聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法修建的襯砌管片排版設(shè)計(jì)與姿態(tài)預(yù)測研究

李 剛,朱瑤宏*,董子博

（1.寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.寧波用躬科技有限公司,浙江 寧波 315100）

近年來,隨著城市建設(shè)的發(fā)展,城市隧道工程項(xiàng)目逐年增多,目前城市軌道交通建設(shè)中,規(guī)定兩條單線區(qū)間隧道之間,當(dāng)隧道連貫長度大于600 m時,應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)通道[1].聯(lián)絡(luò)通道工法包括礦山法、冰凍法與機(jī)械法.為適應(yīng)地下空間開發(fā)要求,減小聯(lián)絡(luò)通道施工影響,降低施工成本,縮短施工周期,機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道成為了建設(shè)的主流方向[2],其在地質(zhì)復(fù)雜、埋深過深或施工條件受到嚴(yán)苛限制的工程中具備顯著優(yōu)勢.在掘進(jìn)施工前,需要對隧道進(jìn)行排版選型以用于工程量的確定與材料的預(yù)制;在掘進(jìn)施工中,還需要根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際條件不斷對未來幾環(huán)管片的排版選型做出調(diào)整.聯(lián)絡(luò)通道管片環(huán)的點(diǎn)位多、位置特殊,需要對推進(jìn)曲線精準(zhǔn)計(jì)算來擬合設(shè)計(jì)曲線,不正確的點(diǎn)位選取會引起主機(jī)偏離過大、成型管片破損等后果.管片點(diǎn)位的選擇也可以通過楔形角、楔形量的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn),使得姿態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效調(diào)整并滿足各類型設(shè)計(jì)的線路要求,同時可以對掘進(jìn)姿態(tài)偏差進(jìn)行有效預(yù)測.因此對機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道通用襯砌環(huán)管片的點(diǎn)位選擇與姿態(tài)預(yù)測計(jì)算的研究具有極其重要的意義.

針對上述問題,國內(nèi)學(xué)者做了相關(guān)研究,劉鳳華[3]通過考慮油缸行程差、盾尾間隙與拼裝點(diǎn)位選取推出管片選型表達(dá)式;宋瑞恒[4]通過管片環(huán)的超前量幾何性質(zhì)計(jì)算平面坐標(biāo);張文萃等[5]分析計(jì)算了管片排版時應(yīng)考慮的因素;張志華等[6]通過確立局部坐標(biāo)系描述管片排版信息;潘國榮等[7]通過分析設(shè)計(jì)軸線、盾構(gòu)推進(jìn)既成軸線和管片成型軸線之間的關(guān)系,提出一種通用型管片的糾偏方法;劉欣等[8]通過對標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+轉(zhuǎn)彎環(huán)的雙面楔形管片類型選擇和拼裝點(diǎn)位選取進(jìn)行公式推導(dǎo);靜茹等[9]以寧波軌道交通1 號線為基礎(chǔ)提出綜合考慮施工因素的管片點(diǎn)位計(jì)算方法.然而應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道的盾構(gòu)通用管片姿態(tài)預(yù)測方法還未出現(xiàn),且與主隧道盾構(gòu)管片姿態(tài)預(yù)測方法不同,以往的研究只能參考.

目前,青島、寧波、杭州和福州等城市軌道交通建設(shè)的聯(lián)絡(luò)通道都采用了機(jī)械法工法,聯(lián)絡(luò)通道施工均基于主隧道施工過程分析,關(guān)于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道管片環(huán)排版的研究較少.由于該工法采用無鉸接盾構(gòu)機(jī)型、施工狹小等特點(diǎn)導(dǎo)致調(diào)整空間余量小,主隧道施工模式無法適用.為此,本文針對機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道管片組合排版,提出一種管片預(yù)排版與預(yù)測方法,可提供逐環(huán)精準(zhǔn)化測量調(diào)整.

