小半徑曲線盾構(gòu)始發(fā)和到達施工技術(shù)

1、第 3 3 卷第 2 0 期 Vo 1 ． 3 3No ． 2 O企 業(yè) 技 術(shù) 開 發(fā) T EC HNOL 0G I C ALDE VE L OP ME NTOFENT E RP RI S E2 0 1 4年 7月J u 1 ． 2 01 4小半徑 曲線盾構(gòu)始發(fā)和 到達施工技術(shù) 李 江 。 賴偉 文 ( 廣東華隧建設 股份 有限公 司， 廣東 廣州 5 1 0 6 2 0 )摘 要： 為解決盾構(gòu)在小半徑曲線 內(nèi)始發(fā)、 到達的難點和風險

2、， 文章 以廣佛 線地鐵 某盾構(gòu)標段盾 構(gòu)在3 2 0 m小半徑曲線 內(nèi)始發(fā)和到達的施工為研 究背景 ， 對盾構(gòu)在小半徑 曲線 內(nèi) 盾 構(gòu)始發(fā) 和到達施工的風 險進行 了系統(tǒng)研 究 ， 并提 出了相應 的控制措施 、 取得 了較 好 的效果 ， 為今后 類似 工程的施 工提供 了 借鑒 。關(guān)鍵 詞川 、 半徑曲線； 盾構(gòu)機 ； 鉸接 ； 曲線始發(fā) ； 曲線到 達 中圖分 類號 ： U 2 5文獻標 識碼 ： A文章編號： 1 0 0 6

3、 — 8 9 3 7 ( 2 0 1 4 ) 2 0 — 0 0 0 1 — 0 4隨著城市高速 的發(fā)展 ， 帶 引了地下軌道交通建設 的飛速發(fā) 展 ， 但在城 市軌道交通線路 的選擇上 ， 由于受規(guī) 劃及 建( 構(gòu) ) 筑 物的制約 ， 使得城市軌道交 通 的線形設計 越來越復 雜。 不 可避 免 的出現(xiàn)存 在小半徑 曲線 的規(guī)劃線路 。 小 半徑曲線盾 構(gòu)法施工 技術(shù) 與常規(guī)盾構(gòu)法施工技術(shù)相 比存在一定的特殊性 ， 施工難度 大 、

4、 風 險大 。 因此 ， 研究小半 徑曲線盾構(gòu)法施 工技術(shù) ， 針對盾構(gòu) 在小半徑 曲線始發(fā) 、 到達 以及 掘進過程 中的風 險 ， 提出科 學 、 合 理 的應對措施 ， 可有效的避免盾構(gòu)在小半徑 曲線 內(nèi)施工容易超 限 、 管片容易出現(xiàn)錯 臺 、 漏水等質(zhì)量事故 。 相信對 以后類似 的小 半徑 曲線盾構(gòu)法施工具有一定的借鑒作用 ， 可 以很好地解決設 計線型對盾構(gòu)施工的影響 。l 盾構(gòu)機的選型 盾構(gòu)機在曲線 內(nèi)始發(fā)或是到達掘進

5、時， 首先 盾構(gòu) 機必須能 夠滿足 曲線內(nèi)掘進的參 數(shù)要 求 ， 也就是說所選用盾構(gòu) 機的最小 轉(zhuǎn)彎半徑 必須 滿足小 于盾構(gòu)始發(fā)或到達 曲線 的曲率半徑 ， 通常 盾構(gòu)機的最小 轉(zhuǎn)彎半徑 的大小取決于盾構(gòu)機 的長度 、 是否啟用 鉸接 、 鉸接的開啟量等因素 ， 盾構(gòu)機選取尺寸盡量短 。 對盾構(gòu)機 選 型還要驗算盾構(gòu)機 的最小轉(zhuǎn)彎半徑 ， 計算方法如下 ：R ～- fn ( 導)式 中： L為盾構(gòu) 機前 體長 度 ， r a m； L

