吳惠明，周文波，滕 麗

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082；2.上海大學(xué)，上海 200072；3.上海城建(集團(tuán))公司，上海 200122)

地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)

吳惠明1，2，周文波3，滕 麗3

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082；2.上海大學(xué)，上海 200072；3.上海城建(集團(tuán))公司，上海 200122)

地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)省略了用于盾構(gòu)始發(fā)與接收的工作井，在地面與地下連接區(qū)域用盾構(gòu)掘進(jìn)替代大開挖施工，具有環(huán)境影響小和建設(shè)工期短的顯著優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)屬首次研發(fā)應(yīng)用。該技術(shù)存在結(jié)構(gòu)變形、接縫滲漏和軸線偏離等工程難題，以南京機(jī)場(chǎng)線地面與地下過渡段示范工程為背景，通過理論計(jì)算、三維仿真和模型試驗(yàn)等方法，重點(diǎn)闡述隧道變形、防水和盾構(gòu)姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于示范工程，驗(yàn)證了GPST新技術(shù)的可行性和有效性，為推廣應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐支持。

南京機(jī)場(chǎng)線；盾構(gòu)法隧道；超淺覆土；地面出入式；GPST

0 引言

隨著城市規(guī)模的日益龐大，盾構(gòu)法隧道施工在構(gòu)建城市交通網(wǎng)絡(luò)中的作用越來越大。傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道始發(fā)與接收需要盾構(gòu)工作井，需要對(duì)地面與地下連接區(qū)域進(jìn)行大面積的開挖。盾構(gòu)工作井的施工方案不僅要考慮到地下工程自身的穩(wěn)定，還要考慮到其對(duì)周邊地層及地面的影響。施工過程中的豎井周圍加固及地下工程涌水涌砂等不可預(yù)見性因素，都會(huì)影響施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全及經(jīng)濟(jì)效益，給工程帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。同時(shí)，大面積的開挖不僅會(huì)阻塞交通，而且施工機(jī)械產(chǎn)生的噪音、振動(dòng)會(huì)給周邊居民的生活帶來諸多不便。近年來，由于城市的擁擠，建筑的密集，對(duì)文明施工、環(huán)境保護(hù)要求的提高，地面與地下隧道的交通接線工程面臨的問題越來越突出。為更好地解決地面與地下隧道的交通接線問題，在南京機(jī)場(chǎng)線地下與地面連接段隧道工程中研發(fā)使用一種地面出入式盾構(gòu)法隧道建造施工技術(shù)。

地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)GPST(Ground Penetrating Shield Technology)，是指盾構(gòu)從地表始發(fā)，在淺覆土條件下掘進(jìn)，最后在目標(biāo)地點(diǎn)從地表到達(dá)。這種方法用盾構(gòu)掘進(jìn)替代暗埋段明挖，可以減小地面開挖面積50%～80%，減少搬拆遷和對(duì)周圍環(huán)境的影響；以淺埋導(dǎo)坑替代深大工作井，可以減少施工風(fēng)險(xiǎn)和開挖方量，縮短建設(shè)工期。日本有類似工法的案例：文獻(xiàn)[5]提到了盾構(gòu)急速下穿法URUP法；文獻(xiàn)[6]介紹了URUP法，并對(duì)此工法的特點(diǎn)及其在日本的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了介紹。URUP法是針對(duì)沒有始發(fā)井和到達(dá)井的暗挖地下道路、下穿鐵路的地下通道、公路及其他公共設(shè)施的一種工法，和GPST工法相似。GPST工法在國(guó)內(nèi)沒有施工案例，國(guó)內(nèi)學(xué)者、專家對(duì)此工法的研究比較少。南京機(jī)場(chǎng)線地下與地面連接段隧道工程中使用的GPST工法，在我國(guó)首次研究應(yīng)用，相應(yīng)的理論和技術(shù)研究對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要的借鑒意義。

本文基于南京機(jī)場(chǎng)線地下與地面連接段隧道工程，針對(duì)GPST工法特有的結(jié)構(gòu)變形、接縫滲漏和軸線偏離等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，介紹隧道變形控制、防水和盾構(gòu)姿態(tài)控制等新技術(shù)。GPST新技術(shù)盾構(gòu)地面示意如圖1所示。

