盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進技術(shù)分析與研究

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學習與交流盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進技術(shù)分析與研究.精品文檔.盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進技術(shù)分析與研究劉文豪 高 鋒 張 林摘 要 本文主要介紹盾構(gòu)機在小曲率半徑轉(zhuǎn)彎段的掘進技術(shù)以及參數(shù)控制，通過研究盾構(gòu)機主動和被動鉸接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及鉸接系統(tǒng)在盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整中的應用來控制盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)，并通過研究盾構(gòu)施工過程中管片選型的原則和方法，詳細闡述盾構(gòu)機與管片姿態(tài)調(diào)整的具體方法和科學依據(jù)。通過姿態(tài)調(diào)整和管片合理選型，防止因推進控制不當或管環(huán)選型不當而引起的管片破損，提高盾構(gòu)施工質(zhì)量。關(guān)鍵詞 盾構(gòu)機 小曲率半徑 鉸接系統(tǒng) 管片選型 掘進技術(shù)1 引 言盾構(gòu)機是集多

2、個學科技術(shù)于一體、專門用于開挖地下隧道工程的工程機械，它反映了一個國家的綜合國力和科技水平。成型隧道的質(zhì)量是隧道的生命，對于快速、一次成型的盾構(gòu)法隧道則更為突出，掘進姿態(tài)的合理與否不僅影響成型隧道軸線控制是否達標，也會影響管片拼裝質(zhì)量，控制不當，可能引起滲漏水，直接影響隧道的整體防水效果及隧道的耐久性。依據(jù)設(shè)計要求調(diào)整和保持盾構(gòu)機姿態(tài)是小曲率半徑施工的重難點之一，本文以深圳地鐵7#線為依托，主要研究鉸接系統(tǒng)的特點、工作原理以及在小曲率半徑掘進時的施工方法。2 適用性分析2.1 盾構(gòu)機由于盾構(gòu)機中盾與尾盾之間通過鉸接連接，增加了盾構(gòu)主機的靈活度，可以更好地使盾構(gòu)機機身擬合隧道設(shè)計軸線，使隧道的軸

3、線成型、管片碎裂預防和滲水控制等得以改善。西西區(qū)間左線采用海瑞克被動鉸接盾構(gòu)機，可適應的最小轉(zhuǎn)彎半徑為250m；右線采用中鐵主動鉸接盾構(gòu)機，可適應的最小轉(zhuǎn)彎半徑為200m，均滿足本區(qū)間300m最小轉(zhuǎn)彎半徑的需求。2.2 管片的適用性對小半徑轉(zhuǎn)彎段的管片楔形量檢算：按管片外徑6.0m，曲線半徑R=300m圓曲線段進行計算，設(shè)轉(zhuǎn)彎段外弧長為L1，外弧半徑為R1，內(nèi)弧長為L2，內(nèi)弧半徑為R2。則：L1/R1=L2/R2 即 L1/303=L2/297，得L1=1.0202020202·L2內(nèi)、外弧長差值為：L=L1- L2=0.02020202·L2當管片寬度為1.5m時，L21

4、.5m時，L=30.30303mm本區(qū)間管環(huán)設(shè)計楔形量L=38mmL=30.303030mm以上計算可知，區(qū)間采用的管片楔形量可以滿足本區(qū)間小曲率半徑段的需要，能夠很好的擬合R=300m小曲率半徑掘進。3 小曲率半徑段掘進重難點3.1 掘進中盾構(gòu)姿態(tài)及隧道軸線控制難度大、糾偏困難盾構(gòu)機本身為直線形剛性結(jié)構(gòu)，不可能與隧道設(shè)計曲線完全擬合。曲線半徑越小則需要的糾偏量越大、糾偏靈敏度越低，施工隧道軸線就比較難于控制，且由于轉(zhuǎn)彎半徑小，推進過程中就需要左、右側(cè)油缸形成很大的推力差才能滿足盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎需求，致使左右兩側(cè)的油缸推力可調(diào)范圍很小，可用于姿態(tài)調(diào)整的油缸推力調(diào)整量很小，這就更加大了曲線段隧道軸線

