矩形盾构隧道管片拼装方法的研究

1矩形盾构隧道概述
盾构机作为一种专用机械化施工工具，在城市建设和地下空间开发中发挥着越来越重要的作用。传统的盾构隧道断面为圆形，主要因为圆形隧道断面结构受力合理，但是圆形隧道结构断面利用率低（图1）。而矩形隧道断面结构相比圆形结构，具有充分利用断面结构、节约20%以上的有效使用面积和减少隧道结构施工深度等优势，因此矩形断面结构在我国城市地铁出入口通道、过街通道、下立交通道等工程中得到了越来越多的应用。在我国国内，矩形断面结构目前仅限于矩形顶管施工，还没有矩形盾构机。当前，矩形隧道和通道正朝着大截面、长距离的方面发展，矩形顶管在背土效应、对周边环境的影响、长距离顶力、长距离轴线等方面的控制难度将越来越大，为此，开展矩形盾构的研究和应用势在必行。

图1　圆形与矩形隧道埋深与开挖面积对比

由于管片断面形状的变化，管片拼装方法与圆形盾构相比大不相同，在圆形盾构施工中采用单个圆形拼装机进行回转拼装的方法在矩形盾构施工中已无法应用，其管片拼装难度随着矩形隧道管断面形状的变化而变化。
2圆形盾构隧道管片拼装方法
盾构隧道的断面形状通常为圆形，其衬砌管片由大小不等的数块组成，每块之间及环与环之间一般通过螺栓连接在一起。拼装管片用的管片拼装机安装在盾构机的盾尾处，采用回转方式拼装，可以实现平移、回转、升降、仰俯、横摇和偏转6个自由度的拼装动作，如图2所示。