6、為 刀盤 的厚度 ， m m ； 0為鉸接可 開啟最大值 。例如廣佛 線『 桂 雷 區(qū)間] 3 2 0I T I 的小轉(zhuǎn)彎半 徑始 發(fā)和到達 ，本工程盾構(gòu)機采用 了 日 本三菱的泥水 平衡盾構(gòu)機 ， 盾構(gòu)機總長 度( 刀盤面至盾尾) 為84 2 0m i l l ， 盾構(gòu)機簡體 的直徑為62 6 0m m，刀盤 的開挖直徑 為62 8 0 ． 5m m， 盾構(gòu)機 前體 ( 刀盤 面到鉸接 中 心 ) 的長度 為 50 2 8m m，

7、后體 ( 鉸接 中心到盾 尾 ) 的長度為33 9 2m m 。 盾構(gòu)機具 備 中折裝 置 ， 中折角度 最大 1 ． 5 。 ， 盾構(gòu)機 刀盤面 到鉸接 中心的長度為50 2 8I T l m 。 根據(jù)上 面公式 ， 可計算本工 程 所采用盾構(gòu)機 ，在打開鉸 接后 ，其能轉(zhuǎn) 彎的最小轉(zhuǎn)彎半徑 為 1 6 0 ． 8 1I T l m， 能滿足 區(qū)間曲線掘進 的要求 。2 管片的設計 曲線段隧道每掘進 一環(huán) ， 管片端面與該處軸線的法線

8、方向在平面上將產(chǎn) 生一定 的角度 0， 為了更好的使 得盾 構(gòu)機沿著計 劃曲線掘進 ， 在管片選型時盡可能選用楔形量大的管片來減小 作者簡介： 李江， 廣東華隧建設股份有限公司。角度。在地鐵盾構(gòu) 隧道施工 中常選用環(huán)寬為1 ． 2r f l 和1 ． 5m 的管 片 ， 環(huán)寬 為1 ． 5I X I 管片 的結(jié) 構(gòu)形 狀為單面楔形量 3 8l l l m ， 環(huán)寬為 1 ． 2I T I 的管片的結(jié)構(gòu)形狀為單 面楔形量4 2m m， 按

9、照管片錯縫拼 裝 計算 ， 環(huán) 寬 1 ． 5／ 1 ' 1 的管 片理 論上 能 滿足 的最 小轉(zhuǎn) 彎半 徑為 2 4 6 ． 3 1m m， 環(huán)寬為 1 ． 2i n 的管片理論上能滿足 的最小 轉(zhuǎn)彎半徑 為1 8 1 ． 8 5m m， 因此施工前需根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)或到達 曲線的曲率半 徑的大小來 預制管片。另外在管片選 型時要注意 ， 盾構(gòu) 曲線始發(fā)時 由于負環(huán)管片 和托架均難以布置成相應 的曲線型 ，因此始發(fā)時不能開鉸接

10、，只能沿曲線 的割線掘進 ， 因此盾構(gòu)全部進入后需用 比 設計 曲線 更小半徑的實際曲線來擬合設計 曲線 ， 因此需采用楔形量更 大 的管片來擬合新計劃 曲線 。 盾構(gòu) 曲線 到達時需在碰壁時鉸接歸零 ， 為 了保證盾構(gòu) 機準確 的碰壁 ， 那么盾構(gòu)機 到達掘進 的姿態(tài) 要 比計劃 曲線適度超前 ， 為達到盾構(gòu)姿態(tài) 比計劃 曲線還超前 的效果 ， 就需在 曲線 內(nèi)進行更小 曲率半 徑的糾偏 ， 而為 了管 片姿 態(tài)更好 的擬合 盾構(gòu)姿態(tài)

11、 ， 就需選用楔形 量更大的管片 ， 通常是 1 ． 2 1 1 1 的管片 。3 盾構(gòu)曲線始發(fā)和到達曲線的設定 3 ． 1 盾構(gòu)始發(fā)曲線的設定 通常盾構(gòu)始 發(fā)時為 了滿足盾尾通 過簾板時 的密封性 要求 以及線路中線與車站側(cè)墻 的凈空尺寸要求 ， 均是將盾構(gòu)機的始 發(fā)姿態(tài)垂直于盾 構(gòu)井 的側(cè)墻而始發(fā) ( 曲線切線始發(fā) ) ， 常規(guī)盾構(gòu) 切線始發(fā)示 意圖如 圖1 所 示。而盾構(gòu)始發(fā)時在簡體未全部進入 土體前鉸接無法 開啟 ， 只能直推

