0 引言
隨著城市規模的日益龐大，盾構法米兰国际在线娱乐在構建城市交通網絡中的作用越來越大。傳(chuan) 統盾構隧道始發與(yu) 接收需要盾構工作井，需要對地麵與(yu) 地下連接區域進行大麵積的開挖。盾構工作井的施工方案不僅(jin) 要考慮到地下工程自身的穩定，還要考慮到其對周邊地層及地麵的影響。施工過程中的豎井周圍加固及地下工程湧水湧砂等不可預見性因素，都會(hui) 影響施工質量、進度、安全及經濟效益，給工程帶來巨大的風險。同時，大麵積的開挖不僅(jin) 會(hui) 阻塞交通，而且施工機械產(chan) 生的噪音、振動會(hui) 給周邊居民的生活帶來諸多不便。近年來，由於(yu) 城市的擁擠，建築的密集，對文明施工、環境保護要求的提高，地麵與(yu) 地下隧道的交通接線工程麵臨(lin) 的問題越來越突出。為(wei) 更好地解決(jue) 地麵與(yu) 地下隧道的交通接線問題，在南京機場線地下與(yu) 地麵連接段隧道工程中研發使用一種地麵出入式盾構法隧道建造施工技術。
地麵出入式盾構法隧道新技術GPST，是指盾構從(cong) 地表始發，在淺覆土條件下掘進，最後在目標地點從(cong) 地表到達。這種方法用盾構掘進替代暗埋段明挖，可以減小地麵開挖麵積50％～80％，減少搬拆遷和對周圍環境的影響；以淺埋導坑替代深大工作井，可以減少施工風險和開挖方量，縮短建設工期。日本有類似工法的案例：文獻提到了盾構急速下穿法URUP法；文獻介紹了URUP法，並對此工法的特點及其在日本的應用實例進行了介紹。URUP法是針對沒有始發井和到達井的暗挖地下道路、下穿鐵路的地下通道、公路及其他公共設施的一種工法，和GPST工法相似。GPST工法在國內(nei) 沒有施工案例，國內(nei) 學者、專(zhuan) 家對此工法的研究比較少。南京機場線地下與(yu) 地麵連接段隧道工程中使用的GPST工法，在我國首次研究應用，相應的理論和技術研究對類似工程的設計和施工具有重要的借鑒意義(yi) 。
本文基於(yu) 南京機場線地下與(yu) 地麵連接段隧道工程，針對GPST工法特有的結構變形、接縫滲漏和軸線偏離等關(guan) 鍵技術難點，介紹隧道變形控製、防水和盾構姿態控製等新技術。GPST新技術盾構地麵示意如圖1所示。
1 工程概況
南京機場線秣陵站至將軍(jun) 站區間總長4460m，含地下隧道及地麵高架，其中的地下與(yu) 地麵連接段作為(wei) 首次采用GPST新技術的示範工程。該工程位於(yu) 將軍(jun) 大道下，左右線隧道總長約258m。隧道管片外徑為(wei) 6.2m，厚度為(wei) 0.35m，環寬為(wei) 1.2m。管片環由3個(ge) 標準塊、2個(ge) 鄰接塊和1個(ge) 封頂塊構成，采用錯縫拚裝。盾構先從(cong) 盾構工作井始發至導坑地麵到達，調頭後從(cong) 左線地麵始發，返回工作井完成接收。沿線覆土工況為(wei) －0.3D（D為(wei) 隧道直徑）、零覆土、0.1D、0.3D、0.5D和斜坡段。示範工程隧道平麵示意如圖2所示。隧道斷麵主要處於(yu) ①－2素填土、②－3c2粉土、②－1b2粉質黏土、④－1b1粉質黏土、J31－1全風化安山岩及J31－2強風化安山岩中。地下水靜止水位埋深為(wei) 2.4m。土層物理參數見表1。
（a）盾構地麵始發
（b）盾構地麵到達
圖1 GPST新技術盾構地麵示意圖
圖2 示範工程隧道平麵示意圖
