浅析盾构过小半径曲线段施工技术

浅析盾构过小半径曲线段施工技术第1页，共7页浅析盾构过小半径曲线段施工（中铁十一局城市轨道工程有限公司胡军凯邮编：430074）【内容提要】：以广州地铁6号线大坦沙～如意坊盾构区间500m半径转弯为例，分析和探讨盾构掘进过小半径曲线段的技术要点和措施，形成一篇盾构施工技术总结，以便对今后盾构施工进行借鉴和参考。【关键词】：盾构施工土压平衡管片选型小半径曲线1引言盾构施工是以盾构机盾壳为临时支撑，对土体进行开挖，同时用钢筋混凝土管片对围岩进行衬砌的一种机械化隧道施工方法。大如盾构区间采用的是海瑞克土压平衡盾构机，其原理是：刀盘开挖切削下来的渣土进入土仓积累起来，形成土压作用在掌子面上，当渣土积累到一定的数量时，这个压力与开挖面的土压力、地下水压力平衡，从而使掌子面保持稳定而不坍塌。此时只需维持土仓的进土量与螺旋输送机从土仓的输出的渣土量相等，就能持续稳定掘进。盾构施工有一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符合符合设计线路，而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题。小半径转弯会对盾构掘进施工带来诸多的难题，下面就以大如盾构区间的500m半径转弯为例，分析一下小半径转弯的难点和解决措施。2工程概况大如区间右线盾构掘进于里程YDK5+509.704～881.205(右线约208环～457环)、范围内通过500m小半径往如意坊站方向为左转弯的圆曲线；左线盾构掘进于里程YDK5+505.400～845.839范围内为转弯半径为700m的左转弯曲先段。左右线坡度均为30‰，左右线往如意坊站方向均为下坡。盾构隧道主要穿过7、8、9地层，隧道下部以9地层为主。其线路平面图及剖面图如图1：图1大如区间500m半径转弯线路平面图及剖面图浅析盾构过小半径曲线段施工技术第2页，共7页3难点分析3.1盾构机掘进时隧道轴线控制难度大，纠偏困难。盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。而且由于拐弯弧度大，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，从而可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，这就更加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。转弯段盾构施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后方可确定。曲线上盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形（实际为椭圆形），需要配套使用超挖刀装置进行超挖。3.2管片容易在水平分力作用下发生较大的位移，造成管片侵限现象。隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移，如图2。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶的推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移。图2转弯处管片受盾构机推力分解示意图3.3对地层扰动大，容易产生较大的地面沉降。由于纠偏时的超挖，对土体扰动增大而发生较大沉降。小曲线隧道的施工除了有直线段隧道施工的地层变形因素外，还有以下二个因素的影响：①由于盾构机处于纠偏状态，超挖刀也不断进行超挖掘进，开挖断面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素；②由于纠偏量较大，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。3.4管片之间易发生错台，管片易产生开裂和破损。管片存在一个水平方向的受力，不但会使整段隧道衬砌管片发生水平偏移（即前面所叙的侵限现象），还会导致管片之间发生相对位移，形成错台。由于管片的特殊受力状态，管片隧道中心线T隧道掘进方向隧道轴线分力水平分力浅析盾构过小半径曲线段施工技术第3页，共7页与管片之间存在着斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点如图3，使得相当多的管片因此破裂。还有一个破裂原因就是因为相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处混凝土产生剪切作用，使该处的混凝土开裂。图3转弯处管片因斜向受力破损示意图3.5漏水现象严重过小半径曲线段漏水现象严重的原因大致如下：①管片错台导致止水胶条衔接不紧密；②拼装效果不好和止水胶条的破坏；③管环外侧的混凝土开裂（转弯段因盾尾间隙减小过多，使得管片被盾尾钢环刮坏），裂缝绕过止水胶条（如图4）。图4管片背后开裂导致漏水示意图4解决方案对于小半径转弯的难点，主要是从盾构机掘进参数、盾构设备（超挖刀、铰接装置）、管片选型和拼装等施工措施方面来解决，特别是要采取了同步注浆和二次双液注浆相结合的措施，以保证小半径圆曲线段成型管片不出现侧向移动，以及及时填充围岩空隙保证土体稳定。下面对上叙难点逐一进行分析并探讨解决措施：4.1纠偏与隧道轴线控制。浅析盾构过小半径曲线段施工技术第4页，共7页4.1.1中盾和尾盾采用铰接连接，有效地减少了盾构的长径，使盾构在掘进时能灵活的进行姿态调整，顺利通过小半径转弯；4.1.2盾构机转弯时通过的孔洞不是圆形，而是在原来的圆洞基础上两边扩挖而形成的椭圆形，超挖刀的设置正好满足了这个增大净空的要求；4.1.3掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量地减小整体推力，实现慢速急转；4.1.4盾构机司机根据地质情况和线路走向趋势，使盾构机提前进入相应地预备姿态，减少之后的因不良姿态引起的纠偏。4.1.5加密加勤VMT移站测量，避免由此产生的轴线误差。由于我们是将短距离的曲线看成是直线段来指导盾构机掘进，如果不短距离移站测量，则相当把长距离的弧线当作直线，故轴线偏差自然会相差很大。4.1.6做好管片选型。