12、( 盾構(gòu)機刀盤+ 筒體長約8 ． 5I T I ) ，從而使得盾構(gòu)機簡體 剛?cè)窟M入土層就已經(jīng)超 限， 以廣佛線施 I5 標桂～ 南 區(qū)間3 2 0m 圓曲線始發(fā)為例 ，若按切線始發(fā)盾構(gòu)機 剛?cè)窟M入土體姿態(tài)偏差就達到 1 4 7r a m ( 計算詳見 式1 ) ， 并且 盾構(gòu)偏移趨勢仍是 向外弧線偏移 ， 加上盾構(gòu)機的中折不 能一次 開 到位 ， 只能逐環(huán)遞 增 ， 這樣盾構(gòu)姿態(tài) 的最大偏移值將達到2 5 0m m 以上 。 因此為

13、了確保盾構(gòu)機 曲線始發(fā)不超限 ， 需在始發(fā)托架 定 位時預偏盾構(gòu)機的始發(fā)姿態(tài) ， 讓 盾構(gòu)機的機頭稍往 內(nèi)弧線偏 移 ， 盾尾往外弧線偏 移 ， 使得盾構(gòu)機始發(fā) 時沿 曲線 的割線掘進 ，待 盾構(gòu)機完全進入 土體后再開啟鉸接用 比設計 曲線更小半徑 的實際曲線來擬合設計 曲線。 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)的定位方法如下 ：根據(jù)設計線型 ， 在洞 門環(huán)板位置往 內(nèi) 弧線偏移3 ~ 5c m 定一 個點 ， 在距 離環(huán)板9m 位置往 內(nèi)弧線偏移6 ～ 7

14、c m 定一個點 ， 兩點 連成直線 ， 再將直線往車站 內(nèi)延伸來確定始發(fā)托架 的中心線位 置 ( 即盾構(gòu)始發(fā) 姿態(tài) ) ， 如 圖2 所示 。第 3 3 卷第 2 O 期 李 江 ， 等 ： 小半徑 曲線盾構(gòu)始發(fā) 和到達施工技術(shù) 3零 ， 那 么需在碰壁前5 環(huán)每環(huán)縮 回鉸接( 中折 ) 1 ． 5c m， 即0 ． 1 5 。 。3 2 0I l l 圓 曲線每環(huán) ( 1 ． 5m ) 方位角改 變量o t = t s n -

15、- () = t a n() ： 0 ． 2 6 8 5 。 ， 鉸 接最后5 環(huán) 每環(huán)縮 回o ． 1 5 。 ， 每掘進 1 ． 5m 實 標 方位角改變量計算 如下 ：(n () ： ( 5 ． 0 2 8+ 3 ． 3 9 2s i n(0 ． 7 5 - 0 ． 1 5) = 4 0 2． 0 2m - = t a n - I () = t a n 一() = o _ 2 1 3() ÷ s i n () ： ( 一

16、 5 ． 0 2 8 4 + 3 ． 3 9 2i( — 0 ． — 7 5- 一 0 ． 3) = 5 3 6． 0 3m 2 = t a n 一() = t a n - ~ () = 0 ． 1 6 1以此類 推 ， O r ． 3 = 0 ． 1 0 7 ； o t 4 = O ． 0 5 4 ； 0 【 5 = 0 。鉸 接縮 回過 程 中累計方 位角 偏差 為 (一 0 【 。 ) + (一： ) ??(一) = 0 ． 8

17、0 7 ， 另外 ， 盾 構(gòu)機碰壁后 刀盤 面距離洞 門板通 常還 有 1 ． 6 m 左右 ， 所示盾構(gòu)機 曲線 到達時從鉸接開始縮 回到刀盤 出環(huán)板 ， 最終方位 角偏差 達到 1 ． 0 7 5。 ， 最終水 平偏差 將達 到8 ． 5 2c m， 這 樣盾 構(gòu)機 出洞時簾板左右兩邊 的間隙偏差較 大容 易導 致盾構(gòu)機 出洞時簾板密封失效 。 若在 到達掘進過程 中姿態(tài)沒有 提前調(diào)整好 ，在鉸接縮 回前盾構(gòu)機姿態(tài) 有往外弧線偏移

