城市超大直徑盾構(gòu)管片選型及姿態(tài)控制技術(shù)

李新龍（中鐵十五局集團有限公司，上海 200435）

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城市超大直徑盾構(gòu)管片選型及姿態(tài)控制技術(shù)

李新龍（中鐵十五局集團有限公司，上海 200435）

大盾構(gòu)的管片拼裝需要注意事項繁瑣，管片姿態(tài)控制復雜，對不同地層有不同的控制方法，隨著高鐵盾構(gòu)隧道的高標準、嚴要求、零誤差的控制理念。針對各個方面需要認真總結(jié)，科學指導、反復求證的心態(tài)，不斷的完善控制標準和精度要求。

管片；控制；技術(shù)

1　工程概況及地質(zhì)情況

廣深港客運專線ZH-4標隧道分為兩段：益田路隧道DK104+730～DK111+053；深港隧道DK111+987～DK115+929。其中益田路隧道盾構(gòu)段全長2546m，深港隧道盾構(gòu)段全長1404m，盾構(gòu)隧道均采用預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管片，管片外徑12.8m、壁厚50cm。

2　工程采用盾構(gòu)機

盾構(gòu)隧道采用海瑞克設(shè)計制造氣墊復合模式泥水加壓式平衡盾構(gòu)。該盾構(gòu)是一個具備多種功能于一體的綜合性設(shè)備，它集合了盾構(gòu)施工過程中的開挖、出土、支護、注漿、導向等全部的功能。

盾構(gòu)機刀盤直徑為13.23m，總重達3300t，總推力最大可達12000t，最大掘進速度為 50mm/min，刀盤最大轉(zhuǎn)速為3.2rap/min。

3　管片選型的意義

管片選型的意義：按預定方法、工序進行，符合設(shè)計預定要求；管片選型好壞擬合隧道軸線直接影響工程的進度、質(zhì)量、投資等。

4　管片的幾何尺寸及表外特性

工程盾構(gòu)隧道采用C50高性能耐腐蝕混凝土預制拼裝式管片襯砌，采用“6+2+1”雙面楔形通用環(huán)管片，錯縫拼裝。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑11.7m，外徑12.8m，環(huán)寬2m，楔形量為26mm。每環(huán)管片由一塊封頂塊（F）、兩塊鄰接塊（L1、L2）、6塊標準塊（B1～B6）等九塊構(gòu)成。管片縱橫向均采用直螺栓斜向連接（環(huán)縫設(shè)φ50mm定位榫，縱縫設(shè)φ50mm定位桿槽）。

圖1

每環(huán)管片存在26mm的楔形量，而封頂塊在每個螺栓孔位所產(chǎn)生的水平楔形量與豎直楔形量不同。需要通過調(diào)整封頂塊位置控制每環(huán)管片的水平楔形量和豎直楔形量對管片姿態(tài)進行調(diào)整，從而達到管片拼裝姿態(tài)與設(shè)計線路的擬合。

5　拼裝點位選擇考慮因素

5.1管片選型依據(jù)

管片選型的依據(jù)主要從以下幾個方面：盾構(gòu)機的姿態(tài)以及趨勢、油缸行程差、盾尾間隙、管片姿態(tài)與盾構(gòu)姿態(tài)對比分析、盾構(gòu)線路走向和楔形量的計算等。

5.2盾構(gòu)機的姿態(tài)以及趨勢

根據(jù)盾構(gòu)自動測量系統(tǒng)VMT上盾構(gòu)機的姿態(tài)以及盾構(gòu)司機下一步的掘進趨勢，可以整體判斷下一環(huán)管片封頂塊的方位，從盾構(gòu)姿態(tài)反應(yīng)出盾構(gòu)機的調(diào)整趨勢，根據(jù)調(diào)整趨勢中的調(diào)整量提前進行管片趨勢調(diào)整，封頂塊位置的變換來進行調(diào)整到與盾構(gòu)機趨勢線上。排列封頂塊的位置計算出楔形量之后符合盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)的差值在次進行調(diào)整糾偏。

5.3油缸行程差

在盾構(gòu)機不斷的調(diào)整姿態(tài)，通過調(diào)整不同的油缸壓力來控制盾構(gòu)機的方向，這樣油缸會出現(xiàn)不同的行程差值，當形成差值達到較大是應(yīng)及時靠管片的楔形量來彌補油缸行程差值，這時也是我們考慮管片封頂快的位置的依據(jù)之一，行程差值縮小時盾構(gòu)機可以從新調(diào)整盾構(gòu)機的方向，是盾構(gòu)機能夠按照設(shè)計的路線行走。

