大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究综述报告.doc

大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究技术鉴定资料大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究 上海隧道工程股份有限公司2004年4月目 录1大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究综述报告 224m×6m偏心多轴双刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机设计报告 1334m×6m偏心多轴双刀盘土压平衡式矩形隧道掘进机电气设计报告 2844m×6m偏心多轴双刀盘土压平衡式矩形隧道掘进机制造报告 4154mx6m矩形隧道高精度砼管节钢模设计与制造 536大断面矩形隧道掘进机施工技术与应用 627偏心多轴多刀盘式矩形顶管顶进工法 868偏心多轴式刀盘掘进机模拟试验研究 969应用报告、用户报告108大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究技术鉴定资料之一大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究综述报告上海隧道工程股份有限公司2004年4月目 录1 矩形隧道掘进机施工技术在国内外的发展现状. .42 矩形隧道掘进机施工技术在国内的发展趋势及研究方向.53 立项、研究、成果形式和考核指标. .631 立项32 研究内容33 成果形式34 考核指标4 研究成果及工程应用. . .841研究成果42 工程应用宁波市开明街药行街地下通道工程5 结束语. . .11大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究（综述报告）1 矩形隧道掘进机施工技术在国内外的发展现状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。随着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。从使用功能看，公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、人行地道、地下共同沟的断面形式以矩形最为合适和经济。随着经济发展对地下空间开发利用的需求增加，日本掀起了开发异形断面掘进机技术的高潮，先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。1965年至1968年，日本名古屋和东京都采用4.29m×3.09m手掘式矩形盾构掘进2条长534m和298m的共同沟。1981年，日本名古屋中部电力公司采用5.23m×4.38m的手掘式矩形盾构掘进1条长374m的电力隧道。此后，日本的各大建设公司和盾构制造商进行各类机械式矩形盾构的研制和试验，其中最为成功的是石川岛播磨重工研制的DPLEX矩形盾构，它是一种偏心多轴刀盘式土压平衡盾构。1995年，大丰建设（株）采用1台4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾构，在千叶县习志野市菊田川2号干线掘进了2条并列的矩形排水隧道。日本三井造船研制的一台4.54m×3.94m泥水式矩形盾构用于大堀川右岸8号雨水干线工程，以后，又制造8m×3m的矩形盾构用于东京高速道路川绮纵贯线KJ125工区（A）换气洞道工程。目前世界上研制应用的部分矩形盾构机见图1。在我国，盾构隧道施工技术已广泛应用于地铁隧道、水底公路隧道、取排水隧道、电缆隧道等方面的工程建设。专业从事盾构隧道施工的上海隧道工程股份有限公司于1995年开始了矩形顶管机及施工技术的研究，开发研制了2.5×2.5m可变网格式矩形掘进机，并进行了60m的试验隧道推进，获取的第一手资料为今后的工程应用打下了基础。随后研制的3.8m×3.8m组合刀盘式矩形掘进机在地铁2号线陆家嘴车站5号出入口工程、人民大厦地下连通道工程、昆山市长江南路地下人行地道工程、上海市共富路地下人行通道工程、和明珠线二期浦东南路站出入口工程中得到应用。2 矩形隧道掘进机施工技术在国内的发展趋势及研究方向虽然国内在矩形隧道施工技术的研究方面已取得了初步的成果，但是应该看到，3.8m×3.8m的断面尺寸已不能满足人流量日趋增大的地下人行通道。随着地铁车站出入口过街人行地道的日益增多、城市地下管线共同沟在我国得到发展的上升趋势，矩形隧道施工技术的继续研究和应用也愈加显得重要。