1 聯(lián)絡(luò)通道管片設(shè)計(jì)參數(shù)

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道采用楔形環(huán)通用管片,楔形角 4′43.72″,楔形量 8.66 mm,管片環(huán)最寬處為554.33 mm,中部寬度550 mm,最小寬度545.67 mm,厚度250 mm,環(huán)寬550 mm,共有10個拼裝點(diǎn)位,管片拼裝點(diǎn)位由封頂塊中線位置來定義,如圖1(a)所示.襯砌環(huán)共分為5 塊,由1 塊封頂塊F,2塊鄰接塊L1、L2,2 塊標(biāo)準(zhǔn)塊B1、B2 組成,最大楔形量位于封頂塊F的腰部,通過主機(jī)上的拼裝機(jī)形成一個整環(huán),如圖1(b)所示,其中F塊的點(diǎn)位選擇決定了整個通用環(huán)管片的姿態(tài).

圖1 管片拼裝點(diǎn)位與整環(huán)示意

1.1 各點(diǎn)位方向超前量

拼裝后各點(diǎn)位方向超前量為

式中:hny為垂直超前量,mm;hnx為水平超前量,mm;n為拼裝點(diǎn)位.其中上下與左右的超前量互為相反值.以1 號點(diǎn)位為例,襯砌通用環(huán)管片的拼裝點(diǎn)位分布特殊,導(dǎo)致1 號點(diǎn)位的超前量與楔形量沒有直觀的換算.當(dāng)管片拼裝在1 號點(diǎn)位時,上超前量-4.12 mm,下超前量4.12 mm,左超前量1.34 mm,右超前量-1.34 mm,如圖2 所示.

圖2 1 號點(diǎn)位超前量計(jì)算簡圖(單位:mm)

1.2 各點(diǎn)位方向變化量

拼裝時各點(diǎn)位的拼裝管片軸線與相鄰管片接觸面上的交點(diǎn)位于同一圓周上,各點(diǎn)位管片拼裝后方向變化為

式中:θ為垂直坡度變化;α為水平角度變化;d為管環(huán)外徑,mm.計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道通用管片參數(shù)對照

2 聯(lián)絡(luò)通道管片排版設(shè)計(jì)與姿態(tài)預(yù)測

2.1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工法準(zhǔn)則

盾構(gòu)機(jī)每一次前行的距離為一環(huán)管環(huán)長度,與掘進(jìn)的土體長度等同.管片拼裝是一種連續(xù)頭尾相接的排列,即前一環(huán)的始端面與當(dāng)前環(huán)尾端面相接,兩者軸線方向一致.在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的過程中,應(yīng)該嚴(yán)格遵守不破、不裂、不沉、不隆、不滲的“五不”原則,嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài),管片排版與盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)相互影響.因此機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道需要制定擬合出一種用于指導(dǎo)聯(lián)絡(luò)通道管片排版施工的方法.

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)與管片排版

2.2.1 基本思路與假定

依據(jù)當(dāng)前環(huán)管片與設(shè)計(jì)軸線的偏差量和角度情況,分析得到糾偏所需的水平角度、垂直角度以及超前量,通過分析設(shè)計(jì)軸線、實(shí)際推進(jìn)軸線與管片環(huán)軸線三者之間的關(guān)系,進(jìn)而得出聯(lián)絡(luò)通道管片的排版.管片進(jìn)行預(yù)排版時,首先收集盾構(gòu)隧道工程的現(xiàn)有數(shù)據(jù).由于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道是在已成型的主隧道內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)施工,左右線主隧道中預(yù)留復(fù)合管片,連接兩側(cè)洞門的中心點(diǎn),可以對整個工程線路有所了解,設(shè)計(jì)坡度、設(shè)計(jì)角度等都會對排版及姿態(tài)產(chǎn)生影響.由點(diǎn)位選擇確定各方向超前量,通過該點(diǎn)位的坡度值由前一環(huán)坡度與前一環(huán)點(diǎn)位選擇產(chǎn)生的坡度變化決定,同理,水平角度由前一環(huán)角度與前一環(huán)點(diǎn)位選擇產(chǎn)生的角度變化決定;當(dāng)前環(huán)豎向坡度變化與水平角度變化可以影響垂直和水平方向中盾處的偏差,繼而通過相似三角形原理得到兩個方向的切口與盾尾處姿態(tài).

假定1推進(jìn)設(shè)計(jì)曲線、盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推進(jìn)曲線及管片排版曲線初始位置皆相同.

假定2推進(jìn)開始前油缸行程差為0.

假定3初始處盾構(gòu)機(jī)水平方向與垂直方向各位置已知.

