天津地铁盾构施工中盾构机的姿态控制

天津地铁盾构施工中盾构机的姿态控制【摘要】分析了影响盾构姿态的部分因素,并对这些影响因素提出了针对性的对策,主要提出了管片姿态走势论,即管片姿态影响盾构姿态,管片走势影响盾构走势。结合具体的施工经验,对管片姿态如何影响盾构姿态做了详细论证,提出了有价值的观点。【关键词】盾构法盾构姿态管片姿态管片选型1、工程概况天津地铁三号线周邓纪念馆站~天塔站区间隧道从周邓纪念馆站东端头井开始(里程为DK7+420.50),经天津革命烈士陵园,下穿水上公园筑波游泳场及月明公寓后,沿着水上公园北道到达本区间的终点———天塔站西端头井,全长约1115.6m,为单圆盾构区间。本区间线路纵坡为驼峰形,最大坡度为2.5%,最小坡度为0.2%,最小曲线半径为349.851m,隧道轴线埋深12.9~19.9m。施工平面见图1。2、施工难点盾构区间隧道在出洞阶段隧道为左转弯和0.2%的小坡度下坡,在此种情况下,盾构机容易出现低头现象即盾构机垂直姿态(高程)位于设计轴线以下;出洞50多m,隧道小半径左转弯并大坡度下坡,其中转弯半径为349.851m,坡度为2.5%,在此种情况下,如果纠偏不及时,盾构机水平姿态(水平偏差)会处于设计轴线右侧,垂直姿态会处于设计轴线上侧;经过100多m的直线段施工后隧道右转弯并大坡度上坡,其转弯半径为404.134m,坡度为2%,在此种情况下则盾构姿态会出现和隧道左转下坡相反的情况,即盾构机水平姿态处于设计轴线左侧,垂直姿态位于设计轴线下侧;距离进洞50多m时,隧道为小坡度上坡,坡度为0.2%,在隧道接近进洞阶段变坡这就要求在施工时应及时调整盾构机垂直姿态,保证准确进洞。3、盾构姿态盾构姿态是在盾构法隧道的施工过程中,为满足盾构机掘进的施工需要,由自动测量系统或人工测量系统经过测量或计算所得到的盾构机主机偏离设计轴线的状态,其主要参数有水平偏差,垂直偏差(俯仰角),旋转角等。水平偏差反映盾构在水平方向上偏离设计轴线的平曲线的情况;垂直偏差(俯仰角)反映盾构在竖直方向上偏离设计轴线的竖曲线的情况;旋转角反映盾构自身的旋转情况。盾构姿态是为满足盾构掘进施工需要而提出并经过测量系统测得的,就周邓纪念馆站~天塔站右线隧道施工的实践看,只有知道了上一环的盾构姿态才可以进行下一环的掘进施工,盾构机偏离设计轴线的程度直接反映了已成型隧道偏离设计轴线的程度,盾构姿态的好坏反映了隧道的施工质量的好坏,为控制隧道的施工质量,国家质量技术监督局和国家建设部对隧道的轴线偏差提出了以下要求。(1)地下盾构掘进中应严格控制中线平面位置和高程,其允许偏差均为±50mm。发现偏离应逐步纠正。(2)隧道轴线平面位置和高程允许偏差要求见表1。4、盾构姿态的影响因素及控制4.1水平偏差和垂直偏差控制根据本工程的实践经验,影响盾构水平偏差、垂直偏差的主要因素有以下几个方面。4.1.1土质方面在盾构施工过程中,如果在切口环两侧出现土质软硬不同的土质,而在松软土质侧的千斤顶推力未及时调整,盾构机就会呈现出向松软土质陷入的趋势,这样在推进过程中,就会造成盾构姿态偏离设计轴线,从而导致姿态偏差较大。为防止上述情况的出现,采取了一些措施。(1)在保证盾构正常掘进的前提下,通过电磁减压阀,调节上下区油缸压力,同时通过油缸装的位移传感器观察各区油缸行程显示,减小盾构掘进过程中向一侧偏移的趋势,达到控制盾构姿态的目的。(2)利用铰接千斤顶转动特点,在掘进过程中将软土侧的铰接千斤顶推出,克服盾构向此侧偏移的趋势。(3)利用盾构机刀盘的超挖刀,先行切割开挖面土质较硬侧的土体,使盾构机切口环部位在此侧产生较小的空隙,盾构机在另一侧千斤顶的推力作用下,产生土体较硬一侧行走的趋势,从而可以减小盾构机在掘进过程中由于土体软硬不均而引起的一侧跑偏现象。4.1.2设计方面在施工中,经常碰到设计线路转弯半径小、坡度大的隧道工程,这也在一定程度上增加了施工难度,从而使盾构机在施工过程中容易出现偏差过大的现象。