非圆盾构法隧道建造关键技术9787564396701

郑余朝

西南交通大学教授、博士生导师，中国岩石力学与工程学会软岩分会理事;主要从事隧道设计理论等方向的教学及科研工作;主持国家自然科学基金项目3项、其他国家和企业科研项目20余项;获贵州省科技进步一等奖1项、省部级和一级学会奖励11项;获发明专利19项;发表论文80余篇，出版专著2部参编国家标准1部、地方和团体标准5部。

申志军

正高级工程师，国家注册一级建造师、一级造价师，茅以升铁道工程师奖、火车头奖章获得者，曾任蒙华铁路公司蒙陕指挥部总工程师;主要从事隧道工程、铁道工程的技术管理和科研工作;科研成果获得国际隧道协会2018年度技术创新项目奖，中国铁道学会铁道科技奖特等奖、一等奖等;出版专著6部，发表论文40余篇。

仇文革

西南交通大学教授、博士生导师，中国土木工程学会隧道及地下工程分会常务理事，曾任国际隧道协会抗震工作组组长;主要研究方向为隧道寿命全过程力学行为与控制技术等;主持国家自然科学基金、重点研发项目及省部级项目20余项;先后获国家科技进步奖二等奖2项，省部级一、二等奖10余项;取得发明专利30余项;发表论文150余篇。

第1章绪论

1.1非圆盾构法现状

1.2非圆盾构法的发展趋势

第2章马蹄形盾构机依托工程及设计

2.1浩吉铁路白城隧道工程概况

2.2黄土山岭隧道施工工法比选

2.3超大断面马蹄形盾构机总体设计

2.4超大断面马蹄形盾构机多刀盘联合开挖设计

2.5大断面马蹄形盾构机紧凑型刀盘驱动设计与联合控制

2.6超大断面马蹄形盾构管片设计

2.7小结

第3章马蹄形盾构掘进施工技术

3.1始发技术

3.2马蹄形盾构掘进参数选取及优化

3.3马蹄形盾构管片拼装技术

3.4马蹄形盾构机姿态控制技术，

3.5马蹄形盾构渣土改良技术

3.6马蹄形盾构同步注浆材料及配合比研究

3.7马蹄形盾构机育区处理技术

3.8连续皮带机不间断出渣技术

3.9马蹄形盾构接收技术

3.10施工监控量测技术

3.11小结

第4章马蹄形盾构管片结构现场力学测试

4.1现场力学测试方案

4.2现场力学测试监测结果分析

4.3实测内力与设计计算内力对比分析

4.4小结

第5章矩形盾构顶掘工程设计

5.1成都市地下人行通道工程概况

5.2砂卵石地层市政隧道工法比选

5.3矩形盾构机总体设计

5.4双螺旋输送机联合出渣与土压控制

5.5矩形盾构管节设计.

5.6小结

第6章矩形盾构顶掘施工技术6.1矩形盾构顶掘施工总体方案

6.2掘进加固方案

6.3设备吊装方案

6.4施工专项方案

6.5施工测量方案

6.6掘进减摩靡技术

6.7渣土改良技术

6.8黏土系统

6.9小结

第7章矩形盾构机优化改造

7.1刀盘结构优化改造

7.2刀盘驱动优化改造

7.3螺旋输送机优化改造

7.4螺旋输送机保压密封装置改造

7.5小结

第8章U形敞口盾构机工程

8.1海口市椰海大道西延段地下综合管廊概况

8.2 U形敞口盾构机总体设计

8.3U形盾构掘进施工技术

8.4小结

第9章马蹄形盾构隧道BIM技术与信息化系统

9.1地质三维数字模型

9.2隧道及管片结构三维数字模型

9.3盾构机三维数字模型

9.4施工过程及控制三维数字模型

9.5盾构项目管理系统

9.6小结

参考文献

第1章绪论

隧道及地下工程一般采用非圆断面，断面净空常常根据几何尺寸需求和受力情况而确定。但由于圆形断面机械化开挖和衬砌拼装便捷，目前绝大多数盾构机采用圆形断面，导致盾构法隧道的结构断面通常为圆形。然而回到使用功能上，许多隧道底部需要平底板，为满足使用限界，常通过回填混凝土或结构分隔将圆形断面变为非圆断面。因此，直接开挖非圆断面隧道更能贴近使用限界，可以减少土方开挖和空间浪费，达到降能耗、减成本、更环保的目的。但目前非圆断面隧道及地下空间的开发多采用明挖法、矿山法、新奥法、浅埋暗挖法等传统工法，存在机械化配套水平低，工人劳动强度高、作业环境差，受环境影响大等不足。而常规圆形盾构机具有安全性好、施工效率高、施工质量好、受环境影响小等显著优点，但难以满足狭窄地下空间、浅覆土、高空间利用率等隧道施工需求，且费用较高。因此，发展非圆盾构工法是新的解决方案。

1.1非圆盾构法现状

盾构法作为隧道建设的主要施工方法，具有施工速度快、安全程度高和对周围环境扰动小的优点。其核心的盾构机，即“盾构隧道掘进机”，是隧道开挖过程中使用相当广泛的专业性机械。通过不断发展，如今的盾构机已成为集光、电、液、传感和信息技术于一体的综合性机械，其强大的功能主要体现在四个方面:切削土体、运送渣土、测量导向及纠偏、管片衬砌的自动拼装。

盾构法的应用与发展与盾构机械密不可分，人类历史上第一台盾构机于1825年由法国人布鲁内尔发明，为矩形断面，断面尺寸为11.4 mx 6.8m，采用手掘式开挖，从此拉开了盾构法隧道施工的序幕。

