盾構(gòu)管片封頂塊拼裝施工技術(shù)研究

高 磊

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 工程概況

上海軌道交通9號(hào)線三期(東延伸)12標(biāo)包含兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間:曹路站-民雷路站盾構(gòu)區(qū)間；民雷路站-顧唐路站盾構(gòu)區(qū)間。兩區(qū)間隧道均包括上、下行線，隧道外徑6.6 m、內(nèi)徑5.9 m。管片拼裝方式為通縫拼裝，襯砌每環(huán)寬1.2 m，由封頂塊、鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊構(gòu)成[1]。襯砌環(huán)縱縫之間均采用螺栓連接。本區(qū)間采用四臺(tái)小松公司生產(chǎn)的外徑為6.76 m的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

2 工程施工難點(diǎn)分析

通常盾構(gòu)管片拼裝施工過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)向下一環(huán)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)盾體向前推進(jìn)，包裹在盾構(gòu)機(jī)盾殼內(nèi)的管片脫出盾尾后，管片直接承受外側(cè)水土壓力。由于土體的重力作用在管片上對(duì)封頂塊管片產(chǎn)生向下的壓力增大，造成脫出盾尾環(huán)封頂塊管片受力失衡，從而產(chǎn)生下墜錯(cuò)位的問(wèn)題，極易使封頂塊管片和鄰接塊管片大面積碎裂，進(jìn)而影響整個(gè)隧道的工程質(zhì)量[2]。本工程通過(guò)采用盾構(gòu)管片封頂塊托架施工工藝，圓滿完成了盾構(gòu)隧道的施工，解決了通縫管片拼裝過(guò)程中封頂塊管片容易下墜錯(cuò)位的難題，提高了盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量。

3 工藝原理

3.1 原理分析

地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)千斤頂頂進(jìn)管片前進(jìn)，管片封頂塊接觸面錯(cuò)縫的形成過(guò)程是伴隨著接觸面的摩擦力從靜摩擦向滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化而成的[3]。

通過(guò)管片封頂塊托架上的兩絲杠對(duì)封頂塊管片的頂托支撐來(lái)抵消封頂塊管片由于盾構(gòu)機(jī)向下一環(huán)掘進(jìn)時(shí)，包裹在盾構(gòu)機(jī)盾殼內(nèi)的管片脫出盾尾后，管片直接承受外側(cè)水土向下增大的壓力，避免脫出盾尾環(huán)封頂塊管片瞬時(shí)受力失衡致使封頂塊管片下墜錯(cuò)位問(wèn)題的發(fā)生[4]。

3.2 力學(xué)分析

封頂塊管片在拼裝完成后至脫出盾尾的過(guò)程中存在兩個(gè)明顯的力學(xué)狀態(tài)。

(1)管片未脫出盾尾

管片未脫出盾尾時(shí)，封頂塊管片主要受兩側(cè)管片壓力、連接螺旋拉力、連接螺栓頂托力及封頂塊管片自重產(chǎn)生的向下的重力[5]，如圖1所示。

圖1 管片未脫出盾尾時(shí)封頂塊受力模型

(2)管片脫出盾尾后

管片脫出盾尾后，封頂塊仍受兩側(cè)管片壓力、連接螺旋拉力、連接螺栓頂托力及封頂塊管片自重產(chǎn)生的向下的重力。但由于外側(cè)水土重力的作用，致使兩側(cè)鄰接塊管片對(duì)封頂塊管片的側(cè)向壓力不足[6]，如圖2所示。

圖2 管片脫出盾尾時(shí)封頂塊受力模型

通過(guò)加設(shè)管片封頂塊托架，彌補(bǔ)管片脫出盾尾后兩側(cè)鄰接塊管片對(duì)封頂塊管片側(cè)向壓力的不足，避免封頂塊管片下墜錯(cuò)位問(wèn)題的發(fā)生。

4 工藝流程及操作要點(diǎn)

