1.1國內(nèi)外概況和發(fā)展趨勢目前世界上絕大多數(shù)盾構(gòu)斷面均為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，因此我們將非圓形斷面盾構(gòu)稱“異形斷面盾構(gòu)”。從歷史上看，異形斷面盾構(gòu)的斷面形式包括矩形(圓角矩形)、多圓相交的并列圓形、多段弧線相切圍合形(日本稱復(fù)合圓形)。本課題總體設(shè)計(jì)所選擇的就是4段圓弧相切圍合的形狀，如矩形”。異形斷面盾構(gòu)的重生圖4圖4歷史上第一臺盾構(gòu)由法國人MarcIsambardBrunell(1825年)建造的人類歷史上第一臺盾構(gòu)機(jī)就是矩形斷面的，如圖4所示。因?yàn)閷τ谑褂霉δ芏?，矩形的斷面使用效率是最高的，而且從?dāng)時(shí)掌子面人工開挖的方式看來說，矩形斷面最有利于挖掘工人的布置(由于當(dāng)時(shí)施工能力的限制。1843年，采用了盾構(gòu)法隧道的新天地。由于當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的局限，該隧道的襯砌為磚砌雙聯(lián)拱結(jié)構(gòu)，與盾構(gòu)外形并不匹配。1890年，連通美國與加拿大邊境的St.Clair鐵路隧道盾構(gòu)首次采用液壓拼裝機(jī)面，見圖5(b)；1926年倫敦地鐵首次采用了電驅(qū)動(dòng)大刀盤切削正面土體，實(shí)現(xiàn)了全斷面機(jī)械化開挖，見圖5(c)。從此，圓形盾構(gòu)由于襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性好，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開挖和襯砌拼裝，迅速成為主流，矩(a)(b)(c)20世紀(jì)90年代以后，隨著日本城市逐步由功能優(yōu)先的現(xiàn)代化建設(shè)轉(zhuǎn)向人居為本的后現(xiàn)代化建設(shè)，需要在本已擁擠的地下空間中建設(shè)地鐵，地下化鐵路，共同溝，地下道路等，由于《日本民法典》規(guī)定50米深度以內(nèi)地下空間屬于地面物業(yè)業(yè)主所有(2001年修正案)，往往面臨狹小的道路無法布置雙線隧道的問題，即使開發(fā)出40cm極小間距施工的盾構(gòu)技術(shù)換成熟，斷面利用效率更高，結(jié)構(gòu)形式更簡潔的類矩形盾構(gòu)逐步取代了雙圓于軌道交通8號線、6號線、和2號線東延伸段施工。大部分施工效果良好，但也發(fā)現(xiàn)其雖然能夠達(dá)到較高的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，但是控制技術(shù)相對復(fù)雜，對施工管理要求較高，隧道空間使用彈性不大，泵房施工繁瑣。臺灣也引進(jìn)了此類盾構(gòu)，評價(jià)與此類似。目前，尚無新的雙圓盾構(gòu)應(yīng)用計(jì)劃。支護(hù)盾構(gòu)，其主隧道斷面為矩形，但超前支護(hù)盾構(gòu)的本質(zhì)為小型并列多圓盾構(gòu)，雖然算作矩形盾構(gòu)，但技術(shù)特征與使用方法差異很大。值得指出的是，目前研發(fā)異形斷面盾構(gòu)并付諸實(shí)際應(yīng)用的只有我國和日本。究其原因還是由于東西方城市發(fā)展的模式的差異導(dǎo)致市場需求的差異。除紐約外，美國大多數(shù)城市結(jié)構(gòu)比較疏散，地下空間開發(fā)的強(qiáng)度并不高；歐洲城市往往面臨及其嚴(yán)格的古建筑保護(hù)法規(guī)，城市核心區(qū)地下工程總量也不大，更加趨向于建設(shè)新城。