异型盾构隧道新技术.docx

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异型盾构隧道新技术

异型盾构隧道新技术

1．自由断面盾构法

（1）原理概要

所谓自由断面盾构法就是在一个普通圆形盾构主刀盘的外侧设置数个规模比主刀盘小的行星刀盘。

随主刀盘的旋转行星刀盘在外围作自转的同时绕主刀盘公转，行星刀盘公转的轨道由行星刀盘扇动臂的扇动角度确定。

通过对行星刀盘扇动臂的调节可开挖各种非圆形断面的隧道。

也就是说，通过对行星刀盘公转轨道的设计可选择如矩形断面，椭圆形断面，马蹄形断面，卵形断面等非圆形断面。

此盾构法尤其适用于地下空间受限制的如穿梭于既成管线和水道之间的中小型隧道工程。

图-3.1自由断面盾构构造图

图-3.2可开挖的非圆形断面

（2）特点

与一般盾构法相比，自由盾构法的特点如下：

1）可开挖多种非圆形断面的隧道，选择细长型断面对宽度或深度受限制的地下空间更有效的得到利用。

2）可根据不同的使用目的合理选择不同断面，比如共同沟和电力管线等选择矩形断面，公路和铁路隧道则选择马蹄形断面等。

3）隧道断面的最大纵横尺寸之比为椭圆形1.5：

1.0，矩形1.2：

1.0，马蹄形1.35：

1.0。

假定各隧道断面的横向宽度等于圆形断面的直径（3.16m），假定圆形断面的面积为1.0，则椭圆形为1.7，矩形为1.5，马蹄形则为1.6。

4）行星刀盘上的刀具以梅花状布置，扇动臂采用计算机自动控制。

（a）行星刀盘（b）扇动臂的控制

图-3.2行星刀盘及扇动臂的控制

（3）工程实例

迄今自由断面盾构法已在下水道工程中运用。

下列照片为1例试验性施工和1例实际工程的施工例。

试验施工中使用的盾构机宽3.16m，高4.66m的土压式平衡单点铰接盾构。

试验施工直线段长度36m，曲线段半径R=60m长度16m。

实际工程段盾构机宽3.16m，高4.66m的土压式平衡2点铰接盾构，累积开挖长度565m，曲线段最小曲率半径R=20。

（a）纵向椭圆形盾构机（b）试验施工隧道（直线段）（c）实际工程隧道（曲线）

照片-3.1施工实例

2．偏心多轴盾构法

（1）原理概要

偏心多轴盾构采用多根主轴，垂直于主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴上再安装刀架。

运转主轴刀架将在同一平面内作圆弧运动，被开挖的断面接近于刀架的形状。

因此，可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形，圆形，圆环形，椭圆形或马蹄形。

下图为开挖圆形断面和矩形断面的偏心多轴盾构原理示意图。

（a）圆形断面（b）矩形断面

图-1.1偏心盾构的原理示意图

（2）特点

与一般盾构相比偏心多轴盾构具有以下特点：

2）可根据需要选择刀架形状开挖任意断面的隧道。

3）刀架转动半径小，可选择较小的驱动扭矩。

因采用多个转动轴同时驱动刀架，所以盾构机显得紧凑玲珑，易装，易拆，易运等特点，适用于大断面隧道开挖。

4）刀架转动半径小，刀具的行走距离也小。

从刀片的磨损角度上来说，比一般盾构至少可多开挖3倍以上的距离，适合于长距离隧道的开挖。

5）刀架驱动装置小，盾构机内施工操作空间大，可根据需要在盾构机内配置土体改良设备，向整个隧道断面的任何位置进行土体改良，适合于曲率半径小，隧道间隔小，土质差等施工条件差的施工（见图-1.2）。

