大截面矩形盾构机的研制及应用
我国矩形隧道施工技术的研究与应用
我国矩形隧道施工技术的研究与应用提要：本文介绍了我国矩形隧道施工技术的研究与应用现状、现有矩形顶管机类型和技术水平，指出要提高我国矩形隧道施工技术水平，必须开展对矩形盾构施工技术的研究。
关键词：矩形隧道矩形顶管机矩形盾构施工技术1 概述自从英国人布鲁诺受“甲克虫打洞”启示，采用矩形盾构掘进机修建伦敦泰晤士河底隧道以来，至今已逾170多年的历史，在此漫长的历史变迁中，盾构作为地下工程掘进机械，几经发展和变化，施工技术也在不断的运用中得到发展和提高，隧道断面形状由最初的矩形发展到现在的圆形、椭圆形、马蹄形和多圆形等。
圆形隧道以其结构受力好、设备制造简单和推进轴线容易控制等优点，在地下工程掘进技术领域占有主导地位，早先开发的矩形隧道施工技术因鲜有发展而渐渐地被忽视了。
近几年来，随着市政建设的高速发展，基本建设对地下空间的利用与日俱增，特别是双层隧道、纵形和横形隧道、地下车行与人行通道和共同沟等结构设施的开发，加上隧道施工技术的提高，形成了局部气压、泥水加压和土压平衡式等新型掘进机技术，掘进机刀盘也开发出反铲式、条幅式、面板式、大刀盘式、多刀盘式、组合刀盘式（带仿形刀）、滚刀式和偏心多轴式等类型，为矩形隧道施工技术的重新崛起创造了时机和条件。
目前，世界上研制应用的部分矩形盾构机如图1所示。
2 矩形隧道的特点和施工难点2.1 特点(1) 能充分利用结构断面，提高有效面积的使用；(2) 合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积，降低了工程造价（图2）。
(3) 与圆形隧道施工技术有许多相似之处，可利用先进的施工技术加强和实施矩形隧道施工。
2.2 施工难点2.2.1 机头背土由于土体和机壳间的摩擦作用，引起机头顶部背土，产生的土体扰动和流失给地面建筑和环境带来破坏，也给掘进施工带来诸多不利。
2.2.2 机头旋转各种形状的掘进机，推进中不可避免地产生机头旋转，矩形机头的纠转不仅克服土体摩擦力，还须克服土体的抗力。
矩形盾构机施工方案
矩形盾构机施工方案一、工程概况与目标工程概况本工程位于[城市名]市中心，计划建设一条地下通道，全长[距离]公里。
通道设计采用矩形断面，以适应繁忙的城市交通需求。
工程区域地质条件主要为粘土和砂质土，局部存在卵石层。
工程目标实现地下通道的快速、安全、高效建设。
保证施工质量，满足设计要求的矩形断面精度。
严格控制施工对周边环境的影响。
二、盾构机选型与配置根据工程的地质条件和设计要求，选用矩形盾构机进行施工。
盾构机主要配置包括掘进系统、出土系统、管片拼装系统、同步注浆系统等。
确保盾构机具备足够的掘进能力、稳定性及精度控制。
三、施工前准备工作对工程区域进行详细的地质勘察和环境评估。
完成施工图纸的设计和审批。
编制详细的施工方案和安全专项方案。
组织施工队伍，并进行技术培训和安全教育。
四、盾构机进场与安装制定盾构机进场路线和时间安排。
对盾构机进行全面检查和维护，确保其性能良好。
在施工现场搭建盾构机安装平台，并进行定位和校准。
完成盾构机的安装和调试工作，确保其能够正常工作。
五、掘进与出土技术根据地质条件和设计要求，制定掘进参数和掘进速度。
采用泥浆护壁技术，确保掘进过程中的稳定性。
掘进过程中，通过出土系统及时清理渣土，保持掘进面的清洁。
对掘进过程进行实时监控，确保掘进精度和质量。
六、管片拼装与质量控制根据设计要求，选用合适的管片类型和规格。
对管片进行质量检查，确保其符合设计要求。
采用自动化拼装技术，提高管片拼装的精度和效率。
对拼装完成的隧道进行质量检测，确保施工质量满足要求。
七、安全监控与应急措施在施工现场安装安全监控系统，实时监测施工过程中的安全隐患。
制定详细的应急预案，包括人员伤亡、设备故障、地质突变等情况的应对措施。
定期组织应急演练，提高施工队伍的应急处理能力。
八、环境保护与措施严格控制施工噪音、振动和扬尘对周边环境的影响。
合理利用泥浆和水资源，减少施工废水排放。
对施工现场进行绿化和美化，提升城市环境质量。
通过以上方案的实施，我们将确保矩形盾构机施工的顺利进行，实现地下通道的快速、安全、高效建设，为城市发展贡献力量。
矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用
矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用结合郑州市中州大道下穿隧道工程施工实例，对土压平衡矩型盾构顶管机的实用性、超大断面矩型盾构顶管施工始发到达的安全、沉降控制、姿态控制技术四方面进行了阐述。