图2　圆形盾构的管片拼装机

在拼装管片前，管片车将每块管片运至盾构机头部的横梁处，由横梁上的葫芦将管片吊至管片拼装机可抓取的位置；用管片拼装机的夹取装置将管片夹起，然后通过管片拼装机的平移、旋转、升降、微调等动作按照拱底块→标准块→邻接块→封顶块的顺序自下而上对称拼装管片，将每块管片安装在隧道断面位置。封顶块拼装时，通常是先与邻接块搭接一定长度，径向推上，再纵向插入，封闭成环；在此过程中同步安装管片环向螺栓和纵向螺栓，完成一环管片的拼装作业。
3矩形盾构隧道管片拼装方法
矩形盾构隧道管片形状呈矩形或扁平形，管片拼装作业空间随管片断面尺寸的变化而变化，与圆形盾构不同，无法采用一个圆形拼装机拼装管片，管片拼装难度随隧道断面形状、管片分块形式、隧道施工方法、管线和管道布置等的不同而不同。
3.1采用悬臂起重机式管片拼装机拼装
1965年～1968年，日本名古屋市采用手掘式矩形盾构机修建了长480m的电力、电信、电话共用沟工程[4]。矩形盾构机外包尺寸为4.29m×3.09m，采用的管片为钢筋混凝土管片，管片外包尺寸为4.1m×2.9m，壁厚250mm，管片宽高比为1.4。
在该矩形盾构施工中，管片拼装用的拼装机为悬臂起重机式管片拼装机，拼装机由基座、上下移动机构、旋转机构、径向伸缩机构和管片抓取机构等组成。基座下安装有车轮，可以在隧道内横向移动，使得管片拼装机可以安装左右侧管片；安装在基座上的上下移动机构，使得管片拼装机可以安装上部和下部管片；旋转机构、径向伸缩机构保证了管片拼装机可以将管片安装到设定位置；由于管片拼装机本身为悬臂起重机，因此管片拼装机可以将管片从管片车上吊起，并做旋转和移动。
拼装拱底块时，由管片拼装机将管片从管片车上吊起，然后直接安装到位。拼装标准块和邻接块时，由悬臂起重机式管片拼装机将管片从管片车上吊起，然后旋转伸长至既定位置。拼装封顶块时，先将相邻的2块邻接块管片支承住，再由悬臂起重机式管片拼装机将上部封顶块管片插入。
采用悬臂起重机式管片拼装机，操作方法类似于采用起重机安装设备部件。但是采用该方法拼装管片时，管片拼装作业几乎占据了整个隧道断面，一方面，矩形盾构机内部的管路、管线布置困难，很容易受到损坏；另一方面，出于安全考虑，下部的通道也不能使用。而且，该矩形盾构机为手掘式盾构机，未使用螺旋出土机。
3.2采用2台回转式管片拼装机拼装
1999年到2004年，在日本京都市地铁东西线的六地藏北工区中，采用矩形盾构修建了长760.79m的区间隧道，其中渡线室部分为56m、一般线路部分703m。矩形盾构机外包尺寸为10.24m×6.87m，采用的管片为钢混复合管片和铸铁管片，管片外包尺寸为9.9m×6.5m，壁厚550mm，管片宽高比为1.52。
在该矩形盾构施工中，采用了在断面左右各设置1台回转式管片拼装机的方法进行管片拼装。
采用2台回转式管片拼装机拼装管片，其操作方法与圆形盾构基本类似，不同之处在于先利用左右2台回转式管片拼装机共同拼装拱底块管片，再分别利用2台回转式管片拼装机依次拼装各标准块、邻接块和封顶块。这种拼装方法比较成熟，但是，由于采用回转式管片拼装机拼装管片，要求邻接块管片的形状与管片拼装机外形差不多，应为圆形或接近圆形，否则在管片拼装机抓取邻接块管片旋转到该位置并拼装邻接块时，局部空间较小，导致邻接管片拼装作业困难。特别是对于断面比较扁平的隧道，由于邻接块形状与圆形相差较大，拼装机会无法将管片旋转并伸长至设定位置；另一方面，由于在隧道断面内布置了2台回转式管片拼装机，管片拼装机占用隧道断面空间较大，可利用来布置盾构内的管线、管路、螺旋出土机等的空间也有限，管线、管路布置要求较高，而且螺旋出土机也需要左右分离布置。
3.3采用轨道式管片拼装机拼装
2009到2012年，在日本东京首都圈中央联络车辆道路相模纵贯川尻隧道工程中，采用矩形盾构修建了长417m的往复段[6]。盾构机外包尺寸为11.96m×8.24m，衬砌管片为钢纤维增强高流动混凝土管片，管片外包尺寸为11.8m×8.08m，顶部和底部管片厚度500mm、侧墙管片厚度400mm，管片宽高比为1.46。
在该矩形盾构施工中，采用了轨道式管片拼装机进行管片拼装。管片拼装机构安装在盾构机盾尾处固定的轨道上，管片拼装机构可以在轨道上行走，并且在轨道上设置了可防止管片拼装机构滑动的锁紧装置。在拼装每一块管片时，管片拼装机构夹持住管片，然后旋转至预定位置，锁紧管片拼装机构，将管片安装至设定位置。
采用轨道式管片拼装机拼装管片，其操作方法与圆形盾构较类似，管片拼装机内部的空间也较宽裕，布置管线、管路、螺旋出土机等方便，而且轨道的形状可根据断面的形状加工。但是该管片拼装结构设计复杂，轨道、拼装机构、锁紧等装置的加工制造要求高，否则若拼装过程中未锁紧，将形成重大安全隐患或造成事故。
4结语
管片拼装是盾构隧道施工中的一项重要工序，尤其对于矩形盾构隧道，其管片拼装难度比圆形隧道大。本文在研究分析国外矩形盾构隧道管片拼装方法的基础上，讨论了不同矩形隧道管片拼装方法的优缺点，可供其他工程参考，总结如下：
（a）管片拼装难度随隧道断面形状、管片分块形式、隧道施工方法、管线和管道布置等的不同而不同。
（b）采用悬臂起重机式管片拼装机拼装管片的操作方法类似于采用起重机安装，但管片拼装作业几乎占据了整个隧道断面，矩形盾构机内部的管路、管线布置困难，很容易受到损坏。
（c）采用2台回转式管片拼装机拼装管片的操作方法与圆形盾构类似，但对邻接块管片的形状有一定要求，且拼装断面内空间有限，对管线、管路布置要求较高。
（d）采用轨道式管片拼装机拼装管片的操作方法与圆形盾构较类似，拼装机内部的空间较宽裕，方便布置管线、管路、螺旋出土机等，且轨道的形状可根据断面的形状加工，但管片拼装结构设计复杂，轨道、拼装机构、锁紧等装置的加工制造要求高。

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