雙鉸接微盾構(gòu)擬合S形小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工技術(shù)

蔣尚志 許劍波 楊錦濤 陳 狀 王 強(qiáng)

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430070

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市中配套的一些地鐵、公路、綜合管廊等地下隧道工程增多，由于成本、工期、施工條件等原因限制，該類綜合管道均為小直徑小轉(zhuǎn)彎曲線隧道（轉(zhuǎn)彎半徑小于200 m）。在隧道施工過程中，小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的擬合尤為重要。雙主動球形鉸接可以適應(yīng)于小轉(zhuǎn)彎半徑的隧道，但是同時具備盾構(gòu)姿態(tài)過于靈活、難以控制的特點(diǎn)[1]，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)趨勢與線路趨勢不符，使隧道軸線與線路軸線存在較大的夾角，產(chǎn)生成形管片連續(xù)的質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)線路偏差的現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。本文對雙主動球形鉸接盾構(gòu)擬合小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的控制進(jìn)行了重點(diǎn)研究，利用盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，總結(jié)出小轉(zhuǎn)彎半徑隧道擬合的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

徐州市區(qū)污水管網(wǎng)提質(zhì)增效一期工程施工15標(biāo)段包括湖北路（含煤建路）、西安北路污水管網(wǎng)。主要施工內(nèi)容包括2條盾構(gòu)主線，最小轉(zhuǎn)彎半徑100 m。

其中，西安北路—建國西路DN2 000盾構(gòu)主線1 429 m，管底高程23.18～24.20 m。黃茅崗—煤建路DN2 000盾構(gòu)主線1 041 m，管底高程23.24～24.80 m。盾構(gòu)機(jī)最大開挖直徑2 845 mm，采用外徑2 600 mm、內(nèi)徑2 100 mm、厚度250 mm的C50預(yù)制混凝土管片；隧道坡度：0.08%/0.1%。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，場地勘察深度范圍內(nèi)第四系土層主要有填土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土等，下伏基巖主要為寒武系灰?guī)r，局部分布有泥灰?guī)r、粉砂巖、泥巖以及角礫巖。地下水主要接受大氣降水以及河流等地表水的入滲補(bǔ)給，河水與地下水成補(bǔ)給關(guān)系。地下水水位29.4～29.8 m，埋深1.4～5.3 m。受季節(jié)性降水影響，年變幅1.0～3.0 m。

2 技術(shù)特點(diǎn)與原理

徐州提質(zhì)增效項(xiàng)目黃茅崗—煤建路區(qū)間S形曲線總長度91.7 m，兩段曲線長度分別為36.2、54.2 m，中間僅有1.3 m長度的直線作為過渡，具有曲率大、長度小且兩段曲線方向完成相反的特點(diǎn)。目前，小曲線轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)設(shè)備上應(yīng)用的鉸接形式為平面鉸接，轉(zhuǎn)彎能力有限，不能滿足小曲線轉(zhuǎn)彎要求，因此本工程選擇雙主動球形鉸接盾構(gòu)機(jī)，長度10.8 m。

通過位于中盾與前盾、尾盾連接處的2道主動球形鉸接配合，將盾構(gòu)機(jī)盾體的三部分最大程度與線路曲線進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)隧道中心線與線路中心線的高度重合。雙主動球形鉸接由8個鉸接油缸及控制閥組成（圖1、圖2），鉸接油缸成周向分布，分為4組進(jìn)行控制，調(diào)整時4組全部動作，轉(zhuǎn)彎方向一側(cè)油缸縮回，另一側(cè)伸出。

圖1 鉸接油缸分布情況

圖2 鉸接油缸示意

3 施工準(zhǔn)備

1）盾構(gòu)抵達(dá)曲線時的施工位置。依據(jù)線路平面圖的信息，對隧道進(jìn)行管片排版，并根據(jù)每段曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)里程以及曲線長，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)掌子面抵達(dá)曲線起點(diǎn)、終點(diǎn)的具體環(huán)號、行程。盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)該位置前再次根據(jù)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際里程，對進(jìn)入曲線的位置進(jìn)行復(fù)核、確認(rèn)。

2）雙主動球形鉸接的伸長量模擬。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)在該曲線段掘進(jìn)的情況，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)圖紙與線路線型的CAD模擬、計(jì)算，通過盾構(gòu)機(jī)鉸接伸長產(chǎn)生的夾角與線路轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的夾角對比，當(dāng)2道主動鉸接的伸長均與線路轉(zhuǎn)向的夾角一致時，對該狀態(tài)下的盾構(gòu)機(jī)線路進(jìn)行模擬，保證盾構(gòu)機(jī)軸線與線路中線偏差不超過50 mm。

3）對盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)半徑100 m曲線起點(diǎn)及其在此曲線擬合掘進(jìn)工況進(jìn)行模擬（圖3～圖5）。