目前，地下人行通道和地下管线共同沟的理想断面尺寸为4m×（4m8m），隧道覆土厚度4m6m，由于大多是在城市交通道路和建筑结构的地下，加上错综复杂的地下管线，对矩形隧道的施工环境、设备和技术要求也越来越高，现有的施工设备和技术已很难满足要求，开展对大断面矩形隧道施工技术的研究显得十分必要，其工程应用前景也十分广阔。3 立项、研究、成果形式和考核指标3.1 立项2002年11月上海隧道工程股份有限公司开展了对异形盾构施工技术的研究，研制了一台截面尺寸1.2m×1m马蹄形的偏心多轴刀盘式掘进试验机，并进行一系列室内模拟试验。2003年1月公司又立项大断面土压平衡矩形掘进机及施工技术研究，当年5月针对不同土层的强度，又进行了偏心多轴刀盘式掘进机的切削性能和相关技术参数的针对性模拟试验，通过模拟试验和设计计算，并收集和调研国内外相关技术资料，在原有的矩形隧道掘进应用工程的基础上，研制了一台4m×6m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机（见图1），该掘进机在宁波市开明街-药行街地下通道工程中得到应用。图1 3.2 研究内容 研究大断面矩形隧道掘进机施工技术必须解决以下问题：(1) 大断面矩形隧道的施工设备；(2) 大断面矩形隧道的施工工艺和施工参数；(3) 大断面矩形隧道的管节及钢模设计，完成管节结构试验；(4) 不同地层的大断面矩形隧道掘进机的全断面切削。根据上述问题提出如下研究内容：(1) 大断面矩形隧道的可行性研究，包括国外矩形隧道资料的收集和消化吸收，矩形掘进机的选型比较，已研究成功的成果总结。(2) 大断面矩形掘进机的施工参数研究，大断面矩形隧道掘进机施工工艺研究，矩形钢筋混凝土管节或钢管节的结构计算。(3) 矩形隧道工程应用，包括矩形隧道设计、施工方案研究、偏心多轴矩形土压平衡掘进机的研制、矩形管节的研制、管节钢模设计和浇筑、矩形隧道工程监测、矩形隧道掘进施工和施工参数调整。3.3 成果形式(1) 矩形掘进机图纸、矩形管节钢模的设计图纸一套；(2) 4m×6m偏心多轴矩形掘进机一台；(3) 完成矩形管节钢模一套；(4) 大断面矩形隧道施工工法及工程应用；(5) 4m×6m矩形隧道科研鉴定资料。3.4 考核指标(1) 工程优质完成；(2) 申请23专利；(3) 掘进速度达到25cm/min；(4) 最大推力31000KN；(5) 可纠偏角度为左右±1.1º，上下±1.7º；(6) 求证应用工程技术参数设计的计算方法。4研究成果及工程应用4.1研究成果 课题组通过一年多时间的刻苦钻研、努力工作，如期完成了项目建议书的研究内容，并按要求完成矩形掘进机图纸、矩形管节钢模的设计图纸一套、研制了4m×6m偏心多轴矩形掘进机一台、完成矩形管节钢模一套，该项施工技术在宁波市开明街药行街地下通道工程得到应用。完成科研鉴定资料如下： 大断面矩形隧道掘进机及施工技术研究（综述报告） 4m×6m土压平衡矩形顶管机设计报告 4m×6m土压平衡矩形顶管机制造报告 4m×6m矩形顶管机电气设计报告 矩形隧道4mx6m高精度砼管节钢模设计与制造 偏心多轴式刀盘异型试验掘进机模拟掘进试验研究 4m×6m土压平衡矩形顶管施工技术应用 偏心多轴多刀盘式矩形顶管顶进工法完成的专利编写如下： 偏心多轴刀盘式掘进机（发明专利，专利申请号200310109058.1） 偏心多轴式掘进机的刀盘驱动装置（发明专利，专利号申请号：200310109059.6） 偏心多轴多刀盘式掘进机（实用新型专利，专利号申请号：200320108603.0） 偏心多轴式掘进机的刀盘驱动装置（实用新型专利，专利号申请号：200320108604.5） 偏心多轴多刀盘式掘进机的切削刀盘（实用新型专利，专利号申请号：200320108605.x）上述专利现正在申请受理阶段。4.2 工程应用宁波市开明街药行街地下通道工程4.2.1 工程概况 该工程位于宁波市开明街药行街交叉路口，为地下双向人行通道。由于药行街是宁波市内主要交通道路之一，客流量和车流量都很大，所以通道必须采用暗挖法施工。根据通道断面尺寸、工况条件和环境保护要求，由课题组研究设计、公司机械厂制造了一台4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机以满足工程的需要。掘进施工始发井设于药行街北面，即南苑鞋城与天一广场一侧；接收井位于药行街南面，即城隍庙商场和亚细亚商城一侧（见图7）。通道由两条长度50m、断面4m×6m的平行矩形隧道组成，两条通道净间距为2m，掘进坡度为0%，平均覆土厚度为4m。通道结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型橡胶止水圈。