施工对策:曲线段施工时,为确保盾构机沿设计轴线掘进,必须严格控制盾构机掘进参数,如出土量、正面土压平衡、推进油缸的伸出方式与油压等,使掘进轨迹符合设计线路的曲线参数要求。4.1.3始发基座偏差盾构机在始发阶段是位于始发基座上的,因而始发基座的水平位置、高程等直接决定了盾构始发阶段的盾构姿态,所以在施工准备阶段对盾构始发基座准确定位,保证在始发时盾构机的中心线、高程与盾构钢环中心线、高程一致,并保证始发基座的加固牢靠,防止在盾构组装过程中始发基座的变形。4.1.4操作手的操作水平和操作经验盾构司机的操作水平高低和操作经验的丰富与否直接会影响到盾构姿态的好坏,因为他们直接操纵着盾构机的“方向盘”,他们是第一个能够知道盾构姿态和盾构走势的人,所以这就要求盾构司机时刻要注意盾构姿态走势,发现盾构机有跑偏现象时,及时进行纠偏,遵循“勤纠少纠”的纠偏原则,正确调节盾构推进千斤顶各区油压,直到盾构姿态不再变大时为止,在施工过程中,应严禁避免过大纠偏,这样不仅会造成管片碎裂,还容易造成盾尾刷的永久变形从而失去密封作用导致隧道漏浆、漏水等事故,更严重的还会造成盾尾钢壳变形出现测量误差。4.1.5管片姿态管片姿态是影响盾构姿态的最主要因素,即管片走势论。因为管片是在盾尾钢壳内进行拼装的,盾构机时刻都沿着已成型的隧道进行掘进,所以成型管片的中心线与设计轴线的偏差就是隧道中线与设计轴线的偏差。当然成型管片的走势也直接决定了盾构机的走势,如果已成型管片的走势偏离设计轴线,那么即使有水平再高、施工经验再丰富的操作手,如果不及时进行纠偏的话,盾构机也不会沿着设计轴线前进。那么管片姿态如何影响盾构姿态呢?现仅就隧道的水平偏差为例进行说明。(1)直线段施工时盾构法隧道在直线段施工时,如果在盾构管片姿态比较理想的情况下,已成型管片中心线和隧道中心线是重合的。在施工过程中,由于多方面因素,管片姿态很难达到比较理想的状态,一般情况下,管片姿态会出现管片中心线与隧道中心线呈现一定夹角θ的情况,如图2。由h=Lcosθ可以计算出,在盾尾脱离第四环时,盾尾水平方向来说偏离中心线的距离为h。(2)隧道段施工时在隧道转弯阶段的施工和直线段施工时,如果按照理论设计来说,已成型管片的中心线仍然是隧道的中心线,管片的转弯半径即为隧道的转弯半径,如图3。设隧道的转弯半径为R,隧道管片的直径为r,假设隧道内侧长度为x,外侧半径为y,在隧道直径远小于隧道转弯半径的情况下,可以认为单环管片为直线型管片,所以在这种情况下可以建立数学模型见图4。由三角形的等比定理可知:(R-r/2)/(R+r/2)=x/y(1)在管片在转弯半径内侧或外侧单边长度一定，根据公式(1)可以求的另一边的长度。由公式(1)可以看出,在转弯阶段每一个管片外侧长度总大于内侧长度,很明显也可以得出外侧比内侧长的具体数值。但是在实际施工过程中,就我们已经完成施工的隧道管片形式说,即使施工的隧道处于转弯阶段施工时,所用的管片也不全是转弯环,假设在第一环使用的为转弯环,第二、三环使用的为标准环,那么在施工过程中,已成型管片的中心线并非和隧道的设计中心轴线完全重合而有一定的角度。例如,当成型管片的中心线在隧道设计中心线左侧的情况,如图5所示。这样,在施工过程中,如果不及时调整管片走势的话,盾构会越来越远地偏离隧道的设计轴线,当然,如果图5中如果第一环的中心线为隧道转弯的切线时,要求得第三环偏离设计轴线的距离,建立数学模型(见图6)。图6中,圆为设计轴线,圆的切线为管片中心线,x大小为已拼装管片长度的和,R为转弯半径,h为偏离轴线的距离。由勾股定理:可以求得L的长度,由公式:h=L-R从而可以求得h值。由以上情况,可以很清晰的看出,如果已成型管片的中心线偏离了设计轴线,那么如果不及时进行调整管片姿态的话,盾构机将随着施工的进行逐渐越来越大的偏离设计轴线,所以说管片姿态影响盾构姿态,管片的走势影响并很多程度上决定着盾构走势。在此种情况下,如何才可以控制良好盾构姿态呢?根据以上理论可知,要想调整好盾构姿态,一定要控制管片姿态。那么如何调整管片姿态呢?