地鐵盾構(gòu)內(nèi)置式榫插型管片錯縫拼裝施工技術(shù)

王田，陳彪

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無錫 214105）

近年來，國內(nèi)諸多城市正在大規(guī)模地進行軌道交通工程建設(shè)，國家交通建設(shè)的中心也在往城市軌道交通建設(shè)上偏移，盾構(gòu)法施工技術(shù)以其安全可靠、綠色環(huán)保的優(yōu)勢在軌道交通領(lǐng)域取得了突飛猛進的發(fā)展。

目前盾構(gòu)法隧道普遍使用螺栓連接管片作為隧道的承載結(jié)構(gòu)，但是螺栓連接管片成型隧道后期的防水和變形較為嚴重，部分隧道需通過采取鋼環(huán)加固的措施來確保地鐵的正常運營。

而內(nèi)置式榫插型管片拼裝技術(shù)的應(yīng)用，不僅可大大提高盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，減少后期隧道防水和隧道變形，同時可以滿足盾構(gòu)施工的自動化作業(yè)，為軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化施工起到了積極的推動和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間長1082.9m，埋深7.5～13.4m，線間距2.3～15.2m，最小曲線半徑約599.907m，最大縱坡29.907‰，隧道內(nèi)徑5900mm，外徑6600mm。

區(qū)間主要穿越地層為④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤11灰色黏土；上部覆土為③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土；下臥⑤11灰色黏土。本區(qū)間埋深較淺，不涉及承壓水，地下水形式主要以潛水為主，年平均地下水水位埋深離地表面0.5～0.7m。

1.2 內(nèi)置式榫插型管片結(jié)構(gòu)形式

內(nèi)置式榫插型管片采用鋼筋混凝土通用環(huán)管片，錯縫拼裝，每環(huán)管片最大楔形量為39.6mm。管片外徑：6.6m；內(nèi)徑：5.9m；管片環(huán)縱向均采用內(nèi)置式連接接頭，環(huán)向采用承插式連接，縱向采用插入式連接，環(huán)、縱向連接件拼裝允許偏差均為1.5mm，拼裝精度要求高，且縱向連接為不可逆連接，管片拼裝后無法進行常規(guī)拆除。

2 盾構(gòu)機選型與改造

（1）本工程管片采用通用環(huán)錯縫拼裝，盾構(gòu)機油缸分布需適應(yīng)管片錯縫拼裝，推進油缸撐靴板不發(fā)生騎縫現(xiàn)象。（2）因內(nèi)置式榫插型管片連接件分布的形式，封頂塊管片拼裝時需徑向搭接1/3，盾構(gòu)推進油缸的有效伸長量應(yīng)不小于2100mm，以滿足內(nèi)置式榫插型管片拼裝需求。（3）內(nèi)置式榫插型管片連接件允許偏差僅為1.5mm，拼裝精度要求高，管片拼裝機需具備無極可調(diào)速旋轉(zhuǎn)的功能，旋轉(zhuǎn)精度需達到1.5mm以內(nèi)。（4）盾構(gòu)機操作系統(tǒng)中需配置管片自動選型系統(tǒng)以及盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，盾尾間隙自動測量系統(tǒng)精度需達到1.5mm以內(nèi)。

3 內(nèi)置式榫插型管片盾構(gòu)掘進技術(shù)

3.1 盾構(gòu)糾偏量控制

盾構(gòu)掘進單環(huán)糾偏量控制是盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制的要點。盾構(gòu)掘進過程中需嚴格控制盾構(gòu)的糾偏量，最大限度減少每次糾偏幅度。根據(jù)每環(huán)管片的測量結(jié)果和管片四周間隙情況，對盾構(gòu)機下一環(huán)的掘進提供精確依據(jù)，及時調(diào)整各分區(qū)推力差以及千斤頂?shù)纳扉L量。

盾構(gòu)掘進姿態(tài)糾偏控制時，會產(chǎn)生一定的超挖，施工中根據(jù)糾偏量嚴格計算出土量及超挖量，并根據(jù)超挖量同步調(diào)整注漿量。

盾構(gòu)掘進單環(huán)姿態(tài)糾偏量控制包括切口變化量、盾尾變化量以及切口變化量與盾尾變化量之差控制，以上姿態(tài)變化量均需控制在4mm以內(nèi)。

3.2 推力差控制

推力差是控制盾構(gòu)機姿態(tài)的基本方法。針對本區(qū)間軟土地層，埋深較淺，總推力不宜過大。此外，需均勻分配各分區(qū)千斤頂壓力，在軟土地層盾構(gòu)推進時，若上下推力差過大，將會導(dǎo)致管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，從而會導(dǎo)致管片滲漏水以及破損等質(zhì)量病害。因此，穿越過程中將上下推力差控制在150t以內(nèi)，水平推力差根據(jù)隧道設(shè)計軸線以及轉(zhuǎn)彎半徑實時調(diào)整。