1 工程概況

南京機(jī)場(chǎng)線秣陵站至將軍站區(qū)間總長(zhǎng)4 460 m，含地下隧道及地面高架，其中的地下與地面連接段作為首次采用GPST新技術(shù)的示范工程。該工程位于將軍大道下，左右線隧道總長(zhǎng)約258 m。隧道管片外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，環(huán)寬為1.2 m。管片環(huán)由3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2個(gè)鄰接塊和1個(gè)封頂塊構(gòu)成，采用錯(cuò)縫拼裝。

盾構(gòu)先從盾構(gòu)工作井始發(fā)至導(dǎo)坑地面到達(dá)，調(diào)頭后從左線地面始發(fā)，返回工作井完成接收。沿線覆土工況為-0.3D(D為隧道直徑)、零覆土、0.1D、0.3D、0.5D和斜坡段。示范工程隧道平面示意如圖2所示。隧道斷面主要處于①-2素填土、②-3c2粉土、②-1b2粉質(zhì)黏土、④-1b1粉質(zhì)黏土、J31-1全風(fēng)化安山巖及J31-2強(qiáng)風(fēng)化安山巖中。地下水靜止水位埋深為2.4 m。土層物理參數(shù)見表1。

圖1 GPST新技術(shù)盾構(gòu)地面示意圖

圖2 示范工程隧道平面示意圖

表1 巖土的物理性質(zhì)指標(biāo)(平均值)Table 1 Geotechnical parameters (average values)

2 隧道變形控制技術(shù)

2.1 管片結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

GPST管片受力狀況不同于傳統(tǒng)隧道，地面出入段隧道受力如圖3所示。管片露出地面時(shí)，管片上部沒有豎向外荷載。本文采用均質(zhì)圓環(huán)和殼-彈簧管片模型進(jìn)行計(jì)算，地面出入段隧道結(jié)構(gòu)受力彎矩較小，軸力非常小，在-0.3D覆土工況時(shí)隧道頂部甚至出現(xiàn)軸力為拉應(yīng)力的情況(如圖4和表2所示)，這對(duì)管片的受力和防水都極為不利。GPST技術(shù)的管片接頭剛度差異較大，以-0.3D覆土工況為例(見表2)，最大值為7 668 kN·m/rad，最小值為600 kN·m/rad。同時(shí)，因?yàn)槎軜?gòu)正面壓力小，管片縱向壓緊力不足，造成管片拼裝整體性較差、結(jié)構(gòu)防水難度加大及盾構(gòu)施工姿態(tài)控制困難。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 接頭形式

管片環(huán)縫及縱縫采用斜螺栓連接設(shè)計(jì)，如圖5所示。斜螺栓具有管片接縫錯(cuò)臺(tái)小和整環(huán)橢圓度小等特點(diǎn)，承受正負(fù)彎矩的能力較均衡，特別在負(fù)彎矩處接頭剛度較大。

2.2.2 管片高精度拼裝定位件

為提高拼裝精度，管片設(shè)有定位銷(位于管片環(huán)面)及定位棒(位于管片縱縫面)。

圖3 隧道地面出入段管片受力模式Fig.3 Loading conditions of segment lining of entrance/exit section of tunnel

(a) 軸力圖

(b) 彎矩圖

圖4埋深-0.3D工況圖
Fig.4 Loading conditions of tunnel section with -0.3Doverburden

表2覆土-0.3D無超載工況接頭彎曲剛度表
Table 2 Bending rigidity of segment joints of tunnel section with -0.3Doverburden

接頭編號(hào) 彎矩/(kN·m)軸力/kN抗彎剛度/(kN·m/rad)1862735369122258-1516003-1062233311074-16104925572953632261470606-368153917668

圖5 管片斜螺栓結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.3 管片穩(wěn)定裝置應(yīng)用

管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的作用是在盾構(gòu)推進(jìn)過程中能支撐和穩(wěn)定管片，使管片保持形狀，有效防止管片錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象的發(fā)生。管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由支撐環(huán)、固定環(huán)、加強(qiáng)梁、工作平臺(tái)等部件組成(見圖6)。支撐環(huán)上分布有8個(gè)滾輪，滾輪由千斤頂控制伸縮支撐管片，滾輪可在管片上滾動(dòng)，盾構(gòu)推進(jìn)帶動(dòng)整個(gè)管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)一同前進(jìn)。

圖6 管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)組成

3 隧道防水技術(shù)

3.1 縱向長(zhǎng)螺栓設(shè)計(jì)

