隧道小曲線半徑盾構(gòu)管片選型施工技術(shù)研究

周偉光

摘要：隨著城市的高速發(fā)展、城市隧道的多樣化和復(fù)雜化，隧道的線型選擇越來(lái)越困難，為了城市規(guī)劃的需要和規(guī)避地面構(gòu)建筑物等多方面原因，隧道不得不選擇小曲線半徑進(jìn)行施工。尤其是近幾年來(lái)城市綜合管廊的施工對(duì)線型要求降低，隧道出現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎半徑小于300m的超小曲線半徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工，同時(shí)也導(dǎo)致了盾構(gòu)推進(jìn)和盾構(gòu)管片選型難度的增加。文中結(jié)合多方盾構(gòu)管片選型經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)管片選型技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和完善，闡述小曲線半徑盾構(gòu)管片選型施工工藝，供類(lèi)似工程參考。

關(guān)鍵詞：小曲線半徑；管片選型；管片安裝

1概述

盾構(gòu)管片作為盾構(gòu)開(kāi)挖后的一次襯砌，是成型隧道的永久結(jié)構(gòu)，它需要抵擋來(lái)自隧道周邊的土壓力和水壓力，拼裝完成后的管片既要保證隧道不發(fā)生變形，還要起到止水、擋土的功能，防止隧道變形、土體坍塌和滲漏水。盾構(gòu)管片拼裝的質(zhì)量直接影響到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工以及成型隧道的外觀質(zhì)量和使用質(zhì)量，如何提高盾構(gòu)管片的拼裝質(zhì)量，尤其是小曲線半徑盾構(gòu)管片的選型技術(shù)，成為盾構(gòu)施工者的一大課題，通過(guò)多年來(lái)從事一線盾構(gòu)施工的盾構(gòu)操作、管片選型、管理經(jīng)驗(yàn)的研究和總結(jié)，并結(jié)合今年廣州市綜合管廊項(xiàng)目盾構(gòu)掘進(jìn)230m小曲線半徑管片拼裝技術(shù)進(jìn)一步施工實(shí)踐，對(duì)盾構(gòu)管片拼裝選型進(jìn)行了優(yōu)化和完善，供類(lèi)似工程參考。

2管片選型的基本原則

2.1盾構(gòu)管片拼裝后要滿(mǎn)足盾尾間隙的最低要求；

2.2多環(huán)拼裝后的管片要能夠擬合隧道曲線；

2.3單環(huán)拼裝后的盾構(gòu)管片趨向與隧道軸線趨于一致；

3工藝原理

3.1管片選型的定義

通過(guò)對(duì)隧道軸線、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、油缸行程、盾尾間隙等數(shù)據(jù)的計(jì)算分析對(duì)管片型號(hào)和拼裝點(diǎn)位進(jìn)行選擇，由盾構(gòu)管片拼裝機(jī)安裝后的管片組合后能夠達(dá)到擬合隧道軸線的目的。

3.2 管片分類(lèi)

3.2.1按管片延伸長(zhǎng)度一般分為1.2m、1.5m管片；

3.2.2按管片拼裝點(diǎn)位數(shù)量不同分為10點(diǎn)位管片、16點(diǎn)位管片；

3.2.3按整體形式分轉(zhuǎn)彎環(huán)、通用環(huán)，轉(zhuǎn)彎環(huán)包括左轉(zhuǎn)環(huán)、右轉(zhuǎn)環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)；

4管片選型流程

盾構(gòu)管片選型流程：

4.1管片出廠、進(jìn)場(chǎng)、下井和拼裝前要對(duì)管片進(jìn)行驗(yàn)收，包括出廠合格證、管片標(biāo)識(shí)、止水條和防撞襯墊粘貼情況、管片的表觀質(zhì)量、吊裝孔是否有雜物等相關(guān)方面進(jìn)行驗(yàn)收記錄，保證拼裝使用的管片符合規(guī)范要求；

4.2管片拼裝進(jìn)行前必須把盾尾的積水、雜物清理干凈，以保證第一塊管片精準(zhǔn)定位后續(xù)推進(jìn)過(guò)程管片的保護(hù)；同時(shí)對(duì)即將拼裝的管片進(jìn)行清洗，防止有雜物夾在兩管片之間造成管片拼裝不到位；

4.3盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)完成后要對(duì)盾尾間隙進(jìn)行量測(cè)，如果盾尾間隙過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致管片受盾尾加強(qiáng)環(huán)擠壓而造成錯(cuò)臺(tái)、破損，所以管片選型優(yōu)先考慮的對(duì)象就是盾尾間隙，當(dāng)盾尾間隙很小的情況下，管片選型必須圍繞如何調(diào)整盾尾間隙為主要原則；

4.4嚴(yán)格控制管片拼裝流程，封頂塊拼裝前應(yīng)對(duì)兩個(gè)連接塊管片預(yù)留位置尺寸進(jìn)行量測(cè)，預(yù)留位置尺寸應(yīng)略大于封頂塊實(shí)際尺寸1-2cm，以保證封頂塊順利插入；