本工程使用小松盾構(gòu)機(jī)，尾盾長(zhǎng)度約2.8 m，因此盾殼內(nèi)可同時(shí)包裹兩環(huán)1.2 m成形管片。第一環(huán)和第二環(huán)管片拼裝成環(huán)后會(huì)處于盾尾盾殼包裹狀態(tài)，從第三環(huán)管片掘進(jìn)開始，第一環(huán)及以后管片才會(huì)陸續(xù)脫出盾尾包裹。因此，封頂塊安裝從第三環(huán)開始進(jìn)入正規(guī)循環(huán)，前兩環(huán)安裝順序上有所不同[7]。總體施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

5 施工方案

5.1 盾構(gòu)管片封頂塊托架的制作

依照在建隧道管片內(nèi)徑，配合其管片弧度制作盾構(gòu)管片封頂塊托架。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)管片封頂塊托架結(jié)構(gòu)示意

盾構(gòu)管片封頂塊托架采用全鋼結(jié)構(gòu)，輔以橡膠襯墊制作而成。由三部分構(gòu)成:管片封頂塊托架左、右固定吊桿和管片封頂塊托架橫梁焊接在一起組成的托架主體，帶有弧形托塊的左、右螺旋絲杠。

5.2 盾構(gòu)掘進(jìn)第一環(huán)，按常規(guī)工藝完成第一環(huán)管片拼裝

(1)施工準(zhǔn)備

每一環(huán)管片由6塊組成，包括一塊拱底塊管片、兩塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片、兩塊鄰接塊管片和一塊封頂塊管片。管片在施工場(chǎng)地做好防水處理后，由門式行車吊放至隧道內(nèi)電瓶管片車上，并運(yùn)送至盾構(gòu)機(jī)管片拼裝區(qū)域待用[8]。每環(huán)管片組成如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)管片組成示意圖

(2)第一環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)。隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來(lái)的渣土充滿土倉(cāng)，此時(shí)開動(dòng)螺旋輸送機(jī)將切削下來(lái)的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土車的土箱中，再通過(guò)豎井運(yùn)至地面[9]。盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)一環(huán)距離，盾構(gòu)機(jī)上的管片拼裝機(jī)就開始拼裝管片成環(huán)。

(3)第一環(huán)管片拼裝

盾構(gòu)機(jī)上的管片拼裝機(jī)完成第一環(huán)拱底塊管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)拱底塊管片的側(cè)面上；管片拼裝機(jī)完成第一環(huán)左標(biāo)準(zhǔn)塊管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)左標(biāo)準(zhǔn)塊管片的側(cè)面上；管片拼裝機(jī)完成第一環(huán)右標(biāo)準(zhǔn)塊管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)右標(biāo)準(zhǔn)塊管片的側(cè)面上；管片拼裝機(jī)完成第一環(huán)左鄰接塊管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)左鄰接塊管片的側(cè)面上；管片拼裝機(jī)完成第一環(huán)右鄰接塊管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)右鄰接塊管片的側(cè)面上；管片拼裝機(jī)將楔形的第一環(huán)封頂塊管片沿隧道軸向方向插接在第一環(huán)左鄰接塊管片與第一環(huán)右鄰接塊管片之間形成的楔形口中[10]，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第一環(huán)封頂塊管片的側(cè)面上(見圖6)。

圖6 拼裝成環(huán)的管片示意圖

5.3 盾構(gòu)掘進(jìn)第二環(huán)，按常規(guī)工藝完成第二環(huán)管片拼裝

盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)一環(huán)距離，盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)依次開始拼裝第二環(huán)拱底塊管片、第二環(huán)左標(biāo)準(zhǔn)塊管片、第二環(huán)右標(biāo)準(zhǔn)塊管片、第二環(huán)左鄰接塊管片、第二環(huán)右鄰接塊管片。然后，頂接在第一環(huán)封頂塊管片上對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)千斤頂縮回，管片拼裝機(jī)將第二環(huán)的封頂塊管片沿隧道軸向方向插接在第二環(huán)左鄰接塊管片與第二環(huán)右鄰接塊管片之間形成的楔形口中，盾構(gòu)機(jī)中盾上對(duì)應(yīng)的千斤頂伸出頂接在第二環(huán)封頂塊管片的側(cè)面上。第二環(huán)管片拼裝成環(huán)。

5.4 盾構(gòu)掘進(jìn)第三環(huán)，按常規(guī)工藝完成第三環(huán)管片拼裝

同5.3盾構(gòu)隧道第二環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝的方法完成盾構(gòu)隧道第三環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝。

