盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進(jìn)技術(shù)分析與研究

1、-作者xxxx-日期xxxx盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進(jìn)技術(shù)分析與研究【精品文檔】盾構(gòu)小曲率轉(zhuǎn)彎段掘進(jìn)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(jī)在小曲率半徑轉(zhuǎn)彎段的掘進(jìn)技術(shù)以及參數(shù)控制，通過研究盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)和被動(dòng)鉸接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及鉸接系統(tǒng)在盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整中的應(yīng)用來控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)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(xì)闡述盾構(gòu)機(jī)與管片姿態(tài)調(diào)整的具體方法和科學(xué)依據(jù)。通過姿態(tài)調(diào)整和管片合理選型，防止因推進(jìn)控制不當(dāng)或管環(huán)選型不當(dāng)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(jī) 小曲率半徑 鉸接系統(tǒng) 管片選型 掘進(jìn)技術(shù)1 引 言盾構(gòu)機(jī)是集多個(gè)學(xué)科技術(shù)于一體、專門用

2、于開挖地下隧道工程的工程機(jī)械，它反映了一個(gè)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(duì)于快速、一次成型的盾構(gòu)法隧道則更為突出，掘進(jìn)姿態(tài)的合理與否不僅影響成型隧道軸線控制是否達(dá)標(biāo)，也會(huì)影響管片拼裝質(zhì)量，控制不當(dāng)，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(jì)要求調(diào)整和保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)是小曲率半徑施工的重難點(diǎn)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(diǎn)、工作原理以及在小曲率半徑掘進(jìn)時(shí)的施工方法。2 適用性分析2.1 盾構(gòu)機(jī)由于盾構(gòu)機(jī)中盾與尾盾之間通過鉸接連接，增加了盾構(gòu)主機(jī)的靈活度，可以更好地使盾構(gòu)機(jī)機(jī)身擬合隧道設(shè)計(jì)軸線，使隧道的軸線成型、管片碎裂預(yù)防和滲

3、水控制等得以改善。西西區(qū)間左線采用海瑞克被動(dòng)鉸接盾構(gòu)機(jī)，可適應(yīng)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為250m；右線采用中鐵主動(dòng)鉸接盾構(gòu)機(jī)，可適應(yīng)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(duì)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(jìn)行計(jì)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·L2內(nèi)、外弧長差值為：L=L1- L2·L2當(dāng)管片寬度為1.5m時(shí)，L21.5m時(shí)，本區(qū)間管環(huán)設(shè)計(jì)楔形量L=38mm以上計(jì)算可知，區(qū)間采用的管片楔

4、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(jìn)。3 小曲率半徑段掘進(jìn)重難點(diǎn)3.1 掘進(jìn)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(jī)本身為直線形剛性結(jié)構(gòu)，不可能與隧道設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)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(jì)算并結(jié)合地質(zhì)條件、施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際施工情況等因素綜合考慮后方可確定。

5、60;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(jìn)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(jī)每掘進(jìn)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(gè)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(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，同時(shí)導(dǎo)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(jī)推力分解示意圖3.3 管片之間易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、開裂和破損由于曲線段掘進(jìn)時(shí)管片承受一個(gè)水平方向的受力，不但會(huì)使整段隧道襯砌管片發(fā)生水平偏移，還會(huì)導(dǎo)致管片之間發(fā)生相對(duì)位移，形成錯(cuò)臺(tái)。由于管片的特殊受力狀態(tài)，管

6、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(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)如圖2所示，推力過大時(shí)使管片破裂，此外，相鄰兩環(huán)管片產(chǎn)生相對(duì)位移，使得管片螺栓對(duì)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(jìn)技術(shù)控制對(duì)于小曲率半徑轉(zhuǎn)彎的難點(diǎn)，除了常規(guī)的掘進(jìn)參數(shù)控制外，主要是通過掘進(jìn)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(jì)軸線要求、防止管片破損和滲水等不良現(xiàn)象。4.1 掘進(jìn)方向參數(shù)控制（1）盾構(gòu)掘進(jìn)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

