0 引言
近30 年，随着盾构技术的逐步成熟，盾构隧道也正向着大断面、深覆土方向发展，但其施工的技术难度和风险也随之增加。目前国内外对大断面盾构的研究主要集中在圆形盾构上［1 － 3］，因其具有设备和开挖简单、推进轴线容易控制、隧道衬砌结构受力均匀等优点［4］，而对异形盾构的研究相对较少，但也取得了许多重大进展。
朱瑶宏等［5］基于宁波地铁4 号线工程，创新采用了“科研—设计—施工一体化”的管理模式，开发了“轨道交通类矩形盾构隧道”技术体系，研究了类矩形盾构法隧道的衬砌结构设计方面和施工技术方面的关键技术，帮助解决都市核心区和老旧城区空间不够的普遍问题。孙巍等［6］基于矩形盾构隧道的梁－ 弹簧模型计算法，从衬砌的外形、侧压力系数、接头刚度等计算参数对衬砌受力的影响进行了研究。朱叶艇［7］基于原型三环管片力学加载试验对异形盾构管片环向接头弯矩传递系数进行了深入研究。李飞宇等［8］以应用世界首台马蹄形盾构施工的蒙华铁路MHTJ － 03 标白城隧道为例，研究了负环管片拼装中管片的定位与固定方式，并设计了马蹄形管片在管片推出时的支护方式和工装。黄田忠等［9］提出了一种新型的异形断面盾构切削机构和电液比例控制系统方案。秦元［10］介绍了一种可防止异型盾构双刀盘运行过程中在同一平面内发生干扰的同步控制方法，帮助盾构正常施工。董子博等［11］提出了一种基于状态观测器的刀盘驱动系统等效转动惯量实时辨识方法。张子新等［12］研究了多种因素对异形盾构纵向力学性能的影响。郑中山等［13］介绍了新型异形断面管片拼装机系统的基本机构、工作原理和设计方案，并对拼装机进行了运动学和动力学仿真分析，研究了预应力对悬臂梁结构的固有频率的影响。吴笑伟等［14 － 15］运用机构学原理，对异形盾构的连杆与驱动输入之间的规律以及约束条件进行了研究。薛广记等［16］对应用于白城隧道的大断面、深覆土条件下的马蹄形盾构进行了研发与相关结构设计。
综上所述，国内外在大断面圆形盾构的工程实践和技术研究方面相对比较成熟，而在空间利用率较高的异形盾构领域，在矩形、类矩形和双圆盾构方面有一定研究和工程实践，但其适用性受到限制，特别在隧道埋深较大、承受较大覆土压力时，其结构形式将不再适用［17］。马蹄形盾构在小断面、敞开式施工方面有个别应用，但在大断面隧道施工中基本处于空白。本文针对具有较高空间利用率，又能适应深覆土、大跨度工况的马蹄形盾构工法进行研究并总结其应用情况，以期拓展异形盾构施工领域，并推动隧道技术不断进步。
1 工程概况
1． 1 工程地质
蒙华铁路白城隧道全长3 345 m，盾构法施工段长2 960 m，为双线隧道，位于陕西省靖边县内，毛乌素沙漠边缘。地貌属黄土剥蚀丘陵，最大埋深约81 m，洞身工程地质为砂质新黄土，性质为稍密—密实、稍湿、局部具针孔状孔隙、局部含黑色铁锰质结核，层厚3． 8 ～85． 0 m，在隧道区域内广泛分布。隧道地表稍密的砂质新黄土具有湿陷性。隧道进口表层分布风积沙，距出口约300 m 处存在风积沙，性质为松散、稍湿，矿物成分以石英、长石为主。隧道下穿包茂高速公路段覆土厚约27 m。
1． 2 水文地质
1． 2． 1 地表水
地表水不发育，勘测期间未发现地表水。
1． 2． 2 地下水
勘测期间，未见地下水，地下水位于隧道洞身以下。周边未发现泉、井。雨季部分段落可能含水量增大，或出现少量流水。最大年降水量为546． 3 mm，平均降水量为388． 7 mm，采用降雨入渗法计算隧道涌水量，预计最大涌水量为677 m3 /d。