标签：矩型盾构施工；隧道；应用1 工程概况中州大道是郑州市贯通南北的交通大动脉，宽达100米，双向14个车道，承载着郑州交通繁重任务，为了保障施工期间最小程度的影响交通，施工采用矩形盾构施工，不仅对地上道路的正常通行、周边环境的影响比较小，而且施工的安全性、施工效率也比较高。
采用矩形盾构施工，还可使隧道的空间利用率提高近20%，与人工开挖相比，效率将提高4-5倍。
2 主要新技术研究及其应用2.1 技术特点本工程下穿中州大道段采用土压平衡矩形盾构顶管法施工，顶管段具有以下主要特点：开挖断面大、覆土埋深浅、隧道间距小、管线间距近、沉降要求高。
矩形盾构顶管段机动车道断面为10.1m×7.25m，断面72.2m2；非机动车道断面为7.5×5.4m，而目前国内已经成功应用于施工的最大断面顶管为6.9m×4.9m （断面面积33.81m2）；此外因受场地条件限制，隧道上最小覆土仅为3.5m；隧道之间间距小，2条矩形盾构顶管隧道净间距为1m，距离DN600mm的雨水管仅1m；最长推进长度达到105m；是目前世界上断面最大的矩形盾构顶管，在设计技术上突破了六刀盘复合开挖联合控制技术、盾体推进过程当中的减少摩擦的设计、超薄壳体和超大断面的结构强度设计优化等关键技术难题，施工难度大。
2.2 矩形盾构顶管采用的土压平衡矩形盾构顶管机是由中国中铁装备自行研究、设计、制造的二台多刀盘辐条式土压平衡顶管机，大顶管尺寸：10120mm×7270mm，小顶管尺寸7520mm×5420mm。
切刀和先行刀采用高耐磨的硬质碳钨合金刀具，以适应各类土体和加固体，并配备良好的泡沫和膨润土、触变泥浆注入系统。
巨型矩形隧道盾构掘进机
图 5 杆件加大截面设计 Fig. 5 Enlarging section design of bar
相对而言 ,节点板处焊接量比较大 ,所以对节点板
采用如下焊接方法 :由桁架中间向两边同步焊接 ,焊接
[ 3 ] 赵峰 ,吴东平. 钢屋架加固改造中的受力分析方法 [J ] . 建筑 技术 , 2005 , 36 (5) . Zhao Feng , Wu Dongping. A force analysis method in reinforcing steel roof truss [ J ] . Architecture Technology , 2005 , 36 ( 5) . ( in Chinese)
support of new bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱilding
临时结构的整体稳定性 4 区的所有外围墙体 、挡风柱等拆除后 ,原结构只
剩下柱和钢屋架及屋面板 ,虽然减小了风荷载效应 ,但 考虑到基坑开挖 ,以及后续基础加固的土方开挖使得 结构变形加大 ,因此在连接薄弱的位置 ,如结构四角和 拐角处增设型钢支撑 ( 见图 7a) ,以加强临时过渡结构 的整体稳定性 。支撑和柱采用铰接 ,安装形式如图 7b 所示 。
[ 2 ] 罗启北 ,宋扬 ,张艳霞 ,等. 某厂房钢屋架加固施工[J ] . 施工 技术 ,2005 ,34 (8) . Luo Qibei , Song Yang , Zhang Yanxia , et al . Strengthening construction of steel roof trusses of a factory building[J ] . Construction Technology , 2005 ,34 (8) . (in Chinese)
大断面矩形地下通道施工设备与技术的研究
三、工程实施的关键技术
5、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。
掘进速度来平衡正面土压力。
● 推进系统 主顶装置采用16个千斤顶，单个千斤顶最大推力
2000KN，行程2500mm，总推力32000KN。16个千斤顶 两侧对称布置，每个千斤顶具有独立油路控制，掘进 初始阶段，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力 中心来进行纠偏。
铰接系统配有16个千斤顶，最大行程250mm，顶 力为1500KN/只，工作油压31.5Mpa，具有纠偏及中继 间.9 34.5 49.8 38.7 35.5 24.1 24.5 30.4 29.2 29.7
重度 kN·m-3
18 18 17.4 18.1 16.6 17.6 17.8 19.3 19.3 18.5 18.7 18.9
粘聚力 Pa
15 12 5 14 16 15 44 40 4 2 2