5.4盾尾間隙

盾尾間隙是選型考慮較多的一個因素。盾尾間隙的測量，在本環(huán)開始掘進和掘進完成后各測一次，分別是3點鐘，9點鐘，6點鐘和12點鐘四個方向。在拼裝管片過程中，還要注意每一塊管片與盾體之間的距離。與封頂塊相對的位置就是盾尾間隙相對較小的。標準的盾尾間隙是確定值，當上下左右的盾尾間隙一定是說明管片與盾構(gòu)的姿態(tài)是同步的，當姿態(tài)不同步是會出現(xiàn)盾尾刷的損壞甚至漏水、漏漿，對管片的止水條及洞內(nèi)環(huán)境造成破壞。

5.5管片姿態(tài)與盾構(gòu)姿態(tài)對比分析

管片姿態(tài)也是決定封頂塊位置的因素之一，當拼裝好的后方管片有較大的蛇形，這時不能將的封頂塊的位置放在擺動方向，而應(yīng)該放在擺動方向的兩側(cè)來減小應(yīng)力，從而使管片的姿態(tài)趨于平穩(wěn)，也要加強管片壁厚的注漿，穩(wěn)定管片。

5.6盾構(gòu)線路走向

盾構(gòu)線路的走向往往都是設(shè)計好的，轉(zhuǎn)彎半徑都是設(shè)計好的，我們在緩曲線甚至直線的時候就應(yīng)該提前做轉(zhuǎn)彎的準備，提前計算楔形量之后有步驟、有提前、有計劃的向左或向右轉(zhuǎn)，避免轉(zhuǎn)彎過大之后對管片拉傷拉壞等現(xiàn)象。

5.7楔形量的計算

管片楔形量的計算主要是符合以前的管片姿態(tài)從而總結(jié)經(jīng)驗，為以后的封頂塊位置選擇提供寶貴的經(jīng)驗，這樣的計算也是總結(jié)以前的管片與盾構(gòu)機姿態(tài)的差值，找出經(jīng)驗值對以后選型提供依據(jù)。

6　施工中常見問題及處理辦法

6.1封頂塊插入時容易擠傷自己或鄰接塊

封頂塊的順利插入是檢驗整環(huán)拼裝質(zhì)量的關(guān)鍵，如果封頂塊的順利插入代表預留的見間隙、拼裝縫控制的精準。產(chǎn)生問題的原因有：①人員的拼裝不精細，思想應(yīng)提前把封頂塊的位置預留出來；②拼裝機的旋轉(zhuǎn)力不能達到要求，縱縫未能拼裝到設(shè)計要求，以至于封頂塊的位置比較小，帶來插入困難而造成破損；③拼裝封頂塊的時封頂塊的姿態(tài)未調(diào)整到最佳的狀態(tài)，這樣會造成偏壓或偏擠，對封頂塊造成本身的損傷等原因。

6.2管片螺栓未能順利鎖緊

管片的螺栓是鏈接管片及增加整體剛度的，需要幾次的復緊才能達到我們的設(shè)計要求，當管片拼裝時螺栓孔未能較準備的對應(yīng)到位，會帶來長期螺栓未能正常鎖緊而失去作用，產(chǎn)生問題原因及處理有：①第一塊管片的拼裝時候未能正確對準，這樣會帶來次生的問題，一塊偏差1mm后，幾塊之后就不能將螺栓順利插入到位了，要保證每一塊管片的精度，這樣就會正常的螺栓安插到位。②預先要檢查螺栓孔位，避免雜物進入孔內(nèi)后不能緊固。

6.3在全斷面硬巖中管片穩(wěn)定和防止開裂

在全斷面硬巖中管片錯臺可以引起一系列的問題，如隧道漏水，管片開裂，盾尾刷的破壞等。如果防水條脫落或者錯臺較大，就會使相鄰管片的防水條的搭接不夠嚴謹，在地下水壓較大的情況下容易造成管片漏水；由于盾構(gòu)機的推力千斤頂直接作用在管片上，依靠管片的反作用力使盾構(gòu)機向前掘進，一旦管片發(fā)生較大的錯臺現(xiàn)象，就容易導致相鄰塊管片之間產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使管片邊緣（包括上下波動和左右波動）幅度過大，再加上管片形態(tài)的慣性作用，必然導致管片與盾尾之間的間隙不均勻，從而導致管片拼裝的困難，嚴重的還會發(fā)生管片崩角等問題。管片的錯臺基本上發(fā)生在脫出盾尾以后，導致上下盾尾間隙不均勻，對盾尾刷擠壓損壞，可能導致盾尾漏漿，影響管片的拼裝以及防水條的質(zhì)量，在推進過程中要時刻觀察，如漏漿要及時打盾尾油脂密封。對此類顯現(xiàn)從以下幾個方面避除：①調(diào)整漿液配比、改善漿液質(zhì)量。通過大量的實驗，在砂漿中添加硅灰、抗分散劑等材料，改善漿液質(zhì)量，提高漿液的抗分散性、和易性、可注性，增加漿液的早期強度和縮短初凝時間；②雙液漿封閉環(huán)，固定管片。每五環(huán)采用雙液漿對管片進行封閉，形成封閉環(huán)，減少漿液流失并有效的固定了管片；③對管片頂部120°范圍，采用雙液漿跟進注漿；④在管片頂部120°范圍，管片背千斤頂面增加2mm后丁晴軟木橡膠襯墊，來彌補凹凸榫槽設(shè)計的瑕疵，增大管片環(huán)縫的間隙。