表1 岩土的物理性質指標（平均值）
2 隧道變形控製技術
2.1 管片結構受力計算
GPST管片受力狀況不同於(yu) 傳(chuan) 統隧道，地麵出入段隧道受力如圖3所示。管片露出地麵時，管片上部沒有豎向外荷載。本文采用均質圓環和殼－彈簧管片模型進行計算，地麵出入段隧道結構受力彎矩較小，軸力非常小，在－0.3D覆土工況時隧道頂部甚至出現軸力為(wei) 拉應力的情況（如圖4和表2所示），這對管片的受力和防水都極為(wei) 不利。GPST技術的管片接頭剛度差異較大，以－0.3D覆土工況為(wei) 例（見表2），最大值為(wei) 7668kN·m/RAD，最小值為(wei) 600kN·m/RAD。同時，因為(wei) 盾構正麵壓力小，管片縱向壓緊力不足，造成管片拚裝整體(ti) 性較差、結構防水難度加大及盾構施工姿態控製困難。
2.2 結構設計
2.2.1 接頭形式
管片環縫及縱縫采用斜螺栓連接設計，如圖5所示。斜螺栓具有管片接縫錯台小和整環橢圓度小等特點，承受正負彎矩的能力較均衡，特別在負彎矩處接頭剛度較大。
2.2.2 管片高精度拚裝定位件
為(wei) 提高拚裝精度，管片設有定位銷（位於(yu) 管片環麵）及定位棒（位於(yu) 管片縱縫麵）。
圖3 隧道地麵出入段管片受力模式
（a）軸力圖
（b） 彎矩圖軸
圖4 埋深－0.3D工況圖
表2 覆土－0.3D無超載工況接頭彎曲剛度表
圖5 管片斜螺栓結構（單位：mm）
2.3 管片穩定裝置應用
管片穩定機構的作用是在盾構推進過程中能支撐和穩定管片，使管片保持形狀，有效防止管片錯台等現象的發生。管片穩定機構由支撐環、固定環、加強梁、工作平台等部件組成（見圖6）。支撐環上分布有8個(ge) 滾輪，滾輪由千斤頂控製伸縮支撐管片，滾輪可在管片上滾動，盾構推進帶動整個(ge) 管片穩定機構一同前進。
圖6 管片穩定機構組成
3 隧道防水技術
3.1 縱向長螺栓設計
為(wei) 提高淺覆土管片抗剪能力及接縫防水性能，每環管片增加4隻縱向通長螺栓進行拉緊。縱向長螺栓設計進行了防水試驗和仿真分析，通過三維數值分析，其縱向剛度提高了約2.5倍。縱向長螺栓位置圖見圖7。
圖7 管片縱向長螺栓位置圖
3.2 新型防水密封件
根據GPST新技術的要求，設計多種橡膠密封墊截麵形式，從(cong) 65度、55度、50度、45度4種硬度考慮材料。通過橡膠墊裝配力數值模擬（見圖8）和壓縮試驗（見圖9）確定橡膠密封墊的裝配力－壓縮量曲線，通過一字縫和Ｔ字縫防水試驗確定橡膠墊的防水能力曲線（見圖10）及合理的錯動和張開量控製指標，最後得到橡膠硬度為(wei) 55度的新型密封件形式。壓縮量對密封墊的防水性能影響較大，根據試驗建議將壓縮量控製在3.5mm以上，橡膠墊錯動控製在8mm以內(nei) ，密封橡膠墊的最小防水能力為(wei) 0.31MＰa，安全係數為(wei) 2.58。
圖8 錯位量為(wei) 5mm的計算模型
（a）防水試驗的設備
（b）橡膠墊壓縮截麵試驗照片
圖9 橡膠墊壓縮試驗
4 盾構姿態控製技術
4.1 低圍壓進出土試驗
低圍壓下進出土困難，盾構姿態不易控製。在盾構裝備上通過選型掘進試驗，分析了刀盤的結構形式、刀具布置及開口率，采用了輻條式大開口率的刀盤結構（見圖11），保證了低圍壓下盾構正麵土體(ti) 順利進入土艙。
圖10 硬度55度密封墊接觸應力與(yu) 防水能力曲線
圖11 GPST大開口率盾構