管节外形尺寸为6m×4m，管壁厚为0.5m，长度为1.5m。管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8，钢筋采用级钢。管节总用量为68节。掘进施工将穿越药行街、给水管、热力管、电力电缆、雨水管、电信电缆、污水管等管线，其中埋深最深的450污水管距通道顶为1m。图7 4.2.2地质概况工程主要在淤泥质粘土层和淤泥质粉质粘土层中掘进，以上土层分别为z层杂填土（以碎石为主）、1层粘土粉质粘土（硬可塑可塑状态，高压缩性）、2a层粘土淤泥质粘土（流塑软塑状态）以及2c层淤泥质粉质粘土（流塑状）。 4.2.3 工程难度 掘进机头自身重为152吨，若在推进中加上土舱和螺旋机内充满的泥土重量，其重量将高达180吨。由于本工程主要在淤泥质粉质粘土层和淤泥质粘土层中顶进，该土层承载力小，因此机头易下沉； 由于掘进机头截面尺寸大，纠偏角度为水平向±1.1º，垂直向±1.7º，因此纠偏灵敏度小； 掘进机的矩形刀盘采用偏心多轴驱动，能够满足全断面切削土体，但随着刀盘转动时机头的晃动，对正面土体的扰动也较大； 通道覆土浅，机头容易往上飘； 机头顶部面积大，容易产生背土现象； 为防止机头和管节的倒退引起机头前方土体的塌方，需配备止退装置。4.2.4 工程实绩2003年8月23日开始第一条通道掘进，至9月23日贯通。由于掘进中遇到暗浜和大量的石块杂物，螺旋机出土经常受堵，加上新设备操作及施工参数的不断摸索和调整，影响了顶管机的推进速度，施工轴线控制高程抛高7，水平向左偏设计轴线15.6。第二条通道掘进于10月4日，至10月17日贯通。在第一条通道施工的基础上，施工人员及时总结和分析现场工况条件，调整施工参数，同时对新设备也积累了一定的操作经验，仅用14天时间就完成了第二条通道的推进，施工轴线控制高程抛高6.3和水平向左偏设计轴线2.5，均满足设计要求。宁波地下通道施工见图8。图85. 结束语 4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机的研制成功，为大断面矩形隧道施工技术的提高与发展提供良好的技术手段，随着城市建设的高速发展，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，该项技术的应用前景十分广阔。通过对该项技术研究和应用，得到如下结论： 4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机，可对任意断面进行全断面切削，并能保持开挖面土压平衡，减少对周围土体的扰动；将大断面的切削断面分割为二，减小了偏心轴的运转半径，降低切削驱动扭矩；由于两个刀盘作同步异向转动，避免了因刀盘单向旋转产生的外力而致使掘进机发生偏移；由于切削刀盘的转动半径小，切削刀头的滑动距离变小，减少了刀头的摩耗，有利于长距离掘进。该设备性能可靠、技术先进、设计参数满足施工要求，具有国内首创和技术领先水平。 4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机电气系统采用先进的CCLINK控制网络，其核心设备选用日本三菱公司最新的Q系列PLC可编程序控制器，具有抗干扰性能强、使用寿命长，可信度高等优点；该系统主站设在掘进机控制台上，配置合理、操作简单方便、可靠实用。 设计和加工的矩形管节钢模尺寸精度高，边长误差<土2mm、高度误差<1mm、上下平面矩形外框对角线误差<5mm、侧向平面与上下平面的垂直度误差< 2mm、内外模板上边线在同一平面内，其平面度误差< 2mm、内外模板平面应垂直底模上平面，其垂直度误差< 0.5mm和外周四角上凸条应对正不错缝。 研制的偏心多轴式刀盘能容易地切削强度在2MPa以下的素混凝土，在切削5MPa强度的素混凝土时，虽然刀盘切削速度明显减慢，但刀盘最终能完整无伤地达到切削要求。 传统的盾构隧道施工技术仍适合在大断面矩形掘进机施工中应用。在进行该项技术的总结中，我们也清楚的看到，随着矩形断面隧道使用量的提高，大断面、长距离及根据实际工况必须曲线顶进的矩形隧道的出现，现有的设备、技术已不能满足施工要求。目前最大断面的宁波市药行街地下人行通道，单节管节的重量已达34吨，必须配备大型起重设备和运输工具。还有随着隧道断面和顶进长度的增加，摩阻力和顶力也随之增加，施工中的抗旋转、轴线控制、曲线顶进的变坡及转弯、管节接头止水和地面沉降控制等难度，均有所提高，因此，要继续完善和提高矩形掘进机施工技术，必须开发矩形盾构和拼装管片技术，上海隧道工程股份有限公司愿为大断面、长距离矩形隧道施工技术的提高和完善继续努力。