2.2.2 幾何關(guān)系

從圖3 中可以看出,由于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道管片為等腰雙面楔形,因此AB長度為管片環(huán)寬b,則

圖3 管片拼裝豎向坡度分析

式中,(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分別為A、B點(diǎn)坐標(biāo).

計(jì)算管片拼裝點(diǎn)位選擇后的坡度變化θ.根據(jù)不同點(diǎn)位豎向超前量的三角關(guān)系,可得:

式中,i-1為當(dāng)前環(huán)號.

計(jì)算當(dāng)前環(huán)的坡度,由相似三角形關(guān)系可得:

由此可以得到△CKE,依據(jù)全等三角形幾何理論,得出△CHE的三邊邊長.∠CEH為當(dāng)前環(huán)的豎向坡度:

由于當(dāng)前環(huán)的拼裝點(diǎn)位選擇產(chǎn)生的坡度變化,當(dāng)拼裝環(huán)掘進(jìn)時,管片姿態(tài)預(yù)測判斷需要對已成型環(huán)的累計(jì)坡度進(jìn)行計(jì)算得到推進(jìn)環(huán)的坡度,依次選擇管片拼裝疊加.可得推進(jìn)環(huán)拼裝完的坡度值,即

式中,i為推進(jìn)環(huán)號.

依據(jù)計(jì)算得到的坡度,結(jié)合當(dāng)前環(huán)姿態(tài)中盾處的垂直位置ybi-1,可以預(yù)測得推進(jìn)環(huán)中盾處垂直方向的姿態(tài)位置ybi,即

通過對圖4 分析可知,計(jì)算管片拼裝點(diǎn)位選擇后的水平角度變化α與豎向物理量計(jì)算同理,根據(jù)不同點(diǎn)位水平向超前量的三角關(guān)系,可得:

圖4 管片拼裝水平角度分析

計(jì)算當(dāng)前環(huán)的角度,根據(jù)相似三角形關(guān)系,在△MNO中,∠MNO為當(dāng)前環(huán)的水平角度,可得:

由于當(dāng)前環(huán)的拼裝點(diǎn)位選擇產(chǎn)生的水平變化,當(dāng)拼裝環(huán)掘進(jìn)時,管片姿態(tài)預(yù)測判斷需要對已成型環(huán)的累計(jì)角度進(jìn)行計(jì)算得到推進(jìn)環(huán)的角度,即

水平方向推進(jìn)完成后中盾處的水平姿態(tài)預(yù)測可以通過當(dāng)前環(huán)的水平角度、當(dāng)前環(huán)選擇點(diǎn)位產(chǎn)生的水平角度變化得到,即

2.2.3 擬合隧道設(shè)計(jì)曲線

管片排版設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是擬合隧道設(shè)計(jì)線路,根據(jù)基本假定1,在盾構(gòu)推進(jìn)過程中,導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)由推進(jìn)設(shè)計(jì)曲線、盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推進(jìn)曲線以及管片排版拼裝曲線三者相互影響、相互比較產(chǎn)生.正常推進(jìn)時,后兩者應(yīng)與設(shè)計(jì)曲線擬合;在調(diào)整糾偏階段,由測量系統(tǒng)得到設(shè)計(jì)曲線與實(shí)際曲線之間存在的豎向與水平向誤差,管片排版應(yīng)與盾構(gòu)實(shí)際推進(jìn)曲線擬合.

2.2.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)預(yù)測

根據(jù)假定2,推進(jìn)開始前各向油缸行程差為0,當(dāng)?shù)谝画h(huán)推進(jìn)時,盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推進(jìn)姿態(tài)與設(shè)計(jì)曲線擬合;拼裝完一環(huán),由于拼裝點(diǎn)位的選擇不同,會形成不同的水平角度與豎向坡度;后一環(huán)依據(jù)此角度與坡度進(jìn)行推進(jìn),便可預(yù)測下一環(huán)推進(jìn)時的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài).推進(jìn)環(huán)拼裝完成,推進(jìn)環(huán)便成為當(dāng)前環(huán)依次進(jìn)行,通過對管片進(jìn)行排版選擇,可得到完整的姿態(tài)預(yù)測,對整個工程有更加統(tǒng)籌的認(rèn)識.

由此得到的姿態(tài)可以視為盾構(gòu)機(jī)中盾處的姿態(tài),通過幾何關(guān)系可以得到盾尾與切口的垂直及水平方向相對于設(shè)計(jì)曲線的偏差,如圖5 所示.

