矩形盾构施工问题、应对措施及优化研究

林　济

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

摘要：以虹桥商务区核心区（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程（简称会展通道）矩形盾构施工为背景，采用理论分析与现场施工反馈紧密结合的方法，研究矩形盾构施工中遇到的问题及应对措施，并提出优化方案。矩形盾构在掘进施工中相继遇到洞圈止水装置变形、螺旋机取土口土体板结、螺旋机齿轮箱密封失效、盾构机整体上浮、隧道管片上浮、管片收敛等问题，通过优化掘进参数、设备改造等工作，有效解决了矩形盾构掘进中的相关问题，确保了会展通道的顺利建成，并在此基础上，提出了进一步的优化方案，以便为类似工程提供借鉴。关键词：矩形盾构；施工问题；应对措施；优化方案

中图分类号：TU94 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2020)03-0413-04 DOI：10.14144/j.cnki.jzsg.2020.03.038

Study on Problems, Countermeasures and Optimization of Rectangular Shield ConstructionLIN Ji

Shanghai Mechanized Construction Group Co., Ltd., Shanghai 200072, China

Abstract: Based on the rectangular shield construction of the pedestrian underpass project between Hongqiao Business District (phase I) and National Exhibition and Convention Center (Shanghai), the problems encountered in the construction of rectangular shield and the corresponding measures is put forward by the method of close combination of theoretical analysis with on-site construction feedback, and the optimization scheme is proposed. In the construction of the rectangular shield tunnel, there are many problems, such as the deformation of the water stop device, the soil consolidation at the soil intake of the screw machine, the sealing failure of the gear box of the screw machine, the overall floatation of the shield machine, the floatation of the tunnel segments, and the convergence of the segments. By optimizing the excavation parameters, equipment transformation and so on, the problems related to the rectangular shield tunneling are effectively solved, and the smooth construction of the pedestrian underpass is ensured. On this basis, a further optimization scheme is proposed to provide reference for similar projects.Keywords: rectangular shield; construction problem; countermeasures; optimization scheme随着我国地下空间开发进程的加快，矩形盾构由于具有大断面长距离施工、提高结构有效使用面积和减少隧道埋深等优点，而在城市地下通道和地下隧道建设中得到了越来越广泛的应用。但另一方面，矩形盾构姿态较难控制、管片上浮较大等问题也逐渐凸显出来[1-4]。

本文结合上海市虹桥商务区核心区（一期）与国家会展中心（上海）人行地下通道工程（下文简称“会展通道”）矩形盾构施工，根据会展通道工程的客观地质条件，采用理论分析与现场施工反馈紧密结合的方法，研究矩形盾构施工中遇到的问题及应对措施，并提出相应的优化方案。

1 工程概况及难点

1.1󰀡工程概况

会展通道盾构段长度为83.95 m，坡度为0.5%。隧道内部净空尺寸宽为8.65 m，高为3.85 m。该工程采用施工单位自行研发制造的10.1 m×5.3 m矩形盾构机施工。

勘察资料显示，本场地为正常沉积区，矩形盾构主要穿越地层为③层及④层土，是上海地区典型性的流塑性黏土与淤泥质黏土（表1）。

1.2󰀡难点1.2.1 隧道管片上浮

在软土地区大直径盾构隧道施工中，管片脱出盾尾后普遍存在上浮问题，而矩形盾构管片由于上下大而平坦的接触面，更易受到浮力的影响，从而影响隧道施工质量。当管片脱离盾尾时，若同步注浆的浆液不能初凝和达到一定的早期强度，隧道则被包围在注浆的浆液中，而浆液的比重比水要大，从而能提供比水更大的浮力。矩形盾构隧道施工期上浮影响因素主要可概括为注浆、隧道刚度、地