18、的趨 勢 ， 那樣盾構(gòu)機最終 出洞的水平偏差 將更大 ， 可能導致盾 構(gòu)機 無法到達 。因此 ，為了滿足盾構(gòu)在3 2 0m 小曲率半徑 的到達 掘進 的要 求 ， 在 鉸接縮 回前提前調(diào) 整盾構(gòu)姿態(tài) ， 讓盾構(gòu) 機的姿態(tài)預先往 內(nèi)弧線偏移7 — 8c m 左右 ， 并且 保持盾構(gòu)機 的前 、 中、 后 點與計劃 曲線平行 。 廣佛線桂～ 雷 區(qū)間盾構(gòu)3 2 0i n 曲線到達 ， 通過這種往 內(nèi)弧線預偏的方式 ， 最終刀盤 出洞與環(huán)板的

19、偏差均控制在 1c m以 內(nèi)。4 盾構(gòu)曲線始發(fā)和到達掘進參數(shù)控制 4 ． 1 盾構(gòu)機姿態(tài)控制 在盾構(gòu)曲線始 發(fā)或是 到達施工過程 中， 盾構(gòu)機姿態(tài)變化不 宜過大或過頻 ， 盾構(gòu)姿態(tài)控制的好 壞直 接影 響到盾構(gòu)機是否沿 計劃曲線行走 ， 以及隧道竣工的質(zhì)量。 盾構(gòu)在 曲線 內(nèi)掘進 ， 由于 盾構(gòu)機本身為直線形 剛體 ， 不能與 曲線完 全擬合 ， 曲線半徑越 小， 盾構(gòu)機身越長， 則擬合難度越大。 常用的方法是通過調(diào)整盾 構(gòu)機推力 的大

20、小和合力作用點位置 以控制盾構(gòu)軸線 ， 使盾構(gòu)推 力的合力作用點位 于合適 的位置 ，對盾構(gòu)機姿態(tài)進行糾偏 ， 促 使盾 構(gòu)機在計劃線附 近小 幅度變化 ， 正常 掘進 ， 在施 工掘進過 程主要通過以下幾個措施來控制盾構(gòu)掘進的姿態(tài)。①盾 構(gòu)在小 曲率半 徑施工過程 中盾 構(gòu)機姿態(tài)控 制的原則 是 ： 調(diào)整鉸接為主 千斤頂 的選用為輔 ， 盡可能全選盾構(gòu)千斤頂 來進行盾 構(gòu)推進 。 開啟盾構(gòu)鉸接裝 置 ， 配合開啟仿形 刀進行 超 挖

21、 ， 并依據(jù)設計 曲線 半徑及盾 構(gòu)直徑計算鉸接 角度 ， 使 得盾構(gòu) 機前體與后體 的張角與 曲線吻合 。②盾構(gòu)在 曲線 內(nèi)始發(fā)或到達掘進時 ， 鉸接值的大小應根據(jù) 不同地層做 出相應 的調(diào)整 ， 在軟弱地層 中鉸接值可以適 當?shù)恼{(diào) 大一點 ， 而在硬巖地層應適當減小鉸接值 。③在小 曲率半徑盾構(gòu)施工 中， 千斤頂?shù)倪x用是 鉸接控制盾 構(gòu)機 姿態(tài) 的一種輔助工具 。 當要使 盾構(gòu) 機水平 向左偏 ， 則需提 高右側(cè) 千斤頂 分壓 的推