為提高淺覆土管片抗剪能力及接縫防水性能，每環(huán)管片增加4只縱向通長(zhǎng)螺栓進(jìn)行拉緊?？v向長(zhǎng)螺栓設(shè)計(jì)進(jìn)行了防水試驗(yàn)和仿真分析，通過三維數(shù)值分析，其縱向剛度提高了約2.5倍?？v向長(zhǎng)螺栓位置圖見圖7。

圖7 管片縱向長(zhǎng)螺栓位置圖

3.2 新型防水密封件

根據(jù)GPST新技術(shù)的要求，設(shè)計(jì)多種橡膠密封墊截面形式，從65度、55度、50度、45度4種硬度考慮材料。通過橡膠墊裝配力數(shù)值模擬(見圖8)和壓縮試驗(yàn)(見圖9)確定橡膠密封墊的裝配力-壓縮量曲線，通過一字縫和T字縫防水試驗(yàn)確定橡膠墊的防水能力曲線(見圖10)及合理的錯(cuò)動(dòng)和張開量控制指標(biāo)，最后得到橡膠硬度為55度的新型密封件形式。壓縮量對(duì)密封墊的防水性能影響較大，根據(jù)試驗(yàn)建議將壓縮量控制在3.5 mm以上，橡膠墊錯(cuò)動(dòng)控制在8 mm以內(nèi)，密封橡膠墊的最小防水能力為0.31 MPa，安全系數(shù)為2.58。

圖8 錯(cuò)位量為5 mm的計(jì)算模型

(a) 防水試驗(yàn)的設(shè)備

(b) 橡膠墊壓縮截面試驗(yàn)照片

4 盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)

4.1 低圍壓進(jìn)出土試驗(yàn)

低圍壓下進(jìn)出土困難，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制。在盾構(gòu)裝備上通過選型掘進(jìn)試驗(yàn)，分析了刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀具布置及開口率，采用了輻條式大開口率的刀盤結(jié)構(gòu)(見圖11)，保證了低圍壓下盾構(gòu)正面土體順利進(jìn)入土艙。

圖10 硬度55度密封墊接觸應(yīng)力與防水能力曲線Fig.10 Curves of contact stress and waterproofing performance of sealing gasket with degree 55 stiffness

圖11 GPST大開口率盾構(gòu)

4.2 GPST專有土體改良

通過改良材料選取、室內(nèi)配合比試驗(yàn)及模擬試驗(yàn)研究出新的改良材料，其黏度>30 s，比重<1.05 g/cm3，使改良后的土體具有良好的塑性、流動(dòng)性和均勻度，解決了土艙內(nèi)無壓力狀態(tài)下螺旋機(jī)的排土問題，保證了開挖面的穩(wěn)定與軸線的控制。

4.3 高精度監(jiān)控系統(tǒng)

1)土壓平衡高精度控制。在土艙內(nèi)壁增設(shè)土壓計(jì)數(shù)量，更準(zhǔn)確和敏感地反映出土艙壓力的變化。采用負(fù)反饋控制系統(tǒng)，提高土壓波動(dòng)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)新算法可同時(shí)調(diào)整螺旋機(jī)的出土量、刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，能更精確地控制開挖面的土壓平衡。

2)同步注漿高精度控制技術(shù)。配置2臺(tái)施維英KSP-12注漿泵，共4個(gè)注漿點(diǎn)，單點(diǎn)單控，注漿量比例無級(jí)調(diào)速，注漿控制精度高，滿足GPST施工的高精度要求。

3)螺旋機(jī)高精度控制技術(shù)。采用流量比例無級(jí)調(diào)速，PLC內(nèi)置PID調(diào)節(jié)，精度高，可實(shí)現(xiàn)低于5 mm/min速度下盾構(gòu)推進(jìn)的穩(wěn)定性和對(duì)土體的微擾動(dòng)。

5 示范工程應(yīng)用分析

2013年1月成功完成了南京機(jī)場(chǎng)線GPST示范工程(見圖12和圖13)，隧道變形控制在4‰以內(nèi)，隧道軸線控制在±50 mm，完全滿足地鐵隧道驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。具體情況如下：

1)地面出入段的管片變形控制。管片在拼裝時(shí)橫向變形為2‰～6‰，進(jìn)入穩(wěn)定裝置后橫向變形減小，最小可達(dá)1‰；管片脫出穩(wěn)定裝置后橫向變形有所增加，但都在4‰內(nèi)。