作者简介：林　济（1988—），男，本科，工程师。通信地址：上海市静安区洛川中路701号5号楼106室（200072）。

电子邮箱：360668842@qq.com收稿日期：2019-10-25建筑施工·第42卷·第3期

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󰀁

林　济:󰀁󰀁矩形盾构施工问题、应对措施及优化研究

表1 工程主要土层划分

土层号土层名称层厚/m层底标高/m状态①1填土1.20～2.302.17～2.89松散②1黄、灰黄色粉质黏土0.60～2.100.38～1.57可塑-软塑②3灰色粉砂2.80～4.20-3.11～-2.42松散③灰色淤泥质粉质黏土2.10～6.60-5.22～-5.03流塑④灰色淤泥质黏土6.30～7.00-12.03～-11.51流塑⑤1灰色黏土11.00～11.10-23.03～-22.61软塑～流塑层特性、机械配重、姿态和线形等几个大类。

1.2.2 矩形管片收敛变形

在矩形盾构施工过程中，随着盾构机向前推进，已拼装完成的管片逐渐从盾尾内脱出，开始承受盾构机外部的水土压力。在上述压力作用下，矩形盾构隧道的衬砌环出现变形情况。

矩形盾构隧道的上部和下部近似为水平直梁，由于起拱较少，水平直梁以承受弯矩为主。对于矩形盾构隧道，表现为隧道的断面呈现出竖直径缩小、水平径增大的现象，从而对隧道的防水、衬砌的受力都造成严重的危害，还会导致待安装的管片纵向螺栓无法安装，严重危害盾构施工。

2 矩形盾构施工问题、应对措施及优化方案

2.1󰀡洞圈止水装置变形2.1.1 问题描述

矩形盾构机头进入始发井及接收井洞圈时，矩形断面四角的橡胶帘布板被拉伸变形。在盾构出洞时，橡胶帘布板会受拉变形。

与圆形截面盾构不同，矩形盾构机头在进入洞圈止水装置时，会造成该处的橡胶帘布板应力集中，导致四角的橡胶帘布板受拉伸变形，从而会降低洞圈止水效果（图1、图2）。

图1 洞圈止水装置变形 图2 钢板封闭洞门间隙

2.1.2 应对措施

在矩形盾构盾尾完全进入洞圈后，使用钢板将盾构机身与洞门间隙完全封闭，确保洞门止水的效果，并防止注浆浆液泄漏。

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2.1.3 优化方案

在橡胶帘布板设计中，于矩形断面四角采用如下设计——四角开半圆，保证角部的橡胶在受拉后能够有较大的张开量，防止拉裂破坏（图3、图4）。

矩形盾构机

矩形盾构机橡胶板

帘布橡胶板图3 矩形盾构帘布橡胶板示意 图4 矩形盾构帘布橡胶板变形

2.2󰀡螺旋输送机取土困难2.2.1 问题描述

在施工中发现螺旋机左右的大刀盘切削范围未能完全覆盖取土口，导致取土口土体未能得到有效切削与搅动，长期挤压后在取土口附近形成板结土块（图5），阻碍螺旋机出土。

图5 螺旋输送机取土口处板结土块

2.2.2 应对措施

采取从螺旋机两侧注水孔向刀盘土仓内注水的方案，使用高压水枪冲击螺旋机取土口处板结土块，注水前所有千斤顶全部缩回，使盾构机产生回缩现象。在实际施工过程中，采用高压水枪冲水、刀盘分步掘进及螺旋机反向旋转的方法，同时调整施工参数，润滑正面土体。

2.2.3 优化方案

1）重新进行刀盘布置设计，尽量减小切削盲区，且刀盘切削范围应覆盖螺旋机取土口。

2）刀盘搅拌棒的搅拌范围应覆盖取土口附近土体。3）在螺旋机两侧注水孔位置加装高压水枪喷头。4）在螺旋机底部两侧胸板上开设应急观察孔。5）优化周边刀、劈刀及斜刀设计，尽量减小盲区土体

