馬蹄形盾構負環(huán)管片拼裝技術

李飛宇， 胡燕偉， 李龍飛

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

馬蹄形盾構負環(huán)管片拼裝技術

李飛宇， 胡燕偉， 李龍飛

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

盾構負環(huán)管片拼裝是盾構始發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，其拼裝工法將直接影響工程工期、盾構的順利始發(fā)及后續(xù)管環(huán)的拼裝質量(傾角、滾轉角等)。以應用世界首臺馬蹄形盾構施工的蒙華鐵路MHTJ-01標白城隧道為例，介紹盾構始發(fā)時負環(huán)管片的拼裝步驟，研究負環(huán)管片拼裝過程中管片的定位與固定方式，并針對性地設計馬蹄形管片在管片推出時的支護方式與支護工裝。最終形成一套科學、安全、高效并具有指導意義的異形盾構管片施工方法。

馬蹄形盾構； 負環(huán)管片； 管片拼裝； 盾構始發(fā)

Abstract: The partial segment assembly is very important to shield launching, and the assembly method will affect the project′s schedule, shield launching and the assembling quality of the following rings (i.e. inclination and rolling angle, etc). The assembling steps of the partial segment of Baicheng Tunnel of MHTJ-01 Bid Section on Menghua Railway are presented when shield launching; the positioning and fixing method of the segments during assembling of the partial ring are studied; and the supporting mode of the horseshoe-shaped segment is designed. Finally, a suit of scientific, safe, high-efficient and instructive assembling method of non-circular shield segment is developed.

Keywords: shield with horseshoe-shaped cross-section; partial segment; lining segments assembling; shield launching

0 引言

馬蹄形盾構作為異形盾構的一種，具有開挖面小、隧道襯砌周長小等優(yōu)點。馬蹄形管片有別于常規(guī)圓形管片，以其為代表的異形盾構的負環(huán)管片拼裝尚未形成一套完整的施工技術。

目前針對盾構負環(huán)管片拼裝技術的研究主要集中于圓形盾構，且主要面向于常規(guī)地鐵隧道6 m級盾構管片。韓亞麗等[1]通過南京地鐵玄武門站—許府巷站的施工實踐，論述了6.2 m直徑圓形管片的拼裝技術；于建軍[2]以沈陽地鐵1號線為例，通過設計比選，提出一套快速的地鐵盾構始發(fā)負環(huán)管片拼裝及拆除技術；梅勇兵等[3]結合隧道施工技術及工程機械各領域的發(fā)展狀況，對管片拼裝技術的今后發(fā)展趨勢進行了探討。

隨著盾構技術的發(fā)展，大直徑盾構的使用也趨于頻繁。針對大直徑盾構管片的拼裝也形成了一套較完善的工法。其中： 王華偉[4]和張伯陽[5]以南京緯三路過江隧道工程φ14.93 m泥水平衡式盾構為例，分別論述了超大直徑盾構的管片拼裝技術和超大直徑盾構的始發(fā)關鍵技術。

然而，由于異形盾構尤其是馬蹄形盾構的工程實例較少，故目前尚未形成一套完善的負環(huán)管片拼裝方法。本文結合蒙華鐵路白城隧道馬蹄形盾構施工實例，對管片的拼裝方式、拼裝流程以及在管片推出時的支護方式和支護工裝進行研究，探索一套可適應于馬蹄形大直徑盾構管片的拼裝方法。

1 馬蹄形管片介紹

馬蹄形管片是針對蒙華鐵路白城隧道的馬蹄形盾構開挖面而特殊設計的盾構管片，由于管片形似馬蹄而得名。

管片厚度為500 mm，環(huán)寬1 600 mm，縱向最大外徑為10 589 mm，橫向最大外徑為11 540 mm。管片分為奇數(shù)環(huán)和偶數(shù)環(huán)。每環(huán)管片又分為8塊，其中標準塊5塊，臨接塊2塊，封頂塊1塊。管片標記如圖1所示。

每塊管片上面均布置有螺紋預埋件和螺栓孔。管片之間由軸向和環(huán)向直型螺栓緊固。環(huán)間由44個相互交叉螺栓擰緊，同環(huán)相鄰管片間由2個相互交叉螺栓擰緊。

