎng)格式頂管機(jī)采用網(wǎng)格切割土體，并擋住開(kāi)挖面土體有效防止正面土體坍塌，以人工出土方法進(jìn)行開(kāi)挖。它由主頂進(jìn)推動(dòng)機(jī)頭向前運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭分成前后兩段，中間由糾偏油缸連接，在殼體二側(cè)裝有糾轉(zhuǎn)裝置，切口環(huán)處安裝變角切口，可進(jìn)行一定量的超挖，有利于機(jī)頭的姿態(tài)控制，保證隧道軸線的偏差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。網(wǎng)格中包含四個(gè)可變網(wǎng)格，可以調(diào)整機(jī)頭正面的進(jìn)土量，有利于控制正面土體的穩(wěn)定性。 　　設(shè)計(jì)基本情況為了保證管節(jié)和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設(shè)計(jì)中將機(jī)頭的截面尺寸設(shè)計(jì)得大于管節(jié)的截面尺寸。頂管機(jī)主機(jī)可分成前后兩段，中間由糾偏油缸連接。前后段之間的密封采用一道唇形密封和一道支承橡膠圈，切口環(huán)處裝有變角切口。網(wǎng)格中裝有可調(diào)節(jié)開(kāi)口率的可變網(wǎng)格，在殼體兩側(cè)裝有糾轉(zhuǎn)裝置。上述裝置可對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行控制。 　　主頂進(jìn)裝置由8臺(tái)油缸及u形頂鐵、頂環(huán)、墊鐵、底架、鋼后靠等組成，8臺(tái)油缸分成二組，各4臺(tái)疊加呈對(duì)稱分布，并用分體式結(jié)構(gòu)的支座固定，工作行程為1450mm.每臺(tái)油缸可單獨(dú)控制。糾偏裝置主要用于機(jī)頭左右、上下軸線偏差的控制，總糾偏力為752t，糾偏角度為±2度。注漿糾轉(zhuǎn)系統(tǒng)（翅板+壓漿）主要用于機(jī)頭旋轉(zhuǎn)后的糾正，糾轉(zhuǎn)力矩可達(dá)210x2——420kN 2.4矩形隧道工程試驗(yàn) 　　試驗(yàn)工程概況試驗(yàn)工程位于上海南匯縣航頭地區(qū)，頂進(jìn)距離為60m，覆土深度為6.45m.距離頂進(jìn)軸線北側(cè)10m處有條小河，南側(cè)10m處是場(chǎng)內(nèi)鋼筋混凝土主干道路，見(jiàn)圖1.頂管機(jī)所穿越的土層分別為：進(jìn)出洞段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；區(qū)間段是灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色砂質(zhì)粉土，通過(guò)工程試驗(yàn)，驗(yàn)證了矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)選型、矩形管節(jié)選型、接頭型式和止水帶設(shè)計(jì)選型；通過(guò)采集的各種施工參數(shù)和工況記錄，研究了矩形頂管施工工法。工程試驗(yàn)完成了對(duì)矩形頂管機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行試驗(yàn)研究，收集了第一手的資料和數(shù)據(jù)，積累了矩形斷面隧道掘進(jìn)的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)。 3 矩形在城市地鐵地下人行通道的應(yīng)用 1998年2月，課題組提出地鐵陸家嘴站五號(hào)出入口地道矩形頂管施工方案。上海地鐵二號(hào)線陸家嘴車站二號(hào)出入口通道需建立2條62m，內(nèi)凈尺寸3mx 3m胡矩形隧道。 3.1組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)的研制3.8mx 3.8m組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)是在2.5mx2.5m矩形頂管機(jī)研制、試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，針對(duì)上海地鐵二號(hào)線陸家嘴車站五號(hào)出入口地下通道工程而研制的。 　　矩形地下通道掘進(jìn)機(jī)的選型結(jié)合工程情況，通過(guò)方案比選，考慮到大刀盤加仿形刀具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，一致認(rèn)為工程應(yīng)采用全斷面切削土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工。組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)采用大刀盤及仿形刀切割土體。并擋住開(kāi)挖面土體，有效防止正面土體倒塌，利用調(diào)整螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速及頂進(jìn)速度來(lái)控制土倉(cāng)的土壓力，以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。為了保證管節(jié)和土體之間有一定的間隙，有利于泥漿套成環(huán)，設(shè)計(jì)中將機(jī)頭的截面尺寸設(shè)計(jì)得大于管節(jié)的截面尺寸。（機(jī)頭的外包截面尺寸3.828mx3.828m，管節(jié)外包截面尺寸3.8mx3.8m）。 　　組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)的特點(diǎn)頂管機(jī)主機(jī)可分成前后兩段，中間由16臺(tái)糾偏油缸連接。前后段之間的密封采用二道唇形橡膠密封圈。正面由大刀盤及四把仿形刀對(duì)土體進(jìn)行全斷面切削。由螺旋輸送機(jī)出土，調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速可保持土倉(cāng)內(nèi)的土壓平衡，維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定． 　　