圖5 各方向位置關(guān)系

已知中盾處姿態(tài)位置,可計(jì)算得

式中:yai、yci分別為垂直方向切口、盾尾位置;xai、x ci分別為水平方向切口、盾尾位置;L1為刀盤至中盾處距離;L2為中盾至盾尾距離;βi-1為垂直方向當(dāng)前環(huán)坡度;γi-1為水平方向當(dāng)前角度.

設(shè)計(jì)圖紙中可以分為直線、緩和曲線與圓曲線3 種,根據(jù)盾構(gòu)機(jī)各處位置以及對應(yīng)設(shè)計(jì)軸線之間的偏差,可以得到盾構(gòu)機(jī)水平與垂直方向的姿態(tài)偏差值:

式中:Δxa、Δxb、Δxc依次為水平方向在切口、中盾、盾尾的姿態(tài)偏差值;Δya、Δyb、Δyc依次為垂直方向在切口、中盾、盾尾的姿態(tài)偏差值;相應(yīng)位置的設(shè)計(jì)軸線坐標(biāo)為(xia,xib,xic)與(yia,yib,yic).

3 工程實(shí)例分析

以福州地鐵5 號線帝～螺區(qū)間機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工程為例對計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證,該工程橫穿福州帝封江,主隧道從西向東下穿農(nóng)田、帝封江及螺洲立交,聯(lián)絡(luò)通道穿越的地層主要有淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂交互層、淤泥夾砂.工程使用直徑3 290 mm的土壓平衡盾構(gòu),管片外徑為3 150 mm,刀盤至中盾處距離為2 310 mm,中盾至盾尾距離為1 850 mm.工程中采用楔形通用環(huán)管片排列組合拼裝方式,襯砌環(huán)間采用錯縫拼裝.總計(jì)62正環(huán)(4環(huán)鋼管片和58 環(huán)混凝土管片),8 環(huán)負(fù)鋼環(huán)包括始發(fā)端6 環(huán)、接收端2 環(huán)(均在工程結(jié)束后行拆除).隧道設(shè)計(jì)軸線連接始發(fā)端與接收端,呈直線型,聯(lián)絡(luò)通道里程左線DK33+251.63(右線DK33+250.00),線間距39.1 m,隧道中心埋深12.5 m.該聯(lián)絡(luò)通道采用盾構(gòu)法施工,聯(lián)絡(luò)通道路線如圖6 所示.依照大地坐標(biāo)系,接收端與始發(fā)端高差432 mm,水平差984 mm.10個點(diǎn)位管片環(huán)拼裝效果如圖7 所示.

圖6 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工示意(單位:mm)

圖7 10個點(diǎn)位管片環(huán)拼裝效果

為避免盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整過大導(dǎo)致管片破損,決定對既有區(qū)段進(jìn)行抬升,增加盾尾間隙,從而增大調(diào)整空間.為保證抬升聯(lián)絡(luò)通道區(qū)間的安全性,按照實(shí)時監(jiān)控、即時調(diào)整的方針進(jìn)行.根據(jù)11～16環(huán)的沉降情況設(shè)定所需量以及防止?jié){液流至盾體,注漿范圍為6～14環(huán),總計(jì)9 環(huán),利用聯(lián)絡(luò)通道下部3個注漿孔(K5～K7)對注漿范圍區(qū)域進(jìn)行加固抬升.

采用雙液漿微擾動注漿工藝,A 液為單液漿,水灰比1:1;B 液為水玻璃,根據(jù)進(jìn)場水玻璃情況調(diào)配水玻璃溶液,A、B 液按體積1:1 混合后凝固40～60 s,水玻璃原液與水按2:1的比例稀釋.注漿方式為注漿壓力與注漿方量雙控模式,注漿壓力需控制在0.2～0.6 MPa 以內(nèi),如超過0.6 MPa 則停止注漿.為減少管片局部受壓過大,所有區(qū)域均采用跳點(diǎn)注漿的方式.

各環(huán)注漿量與抬升量的關(guān)系如圖8 所示,注漿前期由于距當(dāng)前施工段有一定距離,抬升量較為穩(wěn)定,最小抬升量為6 mm,出現(xiàn)在第6 環(huán),靠近盾尾處注漿累計(jì)抬升量最大值為16 mm,出現(xiàn)在第14 環(huán)處,抬升效果明顯,滿足工程調(diào)整需求.