2 施工工法比选
在山岭隧道中，开挖方法以矿山法为主，主要因为矿山法的适用范围广泛、断面选择自由度大，也较为经济。白城隧道，由于洞身工程地质为稍密稍湿、局部具空隙的砂质新黄土，进口表层分布松散的风积沙，因此需要多种辅助工法和大刚度的支护，施工安全风险高、劳动强度大、进度慢。
盾构法在城市浅埋地层和跨江越海隧道的施工中得到了大量应用，盾构的断面形式以圆形为主，尤其针对双线大断面隧道，大部分采用大断面圆形盾构。国际上也有采用双圆甚至三圆土压平衡盾构的先例，但存在开挖断面加大、受力效果差和支护构件增加的劣势。受大量异形盾构工程启发，提出了采用盾构法施工白城隧道的设想。若采用盾构法，则首先需要研究盾构法的适用性，并进行机型选择; 在此基础上，还需要对盾构工法和矿山法进行综合比选，以选出合理的设计和施工方案。
2． 1 盾构法的工程适用性与机型选择
白城隧道主要穿越地层以砂质新黄土为主，细颗粒含量足够，天然含水量较低，弱透水( 新黄土渗透系数为2． 9 × 10 － 6 ～ 7． 8 × 10 － 6 m/s) 。隧道黄土地基承载力大于200 kPa，盾构主机总重与盾体投影面积比值( 40kPa) 小于该数值，能够保证主机掘进过程中不会下沉，满足盾构法施工要求。
采用土压平衡盾构掘进时，易于获得流塑性良好的碴土，建立土舱的平衡压力，掘进时能够有效控制地表沉降。考虑到城市地铁黄土地层土压平衡盾构施工已经有成功经验，且土压平衡盾构综合投资要低于泥水平衡盾构，因此白城隧道若采用盾构，则应选择土压平衡盾构。
2． 2 矿山法与盾构法方案比选
矿山法与盾构法的对比分析见表1。
表1 矿山法与盾构法比较
由表1 可知，盾构法由于存在初期的盾构研发费用和制造成本，在考虑较高的机械折旧率情况下，投资较矿山法略高。但盾构法施工在安全、质量、环保、工期和近接影响上有明显优势，因此经补充地质调查、专家论证和综合研究，确定采用盾构施工工法。
3 马蹄形盾构与圆形盾构对比分析
铁路隧道一般为马蹄形断面，因此若采用马蹄形盾构进行施工，与圆形断面相比，其断面面积小，空间利用率高，投资有所降低。
3． 1 内轮廓对比分析
马蹄形盾构能适应各种不同断面，尤其在不规则断面中优势更为明显，在常规双线隧道中马蹄形盾构能节省断面面积约10%，在单线断面、矩形断面的不规则断面中则断面节省优势更大。
马蹄形内轮廓和圆形内轮廓的净空尺寸和限界关系见图1。2 种断面的净空面积比较见表2。可以看出，采用马蹄形断面较圆形断面内轮廓可减少约7． 1m2，减少部位为圆形断面仰拱底部混凝土仰拱填充，马蹄形断面可显著减少传统圆形盾构的仰拱底部混凝土圬工方，较圆形断面节省投资。
3． 2 刀盘开挖对比分析
圆形盾构为面板式开挖刀盘，开挖不存在盲区，刀盘适应地层相对较为广泛。马蹄形盾构刀盘为多个小型刀盘组成，其特点是小刀盘对地层扰动较小，且小刀盘转矩较小，设备构件较容易实现国产化，缺点是由于存在盲区，目前只适合在软土中施工，对于硬质地层施工还需要进一步深化研究，以减小或消除开挖盲区。
图1 盾构内轮廓图( 单位: mm)
表2 马蹄形盾构与圆形盾构净空比较(无砟)
3． 3 管片拼装方式对比分析