堆积。

2.3󰀡螺旋输送机齿轮箱位置处发生堵塞

2.3.1 问题描述

穿越加固土段时，螺旋输送机的密封发生破坏失效，之后泥浆进入齿轮箱，螺旋机工作时未得到润滑，产生极大的热量，导致齿轮箱内侧位置处泥土中的水分被蒸发

󰀁林　济:󰀁󰀁矩形盾构施工问题、应对措施及优化研究

（加固土本身含水量不高），变为极干硬的加固土，堵塞螺旋机出土（图6、图7）。

图6 螺旋输送机内干硬加固土 图7 拆除土闸门清理堵塞土块

2.3.2 应对措施

采用拆除螺旋机土闸门，拔出螺杆，清除齿轮箱处干硬加固土堵塞的方案，完成了螺旋机疏通。

2.3.3 优化方案

1）改进螺旋机齿轮箱密封，做螺旋机齿轮箱密封性能试验，确保橡胶密封在推进中的安全。

2）配置关键部位的检修口，节省因拆除螺旋机土闸门及拔出螺杆所耗费的工时，确保工效。

2.4󰀡盾构机整体上浮及隧道管片上浮2.4.1 问题描述

矩形盾构在盾尾离开加固土进入原状土之后，隧道管片的高程偏差随推进开始增大，出现了整体上浮的现象，切口与盾尾高程姿态均较大偏离理论轴线，最大时达到切口＋99 mm，盾尾＋159 mm（图8、图9）。

图8 切口高程姿态变化曲线 图9 盾尾高程姿态变化曲线

初步推断工程穿越土质偏淤泥质土，浮力较大，导致切口与盾尾高程姿态无法下压。与已完成的虹桥临空矩形盾构工程地质参数进行对比，虹桥临空矩形盾构施工主要穿越地层为③1、③2及④层土，对应的含水率为41.2%、27.9%及49.8%。本次矩形盾构施工主要穿越地层为③层及④层，对应的地层含水率为42.8%、47.3%。对比可知，会展通道地层含水率较临空无较大差异，因此排除淤泥质土层含水率高导致浮力较大的原因。

同时，本次施工中隧道管片高程偏差同样随矩形盾构的掘进而开始增大，且始终呈上浮趋势。与矩形盾构机切口及盾尾高程进行对比之后可以发现，2条曲线的变化趋势相关性比较密切（图10）。因此，可以得出结论：管片脱出盾尾后，在同步注浆浆液的浮力作用下，隧道管片产生

了上浮现象，并持续带动盾构机整体上浮。

140

1201008060平面偏差/mm40高程偏差/mm

200-20

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

图10 管片高程与平面偏差变化曲线

另外，该型号矩形盾构机为施工单位自行研发制造并投入使用，总重为467.4 t。而隧道公司在浙江宁波所使用的“阳明号”类矩形盾构截面稍大，总重为720 t。对比可知，矩形盾构机的自重较轻也可能是盾构整体上浮的影响因素之一。同时，矩形盾构机内质量的分配方式为切口环最重（配置有切削刀盘与电动机），盾尾最轻。“头重脚轻”的质量分配方式同样对盾构机的姿态控制不利，易引起盾构机“磕头”，而盾构机切口与盾尾的高程实际测量结果也验证了这一点。

2.4.2 应对措施

1）调节推力分配纠偏。对于盾构机整体上浮，在施工中可以采取以下措施：等比例调整比例阀推力分配，增大千斤顶竖直向下分力，保证推进合力方向为斜下方向，总推力加大至19 000 kN，迫使盾构机向下；放慢推进速度，确保盾尾切口不向上变化。但在实际施工中发现，千斤顶推力分配在不发生变化的情况下，高程偏差始终随推进逐渐增大。

2）设备改造纠偏。为了阻止切口与高程姿态随推进增大的趋势，将切口环左右两侧泥垫压泥口锥形盖板拆除，

改为新的盖板——每个盖板上面均有1个13.33 cm的出泥孔及1个5 cm的注水孔，均接对应尺寸球阀（图11）。

压泥口

图11 压泥口位置、新加工盖板及球阀取土

原设想切口环下部土体会随盾构推进自然从出泥孔挤出，实际施工中发现只有少量土体挤出。遂采用高压水枪注水冲击切口环下部土体，搅松后随水排出，达到切口高程减小的目的。因单个孔无法满足降低切口高程姿态的需求，遂重新加工新的盖板——每个盖板上面均有3个