圖3 盾構(gòu)直線段模擬

圖4 盾構(gòu)曲線段模擬

圖5 理論鉸接行程差

根據(jù)上圖得到在直線段與半徑100 m的曲線上，鉸接產(chǎn)生了相對位移，在半徑100 m的圓曲線段，本盾構(gòu)機(jī)的雙球形鉸接的伸長量模擬值為53 mm。

4）復(fù)測鉸接油缸行程，確保油缸行程顯示準(zhǔn)確。

5）對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行零位復(fù)核，實(shí)測盾構(gòu)機(jī)切口里程、盾構(gòu)姿態(tài)是否與導(dǎo)向系統(tǒng)存在偏差，如有偏差及時糾正。

6）進(jìn)入曲線施工時，在前1～2環(huán)調(diào)整設(shè)備基本處于隧道基線上，保證無偏移，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)扭轉(zhuǎn)角度修正為0°。

4 施工控制要點(diǎn)

4.1 掘進(jìn)過程鉸接控制

1）根據(jù)多次里程計(jì)算校正后，盾構(gòu)機(jī)掌子面抵達(dá)曲線段，此時將鉸接按照理論計(jì)算伸縮量53 mm全部打開，盾構(gòu)掘進(jìn)速度按照10 mm/min進(jìn)行控制。過程中密切關(guān)注盾構(gòu)姿態(tài)變化情況，根據(jù)姿態(tài)變化的速度進(jìn)行調(diào)整。

2）若盾構(gòu)機(jī)切口姿態(tài)距離軸線位置存在偏差，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與線路中心的相對位置關(guān)系進(jìn)行適量糾偏。使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在線路中心外側(cè)的鉸接伸縮量大于理論量，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在線路中心內(nèi)側(cè)的鉸接伸縮量小于理論量，讓盾構(gòu)機(jī)更好地?cái)M合線路。

3）后部鉸接相較于前部鉸接進(jìn)入曲線較晚，因此兩處鉸接伸長的初始時間不同，前盾長度3.624 m，前部鉸接位于前盾與中盾連接位置，后部鉸接位于中盾與尾盾連接位置。因此，在盾構(gòu)機(jī)切口抵達(dá)曲線起點(diǎn)位置3.624 m（約4.5環(huán)）后，按照理論鉸接行程伸長后部鉸接。

4）根據(jù)盾構(gòu)施工自身特性，后部4組鉸接油缸在地層中的前進(jìn)軌跡應(yīng)與前部4組保持一致。即前后2道鉸接的伸長量應(yīng)盡量保持一致，不宜產(chǎn)生較大的差值，將其控制在5 mm內(nèi)，否則盾構(gòu)機(jī)后部鉸接與線路會產(chǎn)生一定夾角，導(dǎo)致成形管片姿態(tài)超限。

5）隧道曲線段轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)完成后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)緩慢調(diào)節(jié)鉸接裝置，使設(shè)備姿態(tài)回歸直線，繼續(xù)直線段掘進(jìn)。

6）盾構(gòu)機(jī)切口抵達(dá)兩處曲線交點(diǎn)時，鉸接逐漸收回，在前部鉸接抵達(dá)交點(diǎn)時，將球形鉸接的伸縮量全部調(diào)整至相反方向。過程中降低推進(jìn)速度至10 mm/min以下。鉸接收回過程中持續(xù)關(guān)注盾構(gòu)切口姿態(tài)，控制在50 mm內(nèi)。

7）小轉(zhuǎn)彎曲線段掘進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度按照10～20 mm/min進(jìn)行控制。

4.2 同步注漿控制

1）小半徑曲線施工時，管片從盾尾脫出后如果不能立即與周圍土體形成一體，盾構(gòu)推進(jìn)就不能充分取得反力，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的管片變形，增加隧道位移的危險(xiǎn)性。

2）同步注漿選擇體積變化小、早期強(qiáng)度高的材料。

3）曲線段推進(jìn)必然導(dǎo)致土體損失的增加。由于設(shè)計(jì)軸線為S形曲線，實(shí)際推進(jìn)過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線為多段折線，且曲線外側(cè)出土量大，必然造成曲線外側(cè)土體的損失，并存在施工空隙。因此，在曲線段推進(jìn)過程中，同步注漿必須加強(qiáng)曲線外側(cè)的壓漿量，填補(bǔ)施工空隙，加固外側(cè)土體，使盾構(gòu)順利沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。

4）每環(huán)注漿量不少于1.2 m3，注漿壓力按照曲線內(nèi)側(cè)0.20～0.25 MPa，曲線外側(cè)0.25～0.30 MPa控制。

4.3 管片拼裝選點(diǎn)