6）采用十字形交叉式刀片，此刀片的前后刀刃的角度相等，所以可进行全方位开挖。

可破碎大直径碎石和开挖高强度纤维加强混凝土墙（80MPa）（见图-1.3）。

图-1.2土体改良示意图图-1.3十字形交叉式刀片

（3）工程实例

到目前为止，偏心多轴盾构法已在水道，地铁和其它管线等许多地下工程中得到了运用。

下列照片为实际工程中使用的3例偏心多轴盾构机。

盾构（a）：

用于某下水道工程的盾构宽4.38m，高3.98m，施工长度共计809m。

隧道的覆土深度为2.37m～4.15m，最浅处为盾构宽度的0.6倍。

双线隧道最小间隔为60cm。

盾构（b）：

用于横浜MM21线地铁工程的盾构直径为7.15m，施工长度共计880m。

隧道的覆土深度为10.0m～18.0m，曲线段曲率半径R=1000m。

盾构（c）：

用于营团地铁11号线地铁工程的盾构直径为9.60m，施工长度共计907m。

隧道的覆土深度为13.6m～15.5m，曲线段曲率半径R=1037m。

（a）某下水道干线工程（b）横浜MM21线地铁工程（c）营团地铁11号线地铁工程

（宽度4.38m高度3.98m）（直径7.15m）（直径9.60m）

照片-1.1施工实例

3．MF盾构法

（1）原理概要

MF（MultiFace）盾构由多个圆形断面的一部分错位重合而成，可同时开挖多个圆形断面的盾构法。

隧道有效面积较开挖面积相等的单圆断面而言要大，是一种较为经济合理的断面形式。

2个或多个大小不同的圆形断面通过一定规则的叠合可提供任意断面形式的隧道，在隧道线路规划时对线形的选择有更多的灵活性。

上下空间受限制的情况下则可选择横向叠合式。

MF盾构法更适用于地铁车站，共同沟和地下停车场等大断面隧道的开挖。

下图为MF盾构法应用范围示意图。

图-2.1MF盾构的应用范围

（2）特点

MF盾构法的特点如下：

1）由MF盾构法建成的隧道基本结构形式为圆形，所以它保持了圆形断面的力学特性。

2）隧道可由多个小型圆断面叠合形成，开挖量小断面利用率高。

3）在隧道线路规划时对线形的选择有更多的灵活性，可根据需要选择横向MF盾构或纵向MF盾构，更加适用于地下空间受到限制的隧道建设。

4）根据土质情况和施工条件以及对周围环境影响的需要，采用泥水盾构或土压盾构。

5）盾构由多个独立控制的圆形断面组成，可根据不同地质条件进行土体开挖管理。

6）通过调整各刀盘的转速和转向，利用开挖时作用在盾构上的反力可有效的控制盾构的姿势，纠偏也相对容易。

7）采用横向多圆盾构法可用于地铁车站，地铁车辆机务区段的开挖。

（3）工程实例

MF盾构在地铁工程中运用较多。

横向2圆断面主要用于地铁线路段的隧道，横向3圆以上断面用于地铁车站和地铁机务段的隧道施工。

下列照片为实际工程中使用的2例MF盾构和由此施工法开挖的隧道。

横向2圆断面地铁线工程的开挖宽度为12.19m，2个圆断面的直径均为7.42m，施工长度为619m。

横向3圆断面地铁车站工程的开挖宽度为17.44m，其中中间圆断面直径8.85m，两侧圆断面直径8.14m，施工长度为275m。

（a）横向2圆盾构地铁线路工程

（b）横向3圆盾构地铁车站工程

照片-2.1施工实例

4．H&V盾构法

（1）原理概要

所谓的H&V（Horizontalvariation&Verticalvariation）盾构法是将几个圆形断面根据需要进行组合，以开挖多种隧道断面形式的一种特殊施工方法。

