超大断面矩形盾构顶管设计关键技术

贾连辉

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

超大断面矩形盾构顶管设计关键技术

贾连辉

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

文章详细介绍了超大断面矩形盾构顶管(10.12 m×7.27 m)设计的关键技术研究：1)矩形断面开挖形式的研究与选型分析；2)超宽矩形薄壳体强度、刚度研究；3)顶推机构电液比例集成控制研究；4)矩形断面渣土改良技术研究。以上关键技术的研究解决，在施工现场得到了成功应用，为城市超大矩形断面交通隧道施工提出了一种全新工法。矩形隧道施工将会成为最经济、安全和快捷的工法。

超大矩形盾构顶管；郑州下穿中州大道；有限元分析；开挖系统；薄壳体；渣土改良

0 引言

随着经济的发展，城市化进程逐渐加快，路面空间越来越小，地下隧道建设已经成为当前建筑施工领域的一个新方向。以往的地下隧道多为圆形隧道，主要用于雨水、污水、电力和地铁等方面，现今随着车流量的增加，地下人行通道、下穿车行道等矩形截面的地下隧道需求量越来越大，且该种工程多位于市中心或繁华地段，明挖法受到了很多条件的限制，比如地面有大量的人流、车流，还有高架线路等限制，造成空间不足，机械设备无法施工。

矩形盾构顶管是矩形隧道的施工机械，在日本发展起来用于建造地铁车站、地下人行通道及水底隧道旁通道等。川合一成等[1]于2002年介绍了小松公司研制的矩形盾构。久保田敏和等[2]在矩形盾构的施工报告中证明了矩形管道相对于圆形管道的优点在于大的过流断面和少的修建费用。矩形盾构顶管与以前的圆形顶管掘进断面相比，具有空间利用率高、覆土浅和施工成本相对低廉等优点，其有效使用面积增大20%以上(见图1)，加之城市交通过街人行通道要求埋深浅，此项技术将必然在城市交通人行地道、车行地道、地下管线共同沟、引水和排水管道等隧道工程得到广泛应用。

目前国内外已完成的矩形盾构顶管施工案例中，最大开挖尺寸停留在6 m宽的人行通道级别，用于10 m 宽的矩形交通隧道还是属于世界首例，它的成功应用颠覆了城市道路隧道的设计理念及施工工法。

图1 圆形隧道与矩形隧道的比较Fig.1 Comparison and contrast between circular tunnel and rectangular tunnel

1 依托工程概况

超大断面矩形盾构顶管依托中国中铁郑州下穿中州大道隧道工程Ⅰ标项目进行工业性试验。红专路下穿中州大道隧道设计标准为城市次干路，根据城市规划标准和相交道路性质，下穿的中州大道隧道工程道路设计为双向4车道，单车道宽度为3.5 m，如图2所示。

下穿隧道盾构顶管段长度为110 m，覆土厚3.2～4 m，下穿1根DN600污水管，距离盾构顶管顶板高度2.1 m。隧道主要穿越地质以粉土为主，地下水位深8 m，地层的渗透系数为1.38×10-4～1.15×10-6m/s(12～0.1 m/d)，属于弱透水地层，如图3和图4所示。

(a)

(b)

图3 地质剖面图Fig.3 Longitudinal geological profile

图4 现场岩芯Fig.4 Drill cores

2 矩形盾构顶管设计关键技术

中州大道下穿隧道施工矩形盾构顶管开挖断面尺寸为10.12 m×7.27 m，与目前国内已成功施工过的最大断面6.9 m×4.9 m顶管工程相比，横向尺寸增大了46%，高度尺寸增大了52%，横断面积增大了123%，由于断面尺寸增大，会给矩形盾构顶管设计带来以下几个问题：

1)相对于单刀盘圆盾构开挖而言，在满足矩形断面开挖覆盖率需求的同时，还要考虑矩形开挖断面的开挖稳定性，因此矩形盾构顶管开挖形式的选型研究是该项目成功的关键因素。为了实现矩形断面开挖，设计研究了偏心多轴摆动刀盘[3]、组合刀盘和仿形刀盘等开挖形式，并对其开挖原理、结构特点进行了深入探究，分析总结了各自的优缺点以及工况适应性。

2)矩形盾构顶管的开挖过程，不同于常规圆形盾构，上部覆土不容易形成稳定的自然拱，加之该矩形断面宽度较大，因此壳体上部承受的载荷较大，自然土体的卸荷拱示意图如图5所示。对于壳体本身而言，圆形薄壳体综合力学性能良好，各个方向的抗剪、抗弯能力相同，且始终为对称结构，顶部或底部受到的土体压力可通过圆弧形成拱桥结构，使顶部一部分载荷逐步分散使之受土体侧向压力；矩形薄壳体由于宽度在水平跨度方向上较长，且受到其上部土体压力造成的均布载荷作用，因此受到的弯矩比圆形薄壳体较大，故刚度也随之下降，圆形与矩形盾体受力载荷分布情况比较分析如图6所示。因此，如何提高超宽矩形薄壳体强度、刚度是该项目的关键技术难点。