圆形盾构目前一般采用通用环管片拼装方式居多，而马蹄形盾构由于断面不规则，无法采用通用环模式，一般直线地段采取“奇数环+ 偶数环”拼装方式，曲线地段需按照“左转环+ 右转环+ 直线环”的模式，因此马蹄形盾构管片类型相对偏多，其纠偏能力及防翻滚能力也较圆形盾构管片要弱。
3． 4 管片受力及配筋对比分析
3． 4． 1 管片受力特点对比
马蹄形盾构的每环管片位置是相对固定的，因此每环管片按照其受力形态配筋即可，每环管片配筋均不一样，存在较大差异性。
圆形盾构由于通用环布置，其管片配筋是按照内力计算图中内外侧最大受力来进行配筋的，各环管片配筋无差异，因此，个别部位的管片配筋存在一定浪费。
3． 4． 2 管片受力对比
马蹄形和圆形盾构由于结构形式有所差别，所以在相同地层条件下，管片内力有所差别。经荷载结构模型计算，分别模拟浅埋、中埋、深埋3 种断面工况，对比分析2 种盾构所受内力。
3． 4． 2． 1 浅埋断面
在浅埋断面且外界条件均一样的情况下，2 种形式盾构管片弯矩和轴力见图2 和图3，弯矩对比见表3，轴力对比见表4。
图2 浅埋断面马蹄形管片弯矩图( 单位: kN•m)
图3 浅埋断面圆形管片弯矩图( 单位: kN•m)
表3 浅埋断面马蹄形管片和圆形管片弯矩对比
表4 浅埋断面马蹄形管片和圆形管片轴力对比
由浅埋断面管片弯矩对比可以看出，马蹄形断面拱顶、拱肩、边墙处弯矩均小于圆形断面，其中拱肩弯矩差距较大，由438． 8 kN•m 增大到564． 2 kN•m; 仰拱处马蹄形断面弯矩较圆形断面要大，且差别很大，由375． 5 kN•m 减小到80． 22 kN•m。
由浅埋断面管片轴力对比可以看出，马蹄形断面与圆形断面各处轴力没有明显差别。
3． 4． 2． 2 中埋断面
在中埋断面且外界条件均一样的情况下，2 种形式盾构弯矩和轴力见图4 和图5，弯矩对比见表5，轴力对比见表6。
由中埋断面管片弯矩对比可以看出，马蹄形断面拱顶、拱肩、边墙处弯矩均小于圆形断面，其中拱肩弯矩差距较大，由529． 3 kN•m 增大到833． 7 kN•m; 仰拱处马蹄形断面弯矩较圆形断面要大，且差别很大，由483． 0 kN•m 减小到103． 9 kN•m。
图4 中埋断面马蹄形管片弯矩图( 单位: kN•m)
图5 中埋断面圆形管片弯矩图( 单位: kN•m)
表5 中埋断面马蹄形管片和圆形管片弯矩对比
表6 中埋断面马蹄形管片和圆形管片轴力对比
由中埋断面管片轴力对比可以看出，马蹄形断面与圆形断面各处轴力没有明显差别。
3． 4． 2． 3 深埋断面
在深埋断面且外界条件均一样的情况下，2 种形式盾构弯矩和轴力见图6 和图7，弯矩对比见表7，轴力对比见表8。
图6 深埋断面马蹄形管片弯矩图( 单位: kN•m)
图7 深埋断面圆形管片弯矩图( 单位: kN•m)
表7 深埋断面马蹄形管片和圆形管片弯矩对比
表8 深埋断面马蹄形管片和圆形管片轴力对比
由深埋断面管片弯矩对比可以看出，马蹄形断面拱顶、拱肩、边墙处弯矩均小于圆形断面，其中拱肩弯矩差距较大，由371． 7 kN•m 增大到518 kN•m; 仰拱处马蹄形断面弯矩较圆形断面要大，且差别很大，由302． 2 kN•m 减小到75． 92 kN•m。
由深埋断面管片轴力对比可以看出，马蹄形断面与圆形断面各处轴力没有明显差别。
3． 4． 2． 4 马蹄形管片受力现场测试
1) 中埋断面和深埋断面马蹄形管片受力测试结果见图8 和图9。