(a) 奇數(shù)環(huán)管片 (b) 偶數(shù)環(huán)管片

圖1馬蹄形管片標記示意圖

Fig. 1 Sketches of segment marking

2 馬蹄形管片拼裝

2.1拼裝方式

本臺盾構結合設備布置及管片特殊性，選用環(huán)形機械抓取式管片拼裝機。管片拼裝機結構如圖2所示。

圖2 環(huán)形機械抓取式拼裝機

理論上管環(huán)外側距離尾盾內側有一定尾刷間隙，而在拼裝第1環(huán)管片時并沒有壓到盾尾刷來保證此間隙，因此需要在拼裝前，于尾盾下部(最底部3塊管片位置)焊接墊塊保證管片和尾盾間隙，避免第1環(huán)管片推進時損壞底部盾尾刷?，F(xiàn)場選用槽鋼反扣并焊接到尾盾內側，保證65 mm的理論間隙值，如圖3所示。

2.2拼裝流程

2.2.1 拼裝順序

每環(huán)管片的拼裝順序遵循先底部，再交替向上拼裝，最后拼裝封頂塊的原則。奇數(shù)環(huán)和偶數(shù)環(huán)管片的拼裝順序如圖4所示。

圖3 保證理論尾盾間隙

(a) 奇數(shù)環(huán)管片(b) 偶數(shù)環(huán)管片

圖4馬蹄形管片拼裝順序

Fig. 4 Segment assembling sequences

在首塊管片拼裝前需要對管片進行準確定位，以保證首塊管片拼裝完成后整環(huán)管片相對于隧道中軸線垂直并左右對稱。首塊管片的定位通常選用全站儀，定位時準確確定首塊管片4個角在尾盾內壁的投影，然后劃線標記。

2.2.2 首塊管片的拼裝

馬蹄形盾構管片有別于圓形管片，主要涉及管環(huán)與隧道的滾轉角等。第1環(huán)首塊管片的姿態(tài)決定整個首環(huán)甚至后續(xù)幾環(huán)管片的姿態(tài)，因此首塊管片的拼裝尤為重要。

管片吊機將管片吊裝到劃線標記位置附近后，利用管片拼裝機抓取并調整管片位置，使管片4個角點投影可以和上述劃線標記點初步重合，然后用卷尺精確測量位置誤差。管片的位置誤差測量項目包含： 管片外圓與尾盾內壁距離；管環(huán)軸線與盾構軸線的垂直度；管環(huán)軸線相對于盾構軸線的同軸度。

管片位置及姿態(tài)調整好后，對首塊管片進行固定。固定方式如圖5所示，用φ40 mm的鋼筋穿過管片前后兩側用于環(huán)間連接的螺栓孔，焊接到尾盾內壁。由于在拼裝第1環(huán)后續(xù)管片時，首塊管片需要承載后續(xù)管片的擠壓力，因此，鋼筋與盾殼之間要保證足夠的焊接強度。

2.2.3 首環(huán)其他塊管片的拼裝

利用管片吊機將管片放置到最底部拼裝機接收區(qū)域，等待拼裝機抓取。管片放置位置應保證在拼裝機前后行走行程之內。每塊管片與相鄰管片的環(huán)向連接強度要充分可靠，以保證管片密封壓緊。

每拼裝完成一塊管片后，要及時測量每塊管片相對于盾體的前后位置，以保證管環(huán)在同一平面內，同時保證封頂塊能夠順利拼裝。圖6示出管環(huán)不在同一平面內(S1≠S2)的情況。

圖5 首塊管片的固定

圖6 管環(huán)不同面示意圖

封頂塊拼裝時，要首先確定2臨接塊在同一豎直平面內。臨接塊與常規(guī)塊的前后位置通過推進油缸在點動模式下進行點動調節(jié)，分塊分區(qū)頂進，并做好實時測量。

封頂塊的榫卯與2臨接塊榫卯對準后，推進油缸伸出將封頂塊頂緊并用連接螺栓緊固，然后松開抓舉頭油缸。

2.2.4 其他環(huán)管片的拼裝

后續(xù)管片拼裝時，要保證管環(huán)間的拼裝精度，盡可能控制管環(huán)之間的錯臺高度在允許范圍內。螺栓在插入困難時禁止強行插入和敲打，切忌野蠻操作而對管片造成損傷。