H&V施工法可同时开挖多条隧道，推进方式有像绳子一样互相纠缠在一起的螺旋式推进和让其中的某一个断面从中独立出去的分叉式推进两种方式。

可根据隧道的施工条件和用途在地下自由的掘进和改变隧道断面形式和走向。

其施工原理主要是采用了一种叉式铰接改向装置。

这种装置可使盾构胴体前端各自沿着相反的方向旋转，以改变盾构的推进方向。

利用这种铰接装置可使盾构机产生转动力矩，达到螺旋式推进的目的。

1）螺旋式推进的原理：

相邻两个断面的盾构之间设置铰接式改向装置，使盾构胴体能各自沿着相反的方向螺旋式旋转。

促使盾构螺旋式旋转是有效的运用了盾构轴向偏转的特性，由偏心千斤顶提供旋转外力。

在盾构改向侧迎土面通过局部超挖刀具进行局部开挖，使盾构顺利并稳定的进行螺旋式过渡。

2）分叉式推进的原理：

H&V中的各盾构配备有独立的驱动和排土设备。

相邻两个盾构的前胴部分由锚栓连接，后部则由螺栓连接，两者均可在盾构机的内部拆除。

盾构机之间在解除连接后由侧向千斤顶将需要分离的盾构顶出后各自沿着自己的方向推进。

（a）铰接式改向装置（b）螺旋式推进（c）分叉式推进

图-10.1H&V盾构法原理示意图

（2）特点

H&V盾构法具有以下特点：

1）特制的铰接式改向装置，对盾构机的姿态以及方向的控制比较容易。

各盾构的驱动装置和开挖装置相互独立，可根据不同土质情况对开挖面的稳定进行管理，可自由选择采用泥水式盾构还是土压式盾构。

2）从纵向到横向或从横向到纵向，隧道断面在地下可自用的过渡和转换，无须设置工作井，对缩短工期，降低成本有利。

3）可根据需要自由的选择断面形式，而断面的基本形状是圆形所以在构造上保持了单圆盾构良好的力学特性。

线形设计时可不受周边障碍物的限制。

（3）工程实例

H&V盾构法通过试验性施工证实此施工法可适用于各种地下工程，并在地铁和下水道中得到了运用。

迄今试验性施工1例，工程施工实例2例。

以下照片为2例工程实例，主要技术指标分别如下：

盾构（a）：

地铁车站工程施工例，采用2主2子的4圆泥水盾构机，其中主机6.56m2台，子机1.72m2台。

隧道宽13.18m，高7.06m，施工延长236m。

盾构（b）：

下水道工程施工例，采用纵向2圆分叉式泥水盾构机，上部盾构3.29m，下部盾构2.89m，施工延长154m。

盾构（a）地铁车站盾构（b）下水道

照片-10.1施工实例

5．球体盾构法

（1）概要

球体盾构是利用球体本身可自由旋转的特点，将一球体内藏于先行主机盾构的内部，在球体内部又设计一个后续次机盾构。

先行盾构完成前期开挖后，利用球体的旋转改变隧道的推进方向，进行后期隧道的开挖。

改向后盾构机刀具交换和维修非常方便。

到目前为止在日本已开发了3种用途的球体盾构机并在9个工程中得到了运用。

下面简要介绍有关利用球体盾构法的原理和施工实例。

（2）纵横式连续推进球体盾构

纵横式球体盾构是用一台盾构机完成竖向工作井和横向隧道开挖的一种特殊盾构机。

在纵向主机盾构内预先设置一个可旋转的球体，在球体内又收藏了一台专门用于开挖横向隧道的长度较短的次机盾构。

在纵向盾构内设有驱动轴可自由旋转球体，横向盾构的主体切削刀盘兼用于开挖竖向工作井，也就是说，只要在横向盾构的主体刀盘的外侧安装一个环状的超挖刀具，就可以用同一个切削装置开挖两个功能和尺寸不同的地下空间。

纵横式球体盾构共享一个切削驱动装置，主体切削刀和外侧环状刀具之间采用铰接式拉杆连接，通过油压千斤顶可使铰接式拉杆伸缩。

竖向工作井开挖结束后外侧环状刀具脱离主体刀盘残留在土中。

（a）竖向工作井开挖（b）球体旋转（c）横向隧道开挖

图-4.1纵横式连续推进球体盾构的开挖

纵横式球体盾构的主要特点如下：

1）因竖向工作井和横向盾构隧道是连续推进的，所以它无须考虑盾构进出洞时的土体加固处理和漏水等技术问题，提高了大深度工作井和隧道施工的安全性和施工速度，对缩短施工工期起积极的作用。

2）竖向工作井施工时对周围环境和地基沉降的影响较一般的施工法相比要小。

3）竖向工作井的内部空间和井壁厚度都可减小，节省工作井的工程费用。

4）隧道推进过程中开挖刀具的交换和维修非常方便，更适用于长距离隧道的开挖。

（3）横横式连续推进球体盾构

横横式球体盾构的开挖原理与纵横式球体盾构基本相同，先行主机盾构和后续次机盾构可在同一水平面内进行直角开挖。

交通拥挤的十字路口以及在地下一定深度内存在有各种管线设施无法构筑竖向工作井的地区可采用此施工方法。

（4）长距离开挖球体盾构

收藏在球体内的刀盘和其驱动装置与球体一起在盾构机内旋转后，在盾构机内进行刀具的修理和更换等作业。

这种复杂的作业不受时间，地点的限制并在已开挖好的隧道内的大气压中进行操作。

解决了于长距离盾构开挖时刀具交换的技术性问题，无需构筑工作井在一定程度上可减少工程费用。

尤其适用于工期不很紧，无须设置换气井的长距离上下水道的施工。

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