图8 中埋断面马蹄形管片受力测试结果
2) 马蹄形管片受力分析:
①隧道拱顶、拱底为正弯矩，最大正弯矩基本都出现在拱顶，最大负弯矩出现在左右拱腰及左拱脚处; 隧道各断面横向的最大轴力基本出现在隧道两侧，均为压力。
图9 深埋断面马蹄形管片受力测试结果
②在管片脱出盾尾后，管片内力均迅速增大，之后内力变化呈现一定波动，最后趋于稳定。
③通过现场实测与设计计算对比分析，管片轴力均为压应力，大小较为接近; 实测弯矩较小，与设计计算差异较大，从量测数据来看，隧道结构属于小偏心受压构件，因此管片配筋仍然有进一步优化的余地。
3． 4． 3 管片配筋对比
马蹄形管片和圆形管片配筋对比见表9。
表9 马蹄形管片和圆形管片配筋对比
从配筋对比来看，圆形断面由于通用环布置，其管片配筋是按照内力计算图中内外侧最大受力来进行配筋的，因此配筋用量较马蹄形盾构要高。
4 马蹄形盾构概况及管片设计
4． 1 马蹄形盾构概况
马蹄形盾构于2015 年11 月开始设计、制造，于2016 年7 月11 日在郑州下线，并于2016 年11 月11日在白城隧道进口始发。
马蹄形盾构刀盘高10． 95 m、宽11． 9 m，盾体采用双螺旋输送机出土，是世界最大尺寸的异形掘进机。马蹄形盾构刀盘布置如图10 所示。刀盘采用9 个小刀盘共同组成一个马蹄形断面的创新组合方式，可实现全断面切削; 9 个刀盘采用“前后错开、左右对称”的布置原则，既可同时转动，也可单个转动、任意组合转动、不同方向转动，有调试、掘进、维保3 种模式可供选择; 当盾构发生滚转时，可通过多个刀盘同向转动使盾构获得反方向的转矩，以达到滚转纠偏的目的。由于盾构刀盘分为9 个小型刀盘，刀盘转矩相对较小，其轴承目前均可实现国内生产。
图10 马蹄形盾构刀盘布置
4． 2 马蹄形管片设计
1) 管片衬砌。综合考虑地层条件以及大直径盾构施工经验，盾构管片采用单层衬砌、钢筋混凝土管片类型。
2) 管片宽度。管片宽度的选择需综合考虑结构受力、防水、盾构机械能力、线路曲线以及掘进速度等要求。管片环宽过大不利于施工运输和拼装; 管片环宽过小则增加接缝长度和拼装次数，降低施工速度，增大接缝处渗漏水的风险。由于管片内轮廓非圆形，采用真空吸盘吊装困难，选择采取机械抓取吊装，这对吊装能力有一定的要求。结合目前国内机械抓举吊装经验，将管片吊装质量要求控制在10 t 左右。
综合考虑上述因素，本次设计管片宽度取环宽1 600 mm。
3) 管片分块。衬砌环的分块在满足施工机械能力的前提下，应尽量减少纵向、环向接缝。管片分块需考虑因素为管片的拼装形式、盾构的拼装能力、纵向螺栓的位置分布等。管片的分块方案主要有3 种: 封顶块等分方案、1 /2 封顶块方案、1 /3 封顶块方案。考虑目前国内大直径盾构隧道管片多采用1 /3 封顶块方案，决定采用1 /3 封顶块方案。
经综合分析比较，考虑到施工的便利性、管片的力学特征、对盾构拼装设备的要求等方面，本次设计研究了“7 + 1”、“8 + 1”管片划分模式。每块管片的圆心角根据衬砌不同曲线拟定，“7 + 1”方案最大块质量为9． 23 t，最小块质量为3． 08 t。“8 + 1”方案最大块质量为8． 12 t，最小块质量为2． 71 t。“7 + 1”块结构刚度大、对结构变形控制有利，而拼装难度相对略大，但在盾构拼装能力允许的前提下，分块数越少，对结构越有利，安装节奏越快。因盾构拼装能力按照10 t 进行设计，满足“7 + 1”拼装要求，因此确定采用“7 + 1”分块模式。管片设置奇偶环，无楔形量，采取错缝拼装，管片混凝土等级C50，抗渗等级P10。管片连接采用螺栓连接，环向44 颗ＲD30 螺栓，纵向16 颗ＲD36 螺栓，机械性能等级为8． 8 级。