4.5管片螺栓的復(fù)緊工作十分重要，管片拼裝完成后進(jìn)行第一次復(fù)緊，下一環(huán)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行第二次復(fù)緊，管片脫出盾尾進(jìn)行第三次復(fù)緊，管片復(fù)緊不到位直接導(dǎo)致管片在推進(jìn)和脫出盾尾時(shí)缺少約束而發(fā)生自由移動(dòng)造成錯(cuò)臺(tái)；

4.6加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)同步注漿管理，同步注漿必須與盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)同步進(jìn)行，采取壓力與注漿量雙控原則，保證注漿壓力均衡，避免因局部注漿壓力過(guò)大導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、破損；

4.7管片選型必須與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)有效的結(jié)合起來(lái)，兩者相輔相成、密不可分；盾構(gòu)管片為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)提供直接反力，與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工密不可分，良好的管片姿態(tài)能夠?yàn)槎軜?gòu)推進(jìn)過(guò)程提供好的掘進(jìn)環(huán)境，同時(shí)良好的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)也能夠?yàn)楹罄m(xù)管片拼裝過(guò)程提供好的拼裝環(huán)境。

5管片選型計(jì)算過(guò)程

以正常情況下海瑞克盾構(gòu)機(jī)20組油缸10個(gè)拼裝點(diǎn)位布置、小曲線半徑為230m、外徑6m內(nèi)徑5.4m隧道、管片為1.2m通用環(huán)管片、楔形量為41mm為例進(jìn)行介紹：

5.1小曲線半徑單環(huán)楔形量計(jì)算

通過(guò)以上公式計(jì)算結(jié)果得出每環(huán)管片水平方向需要補(bǔ)償31.3mm的楔形量。因?yàn)橥ㄓ铆h(huán)管片為鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙相同型號(hào)管片是由同一模具制作出來(lái)，相同型號(hào)的每環(huán)管片楔形量是一致的，我國(guó)基本采用管片錯(cuò)縫拼裝技術(shù)，每環(huán)管片拼裝于不同的點(diǎn)位會(huì)產(chǎn)生水平和垂直方向上不同的楔形量（轉(zhuǎn)彎環(huán)中標(biāo)準(zhǔn)環(huán)除外），所以需要進(jìn)行多環(huán)管片組合以達(dá)到總體楔形量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)曲線要求。綜上所述，當(dāng)我們拼裝完成一段后可以取一定量的管片數(shù)量，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)曲線所需楔形量與實(shí)際拼裝管片產(chǎn)生的楔形量和進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證所拼管片是否合適；或者在準(zhǔn)備掘進(jìn)階段，在準(zhǔn)備施工的一段進(jìn)行選取并計(jì)算設(shè)計(jì)曲線楔形量，進(jìn)行模擬組合管片安裝的點(diǎn)位。

5.2 管片相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)趨向計(jì)算

5.2.1對(duì)于盾構(gòu)機(jī)油缸行程傳感器位于正上下、正左右布置

5.3盾構(gòu)機(jī)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線趨向計(jì)算

通過(guò)以上公式可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)中心線與隧道中心線的水平和垂直夾角。

5.4管片楔形量計(jì)算

盾構(gòu)管片拼裝采用鐘表的12個(gè)點(diǎn)位形式進(jìn)行布置，12點(diǎn)位和6點(diǎn)位為虛擬點(diǎn)位，是為了方便使用，但實(shí)際并不存在的。鐘表12點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)18度為管片1點(diǎn)位，以后依次旋轉(zhuǎn)36度為下一點(diǎn)位，等分成10份，所以θ取值為自12點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度。通過(guò)上述計(jì)算可以得出不同形式的管片拼裝不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的楔形量，實(shí)際中取上正下負(fù)、右正左負(fù)原則。

5.5曲線半徑上管片控制值計(jì)算

在曲線半徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，良好的盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)和管片拼裝的狀態(tài)是盾構(gòu)機(jī)的前后點(diǎn)（盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切口環(huán)位置和激光靶位置）都位于圓曲線中心線上，拼裝完成的管片中心線應(yīng)該與隧道軸線相切，如上圖所示。

推進(jìn)完成管片未安裝時(shí)c1=（P01+L/2）/R*1000=（1.8+1.2/2）/230*1000= 10.43

管片安裝完成后c2=（P02+L/2）/R*1000=（0.6+1.2/2）/230*1000= 5.22

管片中心線與隧道中心線的水平夾角c=a2-a1

因a2、a1均代表角度，數(shù)值都應(yīng)為正值

所以在右轉(zhuǎn)曲線情況下

（P右-P左）/D為負(fù)值，a2=-（P右-P左）/D

（A1-A2）/C為正值，a1=（A1-A2）/C

c=a2-a1=-（P右-P左）/D-（A1-A2）/C=-[（P右-P左）/D+（A1-A2）/C]

