土壓平衡盾構(gòu)滾動(dòng)角糾正方法研究

劉映晶

(中天建設(shè)集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 310000)

0 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)城市軌道交通快速發(fā)展。截至2020年底，中國(guó)內(nèi)地45座城市累計(jì)開(kāi)通城軌交通運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)7 978.19 km，其中，地鐵線路總長(zhǎng)6 302.79 km，占比79%[1]。在地鐵施工中，盾構(gòu)技術(shù)具有智能、安全、快捷等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為地鐵隧道建設(shè)的重要工法之一。

受地層不均勻性、曲線段掘進(jìn)和盾構(gòu)設(shè)備等影響，極易引起盾構(gòu)反轉(zhuǎn)矩不平衡，導(dǎo)致盾構(gòu)滾動(dòng)角變化[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏技術(shù)進(jìn)行了深入研究。郭玉海等[3]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)反轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論分析和計(jì)算，對(duì)盾構(gòu)正常掘進(jìn)模式下阻滯力矩的構(gòu)成和作用進(jìn)行了分析。梁榮柱等[4]綜合考慮覆土、盾構(gòu)自重等多因素產(chǎn)生的阻滯力矩，提出在軟土地層中盾構(gòu)施工反轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算方法。劉成等[5]基于溫克爾地基模型，推導(dǎo)出糾偏力矩與最小糾偏曲線半徑的關(guān)系式，并提出優(yōu)化后的水平線形糾偏曲線模型。高翔[6]通過(guò)ABAQUS有限元軟件，建立考慮漿液注入的二維流固耦合模型，對(duì)盾構(gòu)隧道豎向糾偏規(guī)律進(jìn)行了研究。張愛(ài)軍[7]通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出施工參數(shù)與盾構(gòu)姿態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)盾構(gòu)糾偏進(jìn)行了研究。李洋[8]通過(guò)改進(jìn)人工蜂群算法優(yōu)化盾構(gòu)糾偏模型，實(shí)現(xiàn)了地鐵隧道建設(shè)中盾構(gòu)的準(zhǔn)確糾偏。Wang等[9]基于盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，提出一種軸線姿態(tài)偏差預(yù)測(cè)及修正方法，并驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。朱俊陽(yáng)[10]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，推導(dǎo)出一種淤泥質(zhì)土中糾正盾構(gòu)滾動(dòng)角施工所需千斤頂數(shù)量的計(jì)算公式，并對(duì)糾正措施和效果進(jìn)行了分析。周潔[11]從盾體重心位置、地層原因等方面對(duì)滾動(dòng)角偏轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析，采用輔助工裝和定位油缸進(jìn)行滾動(dòng)角糾偏，并穩(wěn)定了盾構(gòu)姿態(tài)。李順旭等[12]介紹了盾構(gòu)在淤泥、淤泥質(zhì)土地層掘進(jìn)時(shí)的滾動(dòng)角糾正方法。Shen等[13-14]分析了雙圓盾構(gòu)施工中出現(xiàn)滾動(dòng)角偏轉(zhuǎn)的原因，并給出合理可行的糾偏方法；此外，還通過(guò)有限元分析法分析了糾偏荷載、滾動(dòng)角和土體變形之間的關(guān)系，以及糾偏過(guò)程中襯砌內(nèi)力的變化特點(diǎn)。

目前針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)糾偏的研究較多，但對(duì)盾構(gòu)滾動(dòng)角糾偏的專(zhuān)門(mén)研究較少?；诖耍疚慕Y(jié)合杭州地鐵7號(hào)線盾構(gòu)隧道工程，建立了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，提出采用鋼楔機(jī)構(gòu)裝置糾正盾構(gòu)滾動(dòng)角，給出相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)糾偏方法進(jìn)行驗(yàn)證。最后研究了隧道埋深、地層類(lèi)型和盾構(gòu)直徑等參數(shù)對(duì)鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量的影響規(guī)律。以期研究結(jié)果為盾構(gòu)掘進(jìn)期間滾動(dòng)角的控制和調(diào)整提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

杭州地鐵7號(hào)線城站站—四季青站區(qū)間盾構(gòu)隧道平均埋深15 m，主要穿越砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、黏土、粉砂夾砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土等土層，如圖1所示，土體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 隧道穿越土層地質(zhì)統(tǒng)計(jì)圖

表1 土體參數(shù)