要调整管片姿态和管片走势,就要说到管片选型,管片选型即在隧道施工过程中,为满足隧道自身转弯、上、下坡等的施工需要选择合适的管片型号。管片的具体型号可分为:标准换、转弯环。标准环又可以称为直线环,管片宽度均为1.2m。转弯环管片的宽度与标准环不同,在所需要转弯的内侧较短,外侧较长,基本上来说长短相差4cm。管片选型即为控制盾构姿态在国标要求的范围内,技术人员根据盾构机自身要求和隧道施工需要选择合适的转弯环和正确的拼装点位的方法,因为一般情况下,盾构法隧道施工时,由于施工误差等因素造成一定偏差,而施工人员不能严格的按照设计给定的管片形式进行隧道施工。例如在图2的情况下,如果在第一环后面拼装一个转弯环,在转弯环的下一环的管片走势见图7。建立数学模型见图8。这样就可以避免已成型管片继续偏离设计轴线的情况,但是在此种情况下,还有一个疑问,是否会由于转弯环2的斜边边长大于标准环3的边长在管片拼装时环面出现较大的错台问题。假设最长边边长度为x,管片长度为a=1.2m,管片外径为R=6.2m转弯环长边比短边长L=0.04m,如图9所示。而标准环管片的直径也是6.2m,在管片拼装时,与其相邻管片会产生0.05mm错台,而国标对管片拼装的要求为:高程和平面±50mm;每环相邻管片平整度4mm;纵向相邻管片平整度5mm;满足国标要求。在控制盾构姿态时,除了采用曲线管片,为控制管片的位移量,管片纠偏在适当的时候也可以采用软木楔子,从而达到有效的控制轴线和地层变形的目的,其基本原理和选择转弯环管片一样,只是在调整角度大小方面不同而已。所以管片姿态决定了盾构姿态,成型管片的走势决定了盾构机的走势。由于管片姿态很多程度上决定了盾构姿态,那么这就要求技术人员要在合适的时候选择合适的管片形式,当然在盾构掘进过程中,操作手也应该按照隧道的施工要求进行掘进,在推进过程中,一定要使盾构推进千斤顶的形程差满足拼装转弯环的条件,或者是在推进过程中消除已拼管片所带来的盾构推进千斤顶形程差。在调整盾构姿态时,一定要进行适量调整,根据盾尾间隙决定纠偏量,否而就会是盾壳和管片卡死,造成管片碎裂等施工质量问题。4.1.6注浆压力注浆包括同步注浆和二次注浆,同步注浆即在施工过程中盾构机边掘进边进行的注浆施工,注浆孔的注浆压力对管片姿态有一定影响。二次注浆即在隧道施工完成后,为纠正在施工中造成的隧道偏差采用注浆设备进行的注浆施工。在同步注浆施工过程中,控制合适的注浆压力,对盾构姿态的调整有一定作用。二次注浆对已成型的隧道纠偏有明显效果,但是监测工作要及时到位,否则会产生土体隆起、隧道变形等施工事故。4.2旋转角盾构的旋转角度增大主要是由于刀盘向同一个方向旋转造成的,所以要减小盾构的旋转角就要改变切削刀盘的旋转方向,一般情况下盾构的旋转角要控制在±0.3°以内,较大的旋转角容易造成盾构双梁的牵引梁的旋转,从而导致双梁牵引梁的倾斜,给管片吊运带来不必要的麻烦,同时盾构自身较大的旋转角度也会对拼装造成困难。总之,在盾构法隧道施工中,盾构姿态的影响因素有很多,但其最关键的影响因素为盾构已成型管片的姿态。所以在施工过程中,技术人员和盾构操作手等施工人员要时刻了解成型管片的姿态,并应有超前意识,在盾构姿态出现变大趋势时及时选择合适的隧道管片和合理的进行纠偏,这样控制良好的盾构姿态不是一件很难的事,希望在以后的施工过程中做得越来越好。参考文献1、GB50299-1999地下铁路工程施工及验收规范[S]2、50446-2008盾构法隧道施工与验收规范[S]3、周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,20044、周爱国.隧道工程现场施工技术[M].北京:人民交通出版社,20045、地盘工学会.盾构法的调查·设计·施工[M].北京:中国建造工业出版社,20086、白云,丁志诚.隧道掘进机施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2008