小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量控制

萬金寶 苑強(qiáng) 王鑫 司洪亮 劉偉莉

摘要：盾構(gòu)隧道管片的安裝質(zhì)量直接影響到隧道的外觀和使用性能，而其安裝質(zhì)量受到種種因素的影響，在小曲率半徑盾構(gòu)隧道中尤為重要。在小曲率半徑盾構(gòu)隧道中，極易由于千斤頂推力不均和糾偏不到位造成管片錯臺、破損等一系列管片質(zhì)量問題。本文以天津地鐵11號線為工程背景，分析了造成小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量問題的原因，并以此提出了管片質(zhì)量控制措施。

關(guān)鍵詞：管片安裝?管片質(zhì)量?小曲率半徑?盾構(gòu)隧道

中圖法分類號：TU91??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis of Segment Floating During Construction of Shield Tunnel with Small Curvature Radius

WAN?Jinbao??YUAN?Qiang??WANG?Xin???SI?Hongliang??LIU?Weili

（1. China Communications Third Bureau First Co.， Ltd.， Beijing，?100012 China; 2. Tianjin Huadun Engineering Supervision Consulting Company， Tianjin，?300000 China）

Abstract： The installation quality of shield tunnel segments directly affects the appearance and service performance of the tunnel， and its installation quality is affected by various factors， especially in shield tunnels with small curvature radius. In the shield tunnel with small curvature radius， a series of segment quality problems such as segment dislocation and breakage are easily caused by uneven jack thrust and inadequate correction. Based on the engineering background of Tianjin Metro Line 11， this paper analyzes the causes of segment quality problems in shield tunnels with small curvature radius， and puts forward the segment quality control measures.

Key Words： Segment installation; Segment quality;?Small radius of curvature; Shield tunnel

由于曲線盾構(gòu)隧道在線路使用上具有極強(qiáng)的靈活性，經(jīng)常與直線段配合使用，可解決規(guī)劃及地質(zhì)原因造成的線路問題。但是小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片姿態(tài)控制難度更大，對于管片安裝質(zhì)量要求更高。

樊濟(jì)新等通過對南京地鐵10號線工程進(jìn)行研究，對管片拼裝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié);周飛等研究了通縫和錯縫拼裝對盾構(gòu)管片力學(xué)性能的影響，對施工現(xiàn)場提高管片安裝質(zhì)量有較大幫助;何先等對小曲線半徑盾構(gòu)隧道中的管片拼裝及控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并列出了施工要點(diǎn)及控制措施;陳云堯等通過建立拼裝橢圓度與縱縫變形規(guī)律數(shù)值模型，分析了拼裝橢圓度、拼裝點(diǎn)位對縱縫張角的影響;邵高波等通過天津地鐵的300m小曲率半徑盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)工程，統(tǒng)計(jì)分析了造成管片錯臺、破損等質(zhì)量問題的原因，并對后續(xù)掘進(jìn)提出了控制措施;楊帆等通過對武漢地鐵6號線的小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，提出了提高管片拼裝質(zhì)量的控制措施;陳曦等基于BIM技術(shù)建立了盾構(gòu)管片自動拼裝模型，對于提高盾構(gòu)管片拼裝效率及拼裝質(zhì)量有很大幫助。

由于管片安裝質(zhì)量對于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)適用性及耐久性有重要影響，因此國內(nèi)學(xué)者及專家對于這方面的研究也較為重視，但多數(shù)都是研究管片錯臺、破損因素，卻未對影響管片安裝質(zhì)量的因素的源頭進(jìn)行詳細(xì)分析，且小曲率半徑盾構(gòu)隧道對管片安裝質(zhì)量要求更為苛刻。

本文基于天津地鐵11號小曲率半徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目，對影響管片安裝質(zhì)量的因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出了針對性措施，以期對施工提供指導(dǎo)。

1?工程概況

天津地鐵11號線內(nèi)江路-陳塘站區(qū)間長396.1m，本段區(qū)間出內(nèi)江路站后以半徑 350m 曲線，向東轉(zhuǎn)至東江道，到達(dá)陳塘站。隧道結(jié)構(gòu)覆土厚度在11.8～10.3m 之間。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為5.5m、外徑為6.2m，區(qū)間自內(nèi)江路站起，沿內(nèi)江路路下敷設(shè)，向東到達(dá)陳塘站（見圖1）。