小半径曲线转弯的管片选型主要依据是线路轴线，以大如区间的500m半径曲线段为例，可计算出转弯时的管片排版如下：图5标准环、转弯环关系图转弯环偏转角的计算公式：θ=2γ=2arctgδ/D式中：θ―――转弯环的偏转角δ―――转弯环的最大楔形量的一半D―――管片直径将数据代入得出θ＝0.3629根据圆心角的计算公式：α＝180L/πR式中：L―――一段线路中心线的长度γ转弯环标准环θD=6000mm1500mmδ=19mm浅析盾构过小半径曲线段施工技术第5页，共7页R―――曲线半径，取500m而θ＝α，将之代入，得出L＝3.165m上式表明，在500m的圆曲线上，每隔3.165m要用一环转弯环。广州地铁采用的管片长度为1.5m，即在500m的圆曲线上，加上纠偏管片拼装点位变化，标准环与转弯环的拼装关系为：2环标准环+3环转弯环。为满足急转弯施工要求，管片环宽1.5m，转弯环契形量为38mm，施工过程中要严格管片选型程序，保证管片拼装质量。本段施工时，采用2个标准环与3个左转弯环配合，同时注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm，在圆曲线段掘进时盾尾间隙变化较大，一般将盾尾间隙保持在75±15mm范围内（由于急转弯原因，可将范围适当放宽），一旦超过规定范围值即需要使用弯环进行调整。4.2控制管片水平移动和侵限。4.2.1进入缓和曲线段时，将盾构机姿态往曲线内侧（靠圆心侧）偏移15～20cm，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧（背圆心侧）的偏移。4.2.2减小油缸推力。在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中，对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力，土体具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均，管片在长时间承受千斤顶水平分力的等情况下，管片会向外侧整体移动。见图6。T转弯半径R=500m隧道掘进方向P隧道中心线图6急转弯施工管片侧向受力分析图小半径曲线掘进管片位移量可用公式表达：RTPT：盾构机推力的反作用力P：土体对管片侧面的附加应力R：转弯半径：变形系数由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。浅析盾构过小半径曲线段施工技术第6页，共7页故为了减小在小半径圆曲线段施工引起的管片整体移位所带来的隧道变形，掘进过程中必须减小盾构推力。根据经验，大黄区间这种8、9地层，土压平衡模式时推力可控制在800～1300t；半敞开模式时推力可控制在700～1200t；在特殊地段需要严格控制推力时，推力可减小到600～900t。4.2.3在管片偏移的方向额外进行注浆，达到一定的压力以抵抗管片的偏移。待浆液凝固后，则管片位置基本已经确定下来了。注浆的位置选择2点和3点手孔为宜（左转弯），这样不但可以抵抗管片水平偏移，孩可以抵抗管片的上浮，如图7。图7通过额外注浆阻止管片偏移4.3减小对地层的扰动，避免大的沉降。4.3.1严格控制好姿态，争取进行时时的细微纠偏，避免大的纠偏而造成对土体的扰动。利用SLS-T系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整（纠偏）方式有：a、滚动纠偏：采用刀盘反转的方法进行滚动纠偏。b、竖直方向纠偏：盾构机抬头时，可加大上部千斤顶的推度进行纠偏；盾构机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏。c、水平方向纠偏：向左偏时，加大左侧千斤顶推度；向右偏时，加大右侧千斤顶推度。盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于500m左转弯圆曲线及下坡段（左右线坡度均为30‰），为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，通过VMT系统调整盾构机姿态为：垂直方向控制在-30～-40mm之间，水平视平方向应控制在0～+15mm之间。根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40～-50mm之间。同时应加密VMT移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。注浆产生的反压力3点注浆位置2点注浆位置管片水平移动方向浅析盾构过小半径曲线段施工技术第7页，共7页4.3.2及时、充足地跟进同步注浆与二次注浆，将管片与围岩之间地空隙填充密实，达到稳固管片和减少地表沉降地效果。4.3.3减小推力和掘进速度，同时选择合适地土仓压力保持模式，最大限度地减小地层扰动，和保证掌子面的稳定，防止坍塌。4.4尽量避免大的错台和破损。4.4.1油缸推力尽量不要太大，尤其时曲线外侧（背圆心侧）油缸，由于要加大推力来增加左右两侧油缸推力差，从而实现盾构机转弯。但是，在加大油缸推力的同时，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。4.4.2由于曲线外侧油缸推力较大，尤其要注意不要突然加力或者突然释放推力，这样也会造成管片的破裂。4.4.3掘进的时候，把拧螺栓这道工序做到位，有效的防止错台的发生。4.4.4提高管片拼装手的水平，避免因拼装不到位产生的错台。4.4.5注意保持良好的盾尾间隙状态，避免盾尾钢环刮坏管片。调整好油缸撑靴的位置，尽量使撑靴完全作用在管片上。4.5减少漏水。4.5.1减小错台，使止水胶条对接紧密，达到良好的止水效果。4.5.2拧紧螺栓，压紧止水胶条。4.5.3检查止水胶条，保证其完整、牢固。拼装前，用水清洗止水胶条，避免因止水胶条之间挤有杂物而影响止水效果。4.5.4注意保持好盾尾间隙，避免盾尾钢环刮坏管片，使裂隙绕过止水条而形成漏水。5后记盾构过小半径曲线段是盾构施工难以控制好的一个项目，因此施工中一定要牢牢把握技术要点，并在施工过程中不断思考、积累经验，相信不久后小半径转弯不会再是盾构施工的一个棘手难题。【参考文献】1《盾构法隧道施工技术及应用》.周文波.中国建筑工业出版社.2004/112《复合地层中的盾构施工技术》.竺维彬.鞠世健.中国科学技术出版社.2006/5作者简介：胡军凯，男，1979年9月出生，助理工程师，大学本科学历，2003年6月毕业于长沙理工大学机械设计制造及自动化专业，现住十一局城轨公司广州盾构2标项目部，电话：[phone]。