大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究资料下载.pdf

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从矩形隧道掘进机国外应用情况看，目前掌握该项施工装备和技术的，主要是日本。

日本从上世纪90年代后期对此项研究很活跃，而且发展很快，而其他国家在该技术领域的进展情况，则鲜有所闻。

目前国内所使用的矩形顶管机由于设备和施工技术原因，对周边环境和地下管线影响比较大，因此尚未大规模推广使用。

随着城市地下空间的开发，所需的不同断面矩形隧道和人行通道不断增加，研制新一代矩形隧道掘进设备和旋工技术已迫在眉睫。

12研究矩形地下通道施工设备与技术的目的

（1）在城市施工地下通道遇到最大的困难是“交通”和“管线”问题。

首先，地下通道的施工不能阻断地面交通运行，所以一般采用翻交分段施工，而采用翻交施工无论如何都不能保证施工期间地面交通的根本畅通。

其次，由于新建的地下通道般设计埋设于现有市政管线的下方，所以地下通道施工对管线存在影响。

上述条件使得地下通道施工前，必须将通道上方的市政管线进行搬迂。

而市政管线的搬迁一般会涉及到多个权属单位，协调工作复杂，往往受到一些客观因225万方数据第4期孙继辉：

大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究42007素的牵制，有些特殊管线搬迂费用昂贵，有时甚至会超过地下通道本身的土建造价。

（2）采用矩形地下通道掘进施工，不需要搬迁大量地下管线，不破坏地面道路结构，也不会影响现有地面交通的正常运行，一切施工都在道路面以下进行。

（3）从表面上看，矩形通道顶管法施工的单位长度造价要高于翻交明挖法，但是，如果考虑地下管线搬迁费用、道路翻交费用，特别是将特殊管线（如信息管、通信管、电力管等）搬迁费用，以及道路通行受阻、施工噪声等社会成本一并考虑，矩形通道顶管法施工具有不可替代的性价优势。

2TH625PMX一1矩形隧道掘进机的研制2006年，由我公司投资研制，具有自主知识产权的大断面（6270mm4390mm）矩形隧道掘进机成功投入实地使用，翻开了我国地下空间施工的新篇章。

21矩形隧道掘进机的适用范围

（1）本矩形土压平衡式顶管掘进机，能适应上海及周边省份地区的不同类型的地质条件，如各类粘性土、砂性土、粉质土及流砂地层，土的N值在10以下。

（2）有较好的防水性能，最大覆土层深度为15m。

（3）掘进机切口环部位具有独立模块单元组合和分解拆装功能。

（4）掘进机施工最大推进速度为6cmmlm。

（5）若受工作井和转场运输条件限制，顶管掘进机可自由拆装，分段最大长度255m，经拆装后仍能保持整机原有的工作性能和使用要求。

（6）矩形顶管掘进机的整体结构设计为今后改装矩形土压平衡式盾构机也作了综合统筹考虑。

22矩形隧道掘进机的设计理念根据对地下通道各施工工法的综合比较，各种施工方法都有其优点也有其不足。

如明挖法施工费用低，工期相对较短，但影响地面交通及环境；

而暗挖法则在地面以下施工，避免了对交通及环境的影响，但对施工机械和施工技术的要求较高，因而施工费用高、工期相对较长。

根据上海地区地下通道的特点，明挖法在将来还有一定的发展空间，特别是在一些施工场地允许的区域经常成为首选方法；

但从长远来看，由于存在越来越多的地下通道常常需要穿越繁忙街道、密布管线和已建建筑物。

这些地下通道具有以下特点：

断面以矩形为宜，以提高工程的经济性；

线路变化复杂，多为曲线；

沿线多为繁华地段，建筑密集，交通繁忙；

沿线管线纵横交错，管线保护要求高。

对这些工程采用暗挖法是最好的选择，其中采用项管法与盾构法各有优缺点。

于是我们确定的技术路线是在引进、消化国外先进技术和理念基础上，以我为主，合作开发具有国际水准的创新型矩形隧道掘进成套设备和特种施工技术。

该矩形隧道掘进机具有可变截面的模块组合，可适应不同隧226道截面的变化。

其中涉及复合充气密封铰接与中继问双功能装置、特种防侧转、计算机集群遥控操作、环境影响仿真分析与模型试验等创新技术。

23TH625PMX一1矩形隧道掘进机的设计与制造TH625PHXl矩形隧道掘进机（图1）的主要技术性能与参数见表1。

表1主要技术性能与参数序号性能内容技术参数1可变模块组合形式32组合2掘进机截面尺寸6270mm4390ITull3掘进平衡形式土压平衡4超前钻探装置22（1200）5刀盘切削扭矩1344kNm6刀盘转速O一24rmin7螺旋机输出能力697m3h28渣土泵排土能力69m3h9侧转稳定翼（伸出）0500nlm10侧转稳定翼（转角）20。

