展示
中国土木工程学会轨道交通分会城市轨道交通技术创新推广项目
类矩形盾构照片
轨道交通工程新型施工设备及施工技术－类矩形盾构
完成单位：
上海隧道工程有限公司
内容简介：
轨道交通工程新型施工设备及施工技术项目分为三个部分：类矩形盾构、GPST地面出入式盾构、矩形顶管暗挖车站（将分三期介绍，今天内容为类矩形盾构）
关键技术内容及技术路线
1. 盾构推进施工技术
盾构推进控制
盾构推进和地层变形的控制：平衡压力的设定是类矩形土压平衡式盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节，这里面包含着推力、推进速度和出土量的三者相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。
盾构推进主要参数设定：考虑三个方面的因素：
>> 平衡压力值的设定原则
>> 推进出土量控制
>> 推进速度
土体改良：针对类矩形盾构特殊的切削断面，从改善切削土塑流性、降低土体切削强度、提高土体压力传导性角度出发，对改良添加剂材料及注入参数进行研究。
盾构推进的轴线控制：包括管片楔型量控制、盾构机千斤顶纠偏控制、盾构机转角控制预防及纠偏措施、成型隧道上浮控制、掘进施工参数管理控制措施
竖曲线管片楔子粘贴示意图
矩形盾构机区域油压划分图
壁后注浆控制
工艺流程如下：
盾构同步注浆施工工艺流程图
管片拼装控制
管片拼装要点：
>> 盾尾清理及管片外观检查
>> 做好下部T2块管片的定位工作
>> 中立柱拼装
>> 千斤顶收缩及靠拢
>> 环面平整度及超前量控制
>> 纵、环向螺栓连接
矩形管片拼装流程示意图
盾构防背土控制
防背土施工技术措施：
>> 合理设定土压力：为避免土压力设定过高产生土体挤压现象，平衡土压设定值控制标准为地表沉降±2mm，尽量避免欠挖现象产生。
>> 加强土体改良：根据科研初期成果，有效针对断面土层特性采取有效改良手段，确排渣顺畅。
>> 盾构机纠偏控制：避免大幅度纠偏产生的土体挤压现象，单环平面轴线纠偏量≤1cm，纠偏坡度≤1‰。
>> 同步注浆控制：根据盾尾间隙合理分配单孔注浆量，避免局部同步注浆孔压力过大产生绕流现象附着于盾构机壳体。
减摩护壁泥浆是影响盾构顶力、提高长距离顶进效率，以及控制背土和地面沉降的重要技术。对于超大断面矩形盾构的特性，在盾构的顶部存在大面积的减摩护壁泥浆，减摩护壁泥浆的质量优劣更是关系到盾构顶进顺利与否的关键。
盾构机壳体增开注浆孔图
盾构防偏转控制
盾构机防偏转设计措施
>> 盾构机壳体增加注浆孔
>> 增加配重车架
防偏转施工技术措施：根据盾构机偏转量，采用多种纠偏措施组合的方式，并根据监测数据进行不断的优化调整。
配重车架图
2. 类矩形盾构及管片姿态测量
盾构及管片姿态控制是盾构法施工测量的主要内容。为了达到精准地控制盾构姿态，采用自动导向系统和人工盾构姿态控制两种方式同时进行测量。
自动导向测量：根据矩形盾构的特点自行研制针对大断面矩形盾构的自动导向系统，研发将在现有盾构掘进姿态实时监测系统的基础上，针对矩形盾构的特点，在提高盾构转角测量精度和频率的同时，可提供左右两条线路各自的盾构姿态。
人工辅助盾构姿态测量：针对自动测量导向系统，要做好平时的盾构姿态复测工作，以防止自动导向系统受到施工的影响，而导致的测量偏差的出现，确保测量的准确性，在自动测量的基础上，有计划的进行人工复测，复测内容包括，对盾构姿态的复核，对测量台的复核。
3. 施工监测
根据工程特点及所处周边环境情况，开展地表沉降监测、地下管线沉降监测、沿线建（构）筑物沉降、裂缝、倾斜监测、隧道隆陷的监测。
动导向系统示意图
4. 在环保、节能、创新方面的指标
1）提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力，减低环境影响；
2）大大减小占用地下空间的范围和隧道埋深；
3）类矩形断面能节约35%以上的地下空间；
4）一次形成双线地铁，合理实施可节约工期。
主要技术特点和创新点