3.3 推進油缸行程差控制

在盾構(gòu)姿態(tài)糾偏期間，計算每環(huán)管片的糾偏楔形量為39.6mm，為保證管片拼裝質(zhì)量，盾構(gòu)推進過程中通過控制盾構(gòu)機推進油缸壓力差，分階段調(diào)整推進油缸行程差，滿足每環(huán)管片的糾偏楔形量。將盾構(gòu)推進過程劃分為3個階段，每個階段推進400mm，調(diào)整13.2mm的糾偏楔形量，每環(huán)管片推進過程中，均采用間隔400mm確認對應(yīng)油缸行程差是否為13.2mm的方式進行控制，確保每環(huán)管片拼裝完成后推進油缸行程差不大于10mm。

4 內(nèi)置式榫插型管片拼裝技術(shù)

4.1 負環(huán)管片拼裝及定位

針對內(nèi)置式榫插型管片拼裝精度高的要求，負環(huán)管片采用鋼管片全環(huán)拼裝。為了提高負環(huán)管片的重復(fù)利用率，負環(huán)管片采用螺栓連接通縫拼裝，通過特制的600mm寬過渡環(huán)管片將通縫鋼管片與內(nèi)置式榫插型管片進行有效連接。連接處需采取有效的加固措施減少管片的變形量。

為確保負環(huán)管片拼裝精度，在負環(huán)管片拼裝過程中實時測量管片前超量以及環(huán)面平整度，通過在負環(huán)管片背千斤頂面粘貼纖維橡膠板進行調(diào)整，以達到零環(huán)管片環(huán)面相對平整的技術(shù)要求，零環(huán)管片環(huán)面高差不大于1mm。

負環(huán)管片與零環(huán)管片拼裝過程中實時測量管片真圓度并進行調(diào)整，為內(nèi)置式榫插型管片拼裝提供精確定位。

4.2 管片拼裝順序

因內(nèi)置式榫插型管片接連件結(jié)構(gòu)形式要求，第一塊管片必須拼裝B2管片；管片為通用環(huán)管片，封頂塊不會固定在某一個點位，為了保證管片拼裝安全可控，拼裝過程中盡量優(yōu)先拼裝下半圓管片，在雙梁吊運管片時需根據(jù)拼裝順序合理擺放各塊管片。

4.3 管片拼裝點位選擇

管片拼裝共16個點位，每個點位22.5°。直線段拼裝時，一般選擇3點位和11點位對拼或者5點位和13點位對拼。平曲線及豎曲線段拼裝時需根據(jù)盾尾間隙及推進油缸行程差進行點位選擇，一般情況下，不選擇8點位和16點位。

曲線段管片拼裝時，根據(jù)管片點位自動選擇系統(tǒng)和人工選擇相結(jié)合的形式確定最佳拼裝點位，為實現(xiàn)人工快速準確地進行管片拼裝點位選擇，特別設(shè)計了管片點位選擇轉(zhuǎn)盤，包含3個部分，最外側(cè)為盾構(gòu)推進油缸編號，管片拼裝過程中，可根據(jù)轉(zhuǎn)盤準確控制每塊管片拼裝區(qū)域?qū)?yīng)的盾構(gòu)推進油缸的伸縮；中間為上一環(huán)管片拼裝點位，可直觀地看出管片拼裝點位對應(yīng)的糾偏楔形量；最內(nèi)側(cè)為當(dāng)前環(huán)管片拼裝點位，可根據(jù)轉(zhuǎn)盤直觀地看出當(dāng)前環(huán)管片的糾偏楔形量以及快速準確地判斷當(dāng)前環(huán)管片與上一環(huán)管片不發(fā)生通縫現(xiàn)象的拼裝點位，從而快速準確地進行管片拼裝點位選擇。當(dāng)上一環(huán)拼裝點位為N時，當(dāng)前環(huán)拼裝點位可選擇N±2，N±5，N±8點位。

圖1 管片拼裝點位選擇轉(zhuǎn)盤

4.4 管片拼裝質(zhì)量保證措施

拼裝過程中按各塊管片位置，縮回相應(yīng)位置的千斤頂，形成管片拼裝空間，可有效防止盾構(gòu)后移；管片運至拼裝機下方后，由管片拼裝機將吊裝螺栓卡緊，將管片運至相應(yīng)位置進行拼裝；每塊管片拼裝到位后，及時將千斤頂伸出，并拿掉舉重孔內(nèi)的吊裝頭。

管片拼裝過程中，通過內(nèi)弧面設(shè)置的縱向插入式連接件的位置標記進行精確定位；同時，每塊管片拼裝過程中，由操作人員采用水平尺控制錯臺高度，以確保管片拼裝質(zhì)量全面受控。當(dāng)縱向和環(huán)向連接均確認無誤后，由推進油缸將管片頂推到位。