11铰接纠偏角度15。

12铰接中继间（伸出）0250Hml13铰接中继间（最大推力）24000kN14最大后推力32000kN15后推进速度O6cmmin16操作系统摄像监视，集群遥控图1TH625PMx一1矩形隧道掘进机231切削刀盘与刀具矩形隧道掘进机切削刀盘功能主要由两个方面组成。

一方面有6套独立的驱动机构，带动刀盘旋转，利用刀盘上的各种刀具对土体进行切削。

刀盘由联接套、刀杆、刀座和加强杆组成辐条式刀盘，安装仿形刀后，可达到全断面切削功能。

组合刀盘最大切削直径为2300mm。

另一方面掘进机本体前段焊接一圈周边刀，掘进时靠周边刀对土体进行切削，并使通道成型。

矩形隧道掘进机切削刀具由固定刀具和旋转刀具组成。

固定刀具分成狭、宽两种，在壳体前段每个圆弧位置各焊接9把狭刀，共计36把；

直线部位焊接宽刀，共计114把。

旋转刀具包括中心刀和各种刮刀。

每套刀盘装有自行研制高性能的1把中心刀和16把各种刮刀。

232刀盘驱动与控制矩形隧道掘进机为模块组合结构，为了防止刀盘旋转时魍建筑施工簧2譬卷万方数据孙继辉：

大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究第4期互相干扰，增加了3个机座，安装于前胸板上，6个辐条式刀盘支撑交叉安装于机座或前胸板上，使邻近两个刀盘之间最小间隙保持在50mm以上，避免相互干扰。

输出轴后端安装有双通道的中心回转接头，便于在需要时向前端及刀杆的注浆口注入泥水或泡沫。

刀盘驱动由3个185kw电机，经过行星减速器，带动刀盘支撑内的小齿轮，3个小齿轮同时带动大齿轮及刀盘旋转，输入功率555kw，总传动比61008，输出最大转速241r，mln输出转矩224kNm，经过变频。

本系统有3挡转速：

12、18、24rmln。

233螺旋输送机与泵送渣土矩形隧道掘进机采用双螺旋输送机出土与泵送渣的组合形式。

取消了常规土车运渣土的做法，使隧道掘进施工环境得到改善。

工人劳动强度得到减轻，掘进施工效率得到提高。

螺旋输送机转速0165rmln，最大输送量：

697m3h。

渣土输送泵功率：

75kw，渣土输送泵最大输送量69m孙。

234铰接纠偏与中继间的合成装置矩形隧道掘进机铰接系统具备掘进纠偏与中继问合成双功能。

中继铰接系统位于本体后段，后段分两部分镶嵌组成，可以进行一定距离的相对位移，达到顶推掘削和铰接纠偏功能。

两镶嵌部分之间采用拥有专利技术的复合气压密封机构。

将16个油缸分成四组，上下各5个为一组。

左右各3个为一组，每组油缸安装一只长度传感器，当油缸同时伸缩，带动两部分产生位移，实现中继问功能。

当油缸伸缩长度不同时，则产生铰接纠偏功能。

235防侧转水平翼装置矩形隧道掘进机安装有4套防侧转稳定翼装置，本体中段两侧各装两套，起到预防掘进时机头侧转和掘进纠偏作用。

稳定翼可以伸出本体500mm，旋转角度200，每个翼板的伸缩和转动均由两个油缸推动，位移距离可以从安装于油缸的长度传感器反馈给主控计算机，并在中央控制室的触摸显示屏上显示。

236超前钻探与防背土装置矩形隧道掘进机为防止掘进时地质出现突然变化的现象，设计时，在机头前仓布置四个可旋转角度的直径120mm的超前钻探孔，可以用来注水或安装超前钻探设备。

