超深覆土條件下盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎的施工技術(shù)研究

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號(hào)線26標(biāo)段復(fù)興島站—利津路站區(qū)間存在多區(qū)段長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)彎半徑不大于350 m的小半徑曲線段，圓曲線段隧道縱坡為3％，曲線段隧道覆土深度由淺至深逐漸達(dá)到36 m，盾構(gòu)穿越的主要土層為⑥層硬土層，⑦1、⑦2層砂性土承壓含水層。

2 超深覆土下盾構(gòu)小半徑推進(jìn)施工難點(diǎn)[1-4]

2.1 總推力計(jì)算分析

以復(fù)興島站—利津路站區(qū)間隧道為例，隧道最大覆土深度約為36 m，隧道最大中心埋深約為39 m，該位置理論土壓力約為0.5 MPa。以盾構(gòu)機(jī)位于該深度為計(jì)算模型計(jì)算總推力。

盾構(gòu)機(jī)總推力由盾構(gòu)外壁周邊與土體之間的摩阻力或粘結(jié)阻力、切口環(huán)貫入阻力、工作面正面阻力、管片與盾尾之間的摩擦力、后方臺(tái)車牽引阻力等5 個(gè)部分組成。

通過對(duì)盾構(gòu)總推力各組成部分進(jìn)行計(jì)算，可以得知當(dāng)隧道覆土達(dá)到30～36 m時(shí)，盾構(gòu)機(jī)總推力約40 000 kN。其中，正面阻力占44％，側(cè)摩阻力占50％，與常規(guī)覆土深度盾構(gòu)推進(jìn)總推力相比較，由于覆土厚度的增加，側(cè)摩阻力增長(zhǎng)較大。

通過對(duì)正面阻力進(jìn)行計(jì)算分析，土壓力每上升0.1 MPa，總推力僅增加3 000 kN，故如因?yàn)槌罡餐量偼屏^大而降低正面土壓力，以此來降低總推力，效果十分有限，且容易引起盾構(gòu)姿態(tài)的惡化。

故盾構(gòu)機(jī)在考慮減小總推力的措施時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮減小側(cè)摩阻力的措施。

2.2 難點(diǎn)分析

本工程所選用的盾構(gòu)機(jī)為Φ6 360 mm石川島，專門針對(duì)超深覆土隧道施工設(shè)計(jì)制造，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段已考慮到超深覆土工況下總推力過大的情況，將單個(gè)千斤頂?shù)耐屏某Ｒ?guī)的2 000 kN提高到3 000 kN，共有16 個(gè)千斤頂，總推力達(dá)到48 000 kN。

但是在實(shí)際施工中，總推力仍舊達(dá)到設(shè)計(jì)總推力的83.3％，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段通過油壓糾偏時(shí)千斤頂總推力不足，出現(xiàn)區(qū)域油壓并壓的情況，影響盾構(gòu)機(jī)的糾偏能力。

若長(zhǎng)期連續(xù)多環(huán)出現(xiàn)上述情況，會(huì)導(dǎo)致隧道實(shí)際軸線偏離設(shè)計(jì)軸線，影響成型隧道的質(zhì)量。

3 小半徑轉(zhuǎn)彎糾偏量計(jì)算[5-8]

盾構(gòu)機(jī)在圓曲線段施工時(shí)，對(duì)圓曲線段長(zhǎng)度進(jìn)行幾何分析。圓曲線段由每段長(zhǎng)度為1.2 m的弧長(zhǎng)組成，即盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)1 環(huán)長(zhǎng)度為1.2 m。每完成1 環(huán)后，盾構(gòu)方位角發(fā)生變化，如圖1所示。

故盾構(gòu)機(jī)每一環(huán)的糾偏角度即為方位角J與方位角I的夾角θ。通過計(jì)算得到盾構(gòu)機(jī)每環(huán)糾偏角度，利用三角函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算得到盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)每一環(huán)的左、右千斤頂伸出行程差（圖2）。

圖1 每環(huán)糾偏量計(jì)算

圖2 每環(huán)糾偏量計(jì)算

小半徑圓曲線段盾構(gòu)機(jī)糾偏量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 小半徑圓曲線段盾構(gòu)機(jī)糾偏量計(jì)算表

