降低大直徑盾構(gòu)小半徑曲線管片錯(cuò)臺(tái)率

劉堂

一、研究背景

珠海城際鐵路橫琴隧道1#井～灣仔北區(qū)間位于珠海市市區(qū)南灣大道，線路左側(cè)臨海，多為工業(yè)廠房。全長1.230km，雙洞單線，采用盾構(gòu)法施工。襯砌結(jié)構(gòu)為C50鋼筋混凝土預(yù)制管片，內(nèi)徑7700mm、外徑8500mm。每環(huán)管片由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊連接塊和1塊封頂塊7片管片組成。管片厚40cm,寬度1.6m，襯砌管片為通用管片，最大楔形量40mm。區(qū)間始發(fā)段設(shè)置半徑R=400m轉(zhuǎn)彎段；段縱斷面為下坡，最大坡度為15.7‰，隧道頂覆土厚度6.1m（＜1倍洞徑）～16.5m。

區(qū)間隧道右線采用一臺(tái)8.8m直徑海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。左線采用一臺(tái)鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。右線首先始發(fā)，始發(fā)段掘進(jìn)過程成型管片出現(xiàn)多處錯(cuò)臺(tái)。

二、大直徑小曲線淺埋盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)原因分析

工程在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)管片脫出盾尾后成型隧道管片拼裝質(zhì)量較差，出現(xiàn)多出錯(cuò)臺(tái)超過規(guī)范以及設(shè)計(jì)要求的范圍。應(yīng)結(jié)合地質(zhì)環(huán)境，人員、材料、設(shè)備、施工方案等多方面進(jìn)行分析。

1.管片受力分析

小半徑曲線地段的隧道軸線控制難度大，同時(shí)管片向外側(cè)扭曲而擠壓地層使地層和管片結(jié)構(gòu)均受到復(fù)雜的力影響，尤其管片拼裝是在盾尾內(nèi)有力束縛，拼裝完成后無錯(cuò)臺(tái)，待管片脫出盾尾后，管片束縛力突然釋放等原因最終導(dǎo)致已拼裝的襯砌管片錯(cuò)臺(tái)及滲漏水。

2.姿態(tài)控制分析

始發(fā)段位于半徑R=400m轉(zhuǎn)彎段，坡度為15.7‰下坡。由于地質(zhì)突變等原因盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線并達(dá)到管理警戒值；在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動(dòng)阻力小，可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)偏差；在線路變坡段或急彎段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大的偏差。掘進(jìn)過程中如果不及時(shí)進(jìn)行針對(duì)性糾偏，極易造成成型管片錯(cuò)臺(tái)。

3.注漿材料分析

原方案制定的漿液配比，現(xiàn)場試驗(yàn)，初凝時(shí)間在8小時(shí)左右。根據(jù)掘進(jìn)時(shí)間分析，管片在脫出盾尾時(shí)，相鄰幾環(huán)管片漿液還未達(dá)到初凝時(shí)間管片并未被“裹死”，掘進(jìn)過程中由于曲線段受力不均，導(dǎo)致管片破裂、錯(cuò)臺(tái)等出現(xiàn)。

4.盾構(gòu)機(jī)設(shè)備分析

舊盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段故障較多，對(duì)油缸的行程、盾構(gòu)的相關(guān)姿態(tài)參數(shù)，必須進(jìn)行復(fù)核、校正，避免因?yàn)樵O(shè)備本身數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)判斷的錯(cuò)誤，造成成型管片錯(cuò)臺(tái)。

三、降低大直徑小半徑淺埋盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)率的措施

1. 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)（姿態(tài)）的控制

（1）掘進(jìn)速度及推力的控制

曲線段掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制，在土層地段控制在20mm/min以內(nèi)為宜，在地層強(qiáng)度較大巖層控制在10mm/min以內(nèi)為宜?？刂频木蜻M(jìn)速值，不是一成不變的，需根據(jù)盾構(gòu)機(jī)所處地層情況、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、管片姿態(tài)等來進(jìn)行調(diào)整，要把掘進(jìn)總推力控制在1000t以內(nèi)。