机头上部有两个人员检视窗口，用于检查和应急处理。

外壳一圈有18个中60mm的孑L和上部注浆槽，用于注减磨浆液，使其形成固定泥浆套，防止掘进时上背土现象产生。

237地面中央集群遥控操纵系统矩形隧道掘进机采用地面中央集群计算机控制，遥控操纵各施工系统（图2）。

中央集群控制包括掘进主机的刀盘切削的转速、扭矩、旋转方向；

螺旋输送机的转速、压力、出土量；

排渣土泵的排量、压力、运行；

铰接纠偏角度i中继间推进2007年4月出版长度、推力；

防侧转稳定翼的长度、角度；

后推进系统油缸的顶力、行程、左右同步性能及油缸选择；

减磨注浆的压力、流量；

安全报警系统；

各系统及环节的实时摄像监控，可实现阶段性真正意义上的井下无人操作施工。

图2中央控制系统3矩形地下通道掘进施工的关键技术31出洞技术

（1）洞口加固及掘进穿墙措施：

根据现场环境，出洞口外土体采用S川工法加固。

加固体与围护体之间采用高压旋喷加固，以起到洞门凿除后挡土和止水的效果。

洞门止水装置采用帘布橡胶板+可调节截面尺寸的钢插板。

（2）出洞防磕头措施：

为克服掘进机出洞阶段的磕头趋势，采用高出洞技术。

（3）本掘进机刀盘为前置式设计，无常规的密封土仓，当前置刀盘进入帘布板后，需进行S川工法桩型钢拔除，此时，极易发生刀盘前的土体坍塌。

应对的措施为：

刀盘进入帘布板前，先在6个刀盘的间隙内填充聚乙烯泡沫板，尽可能将刀盘问的空隙填满。

刀盘进入帘布板，控制好推进距离，使刀盘与工法桩的型钢保持最小的距离。

通过穿墙管向帘布板内压注高稠度的惰性浆液，尽可能充填聚乙烯泡沫板间的空隙，此时，已建立起切口前的压力。

拔除工法桩型钢。

32减摩技术由于掘进机的主推系统设置在井内，随着掘进距离的延伸，主推力也逐渐增大，此时，须在机头和管节与土层接触面间压注适量的减摩浆液（表2）。

这样做可有效地减小掘进推力和防止设备及管节背土造成的地表沉降，危及地下管线的安全。

表2减摩浆液指标项次项目性能指标检验方法1重度11115gcd浆液比重剂2粘度12s500IIll漏斗法3PH值7PH剂4失水率25cI一30miITl失水仪5稳定性do029cnl2稳定性筒减摩浆液的注入口分别为：

掘进机尾部外均布18个万方数据第4期孙继辉：

大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究42007每节管节外周均布10个。

减摩浆液应控制好注入量和注入压力。

注入量的控制以能形成浆液套为准；

注入压力的控制以不劈裂土体为前提。

压浆量一般控制在O510m3每节，可根据总推力的变化情况，在此范围内调整。

掘进时要根据具体情况，适时适量地全程补压浆；

压力以不超过05HPa为准。

减摩浆液是由地面的泵送设备通过浆管压注的，在压浆泵处分别装有流量表和压力表，便于观察、控制和调节。

33止退技术当掘进至规定行程、安装管节前，需缩回主推油缸。

此时，由于正面土压力的作用，掘进机及已安装完的管节会产生一定量的后退。

此情况，在初始掘进时表现尤为明显。

这样会使管节问松弛，严重的会造成切口前地表沉降，导致影响地面交通和危及管线安全，需采取合理有效的止退措施加以克月匿。

以切口土压力O14HPa为例，切口前的正面反推力达到4000kN左右：

P=pa（a6）=140j（Nm2（439m627m）=39895kN式中风一切口压力（kNm2）；

a一掘进机截面高度（m）；

b一掘进机截面宽度（m）。

因此，为防止掘进机在巨大的反推力作用下后退，施工时需安装可调节的止退装置，以抵抗掘进时正面反推力，随着施工深入、通道延伸会逐渐弱化。

现场控制以机头后退小于5mm为临界，即机头后退小于5mm时，可撤消（或简化）止退装置。

34施工参数控制技术341土压力土压力的设定以理论值系数来确定，并根据监测数据反馈值来调整。

上述系数应取l。

618，比盾构施工取值要大。

它和不填充建筑空隙有关。

掘进时，切口前应略有隆起，机头过后略有回落。

342掘进速度掘进速度是控制切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段。

在掘进时，不断调整掘进速度，找出速度、正面土压力与出土量三者的最佳匹配值，以保证掘进质量，确保设备以最佳状态工作。

343出土量施工过程中，出土量要与开挖量相一致，以保持正面土压力稳定。

出土量大于开挖量，地面会沉降，出土量小于开挖量，地面会隆起，这都会造成管节周围土体的扰动，只有保证出土量与开挖量相一致，才不至于造成周边土层的过多扰动和地面沉降。