☆通道坡度3% ☆最大埋深11.624m ☆最大覆土厚度为7.264m ☆掘进距离为42.7m ☆由28节预制钢筋混凝土管节组成。
二、工程概况和特点
地质情况：
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、粉质粘土、粉质粘土、砂质粉土夹粉质粘土、粉砂、粉细砂。
三、工程实施的关键技术
8、管节连接技术
为防止通道成型后管节接头松弛，避免接 缝间渗漏水，现场采用L120×120×14的型钢 连接相邻管节。其中，首五节全断面连接，后 续管节连接点相应减少。管节连接后，对掘进 机机的轴线控制也有益处。
大断面矩形隧道盾构现浇衬砌同步施工技术
道桥工程２７
套筒式反铲挖掘机械手、螺旋输送机、皮带输送机设计图 一套：反铲挖掘机基本达到全断面开挖的要求。 ３．３盾构液压推进系统和电气操作系统的研究 在满足顶力的基础上利用电控分组形式控制纠偏。 ３．４非闭合式盾尾脱模和同步注浆技术的研究 底部非闭合式盾尾可减小顶进脱模时的阻力。并不影响 同步注浆的效果。模内外与土层及混凝土接触部的同步注浆 有效降低了路面沉降。 ３．５现浇钢筋混凝土衬砌的钢模板分类、分块和连接，并 具备盾构推进支承功能技术及可调式模板支撑系统的研究 利用钢模板和混凝土的摩阻力为盾构机提供反力。模板 拆后支前循环使用率高。 ３．６在城市浅覆土层、道路交通正常运营和地下管线密集 条件下的大断面矩形盾构掘进施工技术的研究 商业用途要求埋深较浅。这对于大断面矩形盾构掘进施 工技术的要求较高。主要在于对沉降的控制及减小大断面矩 形盾构背土的影响。
１．０～１．３ｍ（未见底）。 ４，ｇ：粘质粉土，层厚１．５～３．４ｍ。稍密状态，中等压缩性，含 粉砂团块，局部为粉质粘土。灰红色，岩芯完整。本工程主要在
ｌ层角砾土层中顶进。 ２．３水文条件
场地地下水呈孔隙潜水为主。地下水位埋深一般在１０．２～ １１．０ｍ左右，含水层为角砾，主要由大气降水及生活废水渗漏
时间．即增加了每环施工的无效停滞工期。若能改进采用预制 成品管节进行拼装结构施工。则施－Ｉ－＇Ｉ－期和成本将会大幅度 降低。同时增强该工法的实用性。
责任编辑：余咏梅
万方数据
大断面矩形隧道盾构现浇衬砌同步施工技术
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 董来军 中建新疆建工集团第一建筑工程有限责任公司,新疆乌鲁木齐,830011 重庆建筑 CHONGQING ARCHITECTUR表现在地层中以非开挖的方式，以多联体 矩形盾构掘进机的共体的盾尾作为活动的外模板，连续地浇 筑混凝土，以构建大型地下结构。组合成的各单体矩形盾构机 可单个地运输和吊装。在施工现场再组合，因此克服了超大断 面盾构在运输和吊装方面的困难。同时又避免了大开挖方式 所特有的占用±地、影响交通的缺陷。
大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究
“ ” 管线 问题。 首先 ， 下通道的施工不能阻断地面交通运行 ， 地
械 师 。联 系地 址 ：上 海 市 老 沪 太 路 ２ ０号 （ ０ ０２ ， 电 话 ：０ １ ０ ２０７） （２ ）
５０ ６３ ６ ３ ２２转 ３ ３ １。
下通道一般设计埋设于现 有市政 管线 的下方 ， 以地下通道 所 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迁 。 而市政管 线的搬迁一般会
【 收稿 日期 】 ０ ７ ０ — ５ ２ ０ — ４ ０
涉及到多个权属单位 ， 协调工作复杂， 往往受到一些客观因
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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
素的 牵制 ， 有些特殊管线搬迁 费用昂贵 ， 时甚至 会超过地 有 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 ， 矩形通道项管法施工的 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 ， 别是将特殊 管线（ 特 如信息管、 通信管 、 电力管等 ） 搬迂 费用 ， 道路通行 受阻 、 工噪声等社 会成 本一并考 以及 施
项研 究很活跃 ， 发展很快 ， 他国 家在该 技术领域 的 而且 而其
进展情况 ， 则鲜 有所 闻。
盾构法隧道施工的发展与应用