附表1：日本矩形/復(fù)合圓形盾構(gòu)一覽表序號123程田川2號干工事工程道改建工尺寸/m××╳類型/刀盤土壓平衡/偏心多軸土壓平衡/刀盤土壓平衡/偏心多軸年份機(jī)長年份m199419971998第8號雨水干線市雨水干線建地蔵北工區(qū)建設(shè)工程9試驗(yàn)機(jī)××××××泥水平衡/滾筒刀盤敞開/胸板支護(hù)土壓平衡/仿形刀盤土壓平衡/刀盤土壓平衡/行星刀盤土壓平衡/盤19992000200120022003200510神奈川6號川崎線*用于大斷面前支護(hù)11國道20號新道工程馱~明治神宮前~澀谷區(qū)間化××土壓平衡/普通刀盤敞開式土壓平衡/仿形刀盤/APORO刀盤200200820082009向原~千川聯(lián)絡(luò)線土壓平衡/行星刀盤12012日本矩形盾構(gòu)主要關(guān)鍵發(fā)展趨勢由于建設(shè)體制和計(jì)價(jià)方式不同，日本異形斷面盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)出高度的靈活性和針對性，基本每一款異形斷面盾構(gòu)都緊密結(jié)合相應(yīng)的工程項(xiàng)目量身定做，在二十余年的發(fā)展過程中取得了很多獨(dú)樹一幟的技術(shù)，其中最為關(guān)鍵的兩項(xiàng)是異形全斷面切削技術(shù)和異形襯砌結(jié)構(gòu)機(jī)械化拼裝技術(shù)。1)異形全斷面切削技術(shù)除了部分應(yīng)用于軟巖和自立性硬土的盾構(gòu)采用敞開式開挖以外，日本所有應(yīng)用于軟土地區(qū)的異形斷面盾構(gòu)都采用了全斷面切削技術(shù)，從未采用過以往用于小直徑盾構(gòu)的多刀盤部分切削方案，見附圖6。這是由于在軟降。這一問題往往會(huì)被誤認(rèn)為盾殼背土，采取錯(cuò)誤的措施，更加劇了地層表2矩形盾構(gòu)主要切削方式式橫軸滾動(dòng)多刀盤偏心多軸刀盤行星刀盤圓周仿形刀盤擺動(dòng)仿形刀盤適用地質(zhì)軟巖/硬土土土適用斷面矩形多種形狀矩形多種形狀類型切削切削序號123456其中“偏心多軸(DPLEX)刀盤”是在數(shù)臺驅(qū)動(dòng)軸的前端偏心支承切削器，當(dāng)按同一方向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，切削器機(jī)架作平行環(huán)運(yùn)動(dòng)，以此掘削和就可以筑造出矩形、橢圓形、馬蹄形、帶有突起的圓形以及圓環(huán)形等多種圖掘削機(jī)構(gòu)模式及實(shí)體盾構(gòu)機(jī)圖“阿波羅刀頭(AllPotentialRotaryCutter)”由刀盤、搖動(dòng)構(gòu)架、公轉(zhuǎn)圓筒三部分組成。如圖所示。在刀頭高速旋轉(zhuǎn)(自轉(zhuǎn))的同時(shí)，通過搖動(dòng)構(gòu)架及公轉(zhuǎn)圓筒的旋轉(zhuǎn)使刀盤在所要求的軌跡上移動(dòng)(使其公轉(zhuǎn))進(jìn)行任意斷面的掘削。圖刀盤旋轉(zhuǎn)及軌跡示意圖“仿形刀盤”在旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行伸縮(輻條6根中的4根)，來切削復(fù)合圓形斷面。此外，隨著伸縮刀盤的伸縮產(chǎn)生土倉內(nèi)容積的變動(dòng)，為了防止開挖面土壓平衡的失衡，在2處安裝了土壓變動(dòng)控制裝置。如圖所示。圖仿形刀盤的配置圖及實(shí)體盾構(gòu)機(jī)圖仿形刀盤也有采用千斤頂驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)刀盤方案，其特點(diǎn)是低成本，見圖擺動(dòng)仿形刀盤的配置圖及實(shí)體盾構(gòu)機(jī)圖2)機(jī)械化拼裝技術(shù)普通盾構(gòu)斷面為圓形，拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)與拼裝位置是同心圓，所需徑向行程一般較小，而矩形或類矩形斷面無法按同心布置，需要大得多的工作范圍。同時(shí)，拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)還必須考慮中盾部位螺旋機(jī)、鉸接等其它系統(tǒng)的布置，對于大斷面矩形盾構(gòu)而言，單塊管片的重量在機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域也是超出一般數(shù)量級的，而其定位精度則要求相當(dāng)。