4 盾構(gòu)機(jī)糾偏方法

4.1 合理設(shè)定千斤頂分區(qū)

本工程所使用盾構(gòu)機(jī)總推力48 000 kN，共有16 個(gè)千斤頂，劃分為4 個(gè)區(qū)域，上區(qū)5個(gè)千斤頂、下區(qū)5 個(gè)千斤頂、左區(qū)3 個(gè)千斤頂、右區(qū)3 個(gè)千斤頂。上、下區(qū)總推力均為15 000 kN，左、右區(qū)總推力均為9 000 kN。

根據(jù)上一節(jié)糾偏量計(jì)算，小半徑轉(zhuǎn)彎施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)左、右區(qū)千斤頂每一環(huán)必須拉出一定行程差，方可確保盾構(gòu)機(jī)前行在設(shè)計(jì)軸線上。根據(jù)原有分區(qū)，左、右區(qū)千斤頂推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上、下區(qū)千斤頂推力，盾構(gòu)機(jī)左、右轉(zhuǎn)彎的靈活性不足，往往無法推出要求的行程差，導(dǎo)致隧道軸線超出規(guī)范要求。

為滿足盾構(gòu)機(jī)左、右小半徑轉(zhuǎn)彎的需求，千斤頂分區(qū)需重新調(diào)整，如圖3所示?？紤]到盾構(gòu)自重影響，下區(qū)千斤頂推力應(yīng)大于上區(qū)千斤頂壓力，故將上區(qū)2 個(gè)千斤頂分別調(diào)整至左、右區(qū)。上區(qū)總推力調(diào)整為9 000 kN，左、右區(qū)總推力分別調(diào)整為12 000 kN，盾構(gòu)機(jī)左、右轉(zhuǎn)彎靈活度大大增加。

圖3 千斤頂分區(qū)調(diào)整示意

4.2 區(qū)域油壓糾偏方法

經(jīng)過計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)在本工程工況下總推力將達(dá)到40 000 kN，在采取一系列減小總推力的措施后，總推力可降至30 000 kN，為額定總推力的62.5％，盾構(gòu)機(jī)有一定余力進(jìn)行分區(qū)油壓調(diào)節(jié)和糾偏操作。但是，設(shè)定分區(qū)油壓時(shí)，如若設(shè)定不當(dāng)，仍舊會(huì)出現(xiàn)并壓狀況，這就要求在設(shè)定調(diào)節(jié)分區(qū)油壓時(shí)，必須更加精細(xì)化，確保在能推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的同時(shí)，能夠滿足小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)每環(huán)的糾偏量。

在進(jìn)行油壓設(shè)定時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照理論計(jì)算的總推力進(jìn)行設(shè)定，并形成一套設(shè)定、調(diào)整的流程，以本工程總推力30 000 kN、左轉(zhuǎn)彎圓曲線段為例：

（a）在小半徑轉(zhuǎn)彎施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)以左右糾偏為主，應(yīng)先調(diào)整左右油壓。極限狀態(tài)下，右區(qū)油壓設(shè)為30 MPa，左區(qū)油壓設(shè)定為10 MPa，千斤頂額定油壓為34.3 MPa，單個(gè)千斤頂最大推力3 000 kN。根據(jù)千斤頂壓力換算，右區(qū)推力為10 496 kN，左區(qū)推力為3 499 kN。

（b）左、右區(qū)千斤頂壓力設(shè)置完成后，對(duì)上、下區(qū)千斤頂壓力進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合左、右區(qū)的推力計(jì)算，上、下區(qū)總推力需達(dá)到16 006 kN后，方可滿足推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的條件。

為避免因盾構(gòu)機(jī)自重導(dǎo)致磕頭，在上、下區(qū)千斤頂壓力設(shè)置時(shí)，一般下區(qū)推力大于上區(qū)推力，下區(qū)壓力設(shè)置區(qū)間為20～26 MPa，再反算得到上區(qū)壓力，如表2所示。

每次設(shè)置、調(diào)整千斤頂壓力時(shí)，根據(jù)糾偏需要確定3 個(gè)分區(qū)壓力后，可計(jì)算得到第4個(gè)分區(qū)的壓力，可確保總推力滿足要求，有效避免并壓的情況。