城站站—四季青站區(qū)間盾構(gòu)隧道由于地質(zhì)、線路等因素綜合導(dǎo)致施工難度較大，具體如下：

1)地層是以砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)黏土夾粉土為主的軟土地層，表現(xiàn)較強(qiáng)的硬塑性，與盾構(gòu)殼體之間的摩擦力較小，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)使周?chē)馏w不能給盾構(gòu)提供足夠的反轉(zhuǎn)矩。

2)隧道軸線走向轉(zhuǎn)彎較多，且轉(zhuǎn)彎半徑偏小。在彎曲隧道掘進(jìn)時(shí)，需要調(diào)整4個(gè)分區(qū)的壓力差形成糾偏轉(zhuǎn)矩，以調(diào)整盾構(gòu)的方向； 但這也易導(dǎo)致盾構(gòu)產(chǎn)生較大的滾動(dòng)角。

3)土壓平衡式盾構(gòu)自身存在不足。當(dāng)盾構(gòu)重心出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，致使盾構(gòu)在前進(jìn)過(guò)程中滾動(dòng)角變大。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)中的反轉(zhuǎn)矩

掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)的反轉(zhuǎn)矩包括： 周邊土層給盾構(gòu)的阻滯力矩MZ，盾構(gòu)自重及管片自重產(chǎn)生的阻滯力矩MG，以及掘進(jìn)過(guò)程中千斤頂墊板與管片之間的摩擦力矩MQ[4]。盾構(gòu)掘進(jìn)中這些反轉(zhuǎn)矩共同抵制刀盤(pán)切削巖土體帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩MD，盾構(gòu)掘進(jìn)力學(xué)模型見(jiàn)圖2。本文假定盾構(gòu)穿越地層為單一土層，且不考慮地下水的影響，涉及多種地層的情況可參照計(jì)算方法進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)力學(xué)模型

2.1 覆土產(chǎn)生的力矩

(1)

式中：μ0為盾構(gòu)殼體與周?chē)馏w間的阻滯摩擦因數(shù);γ為土的重度，kN/m3；H為盾構(gòu)上考察點(diǎn)距地表的深度，m；l和R分別為盾構(gòu)殼體長(zhǎng)度和半徑，m；θ為盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的滾動(dòng)角。

圖3 盾構(gòu)殼體表面受力圖

2.2 盾構(gòu)和管片自重產(chǎn)生的反力矩

當(dāng)盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中，若盾構(gòu)殼體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，盾構(gòu)自重同樣會(huì)產(chǎn)生阻滯力矩；同時(shí)，盾構(gòu)內(nèi)未脫節(jié)安裝的管片自重也會(huì)產(chǎn)生一定的阻滯力矩。力矩大小為：

MG=(G1+nLG2)μ0RL。

(2)

式中：G1為盾構(gòu)主機(jī)自重，kN；G2為盾構(gòu)內(nèi)管片自重，kN；nL為管片的個(gè)數(shù)；RL為盾構(gòu)管片中心線到隧道軸線的距離，m。

2.3 千斤頂產(chǎn)生的力矩

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，管片固定不動(dòng)，推進(jìn)油缸通過(guò)撐靴施加頂進(jìn)推力作用在管片上。當(dāng)盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中機(jī)體出現(xiàn)回轉(zhuǎn)或者有回轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，推進(jìn)油缸上撐靴在管片上會(huì)產(chǎn)生摩擦力，摩擦力產(chǎn)生的反力矩會(huì)阻滯盾構(gòu)滾動(dòng)角的產(chǎn)生，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：μ1為推進(jìn)油缸撐靴與盾構(gòu)管片的靜摩擦因數(shù)；Fi為第i個(gè)推進(jìn)油缸的推力，kN；Rp為推進(jìn)油缸軸線到盾構(gòu)軸線的距離，m。

2.4 施工盾構(gòu)的反轉(zhuǎn)矩

將式(1)—(3)進(jìn)行疊加，可得到施工盾構(gòu)的反轉(zhuǎn)矩：

M=MZ+MG+MQ。

(4)

為保證盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)角，盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩MD不能大于盾構(gòu)反轉(zhuǎn)矩M，即：

M≥MD。

(5)

式中MD=kD3(D為刀盤(pán)直徑；k為取決于地層條件和盾構(gòu)類(lèi)型的系數(shù)，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)，k=8～23[15])。

