超大直徑盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)研究

溫竹菌

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)

超大直徑盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)研究

溫竹菌

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)

以上海市北橫通道的具體工程實施為背景,從設(shè)計與施工兩方面對超大直徑小半徑曲線盾構(gòu)隧道的相關(guān)技術(shù)進行研究,解決小半徑曲線盾構(gòu)隧道中所出現(xiàn)的技術(shù)難題。

盾構(gòu)隧道；超大直徑盾構(gòu)；小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)

0 引言

隨著城市的發(fā)展,地面交通擁堵問題日益嚴(yán)重,修建城市地下道路是解決交通問題的重要舉措。為了減少隧道施工期間對地面道路交通和建構(gòu)筑物的影響,超大直徑盾構(gòu)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于地下道路隧道。而在城市中心區(qū),為了避讓周邊密集建構(gòu)筑物,盾構(gòu)采用小半徑曲線轉(zhuǎn)彎的需求也越來越大。

盾構(gòu)隧道受盾構(gòu)設(shè)備的限制,轉(zhuǎn)彎半徑不可能太?。煌瑫r從已建的盾構(gòu)隧道的建成質(zhì)量來看,在小半徑轉(zhuǎn)彎段隧道管片更易出現(xiàn)開裂滲漏等現(xiàn)象。在這樣的背景下,對超大直徑盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)研究的需求日益強烈,本文擬以上海市北橫通道為工程背景,從盾構(gòu)機設(shè)備選型、隧道的縱向受力分析、管片的構(gòu)造措施、防水措施等方面開展研究,以提出相應(yīng)的設(shè)計、施工方案,力求有效地緩解小半徑轉(zhuǎn)彎引起的不利影響,為今后此類項目建設(shè)提供經(jīng)驗。

1 工程背景

北橫通道是上海正在實施的一條北部的東西向主干道,工程西起北虹路,東至內(nèi)江路,貫穿上海中心城區(qū),全長約19.1 km(見圖1)。北橫通道采用高架、明挖隧道與盾構(gòu)隧道相結(jié)合的布置方式。其中西段采用直徑為15 m的盾構(gòu)隧道由西向東行進約6 km,沿線穿越蘇州河、軌道交通、密集的建筑群。為了避讓地下建構(gòu)筑物、盡量減少對相鄰地塊的影響,隧道近一半?yún)^(qū)域采用了轉(zhuǎn)彎半徑小于600 m的線形,其中最小轉(zhuǎn)彎半徑僅500 m,為國內(nèi)類似大直徑盾構(gòu)小轉(zhuǎn)彎半徑之最。

2 盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎引起的不利影響

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》(GB50446-2008)中的定義：盾構(gòu)隧道曲線小于40D(D為盾構(gòu)外徑)的為小半徑曲線。當(dāng)盾構(gòu)直徑達到15 m時,轉(zhuǎn)彎半徑小于600 m即為小半徑曲線。超大直徑盾構(gòu)在小半徑曲線上推進主要存在如下問題。

2.1 糾偏量大,軸線控制困難

由于盾構(gòu)機本身為直線形剛體,圓曲線段掘進只能形成一段連續(xù)的折線來擬合圓弧曲線。為了使盾構(gòu)隧道軸線與設(shè)計軸線相吻合,掘進過程中需要進行連續(xù)糾偏。轉(zhuǎn)彎半徑越小,盾構(gòu)機直徑越大,擬合困難就越大,掘進單位距離的糾偏量也越大,因此其軸線控制更為困難。

2.2 管片容易出現(xiàn)拼裝質(zhì)量問題

線路轉(zhuǎn)彎弧度大,需要左、右側(cè)推進油缸形成一個較大的推力差才能滿足盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎要求,致使姿態(tài)調(diào)整的推力可調(diào)范圍變小,從而增加了拼裝質(zhì)量控制難度,使得該區(qū)段管片出現(xiàn)崩缺、錯臺等質(zhì)量問題的幾率增大。

2.3 地面沉降增加

在小半徑曲線段由于盾構(gòu)機的超挖、糾偏量大,對土體的擾動也大,增加了土體損失率,使得地面沉降增加。此外由于小半徑曲線段管片拼裝質(zhì)量不高,易造成管片接縫漏水,更加加劇了地面的沉降。

