基于特定參數(shù)下管片選型方法與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施

包世波，張志宇，高 超

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

1 線路參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)和管片參數(shù)

廣州軌道交通三號(hào)線北延段11標(biāo)高增站—新機(jī)場(chǎng)南站盾構(gòu)區(qū)間共包含三個(gè)曲線。曲線半徑分別為1 000 m，1 000 m，5 000 m。區(qū)間線路縱坡為“V”形節(jié)能坡，最大坡度為25‰。

施工采用的是德國(guó)HK公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)最小自適應(yīng)曲線半徑為250 m;挖掘直徑6 280 mm;前盾長(zhǎng)2 100 mm，直徑6 250 mm;中盾長(zhǎng)2 580 mm，直徑6 240 mm;尾盾長(zhǎng)3 585 mm，直徑6 230 mm;盾殼厚40 mm。

為滿足直線段和曲線段施工和糾偏的需要，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)和左右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與楔形環(huán)的各種不同組合來(lái)擬合不同的線路。管片外輪廓直徑 6 000 mm，管片厚度300 mm，管片寬度1 500 mm，每環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量為38 mm。管片采取錯(cuò)縫拼裝，彎螺栓連接，管片環(huán)縫、縱縫接觸面皆不設(shè)榫槽。

每環(huán)管片共分6塊，包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊A、2個(gè)鄰接塊B和C、1個(gè)封頂塊K，環(huán)向螺栓12根，縱向螺栓10根(通常按時(shí)鐘方位稱之為十個(gè)點(diǎn)位)。一般情況下，為保證拼裝安全和拼裝質(zhì)量，封頂塊的位置偏離正上方±18°(1點(diǎn)和11點(diǎn))，楔形環(huán)封頂塊偏離正上方±54°(2點(diǎn)和10點(diǎn))和 ±18°(1點(diǎn)和 11點(diǎn))。轉(zhuǎn)彎環(huán)封頂塊位于不同的點(diǎn)位，不同位置對(duì)應(yīng)的楔形量亦隨之改變。詳見圖1和圖2。

圖1 右轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量隨K塊點(diǎn)位不同變化示意

圖2 左轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量隨K塊點(diǎn)位不同變化示意

2 管片選型

管片選型只是針對(duì)上述轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)而言。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在曲線段掘進(jìn)，或者在直線段掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)盾尾間隙過(guò)小、油缸行程差過(guò)大時(shí)，即需要選擇合適的轉(zhuǎn)彎環(huán)，適應(yīng)隧道曲線或者糾偏。

2.1 管片選型需考慮的因素

2.1.1 隧道設(shè)計(jì)軸線TDA(Tunnel Design Axis)

盾構(gòu)掘進(jìn)之前，即需根據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸線和管片參數(shù)，計(jì)算出不同半徑的曲線段上楔形環(huán)理論使用頻率和數(shù)量，而后利用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和楔形環(huán)擬合出該段線路管片選型結(jié)果?，F(xiàn)以本工程線路設(shè)計(jì)參數(shù)和管片參數(shù)為例，計(jì)算在曲線半徑R=1 000 m時(shí)每環(huán)(1.5 m)理論需要楔形量:

圖3 半徑為1 000 m的曲線段每環(huán)楔形量計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)

每環(huán)對(duì)應(yīng)的圓心角α≈L2/R=1.5/1 000。

每環(huán)理論需要楔形量(內(nèi)外弧長(zhǎng)差)=L3-L2=(R外-R內(nèi))α=(1 003-997)×1.5/1 000=9 mm，即沿曲線半徑R=1 000 m的線路軸線方向每前進(jìn)1.5 m，需要9 mm的楔形量抵消因曲線產(chǎn)生的內(nèi)外弧長(zhǎng)差。本工程使用的轉(zhuǎn)彎環(huán)每環(huán)楔形量為38 mm，故在該段曲線上每前進(jìn)38/9≈4環(huán)(6 m)，需使用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)，即用“3標(biāo)準(zhǔn)環(huán) +1轉(zhuǎn)彎環(huán)”的組合來(lái)擬合本工程半徑為 1 000 m的曲線段(見圖3)。