3 盾構(gòu)糾偏方法研究

3.1 傳統(tǒng)糾偏方法

當(dāng)盾構(gòu)在掘進(jìn)中產(chǎn)生輕微滾動(dòng)時(shí)，反向回轉(zhuǎn)刀盤(pán)一般都可復(fù)位；但當(dāng)盾構(gòu)滾動(dòng)角較大時(shí)，按照傳統(tǒng)方法，需清空土艙內(nèi)土體，然后在盾構(gòu)的適當(dāng)位置懸掛一定的重物，通過(guò)改變盾構(gòu)重心位置使回轉(zhuǎn)角自行緩慢糾正。但該方法懸掛物數(shù)量具有不確定性，且懸掛重物影響施工進(jìn)程，造成工期延長(zhǎng)，其糾正效果一般?；诖?，朱俊陽(yáng)[10]發(fā)明了一種改變盾構(gòu)滾動(dòng)角的千斤頂鋼板裝置，如圖4所示。

圖4 千斤頂鋼板裝置示意圖

但該裝置在實(shí)際應(yīng)用中仍存在不足：

1)螺旋擰進(jìn)深度與推力的大小關(guān)系不明確，操作時(shí)完全憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整；

2)在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，撐靴與螺旋的接觸稍有脫離，千斤頂推力就會(huì)消失，需要實(shí)時(shí)擰進(jìn)螺旋，操作繁瑣；

3)千斤頂鋼板的螺旋擰至最底后需要停止盾構(gòu)掘進(jìn)，調(diào)整千斤頂鋼板的位置，并將螺旋擰至最頂端，造成盾構(gòu)效率降低，影響工期。

3.2 鋼楔機(jī)構(gòu)糾偏方法

在盾構(gòu)反轉(zhuǎn)矩分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合朱俊陽(yáng)[10]提出的糾偏方法，本文提出一種鋼楔機(jī)構(gòu)來(lái)糾正盾構(gòu)的回轉(zhuǎn)角，其裝置糾偏原理如圖5所示。

推進(jìn)油缸的推力p0作用在鋼楔機(jī)構(gòu)上，由于角度α的存在，在撐靴上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分力p0sinα，為克服鋼楔機(jī)構(gòu)與撐靴之間的摩擦力f而形成對(duì)油缸的環(huán)向轉(zhuǎn)矩，1個(gè)推進(jìn)油缸能提供的糾偏環(huán)向力矩：

(6)

圖5 鋼楔機(jī)構(gòu)糾偏原理圖

為保證盾構(gòu)能穩(wěn)定糾偏，即鋼楔機(jī)構(gòu)在管片上不發(fā)生滑動(dòng)，鋼楔機(jī)構(gòu)的角度需滿足：

(7)

根據(jù)式(7)，可以設(shè)計(jì)具有一定角度的鋼楔機(jī)構(gòu)，將鋼楔機(jī)構(gòu)布置在推進(jìn)油缸的撐靴與管片之間，單個(gè)鋼楔機(jī)構(gòu)在雙油缸推力下產(chǎn)生的糾偏力矩為T(mén)0。圖6為盾構(gòu)滾動(dòng)角糾正模型圖，需要根據(jù)式(8)確定鋼楔機(jī)構(gòu)的數(shù)量n，以達(dá)到糾正盾構(gòu)滾動(dòng)角的效果。

nT0+MD>MG+MZ。

(8)

圖6 盾構(gòu)滾動(dòng)角糾正模型

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

表2 盾構(gòu)穿越土層力學(xué)參數(shù)

表3 土壓平衡式盾構(gòu)主要性能參數(shù)

由上述分析結(jié)果，本工程的鋼楔機(jī)構(gòu)采用角度約為7.6°的三角鋼板，材質(zhì)為Q235，鋼楔機(jī)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 鋼楔機(jī)構(gòu)模型(單位： mm)

將現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)，可以求出n≥7.7。因此糾偏現(xiàn)場(chǎng)選擇安裝8塊鋼楔機(jī)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 鋼楔機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