由于本階段盾構(gòu)區(qū)間轉(zhuǎn)彎半徑為350m，小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量控制本就復(fù)雜，且此區(qū)間地層處于中粗砂、粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土夾層，穩(wěn)定性較差，同時地下水非常豐富，若管片安裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，極易造成管片滲漏水，影響隧道的正常使用。因此，研究影響小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量的因素對于本工程具有重要的實(shí)際意義。

2?管片安裝質(zhì)量影響因素

2.1?管片上浮

由于盾構(gòu)隧道的特性，導(dǎo)致管片在脫出盾尾時會存在盾尾間隙，需要通過注漿來填充間隙，而由于注漿漿液需要凝固時間，往往會存在漿液浮力而導(dǎo)致管片上浮。管片上浮可能導(dǎo)致管片的錯臺、破損，從而引發(fā)滲漏水情況，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的使用效果。

2.2?糾偏不到位

盾構(gòu)隧道原本是由直線開挖，但由于規(guī)劃和地質(zhì)等因素需要利用曲線的靈活性來達(dá)到路線要求，因此通過一段一段的折線來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道的曲線路徑。但是小曲率半徑盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中并無法通過控制千斤頂推力來達(dá)到軸線的控制，而是通過不斷糾偏以到達(dá)預(yù)期軸線，因此一旦糾偏不到位就會導(dǎo)致管片出現(xiàn)錯臺、破損等情況，影響管片的安裝質(zhì)量。

2.3?管片滲漏水

盾構(gòu)隧道防水主要是由管片防水為主，但由于管片之間存在接縫，因此需要對接縫進(jìn)行防水處理。因此，管片自身的質(zhì)量和接縫防水質(zhì)量是影響管片滲漏水的主要原因。管片和接縫之間需要通過橡膠密封條來進(jìn)行防水，橡膠密封條的粘貼質(zhì)量若不合格，就會出現(xiàn)管片局部滲漏水。

2.4?千斤頂推力不均

小曲率半徑盾構(gòu)隧道通過施加左右不對稱推力來達(dá)到盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的效果，對左側(cè)施加較大的推力則可以使盾構(gòu)機(jī)向右偏轉(zhuǎn)，但是左側(cè)推力較大也會造成左側(cè)管片受力集中，從而導(dǎo)致管片出現(xiàn)破損。此外，轉(zhuǎn)彎段左右不對稱千斤頂推力會產(chǎn)生一個側(cè)向分力，該側(cè)向分力容易使管片發(fā)生側(cè)移，從而導(dǎo)致管片錯臺現(xiàn)象的發(fā)生。因此，千斤頂左右推力不均是影響小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量的一個重要因素。

3?管片安裝質(zhì)量控制措施

通過對上述影響管片安裝質(zhì)量的種種因素進(jìn)行分析，從而制定相對應(yīng)的管片安裝質(zhì)量控制措施。

3.1?使用合適的漿液配合比

注漿漿液的初凝時間和早期強(qiáng)度是影響管片上浮的重要因素，可以通過試驗(yàn)配制出合適的漿液配合比，來減少初凝時間，同時提高漿液早期強(qiáng)度，以達(dá)到控制管片上浮的目的。同時，由于本工程處于富水砂層，同步注漿之后漿液容易被地下水稀釋，同時也影響著漿液的強(qiáng)度，因此確定合適的漿液配合比對于控制管片上浮有著重要作用。

3.2?軸線控制

3.2.1鉸接裝置和仿形刀的運(yùn)用

盾構(gòu)隧道在開挖過程中，由于管片側(cè)部并不是圓滑的曲線，且動力控制存在誤差，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線不可避免地會出現(xiàn)偏離。盾構(gòu)隧道轉(zhuǎn)彎施工有著許多優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)彎施工的實(shí)現(xiàn)也存在許多技術(shù)難點(diǎn)，曲線盾構(gòu)隧道開挖基于主動鉸接裝置與仿形刀的使用得以實(shí)現(xiàn)。曲線隧道在掘進(jìn)過程中，通過主動鉸接裝置來減小后盾的轉(zhuǎn)角，使盾尾與管片間不發(fā)生碰觸，防止管片破損。盾構(gòu)機(jī)外圍土體通過仿形刀按照要求進(jìn)行超挖，仿形刀使盾構(gòu)隧道曲線推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及糾偏得以順利進(jìn)行。