22、力 ； 反之 ， 則需提 高左側(cè) 千斤頂分壓 的推力 。 當要使盾構(gòu)機機頭 向上偏 ， 則需提高下部千斤頂?shù)耐屏?；反之亦然 。 盾構(gòu)掘進時要注意上下兩端或左右兩側(cè)的千斤頂行 程差與計劃 曲線要 求相 吻合 ， 在實 際操作 中 ， 必須確保 每環(huán)的 行程差變化量 滿足本環(huán) 糾偏要求 。④掘進過程 的管片保護措施 ， 在千斤頂選取 時 ， 應盡量 全 選 。 盾構(gòu) 機在 曲線 內(nèi)行走 時 ， 為 了避免千斤頂在推進時造成 管 片的破損

23、， 可在 每3 0 0 ～ 5 0 0m m 推進后 ， 適量 收縮 千斤頂 ， 調(diào)整 千斤 頂靴板與管片 的接觸面 ，消除千斤頂對管片 的側(cè) 向應 ， 減 少對管片損環(huán) ， 同時有利 于盾構(gòu)機方 向的調(diào)整。4 ． 2 掘進速度與推力的控制 急 曲線隧道每掘進一環(huán) ， 管片端面與該處軸線 的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角 0， 在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個側(cè)向 分力 。 管 片出盾尾后 ， 受到側(cè) 向分力 的影響 ， 隧道 向圓弧外側(cè)偏 移

24、 ， 側(cè) 向分力 的大小與千斤頂總推力成正 比即降低千斤頂總推 力 ， 同時也意味著 降低 側(cè)向分力 ， 有利于減少隧道 向弧線 外側(cè) 的偏移量 。 因此在小 曲率半 徑盾構(gòu)施工時 ， 必須確定一個合理 的推力 和掘進速度 ， 但 是這個推力與掘進速度也不是 一成不變 的 ， 隨著施工條件 、 地質(zhì)情況 、 線形等 的變化 ， 也須 即時調(diào)整 ， 從 而達到最好 的施工效果 。4 ． 3 管片安裝選型控制 盾 構(gòu)機在小 曲率半徑段掘進每

25、環(huán)都會產(chǎn)生一個糾偏角度 ，因此管 片的選型應與盾構(gòu)機姿態(tài)相匹配 ， 最好的施工效果是每 環(huán) 管片拼裝 完后 ，管片 的姿 態(tài) 比盾構(gòu)機姿態(tài)超前 1 ／ 3 — 1 ／ 2 的糾 偏 量 ， 即超前9 ～ 1 4m m。 管 片的選 型與盾構(gòu)機 姿態(tài)不一致 ， 將造 成盾尾 間隙的不合理變化 ， 致使 管片大面積被盾尾拉壞 ， 造成 管 片開裂 ， 同時造成盾 尾刷 的破壞 、 管片錯 臺、 漏水等 ， 嚴重 的將 導致管片姿態(tài)超限 ，

26、影響施工質(zhì)量 。在實 際操 作中 ， 盾構(gòu)姿態(tài)與計劃 線總有一定偏差 ， 故應根 據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)和盾尾間隙進行管片選 型， 另外 管片選型須超前1 0環(huán)預選 ， 做好管片排版與選用工作 ， 計算預選所排管片最小轉(zhuǎn) 彎半徑能滿足所要應對的轉(zhuǎn)彎半徑 ， 并且要求計算的結(jié)果值要 有一點 的富余量。 再就是要確保所排 管片的姿態(tài)要與盾構(gòu)機姿 態(tài)保持 同心 。4 ． 4 注漿管理 由于盾構(gòu)機 在曲線 內(nèi)掘進過程容 易造成單 向盾尾 間隙偏 大 ， 管

27、 片拼裝完畢并脫離盾尾后 ， 與土體間形成一個環(huán)形間 隙，如果不及時得 到填充 ， 勢必造成地層變形 ， 使相鄰地表 的建筑 物、 構(gòu)筑物沉降或隧道本身偏移。 襯背注漿就是為了及時填充 管片周 圍的間隙 ， 在防止管片周圍土體松動和下沉的同時防止 管片漏水 ， 并達到管片 的早期穩(wěn)定 和防止 隧道變形以及控制地 面沉降。采用雙液漿加強外弧線側(cè) 向注漿 ， 可 以在較短的時間內(nèi)將 建筑空隙填充并達 到一定的強度 ， 與原狀土共 同作用 ，