管片錯臺會導致管片破裂、隧道滲水、盾尾刷損壞等一系列問題，不僅影響隧道外觀質量而且影響隧道壽命。拼裝過程中為防止錯臺、錯縫，要規(guī)范管片拼裝程序，嚴格控制負環(huán)頂?shù)揭r砌段后各組推進油缸的推進行程及推進壓力，保證合理的盾體姿態(tài)[6-8]。

3 管片的支護與盾體推進：

3.1負環(huán)管片的支護

負環(huán)管片在每環(huán)拼裝完成后，為防止管環(huán)變形，需要對管環(huán)進行輔助支撐。具體支護方法需按照管環(huán)未推出尾盾時和管環(huán)推出尾盾后2種工況進行考慮。

1)管環(huán)未推出尾盾時，其下部外側有槽鋼支撐，故只需對內側做支撐加固。尾盾內管環(huán)的內側支撐主要靠L型掛鉤拉緊。L型掛鉤由40 mm厚的鋼板切割而成。掛鉤一端焊接到尾盾內側，一端鉤住管片內表面，分布如圖7所示。

圖7 未推出盾尾時管環(huán)支護

2)管環(huán)推出尾盾后，考慮負環(huán)管片在自重情況下的受力變形，需要對其底部和中部外側及上部內側進行加固[9]。該施工區(qū)間有別于地鐵隧道，由于隧道入口覆土較淺而采取明挖法施工，負環(huán)管片始發(fā)完成后不予拆除，經回填后作為永久隧道管片留存，故對于負環(huán)管片下部要求充分填實。管環(huán)具體加固支護方式如圖8所示。

圖8 推出盾尾后管環(huán)支護

①管環(huán)底部支撐有導軌，防止管環(huán)下沉。支撐導軌在圓周方向的布置決定相鄰導軌的包絡角。相鄰支撐導軌的包絡角選取與管片的分塊、管片的質量密切相關。導軌布置時應避開管片接縫，布置位置與數(shù)量要適應管環(huán)質量，以防管片被壓潰；同時要做好精確位置測量，尤其是導軌高度要與管環(huán)高度相適應以防管環(huán)上翹或下懸。調整好導軌姿態(tài)后，將導軌與預埋到澆筑工事的鋼筋植筋焊死固定。為均勻管環(huán)受力，在管環(huán)向后推出前于管環(huán)底部導軌之間密實填充豆礫石。

②中部由工字鋼做成的外側支撐頂?shù)筋A先做好的澆筑工事上。

③內側上部由工字鋼做成的內部支撐頂?shù)皆O備結構件上。管環(huán)推出時要防止管環(huán)出現(xiàn)裂紋、破損等表面損傷。

由于該掘進段前部埋深較淺，因而在盾構始發(fā)前采用明挖加襯砌的施工方式，襯砌段同時用作始發(fā)反力架。負環(huán)管片被推出頂?shù)揭r砌段后，采用工裝對負環(huán)管片和襯砌段連接固定(針對管環(huán)上部)，連接方式如圖9所示。圖中Z型掛鉤采用40 mm厚的鋼板割制而成。

圖9 上部管環(huán)與襯砌段連接示意

Fig. 9 Sketch of connection between upper segment ring and lining section

管環(huán)重力主要由底部支撐導軌與填充豆礫石提供，而側部有外側支撐頂緊防止管環(huán)變形，因而掛鉤所受內力較小，并不會對管片、襯砌表面造成損傷。

管片與襯砌段連接固定后，負環(huán)管環(huán)已經具備一定的自穩(wěn)性，由于連接于設備上的內部支撐將隨設備掘進，此時拆除內部支撐，僅有外側支撐支持管環(huán)。

3.2負環(huán)管片的推進

負環(huán)管片的推進過程要實時跟蹤管環(huán)相對中軸線的垂直度。推進負環(huán)管片時刀盤沒有貫入掌子面，盾構推進油缸的負載很小。如果管片推進時采用推進模式，推進油缸會產生不同步的現(xiàn)象，從而導致管環(huán)與中軸線不垂直，因此應單獨控制或分區(qū)控制推進油缸的伸出。