圖幾種日本拼裝機(jī)專利圖日本對于異形斷面的拼裝機(jī)有近10種專利方案，如圖所示，但投入有三種類型：(1)加大部分自由度行程的傳統(tǒng)拼裝機(jī)在扁平的異形斷面盾構(gòu)中，在傳統(tǒng)拼裝機(jī)的加設(shè)機(jī)械手平移結(jié)構(gòu)，使之“夠得到”角部。機(jī)構(gòu)原理和工作方式如圖、圖所示。此類拼裝機(jī)在常規(guī)拼裝機(jī)上略作改動(dòng)即可，但是受基本結(jié)構(gòu)限制，單機(jī)工作范圍無法擴(kuò)展圖矩形盾構(gòu)的拼裝機(jī)圖矩形管片的拼裝順序?qū)嵗祟惼囱b機(jī)有一個(gè)變種，成為立柱式拼裝機(jī)。其基本構(gòu)想是將傳統(tǒng)拼裝機(jī)的回轉(zhuǎn)盤體縮小，安裝在盾體內(nèi)的立柱上，回轉(zhuǎn)盤體可以沿立柱上下移動(dòng)，從而大幅度提高垂直方向行程，如圖右下圖所示，日本相關(guān)專利公開號為。此方案結(jié)構(gòu)輕巧簡單，但對盾構(gòu)機(jī)總體布置不利，螺旋機(jī)出口只能布置在立柱之間，不利于高效施工。對于設(shè)立柱的矩形盾構(gòu)，空間更加圖拼裝管片情況(2)軌道式拼裝機(jī)針對矩形管片的特點(diǎn)，日本企業(yè)還設(shè)計(jì)了新型管片拼裝裝置，其設(shè)置了和盾構(gòu)機(jī)開挖面形狀相似的運(yùn)行軌道，在軌道上運(yùn)作的拼裝裝置一邊抓取管片一邊完成拼裝。裝置T字?jǐn)嗝嫘螤畹倪\(yùn)行軌道由上下左右的導(dǎo)航滾輪夾持，并與軌道上的齒條實(shí)現(xiàn)咬合來完成行駛。如圖、圖所示。圖拼裝裝置概要圖圖T字?jǐn)嗝嫘螤畹倪\(yùn)行軌道在實(shí)際運(yùn)用中，拐角部管片與平行管片的重心抓取位置存在巨大差異，但是各動(dòng)作都能達(dá)到要求。如圖所示。這一類型拼裝機(jī)動(dòng)作比較簡單，但是難以在當(dāng)中空間設(shè)置雙螺旋機(jī)排土，對于總體方案是不利的。日本也僅用于東京相?？v貫川尻隧道工程的圖串聯(lián)式機(jī)械臂(3)串聯(lián)式機(jī)械臂的串聯(lián)機(jī)械臂取代了傳統(tǒng)拼裝機(jī)的各自由度并聯(lián)的機(jī)械臂，如圖所示。此是一種非常有潛力的異形斷面盾構(gòu)拼裝機(jī)方案。但它的確定是無論是垂直、三軸聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，人工操縱非常繁瑣，若采用三軸聯(lián)動(dòng)控制則難度很大。在該工程中，由于掘進(jìn)長度很短，拼裝機(jī)完全是依靠人工控制的。3)軌道交通工程的應(yīng)用案例日本的矩形盾構(gòu)法應(yīng)用于軌道交通工程的案例共有4個(gè)，其中包括：京都地鐵東西線醍醐至六地藏延伸工程(2002)和東京地鐵副都心線新千馱~明治神宮前~澀谷區(qū)間(2008)、東京私鐵東急東橫線渋谷~代官山駅區(qū)間地下化工程(2009)、東京地鐵有樂町線小竹向原~千川聯(lián)絡(luò)線工程 (2012)。其中京都地鐵東西線醍醐至六地藏延伸工程不僅是第一例矩形盾構(gòu)施工軌道交通單峒雙線的工程，而且還首次實(shí)現(xiàn)了矩形盾構(gòu)施工無立柱的渡線段，展示了充分展示了矩形盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?。京都地鐵東西線醍醐至六地藏延伸工程矩形隧道斷面外徑為×，適應(yīng)東京地鐵東西線所用的車輛雙線運(yùn)營。該區(qū)間是在道路寬度為15m狹窄路況且交通流量大、地下有外徑下水道管線以及引水管大規(guī)模埋設(shè)物的外section)。襯砌管片外尺寸×。如圖所示。圖隧道橫斷面圖工程采用了小松設(shè)計(jì)制造的加泥式土壓平衡矩形盾構(gòu)機(jī)，刀盤為擺動(dòng)式(WaggingCutter)。