本工程施工采用雙面楔形管片，楔形量30 mm，環(huán)寬800 mm，內(nèi)徑2 100 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，根據(jù)盾尾間隙、油缸行程、線路趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確拼裝選點(diǎn)。要求將拼裝楔形量小的一側(cè)選在曲線內(nèi)側(cè)。若遇曲線內(nèi)側(cè)位置無間隙、油缸行程差大，應(yīng)根據(jù)上下位置的情況，進(jìn)行拼裝選點(diǎn)，此時盾構(gòu)機(jī)保持正常推進(jìn)，管片減緩轉(zhuǎn)向趨勢后，盾尾間隙、油缸行程差在2～3環(huán)即會恢復(fù)正常。避免將楔形量小的一側(cè)拼裝至曲線外側(cè)，導(dǎo)致管片趨勢與線路趨勢相悖，使盾構(gòu)機(jī)趨勢無法匹配線路趨勢，形成線路偏差。

4.4 盾構(gòu)糾偏控制

1）盾構(gòu)機(jī)即將完成第1處小轉(zhuǎn)彎曲線掘進(jìn)時，將盾構(gòu)姿態(tài)控制在第1處小轉(zhuǎn)彎曲線內(nèi)側(cè)位置50 mm以內(nèi)，同時對第2道小轉(zhuǎn)彎曲線內(nèi)側(cè)50 mm進(jìn)行模擬，即在兩處小轉(zhuǎn)彎曲線內(nèi)側(cè)分別進(jìn)行割線，割線與線路最大距離不超過50 mm，割線長度應(yīng)按照盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長度進(jìn)行考慮。

2）若在S形小轉(zhuǎn)彎曲線上盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)發(fā)生偏差，應(yīng)及時進(jìn)行糾偏，控制調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)相對線路趨勢。

3）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)注意保持盾構(gòu)機(jī)呈現(xiàn)C形構(gòu)造，通過前后2道鉸接使盾構(gòu)機(jī)與線路貼合。

4）糾偏過程應(yīng)及時進(jìn)行低速掘進(jìn)，必要時采取將曲線內(nèi)側(cè)油缸進(jìn)行屏蔽，增加曲線外側(cè)推進(jìn)油缸撐靴處墊板等措施。過程中加強(qiáng)螺栓復(fù)緊以及管片外觀質(zhì)量控制，如發(fā)現(xiàn)連續(xù)管片質(zhì)量問題，及時檢查整改。

5）盾構(gòu)糾偏保證相對趨勢數(shù)值按照不增大、減少、0、小于0的過程進(jìn)行，及時控制趨勢，避免偏離值過大。

6）相對趨勢數(shù)值不增大，則代表盾構(gòu)偏離軸線趨勢已經(jīng)得到控制。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)會持續(xù)按照趨勢進(jìn)行偏離，此時的趨勢為最大趨勢。相對趨勢數(shù)值減小，則代表盾構(gòu)姿態(tài)偏離線路的趨勢已經(jīng)減緩，此時盾構(gòu)機(jī)持續(xù)按照趨勢進(jìn)行偏離。相對趨勢數(shù)值為0，此時盾構(gòu)機(jī)與線路基本處于平行狀態(tài)，此狀態(tài)為糾偏的臨界點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)不再進(jìn)行偏離，偏離姿態(tài)達(dá)到最大值。若盾構(gòu)機(jī)未達(dá)到相對線路平行狀態(tài)，則會持續(xù)產(chǎn)生偏離，且盾構(gòu)機(jī)處于Z字狀，不利于快速糾偏。相對趨勢數(shù)值小于0，此時盾構(gòu)姿態(tài)開始向線路方向靠攏，此過程糾偏結(jié)果較明顯。本階段需注意盾構(gòu)管片趨勢與盾構(gòu)機(jī)趨勢相符。

7）糾偏過程中鉸接伸縮量調(diào)整每次不超過3 mm，并根據(jù)推進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的實(shí)時變化情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

5 結(jié)語

在微盾構(gòu)S形小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工中，采用球形雙鉸接配合盾構(gòu)機(jī)精確的參數(shù)反饋，是確保順利掘進(jìn)和工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵?，F(xiàn)黃茅崗—煤建路區(qū)間已經(jīng)掘進(jìn)完成，其余S形曲線共計(jì)26個工作日，平均每日掘進(jìn)8環(huán)。根據(jù)規(guī)范要求，該成形隧道的平面位置和高程偏差的控制值為±150 mm，經(jīng)對本段成形隧道測量，結(jié)果顯示，平面位置偏差的最大值達(dá)到規(guī)范控制值的23.33%，高程偏差的最大值達(dá)到規(guī)范控制值的26.67%。

本工程基于雙主動球形鉸接盾構(gòu)機(jī)擬合小轉(zhuǎn)彎半徑隧道，通過雙主動球形鉸接伸長量的合理控制，使微盾構(gòu)趨勢與線路趨勢相符合，對小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的擬合更為貼切，保障了盾構(gòu)工程線路精準(zhǔn)及質(zhì)量。其相關(guān)思路和措施可供本項(xiàng)目剩余盾構(gòu)區(qū)間或具有類似特點(diǎn)的市政管線及綜合管廊工程盾構(gòu)施工項(xiàng)目參考。