图5 卸荷拱示意图Fig.5 Relieving arch

(a)圆形盾构

(b)矩形盾构

3)在掘进过程中，需要根据隧道的设计要求，实现实时的调向、纠偏，因此要求液压顶推系统对压力和速度能实时进行调整，以实现矩形盾构顶管的纠偏和在不同地层下推力的调整。因此，顶推系统对不同工况的顺应性也是该项目要解决的关键技术难题。

4)该项目的开挖断面是目前世界最大矩形的断面，横向跨度大，6刀盘同时开挖，搅拌效果不均匀，同时存在搅拌盲区，渣土改良存在很大的不均匀性。矩形断面开挖，渣土改良不均匀造成左右两侧土压不同，对姿态控制和沉降控制产生重大影响。因此，做好渣土改良系统的研究设计是至关重要的。

3 矩形盾构顶管关键技术研究

3.1 矩形断面开挖形式研究与选型分析

圆形盾构的刀盘开挖方式仅为单刀盘回转开挖，但是矩形断面开挖要复杂得多[4]，在实现刀盘矩形切削断面的同时，还要保证对土体的搅拌效果、有效控制对地层的扰动和有效控制地表的沉降等。根据矩形断面的几何特点，通过对机构运动轨迹、组合轨迹及仿形轨迹的模拟，可得出偏心多轴摆动刀盘和组合刀盘方案。

1)偏心多轴摆动刀盘。采用平行双曲柄机构的运动原理，4个偏心曲轴同步驱动1个矩形仿形刀盘，刀盘上的各个刀具绕着以各自支撑圆心点与曲轴回转支撑点之间的距离为半径作平面圆周运动，与轴向推进的方向合成来完成全断面的切削掘进[5]，如图7所示。

图7 偏心多轴刀盘Fig.7 DPLEX cutterhead

2)组合旋转刀盘。组合刀盘形式主要依靠前后刀盘开挖面的相互弥补来尽可能地减少矩形区域的开挖盲区[6]。采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，刀盘的开挖直径与管片的圆角外径相同，其开挖率可以达到90%以上。大小刀盘可以各自控制，同时旋转对土体进行切削、搅拌，如图8所示。

3)选型分析。针对该项目，覆土厚度最小仅为3 m，因此开挖形式的选择主要考虑开挖过程中对周围土体的扰动及渣土搅拌性，从而有效控制地表沉降。针对2种开挖形式对周围土体扰动性及渣土流动性进行了流场动力学仿真，根据该项目穿越粉土、粉细砂为主的地质情况，项目组建立了物理渣土流场模型。假设开挖仓为满仓，渣土的密度为2.2×103kg/m3,黏度系数为1.5 Pa·s的单相流体，刀盘转速为1.0 r/min。通过Fluent软件，模拟2种开挖形式转动时对周围土体的扰动和对渣土搅拌效果的影响。定义掘进方向为Z向，掌子面位置为Z=0，矩形截取Z=-400时的速度和压力分布。偏心多轴式摆动刀盘和圆刀盘对比仿真如图9(刀盘速度分布对比)、图10(压力分布对比)和图11(速度矢量图对比)所示。

图8 组合旋转刀盘Fig.8 Combined rotating cutterheads

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

综上所述，采用偏心多轴式摆动刀盘开挖，每把刀切削轨迹小，切削扭矩小、搅拌扭矩大，开挖无盲区，可实现全断面开挖；缺点是对周围土体扰动大，不利于顶管姿态控制及地表沉降控制，设备本身加工制造复杂，运行可靠性差。多刀盘旋转开挖切削扭矩大、搅拌扭矩低，对周围土体扰动小，同时盾体跳动小，有利于顶管姿态控制及地表沉降控制，设备本身制造加工简单，设备后期的运行可靠性高；但存在的缺点是开挖面存在一定的开挖盲区，因此不适合在较硬地层掘进，若在较硬地层掘进需要增加辅助措施对盲区进行预处理。

3.2 超宽矩形薄壳体强度、刚度研究

矩形盾构顶管壳体主要承受水土压力及地面载荷压力，承受载荷较大；同时考虑到该项目地层承载力，盾壳设计质量不宜过大[7]，因此要在满足强度刚度的情况下尽量减小其质量。