此后，受机械设计制造和隧道结构施工技术水平影响，非圆盾构法发展缓慢。而圆形盾构隧道由于衬砌结构受力性能好，以及便于实现机械化开挖和衬砌拼装等优点，迅速发展成为主流。在此后的100余年内，绝大多数用盾构法开挖的隧道采用的是圆形盾构机。直到20世纪中叶，随着经济发展和城市地下空间开发利用需求快速增加，以及材料技术、结构设计技术、工程机械技术的长足进步，非圆盾构又得到了新的发展契机。

非圆盾构机开挖隧道的施工工艺、流程与单圆盾构机开挖隧道基本类似，主要包括准备工作(地质勘查等)、工作井施作、端头加固、盾构机组装调试、始发掘进、土体开挖、注浆管理、衬砌支护、渣土运输、到达接收等环节，但是各个环节的施工方法和技术要求与圆形断而面盾构机开挖隧道施工不尽相同，特别是在管片拼装技术、沉降控制技术、姿态控制技术育区处理技术、渣土改良技术等方面具有显著的差异。

从世界范围来看，目前已进行非圆盾构技术研发并付诸实际应用的国家主要是中国和日本。日本受国土资源的限制，对地下空间的开发非常重视，于20世纪60年代开始对非圆断面隧道建设与非圆断面隧道掘进机技术展开研究，并于20世纪90年代开始快速推广。日本曾先后进行了矩形断面、椭圆断面、双圆断面、多圆断面盾构施工技术的试验研究和工程应用，取得了突出的成绩。日本的非圆盾构机设备种类齐全，包括矩形、椭圆形、马蹄形、自由断面、多圆等多种非圆盾构机，并在市政、过街通道、综合管廊等领域的多个项目得到了广泛应用，整体技术水平世界领先。在马蹄形掘进机领域，日本有初步概念设计，但并无工程应用案例，其研究也仅停留在理论研究阶段，其在上部装有大圆形刀盘，下部装配2个圆形小刀盘，断面适应能力有限。

我国于20世纪90年代才开始进行非圆盾构技术方面的研究与工程应用。上海地铁6号、8号和10号线均先后应用了双圆盾构工法，宁波地铁采用了类矩形盾构工法。大量的市政隧道也采用了矩形盾构顶管进行施工，如佛山南海大道下穿隧道工程、湖州市城图广场地下过街通道工程、成都市人民南路地下人行通道工程等。海口市地下综合管廊工程则采用了U形敞口盾构施工。经过短短30年，我国盾构机装备制造和施工技术实现了跨越式发展，地质上从软土小断面拓展到复合地层超大断面,装备类型上实现了从单一矩形断面盾构机到双圆、类矩形盾构机等多类型的转变。

各种断面形状的盾构机都有各自的特点，适用于不同的功能需求和不同的工程。如矩形盾构机能最大限度地提高空间利用率，但是衬砌结构受力较差，一般适用于城市浅覆土和高程受限的隧道工程;双圆盾构机或类矩形盾构机可同时修建左右线，提高空间利用率和施工效率;三圆盾构机非常契合地铁车站特殊的空间和结构形式;U形敞口盾构机可实现U形槽等隧道引人段的施工和结构施作;马蹄形盾构机结构受力优于矩形盾构机，空间利用率优于圆形盾构机，适用于长距离的山岭隧道，也可用于城市深埋地下空间开发。

1.2非圆盾构法的发展趋势

非圆断面隧道具有空间利用率高、功能匹配性强、断面灵活、空间利用率高等显著优点，可以减少土方开挖和空间浪费，达到降能耗、降成本、提效率的目的。异形断面盾构技术必将迎来新的春天。随着盾构机设计和制造技术、结构设计技术的进步、以及非圆盾构案例的丰富，非圆断面隧道必将进人高速发展阶段，其适用场合和发展趋势如下:

(1)圆形断面隧道施工一般需要1倍洞径以上埋深，许多情况下无法满足这个要求，而非圆断面隧道能适应覆土更我的施工，同时，非圆断面隧道也能减小结构高度，使线路布置更加便捷灵活，具有更显著的经济和社会效益。

(2)采用非圆断面可减少开挖面积，减少开挖量和渣土处理量，同时也避免了多余空间的回填，既节省了地下空间资源，又降低了造价。

(3)在复线铁路、公路隧道中，非圆断面可以一次性获得合理的隧道断面，避免平行推进两条较小断面隧道的施工情况，更加经济、高效。

4)发展非圆盾构技术在很大程度上也契合了黄土山岭隧道修建技术的发展需求，非圆……

非圆隧道及非圆地下空间开发多采用明挖法、矿山法、新奥法、浅埋暗挖法等传统工法施工，不仅安全性差、施工效率低、施工环境恶劣，而且严重破坏环境、影响民众日常生活；常规圆形盾构机具有安全性好、施工效率高、施工质量好，环境影响小等显著优点，但难以满足狭窄地下空间、浅覆土、高空间利用率等隧道施工需求，且费用较高。就隧道结构而言，非圆断面隧道具有更好的功能匹配性，可以减少土方开挖和空间浪费，达到降能耗、减成本、提效率的目的。这为发展非圆盾构施工技术提供了重要的驱动力。本书正是结合作者团队多年的隧道工程设计、施工与科研情况，旨在凝练并系统介绍了非圆盾构法隧道建造关键技术的研究成果，主要介绍了非圆盾构法隧道围岩稳定性特征、非圆盾构隧道结构结构设计、非圆盾构机研制、非圆盾构掘进关键技术、掘进施工中矩形盾构机优化改造研究、马蹄形盾构管片结构现场力学测试、非圆盾构隧道BIM技术与信息化系统研究等，彰显了我国铁路建设自主创新综合实力。