地鐵隧道小半徑曲線段盾構(gòu)割線始發(fā)預(yù)偏量控制方法

姜留濤 郭軍

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000）

地鐵建設(shè)中盾構(gòu)法以其施工效率高、質(zhì)量可靠、技術(shù)成熟被廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工的重要一環(huán)。工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)施工過程中70%以上的風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生在盾構(gòu)始發(fā)階段，而在小半徑曲線上盾構(gòu)始發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)更高，對周圍環(huán)境和鄰近建筑結(jié)構(gòu)安全極為不利［1-3］。小半徑曲線段盾構(gòu)始發(fā)過程中，姿態(tài)受多重因素影響、施工難度大。針對盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制，國內(nèi)外學(xué)者已開展了一定的研究。文獻(xiàn)［4］采用數(shù)值模擬方法分析了高壓富水裂隙巖層小半徑曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面穩(wěn)定性，并給出了長距離小半徑曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以及姿態(tài)控制措施。文獻(xiàn)［5-7］結(jié)合具體工程實(shí)例，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段對小半徑曲線段大直徑盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化分析。文獻(xiàn)［8］以石家莊地鐵1 號線小半徑曲線段盾構(gòu)施工為例，給出了盾構(gòu)選型、掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿等方面的控制措施。文獻(xiàn)［9］結(jié)合無錫地鐵1 號線小半徑曲線段盾構(gòu)施工，給出合理設(shè)計(jì)半徑和綜合施工控制措施。文獻(xiàn)［10］給出了華東地區(qū)小半徑曲線段盾構(gòu)施工控制措施。

在盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)方面，現(xiàn)有成果主要是從施工控制、加固措施、動態(tài)監(jiān)測等方面進(jìn)行研究，而對于小半徑曲線段盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)影響因素及其控制方法還需進(jìn)一步研究。本文依托工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬，研究盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)各影響因素及其關(guān)聯(lián)性。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 計(jì)算模型的建立

在曲線段盾構(gòu)始發(fā)階段，盾構(gòu)機(jī)中心線保持在線路設(shè)計(jì)曲線的切線方向掘進(jìn)，稱之為切線始發(fā)。切線始發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)基座軸線與洞門平面保持垂直關(guān)系，始發(fā)過程中盾構(gòu)機(jī)身與洞門鋼環(huán)之間保持均衡的空間位置關(guān)系。但采用此種方法，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)駛出加固區(qū)后，刀盤切口中心與線路設(shè)計(jì)軸線偏差過大，對盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整及管片拼裝質(zhì)量控制不利。在小半徑曲線段始發(fā)過程中，隧道管片受到側(cè)向壓力將沿隧道軸線外側(cè)偏移，從而造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)超限等問題。為避免此類問題發(fā)生，減小盾構(gòu)機(jī)與管片之間的相互影響，可在盾尾處相對于設(shè)計(jì)軸線設(shè)置預(yù)偏移量，使盾構(gòu)與始發(fā)洞門間保持一定偏角進(jìn)行始發(fā)作業(yè)。具體方法是將始發(fā)托架后端沿線路設(shè)計(jì)曲線的法線向曲線反方向偏移一定的距離，使盾構(gòu)機(jī)中心線保持在線路設(shè)計(jì)曲線割線方向掘進(jìn)，稱之為割線始發(fā)，如圖1所示。

圖1 小半徑曲線段割線始發(fā)示意

根據(jù)小半徑曲線段盾構(gòu)割線始發(fā)姿態(tài)幾何關(guān)系，建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，見圖2。

圖2 計(jì)算模型

可由圖1和圖2可得：

式中：H為盾尾預(yù)偏移量；L為盾體長度；θ為預(yù)偏角；α為曲線段盾構(gòu)割線始發(fā)時(shí)盾體對應(yīng)的圓心角；δ為割線始發(fā)軸線與線路設(shè)計(jì)軸線間矢距，即盾構(gòu)掘進(jìn)軸線與線路設(shè)計(jì)軸線間最大偏移量；R為線路曲線半徑。

根據(jù)GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》，在掘進(jìn)過程中盾構(gòu)掘進(jìn)軸線與線路設(shè)計(jì)軸線間偏差量不得超過±50 mm。結(jié)合圖2 可知，盾構(gòu)沿割線始發(fā)過程中δ≤50 mm。可根據(jù)式（3），進(jìn)一步分析R和L對δ的影響。

