南水北調(diào)中線盾構(gòu)管片拼裝技術(shù)

馬鳳偉

中鐵十六局集團有限公司（450000）

0 概述

隧洞全長4250m，其中過河隧洞3450m,隧洞采用泥水平衡式盾構(gòu)機推進，盾構(gòu)機埋深33m。隧洞采用鋼筋混凝土管片襯砌，每環(huán)有7塊管片組成，管片寬度為1.6m，厚度為40cm、內(nèi)徑 7.9m、外徑 8.7m。

如何沿隧道的設(shè)計軸線駕駛盾構(gòu)機是任何隧道項目施工中的主要目標。然而當需要在隧道中安裝預(yù)制管片襯砌時，則如何決定TBM的走向,TBM盾尾中管片在安裝時的最佳有效間隙，及最適宜管環(huán)的趨向是至關(guān)重要的。楔形管片最適合在地質(zhì)條件差的情況下進行曲線掘進或直線掘進，因為在地質(zhì)條件差的情況下,利用墊片來糾正錯位拼裝的管片是不可取的。如何最佳拼裝管環(huán)是在隧道施工中至關(guān)重要的一部分。在施工的過程中避免管片受損，避免機器不能轉(zhuǎn)彎及保證盾尾密封的完整性總是處于重要的地位。

1 管片拼裝方式

南水北調(diào)穿黃工程隧洞使用的是直螺栓緊固管片。管片的形式分為：K、B1、B2、A1、A2、A3、A4 七種，A4 與 B2 連接處楔形量最大，A1與B1連接處楔形量最小，依靠管片楔形量來實現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)向、管片的平整度和盾尾間隙的調(diào)整等。拼裝的順序如圖1所示。

圖1 管片拼裝順序選擇

管環(huán)順序計算要考慮以下幾點因素:

1）盾構(gòu)機當前位置，水平和垂直的位置，當前掘進的趨勢，偏差及方位角。

2）盾尾幾何尺寸。

3）盾尾間隙，測盾尾間隙至少為4個點，比如上下左右。

4）防止通縫的出現(xiàn)。

5）根據(jù)實際的方位角、姿態(tài)、管片的平整度、盾尾間隙等設(shè)計一條合理的糾偏曲線來調(diào)整到設(shè)計軸線上。

2 拼裝點位的確定

在盾構(gòu)機掘進的過程中,管片拼裝點位的位置極其重要，對拼裝后的管片質(zhì)量有很大的影響,對盾構(gòu)機掘進過程中姿態(tài)控制很有效。當管片與千斤頂接觸面不平行時，在盾構(gòu)機開始掘進千斤頂產(chǎn)生力時,管片很容易碎裂產(chǎn)生裂縫從而導(dǎo)致漏水,并且根據(jù)中砂層掘進800m的經(jīng)驗得知此時的姿態(tài)不好控制，難以遵循設(shè)計軸線前進。施工時盾構(gòu)機總推力約為28352kN（中砂層800m掘進過程中），即2835.2T。穿黃盾構(gòu)機有14組千斤頂，每組千斤頂?shù)耐屏?02.5T，由于管片與千斤頂接觸面有夾角，產(chǎn)生分力，管片混凝土標號為C50，抗壓強度大約為50kg/mm2，而千斤頂產(chǎn)生壓力遠遠超過了該值,因此判定千斤頂與管片接觸面不重合是導(dǎo)致管片碎裂的一個因素。同時由于管片與千斤頂接觸面有夾角，使得盾構(gòu)機各組千斤頂不同步，導(dǎo)致方向不好控制。

所以應(yīng)使管片與千斤頂接觸面盡量重合，可以利用管片楔形量選擇點位來實現(xiàn)。大的來講管片拼裝點位確定主要的兩大因素是管片平整度（管片走向趨勢）和盾尾間隙。管片平整度主要是與油缸伸長度有關(guān)?，F(xiàn)簡單做一下管片位置，如圖2所示。

圖2 推進油缸與管片平面位置關(guān)系

由圖2可知管片走向趨勢，水平走向趨勢=pz-py,垂直走向趨勢=ps-px,ps=ys、px=yx、pz=yz、py=yy(本泥水盾構(gòu)機沒有鉸接油缸)。利用管片的楔形量使水平趨勢和垂直趨勢為零，這樣管片與千斤頂接觸面吻合，此時受力最好，對管片的拼裝以及盾構(gòu)機姿態(tài)控制都好。但是我們實際掘進過程中很難實現(xiàn)水平和垂直趨勢為零，根據(jù)工程地質(zhì)、盾構(gòu)機性能等實際情況盡量往理想方向去做，使管片平整度更好，便于施工，減少不必要的管片碎裂。