4) 管片配筋设计。盾构管片按照覆土厚＜ 1． 5D、1． 5D ～ 2． 5D、≥2． 5D ( D 为盾构宽度) 3 种条件，采用均质圆环法、梁－ 弹簧模型分别进行管片配筋计算，以最不利受力状况进行了配筋设计。
5 马蹄形盾构掘进遇到问题及措施
5． 1 掘进基本情况
2016 年11 月11 日马蹄形盾构始发，截至2017 年12 月15 日，累计掘进1 787 环、2 859 m。盾构先后成功穿越浅埋层、天然气管道、包茂高速等重大风险源地带。最高单日掘进16 m( 10 环) ，最高月掘进308． 8m，施工进度是矿山法的3 倍以上。
盾构推力为5． 0 × 104 ～ 7． 9 × 104 kN，推进速度为12 ～ 21 mm/min。
5． 2 掘进遇到的问题及对策
5． 2． 1 冬季连续皮带机防冻对策
白城隧道连续皮带机总设计长度为3 km，根据施工安排，冬季也将进行盾构掘进施工。为防止冬季低温冻结碴土及连续皮带机，造成停机，必须对连续皮带机进行防护保温。结合现场实际情况，主要采取了以下应对措施，并取得了良好效果。1 ) 冬季施工前完成皮带机防护罩安装，增加供暖设施，见图11; 2) 研究防冻型碴土改良外加剂; 3 ) 加强工序衔接，避免人为因素造成的停机。
图11 皮带运输保护罩
5． 2． 2 管片开裂
5． 2． 2． 1 概况
白城隧道马蹄形盾构掘进前期，管片存在破损、裂缝现象，对发生问题的部位进行认真分析调查并及时采取相应处理措施。
前期破损位置基本呈现在3 点、5 点、7 点、9点位置，见图12 和图13 ，上述部位在管片脱出盾尾后均出现不同程度的破损、裂缝情况。破损的具体情况大多为管片接缝位置沿纵向、从前向后于内弧表面发生规律性整块破碎，破损深度为2 ～ 20 cm。
5． 2． 2． 2 原因分析
1) 盾构姿态与管片姿态不相匹配，管片的环面与盾构推进方向存在夹角，其合力作用下的管片部位发生破碎。
2) 管片脱出盾尾壳后，在同步注浆作用下，管片呈现整体上浮现象，底部上鼓，导致凹凸榫处应力集中，产生压剪破坏。
3) 凹凸榫处加强筋施作时预留的钢筋保护层厚度偏大。
5． 2． 2． 3 处理措施及效果
处理措施: 1) 严格控制盾构行走姿态。2) 对已预制管片进行植筋，见图14。3) 同步注浆中添加AB 液，控制同步注浆浆液凝固时间，见图15。4) 未预制管片增设角部钢筋，提高抗剪能力。
图12 管片开裂部位示意图
图13 现场管片开裂照片
图14 管片植筋
图15 AB 液配置及同步注浆控制
处理效果: 在采取上述措施后，管片开裂现象已得到控制。
5． 2． 3 遇到钙质结核推进困难
5． 2． 3． 1 概况