5、控制和糾偏的難度，曲線段盾構(gòu)施工參數(shù)需要經(jīng)過計算并結(jié)合地質(zhì)條件、施工經(jīng)驗和現(xiàn)場實際施工情況等因素綜合考慮后方可確定。 3.2 管片易發(fā)生較大的位移，出現(xiàn)管片侵限現(xiàn)象隧道管片軸線因推進水平分力而向圓曲線外側(cè)產(chǎn)生偏移，如圖1所示，在小半徑曲線隧道中盾構(gòu)機每掘進一環(huán)，由于管片端面與該處軸線產(chǎn)生夾角，在千斤頂推力作用下產(chǎn)生一個水平分力，使管環(huán)脫出盾尾后，受到側(cè)向分力的影響而向曲線外側(cè)偏移，而且由于兩側(cè)推力差的存在，容易導致盾構(gòu)機產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，同時導致管片偏離隧道軸線并可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)甚至管片破損等。圖1 轉(zhuǎn)彎處管片受盾構(gòu)機推力分解示意圖3.3 管片之間易發(fā)生錯臺、開裂和破損由于曲線段掘進時管片承受一

6、個水平方向的受力，不但會使整段隧道襯砌管片發(fā)生水平偏移，還會導致管片之間發(fā)生相對位移，形成錯臺。由于管片的特殊受力狀態(tài)，管片與管片之間存在著斜向作用力，使得前方管片內(nèi)側(cè)角和后方管片外側(cè)角形成兩個應力集中點如圖2所示，推力過大時使管片破裂，此外，相鄰兩環(huán)管片產(chǎn)生相對位移，使得管片螺栓對其附近處混凝土產(chǎn)生剪切作用，使該處的混凝土開裂。圖2 轉(zhuǎn)彎處管片因斜向受力破損示意圖4 小曲率半徑掘進技術(shù)控制對于小曲率半徑轉(zhuǎn)彎的難點，除了常規(guī)的掘進參數(shù)控制外，主要是通過掘進方向參數(shù)控制、管片選型和拼裝、同步及二次注漿相結(jié)合等施工措施來解決問題，以保證小半徑曲線段成型隧道滿足設(shè)計軸線要求、防止管片破損和滲水等不良

7、現(xiàn)象。4.1 掘進方向參數(shù)控制（1）盾構(gòu)掘進方向控制的基本原則偏離量增大之前及早修正；遵循偏離量的管理值（50mm）和允許值（80mm），確定偏離修正方針；避免蛇形糾偏；根據(jù)實際情況實時調(diào)整總推力，同時掌握好左、右兩側(cè)主推進油缸的推力差，盡量地減小整體推力，避免因推力過大而引起側(cè)向壓力的增大，減小盾構(gòu)推進過程中對周圍土體的擾動。（2）盾構(gòu)掘進方向控制措施盾構(gòu)機主司機應隨時了解當前掘進段的地質(zhì)狀況，熟悉盾構(gòu)的掘進位置，提前預判和調(diào)整，在進入轉(zhuǎn)彎段之前預先調(diào)節(jié)盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)和趨勢，為了確保隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，盾構(gòu)掘進時給隧道預留一定的偏移量，根據(jù)理論計算和類似工程實踐經(jīng)驗，在

8、小半經(jīng)曲線隧道掘進過程中，一般向轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)設(shè)置預偏量1020mm。盾構(gòu)的曲線推進實際上是處于曲線的切線上，推進的關(guān)鍵是確保對盾構(gòu)的切口環(huán)處的姿態(tài)控制，由于盾構(gòu)在曲線段推進過程中時刻都在糾偏，必須做到勤測勤糾，而且每次的糾偏量應盡量小，盡量保持切口環(huán)的環(huán)面始終處于與曲線徑向相垂直的平面內(nèi)，由于曲線段掘進時姿態(tài)跳動較大，綜合分析將糾偏量控制在23mm/m。根據(jù)掘進轉(zhuǎn)彎半徑，計算出每環(huán)的推進油缸超前量，根據(jù)超前量控制和檢測每環(huán)的糾偏量S。其中X為每環(huán)外側(cè)理論長度，Y為每環(huán)內(nèi)側(cè)理論長度，R為設(shè)計轉(zhuǎn)彎半徑，r為管環(huán)半徑。例如R=300m，r=2.7m時，每環(huán)推進油缸的超前量S=27mm。由于隧道轉(zhuǎn)彎曲率

9、半徑小，隧道內(nèi)的通視條件相對較差，同時由于盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎的側(cè)向分力較大，可能造成成環(huán)隧道的水平位移，因此必須增加設(shè)置新的測量點和后視點的頻率，通過多次測量來確保盾構(gòu)測量數(shù)據(jù)的準確性，在設(shè)置新的測量點后，應嚴格加以復測，確保測量點的準確性，以防造成誤測。4.2 管環(huán)選型拼裝（1）管片結(jié)構(gòu)西西區(qū)間使用1.5m的通用環(huán)管片，環(huán)向分6塊，具體為3塊標準塊(B1、B2、B3)、2塊鄰接塊(L1、L2)和1塊封頂塊F；管片環(huán)與環(huán)之間采用錯縫拼裝方式，管片端面采用平面式，設(shè)計每環(huán)從B2塊到F塊有38mm的楔形量，其中B1、B2、B3塊對應的圓心角均為72°，L1、L2塊對應的圓心角均為64.5