1.2 模擬結(jié)果與分析

1.2.1 單因素影響

1）L一定時(shí)，R對δ的影響

取L=10 m，δ隨R的變化曲線見圖3（a）?？芍?，當(dāng)L一定時(shí)，δ隨R增大而逐漸減小。R=250 m 時(shí)δ=50.01 mm。

2）R一定時(shí)，L對δ的影響

取R=300 m，δ隨L的變化曲線見圖3（b）。可知，當(dāng)R一定時(shí)，δ隨L增大呈遞增趨勢，在L=10～11 m 之間出現(xiàn)δ>50 mm的超限情況。

圖3 δ隨R和L的變化曲線

1.2.2 多因素影響正交分析

將L與R進(jìn)行正交組合，計(jì)算可得δ，見表1。表中灰色區(qū)數(shù)據(jù)超限（δ>50 mm）。不同L和R組合下δ的變化見圖4。

表1 不同R和L組合時(shí)δ值 mm

圖4 不同L和R組合下δ的變化

由表1 和圖4 可見：R越小、L越大，δ對其變化越敏感，δ超限的概率越大。

2 割線始發(fā)預(yù)偏控制

由數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，小半徑曲線段割線始發(fā)時(shí)因受R和L的影響，易出現(xiàn)線路偏差量過大而不滿足GB 50446—2017要求的情況，故需要對盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)設(shè)定預(yù)偏角θ。以極限偏差量50 mm 為控制目標(biāo)，對R與L進(jìn)行正交組合，計(jì)算可得θ，見表2。采用灰色區(qū)的預(yù)偏角數(shù)據(jù)會導(dǎo)致偏移量超限，現(xiàn)場施工時(shí)不可設(shè)置。

由式（1），結(jié)合表2計(jì)算可得對應(yīng)的盾尾預(yù)偏移量H，見表3。采用灰色區(qū)的盾尾預(yù)偏移量數(shù)據(jù)會導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)軸線與線路設(shè)計(jì)軸線間偏移量超限，現(xiàn)場施時(shí)不可設(shè)置。

表2 不同R和L組合時(shí)θ值 （°）

表3 不同R和L組合時(shí)H值 m

通過建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算在不同R與L隨機(jī)組合下θ 和H。結(jié)合GB 50446—2017 規(guī)定的極限偏差量，預(yù)設(shè)合適的θ及對應(yīng)的H來控制小半徑曲線段盾構(gòu)割線始發(fā)姿態(tài)。

3 工程案例

北京地鐵19 號線支線清河站—五環(huán)路站區(qū)間盾構(gòu)隧道由北向南施工，如圖5所示。

圖5 區(qū)間盾構(gòu)隧道線路及始發(fā)位置

線路起止里程右線為YK2+850.0—YK5+275.2，長度2 425.2 m；左線為ZK2+850.0—ZK5+278.4，長度2 428.4 m。盾構(gòu)施工2 次下穿京張高速鐵路前后區(qū)段均為小半徑曲線，埋深約20～28 m，曲線段最小半徑350 m，最大半徑2 500 m，最大坡度25.0‰，施工風(fēng)險(xiǎn)高，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制難度大。

區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為圓形斷面，襯砌為裝配式鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，管片外徑6.40 mm，厚度0.30 m，環(huán)寬1.20 m。采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)直徑6.68 m，主機(jī)長9.5 m。盾構(gòu)始發(fā)位于半徑350 m的圓曲線段。因始發(fā)階段加固區(qū)內(nèi)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整困難，為確保盾構(gòu)始發(fā)過程中掘進(jìn)姿態(tài)不超限，采用割線始發(fā)。

將R=350 m，L=9.5 m 代入式（4）或查表（2）、表（3）可獲得盾構(gòu)預(yù)偏角θ=2.44°，盾尾預(yù)偏移量H=130.0 mm。通過式（3）或查表（1）可得該盾構(gòu)割線始發(fā)過程中產(chǎn)生的矢距δ=32.23 mm。現(xiàn)場作業(yè)過程中將盾構(gòu)始發(fā)時(shí)預(yù)偏角設(shè)定為2.20°，將盾尾預(yù)偏移量設(shè)定為120.0 mm。通過實(shí)測獲得線路最大偏移量約28.0 mm，小于預(yù)計(jì)量32.23 mm，且滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合工程實(shí)例，對小半徑曲線段盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)影響因素及其控制方法進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

1）建立了小半徑曲線段割線始發(fā)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)值計(jì)算模型，該模型能較好地反映線路曲線半徑、盾體長度對盾構(gòu)線路偏移量的影響規(guī)律，具備一定參考價(jià)值。

2）提出了通過計(jì)算并預(yù)設(shè)盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)預(yù)偏角和盾尾預(yù)偏移量的理論控制方法，確保盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段割線始發(fā)過程中滿足規(guī)范要求。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證該方法合理可行。