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城市地铁矩形地下通道掘进机的研究与应用
 摘要:本文重点介绍上海隧道施工技术研究所对城市交通矩形地下通道掘进机及矩形隧道的研究与用。以供异型断面隧道研究、设计、施工参考。

  关键词:城市地下交通矩形隧道顶管机设计中间试验工程应用

  城市建设发展速度越来越陕,交通运输对城市建设发展的作用更加凸现。发展与建设的推进求城市解决更多的地下人行通道,如地铁车站的进出口的过街人行隧道、城市地下管线共同沟等类地下隧道工程以矩形最为经济。因此城市交通矩形地下通道掘进机的研究与应用十分必要。

  1、矩形隧道的发展与应用世界最早的盾构法隧道是1826年开始建造的英国伦敦穿越泰晤士问底的公俏隧道,其隧道断面为11.4mx6.8m的矩形,由于采用人工开挖和施工中涌水淹没事故,长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。

  20世纪70年代以来,随着经济的发展,盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。尤其是日本,地下空间的开发和利用的需求,促进了盾构隧道技术的进—步发展。20世纪80钢代后,世界各国掀起了开发异形断面盾构掘进机的高潮,先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道盾构掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。从隧道的使用功能来分析,城市交通人行地道、地下共同沟、地铁隧道的断面形式以矩形最为合适,最为经济,因而矩形盾构掘进机的重新研究开发和应用意义十分分重大。

  日本对大断面矩形盾构工法开展了研究,主要解决穿越铁路的车行下立交工程施工,用钢管片拼装后再浇筑混凝土内衬,盾构施工最浅覆土仅3m.1981年,名古屋和东京都采用4.29mx 3.09m手掘式矩形盾构掘进2条长534m和298m的共同沟。名古屋还采用5.23mx4.38m的手掘式矩形盾构掘进1条长374m矩形隧道。总之,矩形隧道和矩形盾构技术的应用方兴未艾,其优点日益体现,其技术也日趋成熟。

  上海隧道施工技术研究所于1995年起,开始启动矩形隧道研究并通过立题论迅1995年完成2.5mx2.5m可变网格矩形顶管机设计、矩形隧道试验工程方案和工程设计。1999年4月,上海地铁三号线五号出入口矩形通道施工采用上海隧道施工技术研究所自行研制的3.8mx 3.8m矩形刀盘式土压平衡顶管机。矩形隧道于4月中旬始发推进,6月初完成第2条矩形隧道工程,工程质量优良,施工中确保了上海延安东路隧道的正常运营和陆家嘴路地下管线的安全。国内首次施工矩形盾构隧道仅花了40天完成了两条隧道的推进,矩形隧道研究和推广应用取得了成功。

  2、城市交通矩形地下通道掘进机的研究2.1矩形隧道应用的经济跬矩形断面与圆形断面相比,其有效使用面积比圆形增大20%以上。城市交通过街人行通道要求埋深浅,因此矩形隧道更能满足人行通道的施工要求。

  城市交通过街人行通道作为地铁车站的进出口日益增多,城市地下管线共同沟也将在我国得到发展,而这类地下隧道工程以矩形最为经济,因此矩形隧道的研究和应用可直接为工程建设的需求服务,并有广泛的应用前景。

  2.2矩形隧道的研究方法矩形隧道的可行性研究力祛和技术路线如下:

  (1)对国外有关矩形盾构和矩形隧道工程的消化吸收;

  (2)矩形顶管试验工程的设想和设计;

  (3)矩形顶管机机型的技术经济比较,机型方案设计和选择;

  (4)试验用矩形顶管机的研制,在试验机的基础研制工程用矩形顶管机;

  (5)矩形钢筋混凝土管节通过结构试验了解结构受力分布,改进管节设计节设计优化提供依据;

  (6)通过2.5mx2.5m矩形隧道试验工程,了解矩形隧道顶进的施工参数和掌握规律,为工程应用提供依据;

  (7)进行工程应用方案设计、施工设计,完成工程应用,进行施工工法研究。

  2.3矩形顶管机的研制由于可变网格式矩形顶管机具有加工相对简单、造价低、上马快的优点,在试验中同样可以获取有价值的各类数据,所以选择了这一方案。

  2.3.1研发设计原则矩形网格式顶管机采用网格切割土体,并挡住开挖面土体有效防止正面土体坍塌,以人工出土方法进行开挖。它由主顶进推动机头向前运动,机头分成前后两段,中间由纠偏油缸连接,在壳体二侧装有纠转装置,切口环处安装变角切口,可进行一定量的超挖,有利于机头的姿态控制,保证隧道轴线的偏差在设计范围内。网格中包含四个可变网格,可以调整机头正面的进土量,有利于控制正面土体的稳定性。

  2.3.2设计基本情况为了保证管节和土体之间有一定的间隙,有利于泥浆套成环,设计中将机头的截面尺寸设计得大于管节的截面尺寸。顶管机主机可分成前后两段,中间由纠偏油缸连接。前后段之间的密封采用一道唇形密封和一道支承橡胶圈,切口环处装有变角切口。网格中装有可调节开口率的可变网格,在壳体两侧装有纠转装置。上述装置可对机头姿态进行控制。

  主顶进装置由8台油缸及u形顶铁、顶环、垫铁、底架、钢后靠等组成,8台油缸分成二组,各4台叠加呈对称分布,并用分体式结构的支座固定,工作行程为1450mm.每台油缸可单独控制。纠偏装置主要用于机头左右、上下轴线偏差的控制,总纠偏力为752t,纠偏角度为±2度。注浆纠转系统(翅板+压浆)主要用于机头旋转后的纠正,纠转力矩可达210x2——420kN

  2.4矩形隧道工程试验

  2.4.1试验工程概况试验工程位于上海南汇县航头地区,顶进距离为60m,覆土深度为6.45m.距离顶进轴线北侧10m处有条小河,南侧10m处是场内钢筋混凝土主干道路,见图1.顶管机所穿越的土层分别为:进出洞段是灰色淤泥质粘土和灰色淤泥质粉质粘土;区间段是灰色淤泥质粘土和灰色砂质粉土,通过工程试验,验证了矩形顶管机的设计选型、矩形管节选型、接头型式和止水带设计选型;通过采集的各种施工参数和工况记录,研究了矩形顶管施工工法。工程试验完成了对矩形顶管机的技术关键进行试验研究,收集了第一手的资料和数据,积累了矩形断面隧道掘进的实际施工经验。

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