类矩形盾构主要由拼装系统、螺旋机出土系统、推进系统、铰接系统、驱动系统、刀盘系统等组成。刀盘采用11.83m×7.27m的类矩形全断面切削组合刀盘，由同一平面相交的两个X圆形大刀盘和后置偏心多轴刀盘组合而成，通过采用同平面相交双刀盘协调驱动技术、GPS实时映像检测技术、多电机驱动技术、传动系统性能预测及故障预警技术，可实现双刀盘相不干涉交错旋转，满足全断面长距离掘进需求。
该项目围绕类矩形全断面切削盾构技术进行突破创新，自主研制出世界首台类矩形盾构，申请国家发明专利40项、软件著作权4项，攻克了类矩形全断面盾构总体设计和系统集成技术、类矩形盾构同平面相交双刀盘协调驱动技术、带立柱拼装功能的多自由度管片拼装技术和类矩形大断面极曲线主动铰接技术等关键技术，建立了适应地下空间集约化利用、高标准环境保护、空间使用灵活的类矩形盾构技术体系，揭示了类矩形盾构法隧道变形规律及施工环境影响规律，为类矩形盾构在行业和国内的推广提供了支撑和借鉴，对我国轨道交通建设和新型城镇化的可持续发展具有重要意义。
针对类矩形盾构法隧道的特点，对《盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）》的局部条文进行了修订，编制了《宁波市轨道交通类矩形盾构法隧道施工与验收标准》（试行版）。
矩形盾构主机结构总图
成果应用情况说明
1. 使用效果评价
工程使用案例：宁波市轨道交通3号线一期工程为高塘桥至甬江北段，主要经过鄞州新城区、江东区中兴路，下穿甬江后止于江北区庄桥机场前，线路全长约16.729km。类矩形盾构区间段范围为高塘桥站（陈婆渡站）~盾构接收井区间。矩形盾构段长390.3m，区间隧道纵坡最大坡度35‰，最小平曲线半径400m，隧道顶部埋深2.5m～10.46m。
施工效果：
盾构姿态控制：
出入段线类矩形盾构区间成型隧道平面、高程偏差均控制在±100mm以内，与单圆隧道轴线控制水平相当，证明该工艺今后能够在轨道交通工程中推广运用。
盾构转角控制：
出入段线类矩形盾构推进过程中，盾构机转角控制在±14′以内，通过总结发现当盾构机转角在±6′以内时，控制较易，当盾构机转角超过6′时，较难进行纠偏。
成型隧道收敛
通过1~268环管片后期的收敛变形监测，除个别点外，成型隧道收敛值均在3mm以内，可见在无外力作用下，类矩形盾构隧道较稳定，不会产生形变。
地面沉降控制
通过3号线出入段线类矩形盾构隧道施工过程中各阶段的参数调整及优化，最终确定按照如下施工参数能将地表沉降值控制在一个可控稳定，较好的范围内。
沉降槽宽度分析
隧道断面沉降沿隧道轴线呈对称抛物线分布，轴线处沉降最大，远之渐渐收敛。主要影响范围在22m左右（即盾构轴线单侧11m范围内）。影响边界累计沉降值及轴线点累计沉降值都随着各阶段施工参数的调整优化，呈明显递减状态。
同步注浆施工现场
2. 市场需求分析
从隧道的使用功能来分析，地铁隧道、城市交通人行地道、地下共同沟等隧道的断面形式以单峒双线异形断面隧道最为合适，最为经济，与圆形断面相比，其有效使用面积比圆形增大20％以上；在拥有相等有效空间的情况下，类矩形断面能节约35%以上的地下空间，且可以大大减小隧道的埋深。同时，对于双线地铁隧道，类矩形隧道较双线圆隧道，其影响范围、对周边建筑的不利影响可大大减小。
未来城市地下空间开发中，将会碰到越来越多的“碰不得”、“放不下”。类矩形盾构法隧道新技术可以应用于诸多领域：地铁正线区间，地铁渡线段、存车段，地下空间联通，地下道路匝道。
3. 与国内外同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化前景分析
类矩形盾构隧道与其他盾构隧道比较具有以下优势：
1）双线单圆隧道：横向占用空间最大；
2）大直径圆隧道：横向占用空间缩小，但竖向占用空间加大；
3）单峒双线异形断面隧道：横向占用空间小，且竖向空间未加大；
4）矩形隧道：开挖边界为缓和弧线，地层扰动相对较小。
经济效益和社会效益评价
1）提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力，减低环境影响；
2）大大减小占用地下空间的范围和隧道埋深；
3）类矩形断面能节约35%以上的地下空间；
4）一次形成双线地铁，合理实施可节约工期。
类矩形盾构隧道内实景照片