表2 上、下區(qū)千斤頂壓力設(shè)置表

4.3 停千斤頂糾偏方法

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)總推力繼續(xù)增大后，通過區(qū)域油壓調(diào)節(jié)時(shí)如若部分分區(qū)壓力小于5 MPa，即無法滿足總推力的要求時(shí)，千斤頂實(shí)際未產(chǎn)生推力，此時(shí)可選擇采用暫停部分千斤頂、其余千斤頂壓力全部釋放的方式進(jìn)行糾偏，能夠達(dá)到立竿見影的效果，以右轉(zhuǎn)彎為例，通過將右上區(qū)域5 個(gè)千斤頂暫停，把盾構(gòu)機(jī)的推力中心調(diào)整至左下方，可以達(dá)到保證盾構(gòu)機(jī)在不磕頭的情況下，使盾構(gòu)機(jī)向右轉(zhuǎn)彎（圖4）。在該工況下，共有11 個(gè)千斤頂為工作狀態(tài)，在每個(gè)千斤頂都能達(dá)到額定推力的情況下，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)總推力可達(dá)到33 000 kN。

圖4 暫停部分千斤頂示意

5 管片貼片計(jì)算

在盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎施工中，由于盾構(gòu)機(jī)左、右區(qū)千斤頂推力的設(shè)定差異大，造成管片左、右段受力不一致。例如在右轉(zhuǎn)彎時(shí)，管片左端受到的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右端所受到的推力，不均勻的受力會(huì)使得管片軸線逐漸偏向圓弧外側(cè)，漸漸跟不上設(shè)計(jì)軸線，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)在持續(xù)糾偏的情況下，盾構(gòu)機(jī)左右行程差越拉越大，盾構(gòu)機(jī)與管片夾角也會(huì)越來越大，極易引發(fā)盾尾間隙過小、外弧面碎裂等一系列質(zhì)量問題。

所以在小半徑轉(zhuǎn)彎施工時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)糾偏的同時(shí)，同樣需考慮管片的糾偏，通過貼片使管片的軸線接近設(shè)計(jì)軸線。我們通過分析設(shè)計(jì)軸線、盾構(gòu)機(jī)、管片三者的相對(duì)關(guān)系，來確定合理的貼片方式。

（a）第一步，分析設(shè)計(jì)軸線與盾構(gòu)機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，通過每一環(huán)的盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)來計(jì)算：設(shè)計(jì)軸線與盾構(gòu)機(jī)夾角X‰=（切口左右偏差－盾尾左右偏差）/盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度；

（b）第二步，分析盾構(gòu)機(jī)與管片的相對(duì)位置關(guān)系，通過左、右千斤頂推進(jìn)時(shí)的行程差進(jìn)行計(jì)算：盾構(gòu)機(jī)與管片夾角Y‰=行程差/管片直徑；

（c）第三步，計(jì)算設(shè)計(jì)軸線與管片的相對(duì)位置關(guān)系：設(shè)計(jì)軸線與管片夾角Z‰=X‰+Y‰。

我們需要通過在管片上貼片使端面成為楔形來減小設(shè)計(jì)軸線與管片間的夾角，通常采用厚4 mm或5 mm的貼片。每環(huán)糾偏角度（‰）=貼片厚度/管片直徑。通過分析設(shè)計(jì)軸線與管片的夾角以及貼片后每環(huán)糾偏角度，確定管片糾偏貼片方式，確定貼片環(huán)數(shù)時(shí)需考慮貼片材料在承受千斤頂推力時(shí)的壓縮量。

6 結(jié)語

針對(duì)超深覆土條件下的小半徑盾構(gòu)推進(jìn)施工，形成了一套調(diào)整千斤頂區(qū)域壓力的計(jì)算方法。通過對(duì)總推力及4 個(gè)分區(qū)千斤頂壓力的計(jì)算，可確定在不同土層、不同總推力的工況下最合理的區(qū)域壓力設(shè)定值，并判斷是否需要暫停部分千斤頂運(yùn)作，為施工人員進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)糾偏提供了理論依據(jù)。

對(duì)于小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)的管片糾偏，形成一套管片貼片計(jì)算方法，通過對(duì)設(shè)計(jì)軸線、盾構(gòu)軸線、管片軸線三者相對(duì)關(guān)系的計(jì)算，合理確定每環(huán)管片的貼片厚度，防止小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)隧道偏移。