半徑為5 000 m以及25‰的縱坡曲線段上每環(huán)理論需要楔形量計(jì)算方法同上，不再贅述。

2.1.2 盾尾間隙

由前述盾構(gòu)參數(shù)和管片參數(shù)可知，當(dāng)管片在尾盾內(nèi)拼裝時(shí)，理論上整個(gè)環(huán)向盾尾間隙均為:(6 230-2×40-6 000)/2=75 mm。盾尾間隙不均時(shí)，拼裝的管片外弧面易受壓破裂導(dǎo)致滲漏水。同時(shí)，易造成一側(cè)間隙過(guò)小而導(dǎo)致盾尾刷受擠壓破壞，另一側(cè)由于間隙過(guò)大而導(dǎo)致盾尾漏漿，加快盾尾刷磨損，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，施工時(shí)應(yīng)每環(huán)量測(cè)環(huán)向盾尾間隙，設(shè)定警戒值，當(dāng)某處盾尾間隙小于或等于該警戒值時(shí)，即需要選擇合適的轉(zhuǎn)彎環(huán)，調(diào)整K塊點(diǎn)位，將最大楔形量對(duì)應(yīng)放在盾尾間隙最小的位置，從而達(dá)到調(diào)整盾尾間隙，避免盾尾漏漿，保證管片拼裝后的外觀質(zhì)量和防水效果。

2.1.3 油缸行程差

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在曲線段前進(jìn)，或者軟硬不均地質(zhì)、分區(qū)油缸推進(jìn)壓力控制不當(dāng)?shù)仍?，均可能造成不同分區(qū)的推進(jìn)油缸出現(xiàn)行程差。當(dāng)推進(jìn)油缸行程差過(guò)大時(shí)，將可能導(dǎo)致直接承受油缸壓力的管片因受力不平衡而嚴(yán)重破損，或者使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)一步惡化并最終偏離隧道設(shè)計(jì)軸線。因而，當(dāng)油缸行程差大于或等于某個(gè)警戒值時(shí)，就需選擇合適的轉(zhuǎn)彎環(huán)，調(diào)整K塊點(diǎn)位，將最大楔形量對(duì)應(yīng)放在油缸行程最大的位置，從而抵消該處的油缸行程差，達(dá)到控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的。

2.1.4 盾體趨勢(shì)

SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)測(cè)得到的當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，根據(jù)顯示的盾體趨勢(shì)可以預(yù)知在接下來(lái)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向和趨勢(shì)。某方向的趨勢(shì)變化值=該徑向兩端的油缸行程差/推進(jìn)油缸安裝直徑。在管片選型時(shí)，需將盾體趨勢(shì)做為超前因素考慮，保證選取的管片與盾構(gòu)機(jī)下步前進(jìn)趨勢(shì)一致。

2.2 管片選型的方法

根據(jù)本工程雙線隧道施工經(jīng)驗(yàn)，隧道設(shè)計(jì)軸線(即隧道走向)和盾體趨勢(shì)應(yīng)做為管片選型的超前考慮因素，而推進(jìn)油缸行程差(含鉸接油缸影響)和盾尾間隙兩因素則是正確管片選型的主要決策依據(jù)，結(jié)合本工程設(shè)計(jì)參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)和管片參數(shù)，具體總結(jié)如下:

1)當(dāng)出現(xiàn)一邊盾尾間隙＜5 cm(而推進(jìn)油缸行程差均＜4 cm)時(shí)，則選擇合適轉(zhuǎn)彎環(huán)，將楔形量最大值放在盾尾間隙最小處，以調(diào)整盾尾間隙。

2)當(dāng)出現(xiàn)推進(jìn)油缸行程差(含鉸接油缸影響)＞4 cm(而盾尾間隙均＞5 cm)時(shí)，則選擇合適轉(zhuǎn)彎環(huán)，將楔形量最大值放在油缸行程量最大處，以調(diào)整油缸行程差。

3)當(dāng)盾尾間隙和油缸行程差同時(shí)超出上限且二者趨勢(shì)吻合時(shí)，則以兩者中任一因素選擇合適轉(zhuǎn)彎環(huán)矯正，即可同時(shí)調(diào)整兩者變化趨勢(shì)。

4)當(dāng)盾尾間隙和油缸行程差同時(shí)超出上限且與二者趨勢(shì)相反時(shí)，則可能是前一環(huán)管片選擇不當(dāng)或糾偏過(guò)急，宜在下一環(huán)或下兩環(huán)選擇標(biāo)準(zhǔn)環(huán)拼裝，以進(jìn)一步觀察二者發(fā)展趨勢(shì)(理論上講其中一者必定會(huì)得到糾正)，然后根據(jù)二者實(shí)時(shí)情況按照前述四條原則選擇合適的管片進(jìn)行糾偏。

理論上講，需要調(diào)整某方位的楔形量時(shí)，左右轉(zhuǎn)彎環(huán)均可以達(dá)到同樣的目的，只是K塊的點(diǎn)位正好對(duì)稱于隧道中心線。為方便現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)管片選型，可以使用如下“左右手定則”:左右手分別代表左、右轉(zhuǎn)彎環(huán)，伸開五指，掌心向自己，如果拇指指向K塊中心位置，則四指所指方向則為該轉(zhuǎn)彎環(huán)最大楔形量所在位置。