2017 年6 月9 号盾构掘进到第900 环时地质开始发生变化，碴土中出现少量钙质结核体及坚实的老黄土土块，该段掘进还处于可控状态。6 月22日盾构推力逐渐加大( 7． 2 × 104 kN 升至8． 5 × 104kN) ，导致螺旋机转矩增大并发生断裂。7 月12 日螺旋输送机修复完成，恢复掘进( 第1 045 环) 初期推力即居高不下( 达8． 5 × 104 kN 以上) ，掘进速度基本维持在8 ～ 10 mm /min; 后续掘进中推力持续增大，最大推力达9． 2 × 104 kN，同时底部4 号、5号、6 号刀盘几乎无转矩，且盾构姿态出现上浮迹象，碴土中大块老黄土及结核块增多; 在7 月17 日掘进第1 064 环时，盾构推力达9． 0 × 104 kN 以上，刀盘转矩极低且掘进速度几乎为0。由于掘进中添加了膨润土改良剂，怀疑刀盘被糊住，开舱后发现刀盘正常，掌子面底部往上2 ～ 3 m 为黏质老黄土夹姜石、3 ～ 7 m 为黏质老黄土。实验室测得姜石块无侧限抗压强度为2． 06 MPa。
5． 2． 3． 2 原因分析
马蹄形盾构刀盘由9 个大、小刀盘组成，刀盘切割存在盲区( 见图16) ，盲区主要依靠盾构壳周边切刀切割，底部盲区较大，且底部分布含姜石的黄土块，强度较高，切刀无法切动，导致盾构推力加大，但掘进速度几乎为0。
图16 马蹄形盾构盲区示意
5． 2． 3． 3 处理措施及效果
处理措施: 1) 在土舱底部5 点和7 点位置增加圆锥形分碴器，破坏此处掌子面老黄土块。2) 为防止碴土在5 号刀盘中心旋转轴下部集结，取消底部搅拌器，并在原搅拌器中间位置增加大型分碴器( 见图17) ，便于碴土直接排到螺旋输送机口，保证出土顺畅。
图17 分碴器
处理效果: 设置分碴器后，盾构推力下降到5． 0 ×104 kN 左右，盾构推进正常，日管片成环约10 环。
6 结论与建议
本文针对蒙华铁路砂质新黄土白城隧道，通过矿山法与盾构法比较、马蹄形盾构与圆形盾构比较，提出了马蹄形盾构隧道的设想，介绍了世界首台大断面马蹄形盾构概况，对马蹄形断面的管片结构进行了针对性设计，并进行了施工实践。结论如下:
1) 通过白城隧道矿山法与盾构法比较，盾构法施工在安全、质量、环保、工期和近接影响上有明显优势，但在考虑较高盾构折旧率的情况下，投资较矿山法略高。
2) 采用马蹄形盾构较圆形盾构内轮廊减小约7． 1m3，可降低工程造价。通过对比浅埋、中埋、深埋3 种断面工况盾构受力情况，马蹄形断面拱顶、拱肩、连墙处弯矩均小于圆形断面，其中拱肩弯矩差距较大; 仰拱处马蹄形断面弯矩较圆形断面要大，且差别很大; 二者各处轴力没有明显差别。通过结构计算，马蹄形盾构管片配筋率小于圆形盾构。
3) 马蹄形盾构管片设计采用单层衬砌、钢筋混凝土管片类型，环宽1 600 mm，采用“7 + 1”管片划分模式和1 /3 封顶块方案。
4) 施工过程中，为预防碴土冻结采取皮带防护罩，对出现的少量开裂采取AB 液同步注浆、增加配筋、控制掘进姿态等措施，遇到含姜石老黄土增加分碴器等措施，解决了施工中遇到的难题。施工实践证明，马蹄形盾构在黄土隧道施工风险低，质量高，安全可靠，施工速度是矿山法的3 倍以上。
作为一种全机械化的铁路黄土隧道施工新方法，马蹄形盾构为山岭隧道施工提供了新思路、新方法，创新了隧道机械化施工新模式，在类似地质和埋深条件的隧道工程施工中具有较大工程应用价值和推广意义。
需要指出的是，由于地质的不确定性，在山岭土质隧道采用盾构法施工时，也面临着较大的风险，因此需要进行详细的地质勘察，摸清全隧地质情况，进而采取相应的施工措施。同时，盾构引入山岭隧道后，对于不同埋深的受力计算，还需进一步研究。
摘自：隧道建设