2)隧道防水控制。采用新型密封墊和1 250 kN的拼裝壓力及每環(huán)4只縱向拉緊螺栓等措施，隧道未發(fā)生滲漏現(xiàn)象，管片接縫張開量變化控制在1.5 mm以內(nèi)。

3)隧道軸線控制。隧道左右線成環(huán)管片高程均控制在±50 mm以內(nèi)，地面到達(dá)段隧道上浮基本控制在15 mm左右。地面到達(dá)段隧道軸線變化曲線圖如圖14所示。

4)盾構(gòu)姿態(tài)控制。通過對(duì)施工參數(shù)的優(yōu)化以及盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂行程差和坡度的控制，盾構(gòu)在各工況段姿態(tài)控制良好。盾構(gòu)高程和平面均控制在±50 mm以內(nèi)。地面到達(dá)段盾構(gòu)高程姿態(tài)偏差折線圖如圖15所示。

圖12 南京機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)地面始發(fā)

圖13 南京機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)地面到達(dá)

圖14 地面到達(dá)段隧道軸線變化曲線圖

圖15 地面到達(dá)段盾構(gòu)高程姿態(tài)偏差折線圖Fig.15 Deviation of altitude of shield in ground surface arriving section

6 結(jié)論與展望

1)GPST管片受力狀況不同于傳統(tǒng)隧道，主要從管片接頭形式、管片高精度拼裝定位件及管片穩(wěn)定裝置應(yīng)用方面對(duì)隧道變形進(jìn)行控制。

2)地面出入段盾構(gòu)正面壓力小，管片密封墊壓緊力較小，采用管片拉緊長(zhǎng)螺栓，從材料和結(jié)構(gòu)方面改進(jìn)，全面提高結(jié)構(gòu)整體防水性能。

3)隧道處于負(fù)覆土或淺覆土工況之下，盾構(gòu)推進(jìn)軸線控制難度較大，成型隧道極易發(fā)生變形過大問題，主要從盾構(gòu)前方進(jìn)土、螺旋機(jī)排土和高精度等方面進(jìn)行控制。

4)南京示范工程的成功應(yīng)用驗(yàn)證了GPST盾構(gòu)完全適應(yīng)低圍壓工況下的施工要求，體現(xiàn)了隧道變形、防水和盾構(gòu)姿態(tài)控制等核心關(guān)鍵技術(shù)的可行性和實(shí)用性。

GPST技術(shù)在地面直接始發(fā)和接收，省略了深大的工作井，減少了明挖施工，減少了建設(shè)資金的投入，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，縮短了建設(shè)工期，將節(jié)能、環(huán)保、低碳的建筑特色植入到地下空間開發(fā)領(lǐng)域。其在越江、城市公路和市政管道等地下大直徑隧道領(lǐng)域，必將具有更廣泛的應(yīng)用前景。

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CaseStudyonGroundPenetratingShieldTechnology(GPST)

WU Huiming1,2,ZHOU Wenbo3,TENG Li3

(1.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200082,China;2.ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.ShanghaiUrbanConstruction(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200122,China)

It is the first time that Ground Penetrating Shield Technology (GPST) has been developed and applied in China.For the sake of the GPST,the shield launching shaft and the shield arriving shaft needed by conventional shield tunneling technology can be cancelled,the connection section between the underground tunnel and the above-ground tunnel can be bored by shield,the influence of the tunnel construction on the environment can be minimized and the construction period can be shortened.Therefore,GPST has great advantages.However,GPST has disadvantages related to structural deformation,joint seepage and axis deviation.In the paper,the control of the deformation of the tunnel structure,the waterproofing of the tunnel and the control of the posture of the shield are studied by means of theoretical calculation,3D simulation and model test,with the connection section between the underground tunnel and the above-ground tunnel of the airport line of Nanjing Metro as an example.The study results have been applied in the construction of the mentioned works,which proves that the GPST is feasible and effective.The paper can provide theoretical and practical support for the further application of GPST.

airport line of Nanjing Metro; shield-bored tunnel; super-shallow overburden; Ground Penetrating Shield Technology (GPST)

2013-10-08;

2013-10-28

吳惠明(1970—)，男，上海人，1993年畢業(yè)于上海大學(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事隧道施工工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.011

U 45

B

1672-741X(2014)01-0067-06