35轴线控制技术轴线控制是矩形隧道掘进的一大难题。

在施工时，轴线228一旦形成较大的偏差，纠偏难度将增大，因此，施工中必须严格控制好施工轴线。

掘进时，应控制好掘进机姿态，随偏随纠，做到勤纠、少（量）纠，一次纠偏量不宜过大，防止滥纠，避免掘进机走“蛇”形。

一次纠偏量过大，会发生管节张角，造成管节渗漏，还会造成管节端面的混凝土破损，严重的会加剧地面沉降。

初始阶段纠偏主要靠选择后项油缸的位置和数量，改变主顶合力位置来实施。

当管节拼装有一定长度后，靠铰接油缸实施。

36防侧转技术因地面附加荷载、浅覆土施工地面车行道动载，轴线纠偏和其他客观因素的影响，掘进施工时会造成大截面矩形掘进机侧转。

防侧转的主要技术有：

信息化施工：

掘进机每掘进20cm，除了控制倾斜仪显示数据外，还需进行一次左右两侧的高程比对；

改变刀盘转动方向：

通过改变和调整6个前置刀盘的切削方向所提供的反扭矩，改善侧转倾向。

合理使用平衡翼：

掘进机左右两侧上下备有两组平衡稳定翼装置，最大伸出长度5mm，可在200范围内上下转动，通过调整平衡稳定翼的伸出量及旋转角度来控制侧转，对防止和克服机体侧转量的增大，有较好的效果。

37地面沉降控制技术当顶管掘进时，周围土体的扰动和流失，会造成一定量的地面沉降，主要原因有：

（1）在掘进过程中，如果切口土压力不平衡，会造成超（欠）挖，导致地面沉降，从而损坏地下管线；

（2）掘进时，过度纠偏造成的对地层过量扰动，也会加剧地面沉降，从而损坏地下管线；

（3）地面附加荷载也会导致地面沉降。

当掘进沿线两侧地面附加荷载（建筑物等）不一致时，会影响掘进土压力取定，造成局部范围的趣（欠）挖，从而造成地面沉降，并损坏地下管线。

因此，加强掘进施工时正面土压力的管理、适时适度地纠偏和实旎信息化施工，及时调整、优化施工参数，精心组织、精心施工是控制地面沉降的关键。

38浆液置换技术矩形隧道掘进机施工客观上存在空隙，施工阶段该间隙是由减摩浆液来充填的，对控制地面的后期沉降极其不利。

为了消除该弊端，应在掘进结束后，对管节外空隙内的减摩浆液进行置换。

置换浆液可选用单液浆或双液浆。

单液浆用于后期沉降速率小或沉降不明显的区段；

双液浆用于后期沉降速率大或沉降明显的区段。

施工实践证明，沉降量大的区段，如采用超量的双液浆置换，可使地表略有反弹。

3。

9矩形隧道掘进地面沉降控制三维有限元分析技术通过建立三维有限元模型，分析矩形顶管在施工过程中魍建筑施工簧2譬卷万方数据孙继辉：

大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究第4期的力学特性以及顶管周围土体的变形情况、地表位移等，将计算结果与现场实测的地表沉降值做了比较验证。