7、值（80mm），確定偏離修正方針；避免蛇形糾偏；根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整總推力，同時(shí)掌握好左、右兩側(cè)主推進(jìn)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(jìn)過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。（2）盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制措施盾構(gòu)機(jī)主司機(jī)應(yīng)隨時(shí)了解當(dāng)前掘進(jìn)段的地質(zhì)狀況，熟悉盾構(gòu)的掘進(jìn)位置，提前預(yù)判和調(diào)整，在進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段之前預(yù)先調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)和趨勢(shì)，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(jìn)時(shí)給隧道預(yù)留一定的偏移量，根據(jù)理論計(jì)算和類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在小半經(jīng)曲線隧道掘進(jìn)過程中，一般向轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)設(shè)置預(yù)偏量1020mm。盾構(gòu)的曲線推進(jìn)實(shí)際上是處于曲線的切線上，推進(jìn)的關(guān)鍵是確保

8、對(duì)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(jìn)過程中時(shí)刻都在糾偏，必須做到勤測(cè)勤糾，而且每次的糾偏量應(yīng)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(jìn)時(shí)姿態(tài)跳動(dòng)較大，綜合分析將糾偏量控制在23mm/m。根據(jù)掘進(jìn)轉(zhuǎn)彎半徑，計(jì)算出每環(huán)的推進(jìn)油缸超前量，根據(jù)超前量控制和檢測(cè)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(jì)轉(zhuǎn)彎半徑，r為管環(huán)半徑。例如R=300m，r=2.7m時(shí)，每環(huán)推進(jìn)油缸的超前量S=27mm。由于隧道轉(zhuǎn)彎曲率半徑小，隧道內(nèi)的通視條件相對(duì)較差，同時(shí)由于盾構(gòu)機(jī)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(cè)量

9、點(diǎn)和后視點(diǎn)的頻率，通過多次測(cè)量來確保盾構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在設(shè)置新的測(cè)量點(diǎn)后，應(yīng)嚴(yán)格加以復(fù)測(cè)，確保測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確性，以防造成誤測(cè)。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(biāo)準(zhǔn)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(cuò)縫拼裝方式，管片端面采用平面式，設(shè)計(jì)每環(huán)從B2塊到F塊有38mm的楔形量，其中B1、B2、B3塊對(duì)應(yīng)的圓心角均為72°，L1、L2°，封頂塊F塊對(duì)應(yīng)的圓心角均為15°。（2）管片選型與拼裝在盾構(gòu)施工各個(gè)環(huán)節(jié)中，合理靈活的運(yùn)用楔形量正確進(jìn)行管片選型尤為重要。由于盾構(gòu)

10、掘進(jìn)過程中難以完全嚴(yán)格擬合設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生一定量的偏移(包括管片軸線位置的偏移和掘進(jìn)方向的偏移)。在盾構(gòu)推進(jìn)質(zhì)量控制項(xiàng)目中，主要通過控制盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)帶動(dòng)成型管環(huán)的姿態(tài)以盡量擬合隧道設(shè)計(jì)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(jī)姿態(tài)保持一致。同時(shí)管片在選型過程中，還要兼顧設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)間隙±10mm以內(nèi)，特殊情況下放寬至±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(jī)姿態(tài)、設(shè)計(jì)隧道走向以及成型管環(huán)姿態(tài)的情況下進(jìn)行。

11、在某處盾尾間隙大于標(biāo)準(zhǔn)間隙10mm時(shí)，F(xiàn)塊盡量靠近此處拼裝。當(dāng)某量組推進(jìn)油缸行程差大于4com時(shí)，F(xiàn)塊盡量靠近油缸行程小的一側(cè)拼裝。當(dāng)某同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或多超限值時(shí)，則需要綜合考慮各方面的具體情況選型。當(dāng)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(xiàng)特別需要注意的是，在盾構(gòu)機(jī)頭部姿態(tài)調(diào)整時(shí)，盾尾管片姿態(tài)也同樣需要糾偏，以保證管片前進(jìn)方向和盾構(gòu)機(jī)頭前進(jìn)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)之間的平整度。保證管片在盾殼內(nèi)拼裝時(shí)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(jìn)過程中受力均衡，不產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，控制管片裂