管片的端面與盾構(gòu)機(jī)盾體斷面不處于完全平行狀態(tài)，存在一定的角度，在千斤頂推力作用下，產(chǎn)生側(cè)向分力，在襯砌管片脫出盾尾后，受到側(cè)向分力的影響，成環(huán)隧道會(huì)向圓弧外側(cè)偏移，若推力過大，會(huì)使隧道外側(cè)原狀土體產(chǎn)生塑性破壞，控制推力，使得外側(cè)土體處于彈性范圍內(nèi)。有利于控制側(cè)向分力的增加，減少對(duì)側(cè)向土體的干擾。

（2）曲線段軸線預(yù)偏

為了確保隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)在規(guī)范允許范圍內(nèi)給隧道預(yù)留一定的偏移量。將盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)曲線線路的割線方向掘進(jìn)，管片安裝時(shí)軸線位于設(shè)計(jì)軸線的內(nèi)側(cè)，使得管片脫出盾尾后受側(cè)向向外的力向弧線外偏移時(shí)留有預(yù)偏移量。

（3）掘進(jìn)過程中的糾偏

盾構(gòu)掘進(jìn)過程從微觀來講是一個(gè)“S”型糾偏的過程，每延米糾偏量控制在2～3mm，掘進(jìn)每環(huán)糾偏量控制在7mm以內(nèi)。盾構(gòu)掘進(jìn)方向偏角控制在5mm/m，當(dāng)處在曲線段時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的方向控制將比較困難特殊情況下不超過10mm/m，否則盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎過急易導(dǎo)致盾尾間隙過小，管片拼裝較困難，及拼裝完成后出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，并且由于盾尾間隙過小導(dǎo)致拼裝完管片損壞盾尾密封，造成管片破裂、錯(cuò)臺(tái)漏水。

盾構(gòu)糾偏時(shí)要使千斤頂各區(qū)域壓力分布呈線性狀態(tài)，如盾構(gòu)要向右糾，除左區(qū)要較右區(qū)有一個(gè)較大的壓力差外，上、下區(qū)域的壓力也要適當(dāng)，一般可取左、右區(qū)域壓力的平均值。同理，如需上、下糾偏時(shí)，可造成上、下區(qū)域千斤頂?shù)膲毫Σ睢?/p>

（4）鉸接裝置的使用

使用盾構(gòu)機(jī)的鉸接裝置，可以使盾構(gòu)機(jī)的盾體與曲線趨于吻合，預(yù)先推出弧線趨勢，可以為管片提供良好的拼裝空間。

（5）隧道測量控制

①規(guī)范測量換站程序

每次換站必須復(fù)核不少于3個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)的邊角關(guān)系，經(jīng)檢核無誤后方可向前傳遞坐標(biāo)。換站前后記錄比對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)，確保各項(xiàng)偏差小于限差。一般導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)跳動(dòng)20mm以內(nèi)需結(jié)合管片姿態(tài)進(jìn)行判斷，姿態(tài)跳動(dòng)超過20mm必須檢核換站程序并復(fù)核坐標(biāo)。

②導(dǎo)線點(diǎn)復(fù)核

隧道施工過程中，對(duì)洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行不少于1次/周的坐標(biāo)復(fù)核，以及時(shí)糾正導(dǎo)向系統(tǒng)的錯(cuò)誤和累積誤差，確保隧道正常施工。

③實(shí)時(shí)觀測管片姿態(tài)

正常掘進(jìn)過程中保證每環(huán)不少于3次姿態(tài)測量，并測量施工當(dāng)班環(huán)倒10環(huán)管片，同時(shí)復(fù)核后10環(huán)管片姿態(tài)，確保隧道施工精度。