3 盾尾間隙對管片位置選擇影響

不同點位的選擇可以控制盾尾間隙。盾尾間隙大致指盾殼內(nèi)側(cè)到管片外弧面的建筑空隙,但是我們都知道盾殼加了一圈加強環(huán)，可以保證盾殼的圓度，另外還可以作為一道止水環(huán)。加強環(huán)的高度為40mm，實際掘進線路也不可能與設(shè)計軸線一樣,也就是說在掘進過程中盾尾間隙必須大于40mm，否則盾尾刷與管片外弧面嚴重擠壓，加強環(huán)與管片外弧面擠壓，由于擠壓必然導(dǎo)致管片的碎裂，盾構(gòu)機的方向不好控制，給施工帶來不利，更嚴重的是管片掉下來，整個工程停止。由于管片類型的不同，對盾尾間隙有一定的調(diào)解作用，現(xiàn)將盾構(gòu)機分14個點位，如圖3所示。

圖3 管片拼裝點位

將A4塊拼在14點位置時，管環(huán)的趨勢向下走，即隧道的走向往下，此時14點位置的盾尾間隙增大，而8點的位置盾尾間隙變小。盾尾間隙好有利于保護盾尾刷，盾尾刷是管片與盾尾密封防水裝置，根據(jù)設(shè)計管片與盾尾刷關(guān)系，如圖4所示。

圖4 管片與盾尾刷位置關(guān)系

當盾尾間隙小于25mm時，盾尾拖動，管片與盾尾刷相互干擾，因此在拼下一環(huán)時注意盾尾間隙，發(fā)現(xiàn)小于25mm時，要利用管片楔形量及時調(diào)整，保護好盾尾刷及管片的完好。如果盾尾間隙處理不好的情況下，根據(jù)穿黃工程的經(jīng)驗會出現(xiàn)管片的碎裂，鋼環(huán)與管片外弧面擠壓，如圖5所示。因此要處理好盾尾間隙與管片選擇的關(guān)系。

圖5 管片外弧面碎裂

4 盾尾間隙與油缸行程的關(guān)系

在管片選型時,既要考慮油缸的行程也要考慮盾尾間隙。而推進油缸行程差值更能反映管片與盾構(gòu)機的關(guān)系，一般情況下在點位的選擇主要考慮油缸的行程,但是如果盾尾間隙小于25mm時，這時要考慮盾尾間隙，保護好盾尾刷和管片的完好。

5 管片拼裝施工技術(shù)和質(zhì)量控制

管片拼裝的好與壞直接影響成型隧道的質(zhì)量。為有效控制管片踏步大小、碎裂、盾構(gòu)姿態(tài)的控制，按以下幾點施工經(jīng)驗進行控制。

1）在拼裝過程中要清除盾尾處拼裝部位的垃圾和雜物,同時必須注意管片定位的正確,尤其是第一塊管片的定位會影響整環(huán)管片成環(huán)后的質(zhì)量及與盾構(gòu)的相對位置良好度。

2）每環(huán)管片拼裝要精心，盡量做到管片接縫密貼，環(huán)面平整。

3）拼裝時，要確?！癟”字接頭平整。

4）環(huán)面超前量控制:施工中經(jīng)常測量管片圓環(huán)環(huán)面與隧道設(shè)計軸線的垂直度，當管片超前量超過控制量時，及時調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)角度,從而保證管片環(huán)面與隧道設(shè)計軸線的垂直度。

5）每一塊管片拼裝結(jié)束后，伸出千斤頂并控制到所需的頂力，再進行下一塊管片的拼裝，這樣逐塊進行完成一環(huán)的拼裝。對于不平整環(huán)面的管片，在拼裝下一環(huán)管片用千斤頂壓實時，應(yīng)先頂“凸”位置的千斤頂。

6）在拼裝時應(yīng)注意調(diào)整管片的橢圓度，盡量使管片呈豎橢圓狀態(tài)。

7）拼裝后及時調(diào)整千斤頂?shù)捻斄Ψ乐苟軜?gòu)姿態(tài)發(fā)生突變。

8）在隧道施工的過程中，工人們需要事先知道管片拼裝的點位來確定管片下放的順序,提高作業(yè)的績效。由于楔形量的存在,按照所選定旋轉(zhuǎn)位置的不同,管環(huán)就產(chǎn)生不同程度地向盾尾軸線或盾尾本身的趨向。管環(huán)的拼裝必須盡可能地好，以避免對隧道管片外弧面造成破壞，從而造成盾尾密封的危險。因此必須特別注意選擇要拼裝的每一環(huán)封頂塊的最佳位置。圖6是嚴格控制管片拼裝質(zhì)量所成型的隧道。

圖6 南水北調(diào)穿黃隧道

6 總結(jié)

點位選擇好壞將直接影響已經(jīng)拼裝好的管環(huán)質(zhì)量,點位選擇好不但姿態(tài)好控制而且管環(huán)不易碎裂，保證盾尾間隙、管片平面的平整度、糾偏曲線設(shè)計等都是通過管片楔形量選擇合理的點位來實現(xiàn)的，所以要合理的選擇管片拼裝的點位，使隧道與盾構(gòu)機同步進行,實現(xiàn)沿隧道的設(shè)計軸線駕駛盾構(gòu)機完成隧道貫通目標。

[1]張鳳祥,等.盾構(gòu)隧道施工手冊[M].人民交通出版社,2005，6:178-247.

[2]GB50299-1999,盾構(gòu)掘進隧道工程施工及驗收規(guī)范[S].