3 姿態(tài)控制

為使盾構(gòu)機(jī)持續(xù)保持較好姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，操作人員需全程做到勤調(diào)整編組油缸推力、小幅度勤糾偏，必須使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)保持在±50 mm之間。推進(jìn)的過(guò)程就是一直糾偏的過(guò)程，在直線段建立垂直 ±25 mm、水平±30 mm的報(bào)警機(jī)制，超出該警戒值，需及時(shí)做出正確的糾偏反應(yīng)。

根據(jù)本工程不同地質(zhì)和不同曲線段的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施如下。

1)盾構(gòu)姿態(tài)在垂直方向上出現(xiàn)過(guò)大下沉(即超出-50 mm)時(shí):放慢掘進(jìn)速度，逐步加大下部油缸推力，以增大下部區(qū)域與上部區(qū)域油缸的行程差;將趨勢(shì)(指操作儀表上的盾構(gòu)趨勢(shì))調(diào)整到4后，以該趨勢(shì)推進(jìn)，如果在2環(huán)后的糾偏量仍不能抬高盾構(gòu)垂直姿態(tài)，則需要逐步加大趨勢(shì)，趨勢(shì)最大不得超過(guò)8 mm/m。

2)盾構(gòu)姿態(tài)在垂直方向上出現(xiàn)過(guò)大上浮(即超出50 mm)時(shí):逐步加大上部油缸推力，以增大上部區(qū)域與下部區(qū)域油缸的行程差;將趨勢(shì)調(diào)整到-2后，以該趨勢(shì)推進(jìn)，如果在2環(huán)后的糾偏量仍不能降低盾構(gòu)垂直姿態(tài)，則需要逐步加大趨勢(shì)，趨勢(shì)最大不得超過(guò)-4 mm/m。

3)盾構(gòu)姿態(tài)在水平方向出現(xiàn)過(guò)大左偏(即超出-50 mm)時(shí):放慢掘進(jìn)速度，逐步加大左邊油缸推力，以增大左部區(qū)域與右部區(qū)域油缸的行程差;將趨勢(shì)調(diào)整到3后，以該趨勢(shì)推進(jìn)，如果在2環(huán)后的糾偏量仍不能改善盾構(gòu)姿態(tài)，則需要逐步加大趨勢(shì)，趨勢(shì)最大不得超過(guò)6 mm/m。

4)盾構(gòu)姿態(tài)在水平方向出現(xiàn)過(guò)大右偏(即超出50 mm)時(shí):放慢掘進(jìn)速度，逐步加大右邊油缸推力，以增大右部區(qū)域與左部區(qū)域油缸的行程差;將趨勢(shì)調(diào)整到3后，以該趨勢(shì)推進(jìn)，如果在2環(huán)后的糾偏量仍不能改善盾構(gòu)姿態(tài)，則需要逐步加大趨勢(shì)，趨勢(shì)最大不得超過(guò)6 mm/m。

5)當(dāng)以上措施對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)改善不力時(shí)，可考慮開啟超挖刀，充分利用盾構(gòu)機(jī)最小自適應(yīng)曲線半徑的能力，以確保糾偏有充足的空間。

6)盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)方向?qū)嶋H上是處于曲線的切線上，因此，推進(jìn)的關(guān)鍵是確保對(duì)前盾的控制。由于曲線推進(jìn)盾構(gòu)環(huán)環(huán)都在糾偏，必須做到勤糾偏，而每次的糾偏量要盡量小。

7)盾構(gòu)糾偏時(shí)的注意事項(xiàng):①嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面平衡壓力，在盾構(gòu)穿越過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制切口平衡壓力，同時(shí)也必須嚴(yán)格控制與切口壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如推進(jìn)速度、總推力、出土量等，盡量減少平衡壓力值的波動(dòng);②嚴(yán)格控制盾構(gòu)糾偏量，在確保盾構(gòu)正面變形控制良好的情況下，使盾構(gòu)均衡勻速地施工，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過(guò)大、過(guò)頻，以減少盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管正確的管片選型在盾構(gòu)施工中至關(guān)重要，但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，管片選型只是被動(dòng)地適應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)，輔助調(diào)整盾構(gòu)前進(jìn)趨勢(shì)和姿態(tài)，而不能主動(dòng)決定盾構(gòu)姿態(tài)，盾構(gòu)姿態(tài)決定管片選型。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，應(yīng)合理使用推進(jìn)千斤頂編組，區(qū)域油壓差異不得過(guò)大，保證盾構(gòu)姿態(tài)與隧道軸線吻合。

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