管片拼裝時，在縱向插入過程中需通過拼裝機將正在拼裝的管片止水條與已經(jīng)拼裝好的管片止水條擠壓密實，然后，將管片沿縱向拉緊，確保張開量在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

封頂塊拼裝前，先確認兩側(cè)鄰接塊管片距離大于設(shè)計值0.5～1mm，方可進行封頂塊的拼裝；若距離小于設(shè)計值，在拼裝封頂塊前，需將兩側(cè)鄰接塊管片上部油缸松開；封頂塊拼裝時，先徑向搭接1/3，然后縱向插入；待兩側(cè)卡槽均卡實后利用拼裝機和推進油缸將封頂塊頂推到位。

每推進完成一環(huán)后及時清理盾尾雜物和積水，確保下部管片拼裝區(qū)域清潔以及止水條干燥無夾雜泥沙等情況，提高管片拼裝精度，減少滲漏水通道。

4.5 盾尾間隙控制

本區(qū)間盾尾間隙理論值為30mm，在盾構(gòu)掘進過程中，任意點位的盾尾間隙控制在15mm以上。

為了精確控制盾尾間隙，本區(qū)間在盾構(gòu)機操作系統(tǒng)中增加盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸式測量方式，應(yīng)用圖像技術(shù)、輔助激光的方式精確測定尾盾間隙，能夠在施工過程中實時測量出當(dāng)前間隙值，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，為管片的最佳拼裝點位提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，每環(huán)掘進過程中人工進行兩次盾尾間隙的測量，掘進完成后，人工測量一次盾尾間隙，盾尾間隙大于15mm時測量上、下、左、右4個部位，盾尾間隙小于等于15mm時至少測量8個部位。當(dāng)盾尾間隙小于等于15mm時，需通過調(diào)整盾構(gòu)機掘進姿態(tài)、合理選擇拼裝點位來調(diào)整盾尾間隙，使管線趨勢擬合盾構(gòu)機趨勢，本區(qū)間盾構(gòu)掘進過程中，盾尾間隙較為均勻，最小為19mm，滿足高精度內(nèi)置式榫插型管片拼裝需求。

5 實施效果

盾構(gòu)掘進過程中，各項指標控制良好，未發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，管片破損率為0.6%（本區(qū)間共903環(huán)管片，僅6環(huán)管片各出現(xiàn)一次破損）。推進前期，因?qū)ζ囱b工藝不熟練，管片拼裝速度較慢，后期通過加強各項施工參數(shù)的控制以及現(xiàn)場管理，逐漸熟悉拼裝工藝，管片拼裝速度有所提升，拼裝完成一環(huán)用時約30～40min，可以達到螺栓連接管片的拼裝速度，而且管片拼裝質(zhì)量良好。

6 結(jié)語

（1）內(nèi)置式榫插型管片成型隧道環(huán)縱縫很小，且內(nèi)弧面無手孔，隧道貫通后無須進行管片嵌縫及手孔封堵施工，一定程度上節(jié)約了施工成本及施工工期。

（2）內(nèi)置式榫插型管片采用內(nèi)置式連接方式，可減少螺栓工的投入；同時，不存在后期螺栓銹蝕的病害、手孔滲漏水現(xiàn)象以及后期運營過程中上部手孔蓋帽掉落等現(xiàn)象，減少后期運營維保安全隱患。

表1 盾構(gòu)區(qū)間推進完成后既有隧道變形統(tǒng)計表

（3）內(nèi)置式榫插型管片采用兩道封閉成環(huán)的遇水膨脹止水條，成型隧道無滲漏水現(xiàn)象，大大減少了施工過程中的堵漏費用和后期運營過程中的維保成本。

（4）內(nèi)置式榫插型管片制作精度高，拼裝允許偏差小，管片破損現(xiàn)象極少，成型隧道上浮量得到很好的控制；內(nèi)置式榫插型管片能有效提高管片拼裝初始真圓度，后期成型隧道收斂變形較小。

（5）內(nèi)置式榫插型管片的應(yīng)用改變了國內(nèi)傳統(tǒng)的螺栓連接方式的管片的結(jié)構(gòu)，具備了與其不同的特點：管片的整體性得到提高，具有更強的剛度，很大程度提高了管片的耐久性和盾構(gòu)隧道的防水性能；同時，可大大減少盾構(gòu)隧道的后期變形，提高了盾構(gòu)施工質(zhì)量，降低后期的維護成本；同時，使地鐵盾構(gòu)隧道管片拼裝施工多了一種選擇，不僅可以大大減少隧道施工以及運營后的質(zhì)量病害，也可滿足自動化拼裝需求，將對國內(nèi)軌道交通盾構(gòu)施工實現(xiàn)自動化起到積極地推動和指導(dǎo)作用。