針對上述問題,下面將從盾構(gòu)機設(shè)備選型、隧道的縱向受力分析、管片的構(gòu)造措施、防水措施等方面進行綜合分析,來有效地緩解小半徑轉(zhuǎn)彎引起的不利影響。

圖1 北橫通道盾構(gòu)段平縱斷面圖

3 盾構(gòu)設(shè)備選型與配置

在曲線段,由于常規(guī)盾構(gòu)機本身為直線形剛體,不能與曲線完全擬合,需要使掘進路徑成為一段段連續(xù)的折線,為了使得折線與急曲線接近吻合,掘進施工時需連續(xù)糾偏。曲線半徑越小,盾構(gòu)機越長,則糾偏量越大。因此在小半徑曲線隧道施工時,更多傾向于采用具有鉸接裝置的盾構(gòu)機。通過在盾構(gòu)機的中部增加鉸接裝置減小盾構(gòu)機固定段長度,可更好地控制曲線隧道的施工軸線,提高盾構(gòu)機的糾偏靈敏度。帶鉸接與不帶鉸接盾構(gòu)對比表如表1所列。

表1 盾構(gòu)機對比表

由于北橫通道小半徑區(qū)段施工環(huán)境保護要求高,沿線穿越了大量的建筑物和軌道交通,且?guī)сq接的盾構(gòu)機具有超挖量少、對周邊環(huán)境擾動小等優(yōu)點,實施效果相對較好,因此推薦采用帶鉸接的盾構(gòu)機進行施工。

4 小半徑盾構(gòu)隧道縱向受力分析

盾構(gòu)隧道平面曲線半徑小時,在盾構(gòu)推進過程中為了實現(xiàn)盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)彎需要施加不均等的千斤頂推力,此時會在隧道縱向產(chǎn)生附加彎矩,通過對盾構(gòu)推進附加彎矩的計算對管片結(jié)構(gòu)設(shè)計進行復(fù)核。圖2為小半徑曲線附加彎矩計算示意圖。

圖2 小半徑管片縱向受力計算模型示意圖

計算中根據(jù)現(xiàn)有15 m外徑隧道盾構(gòu)機施工經(jīng)驗,縱向千斤頂分為19組,每組的最大推力約為10 000 kN,在小半徑曲線段,推力取為最大推力的80%,力的偏心距取為5 m。在隧道的覆土厚度為30 m、隧道外徑D=15 m、厚度t=650 mm、千斤頂推力P=16×104kN,偏心距e=5 m的條件下,管片所受的彎矩與軸力情況如圖3和圖4所示。

圖3 彎矩分布圖

圖4 軸力分布圖

通過采用有限元數(shù)值模型對“S“曲線段進行的模擬分析,結(jié)果表明在極限偏心荷載作用下(19組千斤頂,每組最大推力10 000 kN),在管片采用C60混凝土?xí)r,可滿足管片的受力要求。但還需要通過增加隧道縱向剛度和環(huán)間抗剪能力,來有效地控制襯砌環(huán)在小半徑轉(zhuǎn)彎區(qū)段的錯臺與接縫張開情況。

5 隧道的構(gòu)造設(shè)計

在小半徑急曲線的施工條件下對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響主要有兩點：一是導(dǎo)致管片破損、開裂現(xiàn)象加??；二是容易導(dǎo)致管片接縫滲漏增加。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計著重從以上兩點考慮,采取相應(yīng)構(gòu)造措施避免或減輕上述情況的發(fā)生。

5.1 減小環(huán)寬

管片環(huán)寬的選擇與線路曲線半徑、楔形量的設(shè)置等密切相關(guān)。通常,確定楔形量具有一定的經(jīng)驗性,應(yīng)考慮管片種類、環(huán)寬、直徑、曲線半徑、管片制作的方便性、盾尾操作空隙等因素綜合確定。日本規(guī)定管片環(huán)外徑與楔形量的關(guān)系如表2所列。

表2 楔形量與管片外徑的關(guān)系一覽表

從上海地區(qū)已建大直徑盾構(gòu)隧道管片楔形量統(tǒng)計圖(見圖5)可見,楔形量集中在40 mm左右,最大達到80 mm。

圖5 上海已建隧道管片楔形量統(tǒng)計圖

針對北橫通道工程線路情況,可能的管片環(huán)寬組合如表3所列。

從表3可見,采用2 m+1.5 m環(huán)寬組合比較經(jīng)濟合理,該方案的拼裝機真空吸盤的位置也不需調(diào)整,較有利于施工。管片環(huán)寬及楔形量的選用情況參見表4所列。