矩形頂管機(jī)全斷面切削問(wèn)題矩形頂管機(jī)若只有一個(gè) 大刀盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削，只能做到90％左右的截面切削率，矩形頂管帆斷面內(nèi)的四個(gè)角就無(wú)法切削。針對(duì)陸家嘴地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件、管線、環(huán)境保護(hù)和機(jī)頭進(jìn)出洞時(shí)需穿越SMW加固層等情況，采用大刀盤對(duì)大部分的正面土體進(jìn)行切削，利用設(shè)置在刀盤后側(cè)的仿形刀切削四個(gè)角上的土體． 　　矩形頂管機(jī)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)問(wèn)題對(duì)矩形頂管機(jī)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用壓漿糾轉(zhuǎn)技術(shù)措施，盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的辦法實(shí)現(xiàn)糾轉(zhuǎn)。 　　矩形頂管機(jī)機(jī)頭軸線偏差控制方法根據(jù)軸線偏差方位以及偏差量，對(duì)糾偏油缸進(jìn)行編組及控制油缸伸縮量，使前、后殼體形成一夾角，從而改變機(jī)頭方向，以達(dá)到糾偏目的。此外還可采用壓漿糾偏的辦法，達(dá)到糾偏的目的，也可將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行糾偏。 　　3.3矩形隧道工程施工上海市地鐵二號(hào)線陸家嘴五號(hào)出入口頂管工程，位于浦東陸家嘴金融貿(mào)易中心區(qū)。其五號(hào)出入口始發(fā)井，四號(hào)出入口為接收井，位置分布于延安東路隧道引道段南北兩側(cè)。通道由硼張度各為62.25m的平行管道組成，兩條管道凈間距為2.2m，管道坡度均為0.2％，管道頂平均覆土厚度約5.3m-通道結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)。管節(jié)外形尺寸為3 800x 3 800，壁厚為40cm，管節(jié)長(zhǎng)度為2m.工程管節(jié)總用量為64節(jié)。 　　頂進(jìn)軸線的控制軸線控制是矩形頂管頂進(jìn)的一大難題。頂管在正常頂進(jìn)施工過(guò)程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測(cè)量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過(guò)大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動(dòng)及管節(jié)間出現(xiàn)張角。 　　環(huán)境保護(hù)和沉降控制由于工程沿線將穿越陸家嘴路、延安東路隧道浦東引道段及上水管、煤氣管、雨水管、污水管、市話線、電力線等管線。其中管道頂與中450污水管、中1 000而r欠管、小800雨水管底凈距均為1m，與延安東路隧道引道段結(jié)構(gòu)底凈距為1.564m，見(jiàn)圖5，在頂進(jìn)過(guò)程中的地面沉降控制、實(shí)施環(huán)境保護(hù)將極為重要。 　　當(dāng)頂管法施工引起隧道周圍地表沉降，采用仿形刀裝置：對(duì)矩形頂管機(jī)的四個(gè)死角內(nèi)的土體切削配合大刀盤對(duì)正面土體進(jìn)行充分切削。進(jìn)行設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)反饋，調(diào)整施工參數(shù)，實(shí)施信息化施工。 　　控制好地面沉降，實(shí)際已形成和達(dá)到環(huán)境保護(hù)。但本工程對(duì)延安東路隧道引道段提出的沉降量控制在+10mm～-30mm之間，故必須采取保證措施控制沉降，在特定的條件下，確保隧道引道段安全。 　　矩形頂管機(jī)頂進(jìn)中的控制技術(shù) （1）嚴(yán)格控制頂管的施工參數(shù)，防止超挖； （2）嚴(yán)格控制頂管頂進(jìn)的糾偏量，把“勤糾、緩糾”控制好頂進(jìn)輛線的原則，貫穿于頂進(jìn)的全過(guò)程； （3）頂進(jìn)速度不宜過(guò)陜，盡量做到均衡施工，頂進(jìn)速度控制在15mm/min左右。 　?。?）頂進(jìn)施工中，必須保證持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙能迅速得到填充，確保頂管管道上部土體的穩(wěn)定。 　?。?）克服“背土”現(xiàn)象，除在機(jī)頭處道過(guò)壓注觸變泥漿，避免機(jī)頭“背土”現(xiàn)象發(fā)生外，還須在 頂進(jìn)過(guò)程中專門對(duì)出洞段管節(jié)上部進(jìn)行注漿，隨時(shí)填堵由于管節(jié)“背土”而出現(xiàn)的建筑空隙。 　　（6）監(jiān)測(cè)控制頂管機(jī)機(jī)頭后部已建成管道的高程出現(xiàn)的“下沉”或“上浮”。當(dāng)出現(xiàn)管道下沉較嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)對(duì)下沉部位進(jìn)行底部注漿，防止由此導(dǎo)致地面沉降。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　矩形盾構(gòu)隧道是國(guó)外在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用的新穎盾構(gòu)隧道技術(shù)，由于其斷面利用率大、覆土淺、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)可用于城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道工程。矩形隧道工程試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性啟動(dòng)階段，它填補(bǔ)了我國(guó)矩形頂管施工技術(shù)的空白，為該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)，必將具有廣闊的應(yīng)用前景。