負環(huán)管片頂?shù)揭r砌段(即反力架)后，盾構向前運動，后續(xù)拼裝的負環(huán)管片難以布置底部支撐導軌，即使從管環(huán)外部向底部填充豆礫石也無法保證完全填充密實。此時對管環(huán)下部的支撐通過對下部同步澆筑混凝土實現(xiàn)。首先推進油缸伸出并推進管環(huán)，當管片的二次補漿孔露出最后一道盾尾密封刷時，連接注漿管通過管片的二次補漿孔進行注漿操作。在混凝土中加入一定配比的水玻璃可加速漿液凝固。

為保證澆筑飽滿度，同時防止?jié)仓毫^大造成管片上浮，可在補漿孔上臨時安裝壓力表檢測漿液壓力數(shù)據。管片容許最大上浮量要與管片參數(shù)(管片接頭容許錯臺量、接頭容許張開角、管片環(huán)寬等)相匹配[10]。應當注意的是，由于管環(huán)必須在注漿孔被推出盾尾密封刷時才可以注漿，在此之前可能由于管環(huán)下沉對盾尾刷造成損壞，因而要定時監(jiān)測管環(huán)姿態(tài)，必要時在底部對管環(huán)做臨時性支撐。

3.3管片螺栓復緊及管片破損修復

管片被推出尾盾后，管環(huán)可能由于支撐不到位而產生管環(huán)變形，從而導致管片螺栓松動的現(xiàn)象，此時要及時對管片螺栓復緊。管片有破損的要用水泥及時修復。管片破損較為嚴重時，可以借鑒其他盾構法施工案例中利用新型修復材料RM或粘貼芳綸纖維修復的方法[11-15]。

馬蹄形盾構負環(huán)管片拼裝完成后效果如圖10所示。管環(huán)外部做防水處理后，對負環(huán)管片做回填處理，負環(huán)管片作為隧道永久環(huán)使用。

圖10 馬蹄形負環(huán)管片拼裝效果

4 結論與討論

1)負環(huán)首塊管片的準確定位是后續(xù)管片順利拼裝的前提。拼裝首塊管片時要使用精密儀器測量、合理工裝固定。負環(huán)后續(xù)管片拼裝時要及時對管環(huán)加固，以保證管環(huán)姿態(tài)正確，避免損壞盾尾密封刷。

2)負環(huán)管片推出盾尾后要同步對管環(huán)進行支護，其中包括底部的混凝土澆筑支撐和上部與中部的鋼結構工裝加固。操作中，一要精確控制混凝土澆筑量以免出現(xiàn)管環(huán)上浮現(xiàn)象，二要在設計工裝時避免應力集中損壞管片。

3)管環(huán)拼裝完成后要及時對管片連接螺栓復緊。管片有破損的要及時修復避免發(fā)生隧道滲水。

使用不同工法、工序拼裝盾構負環(huán)管片，不僅對負環(huán)管片的拼裝質量、拼裝效率、施工安全性有重要的影響，而且會對后續(xù)甚至整個區(qū)間內管片的拼裝產生影響。本工程首次采用馬蹄形盾構進行隧道施工，對于異形管片拼裝尚無經驗可循，通過參考圓形管片的拼裝方法對馬蹄形盾構負環(huán)管片拼裝技術進行了研究和實踐，可以為其他異形盾構負環(huán)管片拼裝提供參考。異形管片拼裝的誤差及質量控制是管片拼裝的關鍵，關于異形管片拼裝質量的標準和規(guī)范還需要進一步深入研究。

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AssemblingTechnologyforPartialSegmentofShieldwithHorseshoe-shapedCross-section

LI Feiyu, HU Yanwei, LI Longfei

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016，Henan，China)

U 455.43

B

1672-741X(2017)09-1162-05

2017-02-08;

2017-04-21

李飛宇(1992—)，男，山西晉中人，2015年畢業(yè)于鄭州大學，機械工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構設計和研發(fā)工作。E-mail： creclfy@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.015