5.2 增強環(huán)間抗剪能力

小半徑區(qū)段,由于存在側(cè)向分力,會導(dǎo)致管片錯臺過大,容易導(dǎo)致連接螺栓承受過大的剪切力,從而使螺栓孔附近管片混凝土出現(xiàn)裂縫,同時盾構(gòu)機在小半徑轉(zhuǎn)彎區(qū)段的持續(xù)糾偏過程也易引起接縫張開量增加,導(dǎo)致管片接縫漏水,這對隧道結(jié)構(gòu)耐久性及防水極為不利。

為了提高管片環(huán)間的抗剪能力,在環(huán)間設(shè)置剪力銷(見圖6)。除封頂塊在背千斤頂面和迎千斤頂面各設(shè)置1個剪力銷孔外,其余每塊均在背千斤頂面和迎千斤頂面各設(shè)置2個剪力銷孔,每環(huán)共設(shè)置19個剪力銷。

5.3 加強縱向連接

對于管片縱向剛度的提高,一般有三種方法：一是通過螺栓將聯(lián)系槽鋼與管片的預(yù)留注漿孔進行連接；二是在管片內(nèi)設(shè)置縱向拉緊的預(yù)埋鋼板,管片拼裝完成后,將環(huán)與環(huán)之間的預(yù)埋鋼板再以鋼板焊接連接；三是在每個剪力銷預(yù)留孔兩側(cè)對稱布置2個預(yù)緊力預(yù)留孔,在預(yù)緊力裝置預(yù)留孔內(nèi)設(shè)置雙頭螺柱并施加預(yù)緊力,從而提高隧道的整體縱向剛度及抗剪能力,改善管片的整體受力狀態(tài)。

表3 管片環(huán)寬組合方式一覽表

表4 管片環(huán)寬及楔形量選用表

圖6 剪力銷設(shè)計圖

上述三種方法中,安裝預(yù)緊裝置對增強管片的縱向整體剛度最為有效(見圖7),且施工方便,因此在小半徑區(qū)域里均考慮采用。

圖7 預(yù)緊裝置安裝示意圖

5.4 環(huán)縫構(gòu)造和角部加強措施

小半徑曲線掘進時,轉(zhuǎn)彎處的外側(cè)千斤頂推力最大,內(nèi)側(cè)千斤頂推力最小,為避免受力不均勻引發(fā)混凝土邊緣應(yīng)力集中而造成邊角破損,在迎千斤頂環(huán)面的千斤頂頂塊位置局部設(shè)4 mm凸面(見圖8)。

圖8 環(huán)縫構(gòu)造圖

在小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段,管片角部素混凝土處易發(fā)生碎裂,在角部采用鋼筋網(wǎng)片進行加強,避免碎裂的產(chǎn)生。

5.5 增設(shè)注漿孔

在常規(guī)管片中,注漿孔的設(shè)置為每塊管片設(shè)置1個注漿孔,每環(huán)管片共10個注漿孔。小半徑轉(zhuǎn)彎段在隧道施工中盾構(gòu)超挖量增大,需及時多點2次注漿。所以在小半徑區(qū)段所采用的1.5 m 環(huán)寬管片上增設(shè)了注漿孔,除封頂環(huán)外其余各塊管片采用2個注漿孔,每環(huán)管片共設(shè)19個注漿孔。

6 加強施工控制

6.1 嚴(yán)格控制盾構(gòu)的推進速度

推進時,速度應(yīng)控制在1～2 cm/min,既可以避免因推力過大而引起的側(cè)向壓力的增大,又能減小盾構(gòu)推進過程中對周圍土體的擾動。

6.2 嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面平衡壓力

嚴(yán)格控制與盾構(gòu)正面平衡壓力有關(guān)的施工參數(shù),如推進速度、總推力、實際土壓力圍繞設(shè)定土壓力波動的差值等。防止過量超挖、欠挖,盡量減少平衡壓力的波動。