3.2.2軸線預(yù)偏

由于千斤頂推力不均，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎段管片會受到一個側(cè)向分力的作用，從而使管片向外側(cè)偏移。在盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎段設(shè)置一個預(yù)偏量，可以有效減輕管片偏移的情況。設(shè)置預(yù)偏量能夠使盾構(gòu)機(jī)沿隧道線型法線方向掘進(jìn)時產(chǎn)生的偏移與預(yù)偏量相抵消，從而使管片的拼裝更符合要求。其中，預(yù)偏量受轉(zhuǎn)彎半徑及千斤頂推力大小的影響。另外，可根據(jù)實(shí)際施工掘進(jìn)過程中管片的姿態(tài)對預(yù)偏量進(jìn)行調(diào)整。

3.3?防水控制

為防止管片本身出現(xiàn)質(zhì)量問題而導(dǎo)致滲漏水情況發(fā)生，應(yīng)對使用管片逐環(huán)進(jìn)行檢查驗(yàn)收，預(yù)防有不合格管片投入使用。

另外，管片接縫處的防水更為重要，由于管片接縫處受到推力的作用會產(chǎn)生一定的張開量，為防止接縫處滲漏水，可適當(dāng)加大傳力墊層厚度和橡膠密封條體積，同時需要嚴(yán)格控制橡膠密封圈的粘貼質(zhì)量。

3.4?管片拼裝

3.4.1管片寬度設(shè)計(jì)

如圖2所示，千斤頂推力不均而形成的側(cè)向分力的大小取決于推力的大小和角的大小，在千斤頂推力一定的情況下，角的大小與轉(zhuǎn)彎半徑、管片外徑和管片寬度有關(guān)。在轉(zhuǎn)彎半徑和管片外徑確定的情況下，管片寬度越小，角越小，側(cè)向分力也就越小。

而從隧道整體來看，兩環(huán)管片在拼裝后會形成一個折角，當(dāng)兩環(huán)管片寬度越小時，微分效果越好，隧道線性更加接近曲線，且還能保證管片的安裝質(zhì)量。

3.4.2管片安裝

管片安裝流程如圖3所示。

3.5?合理控制千斤頂推力

3.5.1適當(dāng)降低推進(jìn)速度

由圖4可知，小曲率半徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時由于千斤頂不對稱推力會形成一個側(cè)向分力：

（1）

（2）

式中：為千斤頂總推力;為拼裝管片與隧道設(shè)計(jì)軸線夾角;為隧道轉(zhuǎn)彎半徑;為管片外徑;為一環(huán)管片的厚度。

由式（1）可知，側(cè)向分力的大小取決于盾構(gòu)推力和夾角的大小。由式（2）可求得拼裝管片與設(shè)計(jì)軸線的夾角，從式中可知，夾角與隧道轉(zhuǎn)彎半徑、管片外徑和管片長度有關(guān)。盾構(gòu)隧道施工中，管片參數(shù)和轉(zhuǎn)彎半徑已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，因此盾構(gòu)推力的大小就直接決定了側(cè)向壓力的大小。為了減小側(cè)向分力，從而減小因千斤頂推力不均而產(chǎn)生的管片質(zhì)量問題，可在轉(zhuǎn)彎段施工時適當(dāng)降低推進(jìn)速度，即減少千斤頂推力。

3.5.2間歇性施工

在小曲率半徑盾構(gòu)隧道中，左右側(cè)的千斤頂推力不均會形成一個側(cè)向分力，而這個側(cè)向分力容易導(dǎo)致管片錯臺、破損，引發(fā)管片的質(zhì)量問題。為了減輕這種影響，可以采取間歇性施工的方法，使千斤頂推進(jìn)一段距離后停頓一下，使集中應(yīng)力得到釋放，從而減輕管片所受到的側(cè)向分力，從而減輕對管片的結(jié)構(gòu)性損傷。

4?結(jié)語

本文以天津地鐵11號線為工程背景，通過總結(jié)影響小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量的種種因素，提出了幾點(diǎn)小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片安裝質(zhì)量控制措施，可以從使用合適的漿液配合比、軸線控制、防水控制、管片拼裝設(shè)計(jì)和合力控制千斤頂推力等方面來進(jìn)行改進(jìn)，從而對施工起到指導(dǎo)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：萬金寶（1983—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ獭?/p>