4.2 GPST專(zhuan) 有土體(ti) 改良
通過改良材料選取、室內(nei) 配合比試驗及模擬試驗研究出新的改良材料，其黏度＞30ｓ，比重＜1.05g/cm3，使改良後的土體(ti) 具有良好的塑性、流動性和均勻度，解決(jue) 了土艙內(nei) 無壓力狀態下螺旋機的排土問題，保證了開挖麵的穩定與(yu) 軸線的控製。
4.3 高精度監控係統
1）土壓平衡高精度控製。在土艙內(nei) 壁增設土壓計數量，更準確和敏感地反映出土艙壓力的變化。采用負反饋控製係統，提高土壓波動的檢測，設計新算法可同時調整螺旋機的出土量、刀盤轉速和推進速度，能更精確地控製開挖麵的土壓平衡。
2）同步注漿高精度控製技術。配置2台施維英KSP－12注漿泵，共4個(ge) 注漿點，單點單控，注漿量比例無級調速，注漿控製精度高，滿足GPST施工的高精度要求。
3）螺旋機高精度控製技術。采用流量比例無級調速，PLC內(nei) 置PID調節，精度高，可實現低於(yu) 5mm/min速度下盾構推進的穩定性和對土體(ti) 的微擾動。
5 示範工程應用分析
2013年1月成功完成了南京機場線GPST示範工程（見圖12和圖13），隧道變形控製在4‰以內(nei) ，隧道軸線控製在±50mm，完全滿足地鐵隧道驗收標準。具體(ti) 情況如下：
1）地麵出入段的管片變形控製。管片在拚裝時橫向變形為(wei) 2‰～6‰，進入穩定裝置後橫向變形減小，最小可達1‰；管片脫出穩定裝置後橫向變形有所增加，但都在4‰內(nei) 。
2）隧道防水控製。采用新型密封墊和1250kN的拚裝壓力及每環4隻縱向拉緊螺栓等措施，隧道未發生滲漏現象，管片接縫張開量變化控製在1.5mm以內(nei) 。
3）隧道軸線控製。隧道左右線成環管片高程均控製在±50mm以內(nei) ，地麵到達段隧道上浮基本控製在15mm左右。地麵到達段隧道軸線變化曲線圖如圖14所示。
4）盾構姿態控製。通過對施工參數的優(you) 化以及盾構推進千斤頂行程差和坡度的控製，盾構在各工況段姿態控製良好。盾構高程和平麵均控製在±50mm以內(nei) 。地麵到達段盾構高程姿態偏差折線圖如圖15所示。
圖12 南京機場線盾構地麵始發
圖13 南京機場線盾構地麵到達
圖14 地麵到達段隧道軸線變化曲線圖
圖15 地麵到達段盾構高程姿態偏差折線圖
6 結論與(yu) 展望
1）GPST管片受力狀況不同於(yu) 傳(chuan) 統隧道，主要從(cong) 管片接頭形式、管片高精度拚裝定位件及管片穩定裝置應用方麵對隧道變形進行控製。
2）地麵出入段盾構正麵壓力小，管片密封墊壓緊力較小，采用管片拉緊長螺栓，從(cong) 材料和結構方麵改進，全麵提高結構整體(ti) 防水性能。
3）隧道處於(yu) 負覆土或淺覆土工況之下，盾構推進軸線控製難度較大，成型隧道極易發生變形過大問題，主要從(cong) 盾構前方進土、螺旋機排土和高精度等方麵進行控製。
4）南京示範工程的成功應用驗證了GPST盾構完全適應低圍壓工況下的施工要求，體(ti) 現了隧道變形、防水和盾構姿態控製等核心關(guan) 鍵技術的可行性和實用性。
GPST技術在地麵直接始發和接收，省略了深大的工作井，減少了明挖施工，減少了建設資金的投入，降低了施工風險，縮短了建設工期，將節能、環保、低碳的建築特色植入到地下空間開發領域。其在越江、城市公路和市政管道等地下大直徑隧道領域，必將具有更廣泛的應用前景。
轉自：《隧道建設》