10、6;，封頂塊F塊對應的圓心角均為15°。（2）管片選型與拼裝在盾構(gòu)施工各個環(huán)節(jié)中，合理靈活的運用楔形量正確進行管片選型尤為重要。由于盾構(gòu)掘進過程中難以完全嚴格擬合設(shè)計軸線推進，會產(chǎn)生一定量的偏移(包括管片軸線位置的偏移和掘進方向的偏移)。在盾構(gòu)推進質(zhì)量控制項目中，主要通過控制盾構(gòu)掘進的姿態(tài)帶動成型管環(huán)的姿態(tài)以盡量擬合隧道設(shè)計軸線，這就需要管片姿態(tài)要滿足盾構(gòu)糾偏的需要，能夠盡量和盾構(gòu)機姿態(tài)保持一致。同時管片在選型過程中，還要兼顧設(shè)計軸線的走向、油缸行程差（一般控制在4cm以內(nèi)，特殊情況下可以放寬至8cm）、盾尾間隙（一般控制在標準間隙±10mm以內(nèi)，特殊情況下放寬至±

11、;15mm以內(nèi)）以及成型隧道的姿態(tài)等。管環(huán)選型的原則為：選型必須在清楚盾尾間隙、油缸行程差、盾構(gòu)機姿態(tài)、設(shè)計隧道走向以及成型管環(huán)姿態(tài)的情況下進行。在某處盾尾間隙大于標準間隙10mm時，F(xiàn)塊盡量靠近此處拼裝。當某量組推進油缸行程差大于4com時，F(xiàn)塊盡量靠近油缸行程小的一側(cè)拼裝。當某同時出現(xiàn)兩個或多超限值時，則需要綜合考慮各方面的具體情況選型。當各參考值均比較理想的情況下，則可以依據(jù)VMT系統(tǒng)選型。（3）管片拼裝注意事項特別需要注意的是，在盾構(gòu)機頭部姿態(tài)調(diào)整時，盾尾管片姿態(tài)也同樣需要糾偏，以保證管片前進方向和盾構(gòu)機頭前進方向盡量保持一致，其主要作用有：保證管片環(huán)與環(huán)之間平順連接，控制環(huán)與環(huán)之間的

12、平整度。保證管片在盾殼內(nèi)拼裝時不受盾殼影響，盾尾間隙均衡，控制管片拼裝后的橢圓度。保證管片在后繼推進過程中受力均衡，不產(chǎn)生局部應力集中，控制管片裂角。保證管片只受到壓力作用，避免受剪、受彎而使管片產(chǎn)生裂縫，進而影響隧道防水效果。4.3 同步及二次注漿盾構(gòu)機的開挖直徑為6.28m，管片的外徑為6.0m，隨著盾構(gòu)向前推進，當管片脫離盾尾后，在管片與地層之間將存在一定的空隙，若不將這一空隙及時充填，在曲線段管片脫出盾尾后在盾構(gòu)推力的反作用下，會產(chǎn)生較大的位移，造成成型隧道的侵限，且管片周圍的土體將會松動甚至發(fā)生坍塌，從而導致地表沉降等不良后果，為增加成型管片的穩(wěn)固性，同時也為控制地層變形和減少沉降，

13、并有利于提高隧道抗?jié)B性及管片襯砌的早期穩(wěn)定，必須采用同步及二次注漿及時將盾尾建筑空隙充填密實。（1）同步注漿注漿量注漿量主要取決于注漿環(huán)間隙和地層裂隙情況，根據(jù)刀盤開挖直徑和管片外徑，可按下式計算出一環(huán)管片（1.5m）的注漿量。Q=/4××L×(D2-d2)注：Q環(huán)注漿量（m3）；L環(huán)寬（m）；D開挖直徑（m）；d管片外經(jīng)（m）；填充系數(shù)1.32.5。根據(jù)以上經(jīng)驗公式，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得： V=/4×（1.32.5）×1.5×（6.282-62）=5.2610.11 (m3)即每環(huán)實際注漿量范圍為5.2610.11 m3。一般情況下填充系