6.4管片破碎原因及解決辦法

管片破碎原因有以下幾個方面：①搬運和堆放時造成的破碎。在搬運、堆放過程中的碰磕，經(jīng)常導致在碰磕位置處產(chǎn)生小塊破裂。②拼裝時，由于管片環(huán)面之間及相鄰兩塊管片間接觸面達不到理想的平行狀態(tài)，使得預制管片的角部先受力而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致管片角部破碎。③封頂塊安插時，由于標準和鄰接塊安裝的管片標準不夠，兩塊鄰接塊間預留的間隙太小，把封頂塊強行安裝，導致角部或整體受損。④由于管片盾尾間隙管片外弧與盾體的各距離不均等，造成管片中心軸線與盾構(gòu)機中心軸線成角度，在掘進過程中擠壓管片邊或角造成損壞。⑤襯砌管片成圓度不標準，造成原因多種，其中預制質(zhì)量、安裝質(zhì)量和片縫之間有雜物等，在受集中應(yīng)力過大的部位造成管片破損。⑥推進時管片受力不均勻，盾構(gòu)掘進過程中由油缸的千斤頂通過油缸撐靴傳力到管片環(huán)面，當油缸撐靴與管片環(huán)面成角度后，受力不均造成管片破損。⑦同步注漿漿量分布不合理，盾構(gòu)掘進過程中同步注漿如果分布不均勻造成個別點位受到漿液的擠壓造成偏壓，通過盾尾間隙直接體現(xiàn)出來，盾尾間隙偏移造成管片受損。同時隨著盾構(gòu)震動等因素，壁后的漿液在未凝固狀態(tài)下向下流動造成底部漿液過多形成管片上浮趨勢，造成管片破損。

預防措施有以下幾個方面：

（1）拼裝前清理前一環(huán)管片上的雜物，保證環(huán)面清潔、接觸面無雜物。

（2）拼裝時保證襯砌環(huán)圓度，每塊與每塊不錯位。推進油泵的伸縮順序應(yīng)與管片拼裝順序一致。

（3）封頂塊安插前，實測兩鄰接塊間間距，實測值控制在比設(shè)計值稍大，確保安裝封頂塊。

（4）在盾構(gòu)掘進過程中，通過各種外界地質(zhì)條件是，施工參數(shù)發(fā)生不斷的變化，在經(jīng)過不斷的變化過程中，盾構(gòu)機中軸線與管片中軸線必須高度保持一致，通過調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)過程來擬合。

（5）轉(zhuǎn)彎或豎曲線掘進是提前擬合盾構(gòu)趨勢和管片趨勢，并保證拼裝環(huán)和前一環(huán)的坡度一致，控制每環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)的偏移量，減少管片錯臺現(xiàn)象。

（6）掘進前檢查油缸撐靴與管片環(huán)面的接觸關(guān)系，如發(fā)現(xiàn)成角度及時伸縮控制好平面接觸，調(diào)整不到位可采用輔助方木等措施。

（7）同步注漿時，控制好各分區(qū)的注漿量和注漿壓力，通過壓力控制注漿量，當壓力達到設(shè)計壓力后等待掘進空間后再注漿。在地層自穩(wěn)性較好的情況下，減少盾構(gòu)底部注漿量，加大頂部注漿量，比較二次注漿，確保頂部注漿飽滿。當掘進轉(zhuǎn)彎半徑較大的線路是必要情況下可以加大一側(cè)的注漿量，控制盾構(gòu)機走向，提供必需的反力。

7　結(jié)論

管片選型要根據(jù)多方面因素平衡選型，施工中控制要點根據(jù)原因進行具體分析，對大盾構(gòu)管片姿態(tài)精確控制要考慮提前量，控制在標準范圍內(nèi)。拼裝時對動態(tài)的控制一定要形成流水線，隨著盾構(gòu)施工過程中的普及化我們國家對盾構(gòu)施工管片規(guī)范越來越正規(guī)，相信在不久的將來會管片拼裝越來越規(guī)范。

［1］鐵道部《鐵路技術(shù)標準》（JTGB01-2003）.北京：人民交通出版社.

［2］劉建航，等編著.盾構(gòu)法隧道.北京：中國鐵道出版社，1997.

［3］中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.《福田站及相關(guān)工程設(shè)計圖》.

李新龍（1988-），男，漢族，黑龍江鶴崗人，畢業(yè)于石家莊鐵道學院。

U455.43

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2095-2066（2016）17-0200-02

2016-5-20