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13.33 cm的孔，接13.33 cm球阀。

采取措施后，切口姿态得到控制，但盾尾姿态还是会随着盾构推进增大，因此在支撑环下部左、中、右处各开1个13.33 cm的孔，接13.33 cm球阀后，使用水管注水冲击支撑环下部土体，搅松后随水排出，从而达到盾尾高程减小的目的。

3）同步注浆纠偏。对于管片上浮采取如下措施：调整管片顶与管片底的注浆量比例，适当减小管片底注浆量，将顶底注浆量比维持在3∶1；提高管片顶注浆点位的注浆压力，减小管片底注浆点位的注浆压力。

4）二次注浆纠偏。采用初凝时间较短的二次注浆浆液，及时对盾尾外管片进行注浆加固，并提髙管片拼装质量，增大隧道成环管片的刚度。

2.4.3 优化方案

1）对盾构隧道每环管片的高程与水平偏差测量，应该要及时、细致，做到“勤测勤纠”，在偏差达到报警值之后要及时通过同步注浆及二次注浆纠偏，改变管片上浮的趋势。注浆量及注浆压力的大小应采用分块、分孔控制的方式：依据盾构埋深、周围土体特性、注浆孔在管片环（或盾尾）上的位置情况等，对注浆材料与参数实施动态控制。

2）研究不同地层浮力变化规律，根据浮力调整矩形盾构机总体质量。研究盾构机首尾合理的质量分配方式，适当增加盾尾的配重能够提高矩形盾构控制姿态的能力，从而减小隧道的施工期上浮量。

3）在盾构机壳体四周预留压土孔及注浆孔，且切口环、支撑环与盾尾均需预留孔洞，通过压土孔压土或排泥、注浆孔注浆或冲水进行纠偏。

4）本次施工中临时开孔进行排泥，虽成功控制高程姿态，但清泥需靠人工进行，工作量大、工作强度高，且施工环境恶劣，应重新设计压土孔及注浆孔的集泥装置，实现机械化施工。

2.5󰀡矩形盾构管片收敛变形

矩形盾构管片横径理论值为8 650 mm，纵径理论值为3 850 mm。管片在土体中稳定后，横径偏差为＋20 mm以内，纵径偏差为－30 mm以内（图12）。通过实践操作与监测分析，给出了矩形管片进入原状土后的收敛变化，并编制了复合管片螺栓拧紧操作规程，保证拼装时复合管片的收敛变化符合设计要求。

8 670

3 850

mm3 840mm/8 660

/径径3 830横纵3 820

8 650

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81

3 810

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81

图12 矩形盾构管片横纵径变化曲线

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3 结语

本文结合工程实际，对矩形盾构隧道施工过程中遇到的问题进行了研究分析，并讨论了相应的应对措施与优化方案，获得以下结论：

1）矩形盾构施工中易发生洞圈变形、螺栓输送机取土困难与堵塞等设备装置问题，应根据问题进行针对性的设计优化。

2）在上海软土地层中，对矩形盾构隧道施工影响较大的问题是盾构机整体上浮及管片上浮。矩形盾构机在黏土与淤泥质黏土地层内掘进时，高程及姿态极难控制，在浮力的作用下机身会在掘进的同时呈现出上浮趋势。矩形盾构机整体上浮的原因是未及时对管片上浮采取措施，导致管片将盾构机逐渐带动向上浮动，且依靠改变推力分配的纠偏效果差，应根据管片高程的监测结果及时进行纠正。在充分考虑盾构埋深、周围土体特性、注浆孔在管片环（或盾尾）上的位置等情况下，管片的上浮控制可通过对同步注浆与二次注浆注浆材料、注浆量、注浆压力及注浆位置的动态控制来实现。同时，矩形盾构自身的总体质量、前后质量分配及重心确定对盾构上浮控制的作用有待进行进一步研究。

3）矩形盾构管片收敛在现有的掘进工况下可以满足设计要求。

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