14、數(shù)取1.31.8，在裂隙比較發(fā)育、地下水量大的地段，填充系數(shù)一般取1.52.5。根據(jù)經(jīng)驗，在全風化帶、殘積土中填充系數(shù)取1.31.5，在強風化帶、中風化帶取1.82.15。實際施工中根據(jù)試驗段參數(shù)和地面檢測情況綜合確定，并根據(jù)實際適當調(diào)整。注漿壓力注漿壓力是根據(jù)地層的土壓力、水壓力、管片強度及地面監(jiān)測情況綜合判斷而設(shè)定，注漿壓力應當略大于該部位地層的靜止水土壓力，注漿量及壓力過大會出現(xiàn)地面隆起、漿液破壞盾尾密封刷出現(xiàn)盾尾漏漿、漿液從盾構(gòu)機外殼與土體之間的孔隙流入土倉、管片出現(xiàn)受壓變形或遭受損壞；如果注漿壓力過小，則出現(xiàn)注漿的填充速度很慢或注漿量不足，使地表變形增大。一般而言，注漿壓力取1.51

15、.8倍的靜止水土壓力，最大不超過3.05.0bar，根據(jù)設(shè)計資料及以往的施工經(jīng)驗，考慮到砂漿在管道中的阻力，設(shè)置正常注漿壓力為2.5bar左右。由于從盾尾圓周上的四個點同時注漿，考慮到水土壓力的差別和防止管片大幅度下沉和上浮，各點的注漿壓力將不同，并保持合適的壓差，以達到最佳效果。在最初的壓力設(shè)定時，下部每孔的壓力比上部每孔的壓力略大0.51.0bar。注漿速度注漿速度應與掘進速度相匹配，注漿泵的性能要滿足掘進速度的需求，做到“掘進、注漿同步，不注漿不掘進”，通過確定掘進速度和注漿量雙重標準來控制注漿速度。盾構(gòu)完成一環(huán)掘進的時間內(nèi)完成當前環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。注漿結(jié)束標準及注漿效果檢查

16、同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，當注漿壓力達到設(shè)定值，注漿量達到設(shè)計或規(guī)范值時，且沉降監(jiān)測符合要求時，即可認為達到質(zhì)量要求。注漿效果檢查主要采用分析法，根據(jù)注漿壓力-注漿量-時間曲線，結(jié)合管片地表及周邊建筑物測量結(jié)果進行綜合評價。（2）二次注漿盾構(gòu)機穿越后考慮到環(huán)境保護和隧道穩(wěn)定因素，如發(fā)現(xiàn)同步注漿有不足的地方，通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿，補充以前注漿未填充部分和體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，提高隧道的止水防水效果。二次注漿使用專用的液壓注漿泵，注漿一般根據(jù)情況選擇使用單液或雙液，二次注漿在推出56環(huán)后進行，注漿壓力一般為0.30.7MPa。發(fā)現(xiàn)沉降變化

17、較大則需從相應位置的管片注漿孔進行二次補充注漿。注漿前需在起吊孔內(nèi)裝入單向逆止閥并鑿穿外側(cè)保護層。將注漿管直接改接到吊裝孔注漿頭（裝有壓力表），即可實施管片注漿。二次注漿一般采用手動控制。二次壓漿時必須指派專人負責，對壓入位置、壓入量、壓力值均作詳細記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量。5 質(zhì)量控制要點（1）在曲線段推進過程中，為確保盾構(gòu)沿設(shè)計軸線推進，對于主動鉸接系統(tǒng)的盾構(gòu)機，鉸接行程務必要滿足盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎需求。（2）盡量減小總推力和轉(zhuǎn)彎兩側(cè)推力差。（3）在曲線段推進過程中，為確保盾構(gòu)沿設(shè)計軸線推進，嚴格控制盾構(gòu)出土量。（4）在盾構(gòu)推進過程中，加強對軸線的控制，推進時必須做到勤測勤糾，而每次的糾偏量應盡量小，確保管片環(huán)面始終處于與曲線徑向相豎直的平面內(nèi)。（5）由于曲線段推進增加了曲線推進引起的地層損失及糾偏次數(shù)，加大了對土體的擾動。在曲線段推進時應嚴格控制同步注漿量。（6）每環(huán)推進時根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況，隨時調(diào)整注漿量。注漿過程中，必須嚴格控制漿液質(zhì)量、注漿量和注漿壓力。（7）拼裝完成發(fā)現(xiàn)環(huán)面嚴重不平的管片，拆下重拼；通過傳力襯墊調(diào)整管片受力，對產(chǎn)生碎裂的管片要進行修補。6 結(jié) 語為使盾構(gòu)機能夠安全、順利、高