2.盾構(gòu)注漿控制

注漿控制分為同步注漿控制及二次注漿控制。掘進(jìn)過程中加強(qiáng)注漿量控制，切實(shí)做好注漿參數(shù)的調(diào)整，注漿壓力，尤其是漿液配合比。淺埋曲線段，由于覆土較淺注漿壓力過大容易造成地面冒漿，壓力過小造成注漿量不夠進(jìn)而導(dǎo)致管片脫出盾尾后受地層包裹不均導(dǎo)致管片下沉，因此同步漿液初凝時(shí)間宜控制在4～6小時(shí)內(nèi)，并及時(shí)在管片脫出盾尾后第三環(huán)進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)。同時(shí)在已脫出盾尾的管片進(jìn)行反復(fù)二次注漿補(bǔ)強(qiáng)。

3.管片拼裝點(diǎn)位選取

對(duì)于管片拼裝點(diǎn)位選擇，現(xiàn)場主要依據(jù)是盾尾間隙。根據(jù)盾尾間隙進(jìn)行管片拼裝點(diǎn)位的選擇，在直線段基本比較適用，但在圓曲線段，單獨(dú)依靠盾尾間隙指標(biāo)來進(jìn)行管片選型是完全不夠的。一方面要考慮管片姿態(tài)要適應(yīng)當(dāng)前設(shè)計(jì)線路的走向，尤其是坡度相對(duì)較大的小半徑圓曲線段，管片點(diǎn)位的選擇要兼顧轉(zhuǎn)彎所需要的楔形量和縱向坡度所需的楔形量。小半徑圓曲線段襯砌管片點(diǎn)位選擇對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制及管片安裝質(zhì)量等有著緊密的聯(lián)系。管片點(diǎn)位選擇的依據(jù)不僅僅局限于“盾尾間隙”，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與隧道軸線相對(duì)關(guān)系、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)的相對(duì)關(guān)系、盾構(gòu)機(jī)各區(qū)域千斤頂行程差等也是襯砌管片點(diǎn)位選擇的重要依據(jù)。實(shí)際推進(jìn)的過程中，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)與管片姿態(tài)二者相輔相成。管片的點(diǎn)位選擇要適應(yīng)當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及變化趨勢。同時(shí)成環(huán)隧道為盾構(gòu)推進(jìn)提供反力，直接影響盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的姿態(tài)控制。

4.管片拼裝控制及管片復(fù)緊

嚴(yán)格控制襯砌管片每塊的安裝位置精確性。尤其底部第一塊的定位尤為重要。安裝位置精確，這樣可以避免最后安裝封頂塊F塊時(shí)的空間不足或空間過大現(xiàn)象。F塊的安裝空間過小，會(huì)造成F塊安裝過程中止水帶被擠壓開膠錯(cuò)位及兩塊鄰接塊上移錯(cuò)臺(tái)，即使F塊采取潤滑的措施但在安裝空間較小的情況下效果不是很明顯，管片脫出盾尾后必定造成錯(cuò)臺(tái)、滲漏水。F塊的安裝空間過大，會(huì)造成管片在脫出盾尾過程中F塊滑動(dòng)，尤其是在螺栓復(fù)緊次數(shù)不足(F塊空間過大，至少復(fù)緊3次)，造成F塊錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重。

四、結(jié)語

大直徑盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線淺埋段掘進(jìn)，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)難控制，成型管片受力復(fù)雜，拼裝點(diǎn)位選擇等多方面原因造成成型管片拼裝錯(cuò)臺(tái)率增加。結(jié)合以上原因分析，采取針對(duì)性措施：盾構(gòu)掘進(jìn)速度不宜過快，宜控制在20mm/min以下，單日掘進(jìn)環(huán)數(shù)不宜超過5環(huán)。掘進(jìn)過程中進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段前，采取預(yù)糾偏，糾偏過程中切記糾偏過急，應(yīng)勤糾、緩糾。注漿材料選擇初凝時(shí)間相對(duì)較短的配合比，在管片脫出盾尾后漿液處于凝固狀態(tài)。經(jīng)過對(duì)右線管片錯(cuò)臺(tái)原因分析，區(qū)間左線施工過程中針對(duì)主要原因采取相對(duì)應(yīng)的措施，完成后成型隧道管片拼裝錯(cuò)臺(tái)率大大減小，小曲線淺埋段管片拼裝質(zhì)量符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。