12、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(jìn)而影響隧道防水效果。4.3 同步及二次注漿盾構(gòu)機(jī)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(jìn)，當(dāng)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(shí)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(huì)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(huì)松動(dòng)甚至發(fā)生坍塌，從而導(dǎo)致地表沉降等不良后果，為增加成型管片的穩(wěn)固性，同時(shí)也為控制地層變形和減少沉降，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(shí)將盾尾建筑空隙充填密實(shí)。（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

13、裂隙情況，根據(jù)刀盤開挖直徑和管片外徑，可按下式計(jì)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）；。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得：2-62）=5.2610.11 (m3)即每環(huán)實(shí)際注漿量范圍為5.2610.11 m3。2.15。實(shí)際施工中根據(jù)試驗(yàn)段參數(shù)和地面檢測(cè)情況綜合確定，并根據(jù)實(shí)際適當(dāng)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(qiáng)度及地面監(jiān)測(cè)情況綜合判斷而設(shè)定，注漿壓力應(yīng)當(dāng)略大于該部位地層的靜止水土壓力，注漿量及壓力過大會(huì)出現(xiàn)地面隆起、漿液破壞盾尾密封刷出現(xiàn)盾

14、尾漏漿、漿液從盾構(gòu)機(jī)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1.51.8倍的靜止水土壓力，最大不超過3.05.0bar，根據(jù)設(shè)計(jì)資料及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，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(gè)點(diǎn)同時(shí)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(diǎn)的注漿壓力將不同，并保持合適的壓差，以達(dá)到最佳效果。在最初的壓力設(shè)定時(shí)，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(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，注漿泵的性能要滿足掘進(jìn)速度的需

15、求，做到“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿不掘進(jìn)”，通過確定掘進(jìn)速度和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來控制注漿速度。盾構(gòu)完成一環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)完成當(dāng)前環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果檢查同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)或規(guī)范值時(shí)，且沉降監(jiān)測(cè)符合要求時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)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(shí)間曲線，結(jié)合管片地表及周邊建筑物測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。（2）二次注漿盾構(gòu)機(jī)穿越后考慮到環(huán)境保護(hù)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(jìn)行二次補(bǔ)注漿，補(bǔ)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(jī)通過后土

16、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(jìn)行，注漿壓力一般為0.30.7MPa。發(fā)現(xiàn)沉降變化較大則需從相應(yīng)位置的管片注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)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(hù)層。將注漿管直接改接到吊裝孔注漿頭（裝有壓力表），即可實(shí)施管片注漿。二次注漿一般采用手動(dòng)控制。二次壓漿時(shí)必須指派專人負(fù)責(zé)，對(duì)壓入位置、壓入量、壓力值均作詳細(xì)記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量。5 質(zhì)量控制要點(diǎn)（1）在曲線段推進(jìn)過程中，為確保盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，對(duì)于主動(dòng)鉸接系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)，鉸接行程務(wù)必要滿

17、足盾構(gòu)機(jī)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(jìn)過程中，為確保盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)出土量。（4）在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，加強(qiáng)對(duì)軸線的控制，推進(jìn)時(shí)必須做到勤測(cè)勤糾，而每次的糾偏量應(yīng)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(jìn)增加了曲線推進(jìn)引起的地層損失及糾偏次數(shù)，加大了對(duì)土體的擾動(dòng)。在曲線段推進(jìn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿量。（6）每環(huán)推進(jìn)時(shí)根據(jù)施工中的變形監(jiān)測(cè)情況，隨時(shí)調(diào)整注漿量。注漿過程中，必須嚴(yán)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(yán)重不平的管片，拆下重拼；通過傳力襯墊調(diào)整管片受力，對(duì)產(chǎn)生碎裂的管片要進(jìn)行修補(bǔ)。6 結(jié) 語為使盾構(gòu)機(jī)能夠安全、順利、高質(zhì)量的通過小曲率半徑曲線段，必須