在左轉(zhuǎn)曲線情況下

（P右-P左）/D為正值，a2=（P右-P左）/D

（A1-A2）/C為負(fù)值，a1=-（A1-A2）/C

c=a2-a1=（P右-P左）/D-[-（A1-A2）/C]=（P右-P左）/D+（A1-A2）/C

c1——推進(jìn)完成管片未安裝時(shí)管片中心線與隧道軸線夾角理論值，c2——管片安裝完成后管片中心線與隧道軸線夾角理論值，c ——推進(jìn)完成管片未安裝時(shí)管片中心線與隧道軸線夾角計(jì)算值，P01——油缸推進(jìn)長(zhǎng)度，P02——管片安裝完成后油缸長(zhǎng)度

通過(guò)以上公式計(jì)算出推進(jìn)完成管片未安裝時(shí)、管片安裝完成后管片中心線與隧道中心線的水平夾角理論值c1和c2，同時(shí)計(jì)算出推進(jìn)完成管片未安裝時(shí)管片中心線與隧道中心線的水平夾角實(shí)際值c。當(dāng)曲線半徑為左轉(zhuǎn)曲線時(shí)，管片中心線位于隧道中心線右側(cè)，所以c、c1和c2的取值為正值；當(dāng)曲線半徑為右轉(zhuǎn)曲線時(shí)，管片中心線位于隧道中心線左側(cè)，所以c、c1和c2的取值為負(fù)值。

準(zhǔn)備拼裝的管片選型原則是讓選擇管片的水平楔形量c+β1接近于c2，

當(dāng)∣c∣>∣c1∣，上一環(huán)管片選型楔形量補(bǔ)充不足，要適當(dāng)加大本環(huán)的管片水平楔形量∣t1∣或加大本環(huán)的管片水平轉(zhuǎn)角∣β1∣；

當(dāng)∣c∣≤∣c1∣，上一環(huán)管片選型楔形量補(bǔ)充過(guò)快，要適當(dāng)減小本環(huán)的管片水平楔形量∣t1∣或減小本環(huán)的管片水平轉(zhuǎn)角∣β1∣；

分析得出：在230m右轉(zhuǎn)小曲線半徑上。當(dāng)計(jì)算值∣c∣>10.43時(shí)，優(yōu)先選擇拼裝3點(diǎn)位；當(dāng)計(jì)算值∣c∣接近10.43時(shí)，優(yōu)先選擇拼裝2、4點(diǎn)位；當(dāng)∣c∣<10.43，優(yōu)先選擇拼裝1、5點(diǎn)位（230m小曲線半徑楔形量總體要求，不建議選擇左轉(zhuǎn)點(diǎn)位）；左轉(zhuǎn)原理相同。

通過(guò)以上的計(jì)算和理論分析，得到適合本環(huán)現(xiàn)有狀態(tài)的管片型號(hào)和拼裝的點(diǎn)位，管片拼裝施工過(guò)程有很多特殊情形，這里未做分析考慮，本選型系統(tǒng)理論仍處于改進(jìn)、完善過(guò)程，使用過(guò)程僅做參考。

6應(yīng)用情況

我單位承建的廣州軌道交通十一號(hào)線綜合管廊項(xiàng)目共6井7區(qū)間，區(qū)間采用采用盾構(gòu)法施工，因綜合管廊對(duì)隧道線型要求較低，本項(xiàng)目又是在老城區(qū)改造工程，地面建構(gòu)筑物繁多，前期拆遷借地工作十分困難，同時(shí)與十一號(hào)線并行前進(jìn)，存在交叉干擾，所以區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)置了多段小曲線半徑轉(zhuǎn)彎。17-18區(qū)間線路盾構(gòu)機(jī)由17號(hào)工作井始發(fā)沿廣園中路向西直至18號(hào)工作井，其中CK16+383.593-CK16+474.119為R=230m小曲線半徑。當(dāng)施工進(jìn)入小曲線半徑掘進(jìn)后，在管片選型過(guò)程中采用以往的施工經(jīng)驗(yàn)和盾構(gòu)管片選型方式進(jìn)行選擇，部分管片出現(xiàn)1-2cm錯(cuò)臺(tái)和局部破損；項(xiàng)目召開(kāi)多次會(huì)議對(duì)管片拼裝錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查找問(wèn)題根源，根據(jù)先前選型公式進(jìn)行分析整理，制定了上述管片選型依據(jù)并進(jìn)行計(jì)算選型實(shí)踐，管片的錯(cuò)臺(tái)量控制在了1cm以?xún)?nèi)、管片破損也得到了有效的控制，管片錯(cuò)臺(tái)、破損均得到了大的改善。之后重復(fù)使用本依據(jù)進(jìn)行管片選型，并對(duì)每10環(huán)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，在保證隧道軸線與區(qū)間線路設(shè)計(jì)軸線趨勢(shì)相近的前提下，后續(xù)施工管片安裝的錯(cuò)臺(tái)、破損完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。本依據(jù)尚在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)階段，后續(xù)區(qū)間線路仍存在多處小于300m的小曲線半徑，我們將在后的施工中持續(xù)總結(jié)、改進(jìn)和完善。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50299-2018地下鐵道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

[2]GB50446-2017 盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

（作者單位：中鐵一局城軌公司）