圖8 調(diào)整階段注漿分布及其與抬升量關(guān)系

采用本計(jì)算方法與實(shí)際工程中拼裝點(diǎn)位選擇下姿態(tài)偏差模擬進(jìn)行對比分析.試驗(yàn)選取第17～36環(huán)共20 環(huán)作為樣本.依據(jù)計(jì)算排版設(shè)計(jì),通過計(jì)算各位置姿態(tài)偏差和超前量得到機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道拼裝結(jié)果,見表2.樣本管環(huán)沒有出現(xiàn)漏水、破損等施工現(xiàn)象.具體對比結(jié)果如圖9 所示.

表2 17～36 環(huán)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道拼裝結(jié)果

圖9 姿態(tài)模擬與實(shí)際比較

從排版結(jié)果可以看出,17 環(huán)至27 環(huán)采取上點(diǎn)位的拼裝,同時1、10 點(diǎn)位交替拼裝保證了在垂直方向上姿態(tài)糾正的效果,也確保了水平方向的平穩(wěn).后續(xù)9 環(huán)采用3、8 點(diǎn)位交替拼裝,各方向的平穩(wěn)使得盾構(gòu)機(jī)與成型隧道通過直線段推進(jìn).

從圖9 可以看出,在盾構(gòu)推進(jìn)時,盾構(gòu)機(jī)位于切口、中盾、盾尾處垂直姿態(tài)與水平姿態(tài)偏差在排版組合設(shè)計(jì)下與理論設(shè)計(jì)存在較小的誤差,誤差在10 mm 左右,整體趨勢一致,水平方向在29 環(huán)切口處出現(xiàn)最大誤差,誤差為11 mm,垂直方向在22 環(huán)切口處出現(xiàn)最大誤差,誤差為12 mm.在預(yù)排版計(jì)算方法的設(shè)計(jì)排版之后,姿態(tài)得到了較大的糾正,垂直方向與水平方向的切口、中盾和盾尾處姿態(tài)偏差均控制在50 mm 以下.機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道根據(jù)此方法對管片排版施工,在施工效率得到保證的前提下,滿足盾構(gòu)法規(guī)范[10]對盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于姿態(tài)豎向軸線偏差與水平軸線偏差不超過±50 mm的誤差值要求.

上述兩者姿態(tài)存在一定誤差的可能影響因素有施工地層地質(zhì)發(fā)生突變、盾構(gòu)機(jī)操作手對機(jī)具參數(shù)的不合理選擇等,因此,為了能夠最大限度地保證工程質(zhì)量,還需加強(qiáng)地質(zhì)勘探,規(guī)范操作手施工.

4 結(jié)論

本文通過分析研究機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道管片的幾何關(guān)系,提出了一種管片預(yù)排版與姿態(tài)預(yù)測方法,明確了管片排版時拼裝點(diǎn)位選擇對盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)的影響.由管片與軸線角度關(guān)系以及盾構(gòu)機(jī)主機(jī)觀測點(diǎn)的位置關(guān)系,分析得到姿態(tài)偏差情況,從而可以對管片進(jìn)行預(yù)排版計(jì)算分析,又以福州地鐵5號線機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道區(qū)間為例,驗(yàn)證了該方法的可靠性,得到以下結(jié)論:

(1)在確定當(dāng)前環(huán)坡度及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)后,采取迭代式對推進(jìn)環(huán)推進(jìn)過程中姿態(tài)加以分析計(jì)算,這種方法計(jì)算方便,從而可選擇最佳的拼裝點(diǎn)位,降低姿態(tài)偏差,進(jìn)而提高施工質(zhì)量與掘進(jìn)效果.

(2)通過對實(shí)際工程案例的計(jì)算驗(yàn)證分析,本文提出的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)目標(biāo)線路偏差在毫米級,準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證,可以輔助設(shè)計(jì)院開展管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并指導(dǎo)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的施工.

(3)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道選型必須每環(huán)都精準(zhǔn)化,任何一環(huán)的錯選都需要使用多環(huán)進(jìn)行調(diào)整糾偏,總體以油缸行程差與盾尾間隙為輔,理論排版為主,施工時避免出現(xiàn)油缸行程差過大,進(jìn)而影響成型通道管片以及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)姿態(tài).