盾构法隧道施工的进展与应用一、盾构法隧道施工简述盾构法隧道施工(Shield Tunnelling)，是在地表以下地层中承受盾构机进展暗挖隧道的一种施工方法，可以实现边掘进、边出土，边拼装衬砌构造的工厂化施工。
相对于传统的明挖法和矿山暗挖法隧道施工，盾构法隧道技术具有环境较好，掘进速度较快、隧洞成型质量较好、工作环境较好、不受地表环境条件限制、不受天气限制及人性化等优点,从而使盾构法在地下铁道、大路隧道、水工及市政隧道等方面得到广泛应用。
二、盾构法施工的起源与进展盾构机是盾构法隧道施工的核心，盾构机最初于1818 年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)从蛀虫钻孔得到启发，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。
布鲁诺尔设想的盾构机机械内部构造由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。
承受的方法是将全部的单元格牢靠地装在盾壳上。
当时设计了两种方法，一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推动；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推动。
第一种方法后来被承受，并得到了推广应用，演化为成熟的盾构法。
此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构构造的机械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随其后的方式。
1825 年，他第一次在伦敦泰晤土河下开头用框架机构的矩形盾构修建隧道。
经过18 年施工，完成了全长458m 的第一条盾构法隧道。
1830 年，英国的罗德制造“气压法”关心解决隧道涌水。
1865 年，英国的布朗首次承受圆形盾构和铸铁管片，1866 年，莫尔顿申请“盾构”专利。
在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”〔shield〕这一术语。
1869 年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m 的隧道。
1874 年，工程师格瑞海德觉察在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，以泥浆的形式出土。
第一个机械化盾构专利是1876 年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请的。
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图1 矩形盾构机
图2 切削刀盘组合
通常，切削刀盘在轴向是固定状态，刀盘在切削土体 时，仅能实现旋转切削动作。在本次切削刀盘设计中，8个 大刀盘均设计为轴向可伸缩式刀盘（图3），利用内花键结 构套与花键结构的匹配构造，实现了切削大刀盘的轴向伸 缩与旋转切削的有机结合，一个或多个刀盘可以同时轴向 伸缩并切削土体。切削刀盘的轴向伸缩可以显著降低盾构 机掘进阻力和设备负荷峰值，并能对盾构机提供导向，以 利于轴线纠偏等。 1.2 螺旋机排土系统
建筑施工·第40卷·第7期 1191
过浩侃通过在切削断面布置多个刀盘，允许各个刀盘的切 削面积有一定的重叠，使得断面的切削率能够满足盾构施 工需要。本次采用8个大刀盘及3个小刀盘的多刀盘组合形 式，利用多刀盘组合实现切削刀盘模块化灵活组合和切削 断面的优化配置，同时在刀盘切削盲区内设置劈刀，以进 一步提高断面切削率（图2）。
工 程 机 械 CONSTRUCTION MACHINERY
大截面矩形盾构机的研制及应用
过浩侃 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072
摘要：以上海虹桥商务区核心区（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程的矩形盾构隧道施工为例，介绍 了国内首台大断面矩形盾构机及其工程应用情况。在实际工程中，通过采用反力系统、掘进姿态调整与纠偏、管片拼 装技术、自动化高密度监测、近距离穿越桥桩等施工技术，顺利地完成了施工，可为类似工程提供借鉴。 关键词：矩形盾构机；土压平衡；轴向伸缩式刀盘；双立柱式管片拼装机 中图分类号：U455.3 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2018)07-1191-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2018.07.048