盾構(gòu)滾動(dòng)角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。由圖9可知，在左線掘進(jìn)至第390環(huán)時(shí)，盾構(gòu)滾動(dòng)角增大，滾動(dòng)角為10 mm/m。隨后及時(shí)反轉(zhuǎn)刀盤(pán)，由于刀盤(pán)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)不到盾構(gòu)的糾偏轉(zhuǎn)矩，滾動(dòng)角仍然持續(xù)增大。當(dāng)掘進(jìn)至第447環(huán)時(shí)，滾動(dòng)角達(dá)到100 mm/m。隨即采用鋼板千斤頂糾正方案掘進(jìn)3環(huán)后，滾動(dòng)角降低5 mm/m；但到第450環(huán)后，滾動(dòng)角又開(kāi)始增大。究其原因，主要是螺旋千斤頂與撐靴容易脫離，不能持續(xù)提供糾偏力。在第460環(huán)，滾動(dòng)角為116 mm/m時(shí)，采用本文中的鋼楔機(jī)構(gòu)糾正方案，采用8塊角度為7.6°的鋼楔機(jī)構(gòu)，布置在盾構(gòu)中下方油缸位置，對(duì)稱(chēng)分布。糾偏后，盾構(gòu)滾動(dòng)角迅速減??；在掘進(jìn)到第490環(huán)時(shí)滾動(dòng)角降低到4 mm/m，在控制范圍內(nèi)，盾構(gòu)能正常掘進(jìn)。由此說(shuō)明鋼楔機(jī)構(gòu)方案可以迅速、有效地糾正盾構(gòu)滾動(dòng)角。

圖9 盾構(gòu)滾動(dòng)角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量的影響參數(shù)分析

4.1 盾構(gòu)隧道埋深

通過(guò)單一變量控制法保證其他參數(shù)不變，研究隧道埋深對(duì)鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量的影響規(guī)律，根據(jù)式(8)，假定其他參數(shù)為定值，均按照本項(xiàng)目實(shí)際工況選取，可以推導(dǎo)出鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與隧道埋深的關(guān)系式為：

n≥2.18H-14.03。

(9)

圖10為鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與隧道埋深的關(guān)系圖。由圖可知，當(dāng)其他變量保持不變時(shí)，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與隧道埋深成線性正相關(guān)，埋深每增加1 m，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量增加約2塊。

圖10 鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與隧道埋深的關(guān)系

4.2 盾構(gòu)隧道地層類(lèi)型

在保證其他參數(shù)不變的前提下，研究地層類(lèi)型與鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量的關(guān)系。根據(jù)式(8)，可以推導(dǎo)出鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與地層條件的關(guān)系式為：

n≥-0.87k+17.81。

(10)

式中k為與地層條件和盾構(gòu)類(lèi)型相關(guān)的系數(shù)。

圖11示出了鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與土壓平衡盾構(gòu)地層條件相關(guān)系數(shù)的關(guān)系。由圖11可知，當(dāng)其他變量保持不變時(shí)，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與地層條件和盾構(gòu)類(lèi)型相關(guān)的系數(shù)k成反比，k每增加1，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量減少約1塊；且對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)，k=8～23，所以在其他參數(shù)不變時(shí)，地層類(lèi)型改變，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量變化為1～11塊。

圖11 鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與地層條件的關(guān)系

4.3 盾構(gòu)直徑

在其他參數(shù)保持不變的前提下，研究盾構(gòu)直徑對(duì)鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量的影響規(guī)律，根據(jù)式(8)，可以推導(dǎo)出鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與盾構(gòu)半徑的關(guān)系公式為：

n≥2.13R2-0.52R3+0.94R。

(11)

圖12為鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與盾構(gòu)半徑的關(guān)系圖。由圖可知，當(dāng)其他參數(shù)保持不變時(shí)，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與盾構(gòu)半徑成三次函數(shù)關(guān)系，且隨著盾構(gòu)直徑的增加，鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量先增大后減小。

圖12 鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與盾構(gòu)半徑的關(guān)系

5 結(jié)論與討論

本文提出了一種土壓平衡盾構(gòu)的新型滾動(dòng)角糾偏施工技術(shù)，建立了轉(zhuǎn)矩和使用數(shù)量的計(jì)算公式，并對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中所受力矩的分析，建立了盾構(gòu)反轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，得出了反轉(zhuǎn)矩與刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系。

2)提出了一種鋼楔機(jī)構(gòu)裝置，用以糾偏盾構(gòu)滾動(dòng)角；基于建立的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，推導(dǎo)出了鋼楔機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的力矩及使用數(shù)量的計(jì)算公式；并結(jié)合杭州地鐵7號(hào)線工程驗(yàn)證了鋼楔機(jī)構(gòu)糾偏裝置的可行性。

3)鋼楔機(jī)構(gòu)數(shù)量與隧道埋深成線性正相關(guān)、與地層條件系數(shù)成線性負(fù)相關(guān)，與盾構(gòu)直徑成非線性三次函數(shù)關(guān)系。

在進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)滾動(dòng)角糾偏時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地層情況、盾構(gòu)埋深、盾構(gòu)尺寸及現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施條件等進(jìn)行綜合判斷，選擇合適方法，才能取得較好的效果。