1)模型建立及网格划分。采用有限元软件将超大断面矩形盾构顶管薄壳体结构按1∶1创建模型，并合理地划分模型[8]，如图12所示。

2)边界条件的确定及加载。前盾与尾盾通过纠偏油缸连接，前盾在正常掘进承受后面传来的推力、扭矩及土压力在调向时均由尾盾承受，因此将纠偏油缸支座的每个Ux，Uy，Uz进行约束自由度处理，并按照周围所承受土体压力进行加载。薄壳体上部载荷0.19 MPa；薄壳体侧向上部载荷0.063 MPa；薄壳体侧向载荷0.175 MPa；薄壳体底部载荷0.435 MPa(载荷参考土力学计算，不做详细介绍)。

3)应力及变形量分布云图。矩形薄壳体为Q345B钢板焊接组对的大型结构件，根据有限元分析结果，矩形薄壳体所承受的应力主要在100 MPa以下，满足使用要求(见图13)。壳体变形量最大处发生在盾体箱体后部的中间，变形值4.38 mm，且主驱动面板的变形很小，有利于刀盘的运转，故强度和刚度上均能满足设计要求(见图14)。

图12 矩形薄壳体网格划分Fig.12 Mesh of thin rectangular shell

图13 矩形薄壳体应力分布云图Fig.13 Contour of stress of thin rectangular shell

图14 矩形薄壳体变形量分布云图Fig.14 Contour of deformation of thin rectangular shell

4)基于有限元模型的盾壳结构优化设计。线性静力结构分析通常是用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。此处在相同的边界和相同的载荷条件下，分别模拟1个支撑梁(见图15)和2个支撑梁(见图16)的整体受力情况,计算出关键考察部位单元节点处的应力值和变形值，反复多次进行对比改进。

图15 单支撑梁时变形云图Fig.15 Contour of deformation of thin rectangular shell with one single support beam

图16 双支撑梁时整体变形云图Fig.16 Contour of deformation of thin rectangular shell with dual support beams

3.3 顶推机构电液比例集成控制研究

矩形盾构顶管顶推过程中需要具备较好的载荷顺应性，因此对该系统要求响应特性高，以提高姿态控制的精度。顶推系统采用压力和流量复合泵控系统。该系统采用了2套自主开发的双闭环电液比例控制技术，泵控制如图17所示。泵控原理如图18所示。泵控AMESim仿真如图19所示。通过不断仿真优化控制参数，最终实现了盾构顶管推力和位移的复合控制，仿真曲线如图20和图21所示，能使盾构顶管顶推系统适应各种复杂工况要求，具有较好的顺应性及响应特性。

3.4 矩形断面渣土改良技术研究

郑州市中州大道下穿工程主要以粉土、粉细砂为主，改良的方法通常为澎润土、泡沫和水添加剂为主[9]，为了得到较好的渣土流动性和塑性，通过综合实验台进行渣土改良实验研究。渣土改良泵站如图22所示，实验方法如图23所示。

图17 顶推泵的反馈控制Fig.17 Feedback control of pumps of thrust system

图18 泵液压原理图Fig.18 Diagram of hydraulic system of pump

图19 泵控AMESim仿真Fig.19 AMESim Simulation of pump control

通过取相同的土样，并进行除水干燥处理，分别向3组干燥土样中加入水改良、泡沫改良及泡沫和澎润土泥浆改良进行实验，充分搅拌后进行相应的坍落度测试，坍落度检测主要通过坍落度桶完成。将搅拌均匀的土体装入到坍落度桶内，然后轻轻压平，清除桶外渣土，保持坍落度桶静止1 min；将坍落度桶慢慢垂直提起，5～10 s内完成；并用钢尺量出土样顶部中心与坍落度桶顶部高度差，同时用捣棒轻轻敲打土体侧面，观察其黏聚性及析水情况；做3次平行试验，取平均值作为最终的实验数据。不同含水量的坍落度试验如图24所示。

图20 泵出口压力与比例溢流设定压力特性曲线Fig.20 Curve of pump out pressure Vs proportional relief setting pressure

图21 泵斜盘摆角与输入电流变化曲线Fig.21 Curve of pump swashplate swinging angle Vs input current curve

图22 渣土改良泵站Fig.22 Soil conditioning pump unit

1)不同含水量坍落度试验结论,见图25。

2)泡沫改良坍落度试验结论，见图26。

3)泡沫+膨润土浆液改良坍落度试验结论,见图27。

图23 渣土改良实验方法

(a)

(b)

图25 不同含水量土样坍落度试验数据曲线

图26 泡沫改良土样坍落度试验数据曲线

图27 泡沫+膨润土浆液改良土样坍落度试验数据曲线Fig.27 Curves of slump Vs foam and bentonite injection rate