1 矩形盾构机
综合考虑车辆通行要求、衬砌结构厚度和道路设备空 间等因素，该矩形盾构机的壳体外包尺寸为：宽10.10 m， 高5.30 m。矩形盾构机（图1）采用土压平衡式，整机长 9.05 m，分成切口环、支撑环和盾尾三部分。整机包含刀 盘切削系统、排土系统、管片拼装系统、推进系统、防背 土装置、泥垫纠偏装置和隧道形状保持器等部分。 1.1 刀盘切削系统
我公司在以往大断面矩形顶管机设计制造施工实践经 验基础上，联合设计院、科研院所，自行研制了具有自主 知识产权的国内首台大断面土压平衡式矩形盾构机，在研 发过程中申请了30余项专利，其中发明专利20余项，已获 得国家授权发明专利6项，并且已成功应用于上海虹桥地区 的2个地下通道工程。
本文结合盾构机研制过程和上海虹桥商务区核心区
erector
矩形隧道盾构法施工具有地下空间利用率高的优点， 可以实现浅覆土、中长距离、曲线隧道等情况的施工，同 时具有盾构法施工工业化程度高，有利于环境保护等特 点，可应用于城市地下通道、浅埋道路隧道、地铁隧道、 综合管廊等城市建设和地下空间开发领域。此前，矩形盾 构机的研制和相关隧道设计施工技术主要在国际上少数国 家（如日本等）进行过相关实践[1-5]，国内此前尚无真正意 义上的矩形盾构机的研制。
Development and Application of Large Cross-Section Rectangle Shield Machine
GUO Haokan
Shanghai Mechanized Construction Group Co., Ltd., Shanghai 200072, China
作者简介：过浩侃（1970—），男，硕士，高级工程师。 通信地址：上海市洛川中路701号（200072）。 电子邮箱：jimguohk@ 收稿日期：2018-05-01
（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程矩形 盾构隧道段实施情况，对国内首台大断面矩形盾构机及其 工程应用情况进行了介绍和分析。
旋转切削方式由于实现方式简单可靠，效率高，因而 在盾构机切削刀盘设计中被广泛采用。对于圆形盾构机而 言，切削刀盘的运动轨迹和盾构机的断面形状一致，因此 采用单个刀盘即可以实现全断面切削。对于矩形盾构机， 由于盾构机断面为矩形，如果使用单个切削刀盘，则会形 成较大的切削盲区，施工风险高。
为此，在该矩形盾构机的切削刀盘设计上，采用了我 公司在矩形顶管机上创新研发并已成熟应用的多刀盘组合
Abstract: Taking the rectangular shield tunnel construction of Shanghai Hongqiao CBD core center (phase I) and the pedestrian underpass of National Exhibition and Convention Center (Shanghai) as an example, this paper introduces the first domestic large cross-section rectangular shield machine and its engineering application. In the practical engineering, the construction was smoothly completed through the use of construction technologies such as reaction force system, adjustment and correction of tunneling posture, segment assembly technology, automatic high density monitoring, passing through bridge piles at short range and so on, which can provide reference for similar projects. Keywords: rectangular shield machine; earth pressure balance; axial telescopic cutter; double-column segment