6.3 嚴(yán)格控制同步注漿及二次注漿的注漿量和漿液質(zhì)量

由于曲線段推進增加了地層的損失量,糾偏次數(shù)的增加導(dǎo)致了對土體擾動的增加。因此,在曲線段推進時,應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量,在施工過程中采用推進和注漿聯(lián)動的方式,確保每環(huán)注漿總量到位。同步注漿及二次注漿的漿液采用雙液漿,以便在較短時間內(nèi)將建筑空隙填滿并達到一定強度,并與原狀土共同作用,有效地減小管片因受側(cè)向壓力影響而在建筑空隙范圍內(nèi)向弧線外側(cè)的偏移量。

6.4 盾尾與管片間的間隙控制

小半徑曲線段內(nèi)的管片拼裝至關(guān)重要,而影響管片拼裝質(zhì)量的一個關(guān)鍵問題是管片與盾尾間的間隙。合理的周邊間隙既便于管片拼裝,也便于盾構(gòu)進行糾偏。

(1)施工中隨時關(guān)注盾尾與管片間的間隙,一旦發(fā)現(xiàn)單邊間隙偏小時,應(yīng)及時通過盾構(gòu)推進方向進行調(diào)整,使得四周間隙基本相同。

(2)在管片拼裝時,應(yīng)根據(jù)盾尾與管片間的間隙進行合理調(diào)整,以便于下環(huán)管片的拼裝,也便于在下環(huán)管片推進過程中盾構(gòu)能夠有足夠的間隙進行糾偏。

6.5 盾構(gòu)推進軸線預(yù)偏

在盾構(gòu)掘進過程中,管片在承受側(cè)向壓力后將向弧線外側(cè)偏移。為了使隧道軸線最終偏差控制在允許的范圍內(nèi),在盾構(gòu)掘進時,可考慮給隧道預(yù)留一定的偏移量。預(yù)偏量需根據(jù)理論計算和相關(guān)施工實踐經(jīng)驗綜合分析來確定。

6.6 盾構(gòu)測量與姿態(tài)控制

小半徑曲線段推進時,應(yīng)適當(dāng)增加隧道測量的頻率,通過多次測量來確保盾構(gòu)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時,可以通過測量數(shù)據(jù)來反饋盾構(gòu)機的推進和糾偏。在施工時,如有必要可實施跟蹤測量,促使盾構(gòu)機形成良好的姿態(tài)。

6.7 加強螺栓復(fù)緊

每環(huán)推進結(jié)束后,須擰緊當(dāng)前環(huán)管片的連接螺栓,并在下環(huán)推進時進行復(fù)緊,克服作用于管片上的推力所產(chǎn)生的分力,減少成環(huán)隧道偏移。

7 結(jié)論

針對小半徑實施的特點及存在的問題,可有針對性地考慮采取如下幾個方面措施：

(1)小半徑轉(zhuǎn)彎段施工推薦采用鉸接式盾構(gòu),以提高盾構(gòu)機的糾偏靈敏度,減少對周邊地層的擾動。

(2)通過采用有限元數(shù)值模擬分析,在千斤頂?shù)臉O限偏心荷載作用下,采用C60高強混凝土可滿足管片的局部受壓要求。但還需要通過增加隧道縱向剛度和環(huán)間抗剪能力,來有效地控制襯砌環(huán)在小半徑轉(zhuǎn)彎區(qū)段的錯臺與接縫張開情況。

(3)設(shè)計上可考慮減小管片環(huán)寬及相應(yīng)調(diào)整楔形量,以減小側(cè)向分力及管片中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。并通過設(shè)置縱向拉緊措施,增加隧道縱向剛度,為盾構(gòu)推進過程中提供足夠的反力,減小隧道向圓弧外側(cè)的偏移量。

(4)施工中主要控制好糾偏量、推進速度、泥水壓力、注漿量等施工參數(shù),并注意控制好管片與盾尾間的間隙、設(shè)置一定的預(yù)偏量及加強螺栓復(fù)緊等,以減少小半徑施工帶來的不利影響。

(5)結(jié)合信息化施工， 及時通過監(jiān)測的反饋信息調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)， 能有效地減少對周邊環(huán)境的影響,避免施工偏差。

U455.43

A

1009-7716(2015)09-0210-05

2015-06-05

上海市科委科研項目(12231201002)

溫竹菌(1975-),女,廣西南寧人,碩士研究生,高級工程師,從事隧道工程設(shè)計研究工作。