从图26(泡沫改良)和图27(膨润土+泡沫改良)得出结论：对于该地层，采用泡沫和水的组合改良为最佳方式；膨润土浆液改良能有效增加土体黏聚性，对于土体的改良效果有一定的作用，但是综合考虑成本，其意义不大；为了增强设备的地质适应性，设备设计上预留膨润土浆液注入接口。

4 工程应用情况

目前，下穿中州大道项目，非机动车道和机动车道矩形盾构顶管2条隧道的施工已完成(现场出渣照片如图28所示)，为了验证上述关键技术的研究成果，对施工数据进行了分析[10]。针对机动车道盾构两侧土压力和沉降进行了分析统计，如图29和30所示。

图28 现场出渣照片Fig.28 Mucks discharged

(a)

(b)

图30 开挖沉降监测统计Fig.30 Statistics of ground surface settlement

从图29和图30可以看出，矩形盾构两侧的土压力差值小于0.005 MPa，且压力变化平稳，说明土仓内渣土流动性较好；掘进过程中开挖沉降量也是控制在10 mm以内，可判断刀盘的开挖形式对地层的扰动较小及渣土压力传递较好。

5 结论与讨论

下穿中州大道超大断面矩形盾构顶管施工实践表明，采用6刀盘联合开挖对地层扰动较小，有利于地表沉降控制，对于大断面、浅覆土施工有较强的推广意义。通过对渣土改良试验分析，建立了一套完整的渣土改良试验方法，将对盾构施工有很大的指导意义。通过超薄壳体强度刚度的研究，掌握了超大断面矩形结构盾构的受力载荷普、力学模型及有限元分析优化方法。通过对电液集成技术的研究，掌握了液压系统与载荷的顺应特性的分析方法。随着钢复合管片的研究深入，矩形盾构施工将在城市地下交通及管网建设中成为最经济、安全、环保和快捷的工法。

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国内首条盾构挖掘热力管线将正式投用

2014年10月31日，国内首条由盾构挖通的热力管线正式贯通。该工程为北京东北热电中心配套热网的北线，全长12 km，其中6.2 km采用盾构完成。盾构于2014年3月9日始发，前后历时237 d。该管线预计2014年底投入使用，将助力供热方式“煤改气”的转变，可为北京空气质量的改善发挥积极作用。

此次工程是首次尝试采用盾构挖掘热力管线，管线内温度高、湿度大，盾构挖掘不用采取降水措施，减少了工程对地下水环境的影响。而机器作业时，可直接将管壁安装至洞壁上，避免地上混凝土作业，减少地上环境污染。

盾构隧道的结构衬砌采用工厂加工预制，隐蔽性工程少，易于检查和检验。工厂预制构件运到现场后，进行机械化拼装，质量可以得到严格控制，不再需要修筑内衬结构。正常情况下，平均开挖速度可达到约24 m/d，是一般暗挖法的8～15倍。盾构下穿段的地上建筑物也不少，下穿机场二高速时，地面沉降只有1 mm，远远低于设计要求。

北京四大热电中心外迁工程将于2015年完工，届时城区内将无大型燃煤锅炉。据统计，四大热电中心外迁工程需要新铺设62.8 km的主热力管线，分为东北、东南、西北、西南4部分。截至10月30日，已有43 km的管线灌水并将在今冬供暖时启用，占整条管线的60%。2014年底，包括盾构挖掘段在内的近17 km管线也将投用。2015年供暖季来临前，所有管线将全部投用，用于全市2亿m2的供热。2017年，北京市供热将全部采用清洁能源。

目前，盾构长距离用于热力管线的技术在世界上极为少见，未来该项技术还将向国内其他热力管线推广。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=a040b00d-f828-437e-bff0-1c62050d4be1&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-11-04)

KeyTechnologiesforDesignofSuper-largeRectangularPipeJackingMachine

JIA Lianhui

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Study is made on the following key technologies for the design of a super-large rectangular pipe jacking machine (10.12 m×7.27 m): 1)study and selection of excavation modes of rectangular cross-section tunnels; 2)study on the strength and rigidity of the super-wide,rectangular and thin shell of the pipe jacking machine; 3)study on the integrated electro-hydraulic proportional control of the thrust system of the pipe jacking machine; 4)study on the soil conditioning of the rectangular tunnel.The results of the studies on afore-mentioned technologies have been successfully applied on a super-large rectangular pipe jacking machine,which will provide an economic,safe and rapid solution for the construction of rectangular tunnels in urban areas.

super-large pipe jacking machine; tunneling across underneath Zhongzhou avenue; finite element analysis; excavation system; thin shell; soil conditioning

2014-09-02;

2014-10-22

贾连辉(1981—)，男，河北三河人，2004年毕业于河北工程大学，机械设计制造及其自动化专业，本科，工程师，主要从事盾构设计工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.014

U 455.3

B

1672-741X(2014)11-1098-09