由于盾構(gòu)機(jī)尾盾盾殼內(nèi)可同時(shí)包裹兩環(huán)成形管片，當(dāng)?shù)谌h(huán)管片完成拼裝進(jìn)行下一環(huán)掘進(jìn)時(shí)第二環(huán)管片才會(huì)處于脫出盾尾包裹狀態(tài)。所以需完成第三環(huán)管片拼裝后則可進(jìn)行管片封頂塊托架由第一環(huán)管片到第二環(huán)管片的拆裝作業(yè)。

5.5 卸下第一環(huán)的管片封頂塊托架

隨著盾構(gòu)隧道第三環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝完成，第一環(huán)管片已完全脫出盾尾，直接承受外側(cè)水土壓力。在盾構(gòu)管片封頂塊托架的支撐作用下，封頂塊管片瞬時(shí)所承受的外側(cè)水土向下的重力被抵消[11]。此時(shí)第三環(huán)管片已拼裝完成，處于盾構(gòu)機(jī)千斤頂頂接受力狀態(tài)，因此臨近環(huán)管片給第一環(huán)管片封頂塊的側(cè)向壓力增大，足以抵消外側(cè)水土向下的重力[12]，即第一環(huán)封頂塊管片處于受力平衡狀態(tài)，可以將其管片封頂塊托架卸載，步驟如下:反向旋轉(zhuǎn)左絲杠，使左弧形頂塊與第一環(huán)封頂塊管片脫離；反向旋轉(zhuǎn)右絲杠，使右弧形頂塊與第一環(huán)封頂塊管片脫離；將管片封頂塊托架左固定吊桿從左鄰接塊管片螺栓連接孔中卸掉，將管片封頂塊托架右固定吊桿從右鄰接塊管片螺栓連接孔中卸掉，完成管片封頂塊托架拆卸工作(見圖7)。

圖7 管片封頂塊托架拆卸示意圖

5.6 安裝第二環(huán)管片封頂塊托架

將由管片封頂塊托架左固定吊桿、管片封頂塊托架橫梁和管片封頂塊托架右固定吊桿組成的管片封頂塊托架安裝到第二環(huán)左鄰接塊管片的螺栓連接孔和第二環(huán)右鄰接塊管片的螺栓連接孔中。正向旋轉(zhuǎn)左絲杠，使左弧形頂塊的弧形頂面頂接在第二環(huán)封頂塊管片上使其與第一環(huán)左鄰接塊管片內(nèi)弧面一致；正向旋轉(zhuǎn)右絲杠，使右弧形頂塊的弧形頂面頂接在第二環(huán)封頂塊管片上使其與第一環(huán)右鄰接塊管片內(nèi)弧面一致。

5.7 盾構(gòu)掘進(jìn)第四環(huán)，按常規(guī)工藝完成第四環(huán)管片拼裝

同5.4盾構(gòu)隧道第三環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝的方法完成盾構(gòu)隧道第四環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝。

5.8 卸下第二環(huán)的管片封頂塊托架

同5.5卸下第一環(huán)的管片封頂塊托架的方法卸下第二環(huán)的管片封頂塊托架。

5.9 安裝第三環(huán)管片封頂塊托架

同5.6安裝第二環(huán)管片封頂塊托架的方法安裝第三環(huán)管片封頂塊托架。

5.10 往復(fù)作業(yè)

重復(fù)第5.7到第5.9步驟，完成后續(xù)各環(huán)管片的拼裝。

6 結(jié)束語(yǔ)

該施工技術(shù)于2015年3月-2016年2月成功應(yīng)用于上海軌道交通9號(hào)線三期(東延伸)12標(biāo)盾構(gòu)隧道工程施工。本工法解決了城市地鐵盾構(gòu)隧道施工管片碎裂問(wèn)題，提高了隧道施工質(zhì)量。施工成本極其低廉，幾乎可忽略不計(jì)，又避免了后續(xù)高昂的管片修補(bǔ)費(fèi)用和漏水點(diǎn)堵漏費(fèi)用。保證了隧道百年工程的使用壽命，又豐富了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值，社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益顯著。