研究在不同施工工艺、不同施工参数，与地表变形的关系，并对地表变形及周边环境的影响情况进行预测。

（1）矩形地下通道施工时地表变形监测点的布置及其优化；

（2）矩形地下通道施工时地表变形及周边环境监测数据的分析；

（3）结合详细工况描述，研究施工工艺参数与地表变形的关系；

（4）利用MSC、MARC有限元软件，建立矩形项管的计算分析模型，研究矩形项管在不同性质的土层和不同埋深下的受力特性和地表变形规律；

（5）根据大量数值模拟分析结果，结合上海轨道交通6号线浦电路站东方路联通道现场监测资料，研究矩形顶管施工引起的地表沉降的估算方法；

（6）根据综合分析数值计算结果、现场实测结果和施工实际情况，研究矩形顶管施工时合理环境保护和沉降控制的措施，为矩形顶管施工工法的标准化提供必要的依据。

4矩形隧道掘进设备与技术在工程施工中的应用41应用工程概况上海市轨道交通6号线浦电路车站3号出入口，位于上海市浦东新区东方路与浦电路交叉的十字路口南侧，包括一个始发井、一个接收井、一个地下通道和一个出入坡道。

地下通道位于浦电路车站主体结构，由东向西，穿过东方路至潍坊八村居民区内，通道与东方路基本成正交；

通道坡度3，最大埋深11624m，最大覆土厚度为7264m，掘进距离为427m，由28节预制钢筋混凝土管节组成。

场区45m深度范围内土层按其土性、地质年代、成因类型和物理力学指标划分为7层、12个亚层。

土层自上而下依次为：

填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、粉粘质土、粉质粘土、砂质粉土夹粉质粘土、粉砂、粉细砂。

通道洞身埋置于淤泥质粉质粘土、（夹）粉质粘土、淤泥质粘土这3层土之间。

该土层渗透系数一般为610cmsec左右，属高含水量、高灵敏度、高压缩性、低强度、弱渗透性的饱和软粘性土，蠕变量大。

其物理力学参数见表4。

表4土层物理力学参数土层名称含水重度粘聚内摩压缩模塑性指液性指空隙比量l：

Nm_3力Pa擦角。

量MPa数数淤泥质粉质粘土40917412205358141141116（夹）粘质粉土345181531729117138O98淤泥质粘土498166141224212124143工程区域场地浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地2007年4月出版表径流补给，潜水水位埋深一般为0515m，浅部地下水对混凝土无腐蚀性。

42技术难点

（1）矩形隧道截面大，是目前国内最大的矩形隧道掘进机。

（2）矩形地下通道沿线地下管线繁杂。

掘进沿途对施工有影响的地下管线有电力电缆、煤气、信息以及雨水、污水、上水等。

其中尤以小l200mm的污水管道影响最大，污水管底与通道顶部；

争距约12m，污水管窨井底部与通道项部的距离仅07m左右（图3）。

图3周边管线剖面图43实施结果上海轨道交通6号线浦电路车站矩形地下通道工程的掘进实施，采用了自行开发研制的TH625HPx一1矩形隧道掘进机和特种施工技术，一举创下多项第一，得到上海市建委、市科委、市经委有关领导首肯和建设单位好评，并取得了以下创新成果：

（1）创新产品：

引进、消化技术，再创新的掘进机新产品；

具有自主知识产权的产品；

拥有多项专利技术的产品。

（2）创新技术：

模块组合技术；

自主刀具技术；

复合气密技术；

泵送渣土技术；

集群控制技术；

遥控操作技术；

多重纠偏技术；

填充注浆技术；

环境影响三维有限元仿真分析和模型试验技术。

（3）创新工程：

一小（地面沉降小）；

二斜（施工路面斜，推进轴线斜）；

三多（车辆多，管线多，动荷载多）；

（4）创新水平：

最大截面（624m439m）；

最新技术（八大先进技术）；

最快速度（15mh）；

最高精度（推进轴线误差25cm，侧转O5。

，地面沉降3cm）。

5结语矩形隧道掘进机在设计和研制过程中，坚持自主创新的原则，从主机设计到关键部件研制，共计向国家知识产权局申请发明专利、实用新型专利6项，其中2项实用新型专利已获授权。

大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究成果，经上海科学技术情报研究所水平查新检索和上海市科委专家验收组验收，本研究成果具有一定创新性，总体达到国际先进水平。

229万方数据大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究作者：

孙继辉，SunJihui作者单位：

上海市机械施工有限公司,200072刊名：

建筑施工英文刊名：

BUILDINGCONSTRUCTION年，卷（期）：

2007,29（4）被引用次数：

1次引证文献（1条）引证文献（1条）1.安危.赵寒青上海轨道交通6号线车站过街出入口采用大截面矩形顶管的设计与研究期刊论文-土工基础2008（4）本文链接：

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