如圖所示，刀盤在一定的角度內(nèi)邊進(jìn)行擺動(dòng)邊進(jìn)圖輻條伸縮擺動(dòng)矩形盾構(gòu)擺動(dòng)掘削方式由介入轉(zhuǎn)矩臂的液壓千斤頂將刀盤在95°范圍內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)。與以往由馬達(dá)與齒輪驅(qū)動(dòng)的高精度結(jié)構(gòu)相比，由液壓千斤頂、連接環(huán)及銷子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)部，結(jié)構(gòu)相對簡單化。在主輻條未能掘削區(qū)域，則采用內(nèi)置的液壓千斤頂伸縮式仿形刀進(jìn)行掘削。仿形刀將配合刀盤擺動(dòng)角度的液壓千斤頂進(jìn)行伸縮，并由其前端的刀頭沿著盾構(gòu)殼體外形線進(jìn)行掘削，如圖所示。圖超挖刀運(yùn)行狀態(tài)圖運(yùn)營中的矩形隧道(渡線段)我國對矩形盾構(gòu)裝備技術(shù)的研究科追溯到上世紀(jì)九十年代矩形頂管1.1.1.1矩形頂管技術(shù)1)類矩形頂管技術(shù)發(fā)展對于頂管法矩形隧道，在1999年上海的地鐵2號線陸家嘴站五號出入口首次運(yùn)用×組合刀盤土壓平衡式矩形頂管技術(shù)，并完成了十多例工程建造了地下人行通道，此后該斷面的頂管建成了眾多人行通道。2004年，新疆烏魯木齊采用了20m××三聯(lián)體組裝形式的矩形盾構(gòu)機(jī)、履帶式行走研制了×多刀盤矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，截至目前完成近30條隧道工程，總里圖國內(nèi)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)及工程12013年，鄭州使用了×大刀盤+偏心多軸組合式矩形頂管掘進(jìn)機(jī)建造圖國內(nèi)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)及工程2L1.1.1.3上海建工矩形盾構(gòu)1.1.1.4矩形盾構(gòu)前期研究矩形盾構(gòu)主機(jī)由刀盤、殼體、土倉、刀盤驅(qū)動(dòng)、拼裝機(jī)及螺旋輸送機(jī)等部分組成，所包括的系統(tǒng)大致與普通圓形盾構(gòu)相類似，但其殼體為矩形，因而導(dǎo)致刀盤形狀、驅(qū)動(dòng)形式及拼裝機(jī)的布置上與圓形盾構(gòu)有較大差異。本矩形盾構(gòu)的設(shè)計(jì)適應(yīng)土層為粘土、砂土及粉質(zhì)粘土，為土壓平衡盾構(gòu)，殼緣尺寸為9800mm×5800mm，管片寬度1200mm。圖矩形盾構(gòu)主機(jī)示意圖對矩形盾構(gòu)機(jī)全斷面切削方案進(jìn)行了較為深入的研究，對比了大刀盤+仿形刀組合刀盤式和偏心多軸雙刀盤式方案，結(jié)論見表圖兩種全斷面切削方案表刀盤方案比較表大大刀盤+仿形刀組合刀盤式能較高較好一般大高偏心多軸雙刀盤式能高一般小低矩形全斷面切削開挖面支護(hù)性地層適應(yīng)性左右轉(zhuǎn)角控制性能所配備的總功率價(jià)格該盾構(gòu)采用2臺環(huán)臂式雙頭拼裝機(jī)，主拼裝臂為串聯(lián)式機(jī)械臂，設(shè)立柱專用的拼裝機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)范圍為±170°，作業(yè)過程如下。圖管片拼裝過程示意圖當(dāng)前，國內(nèi)雖未有嚴(yán)格意義上的矩形盾構(gòu)法隧道，但工程界已針對矩形盾構(gòu)技術(shù)的難點(diǎn)開展了相關(guān)的研究和工程實(shí)踐活動(dòng)。具體如表所示。表矩形盾構(gòu)技術(shù)難點(diǎn)的類似相關(guān)技術(shù)分析表序序矩形盾構(gòu)技術(shù)難點(diǎn)類似相關(guān)技術(shù)研究備注號矩形全斷