盾构隧道管片拼装技术【内容提要】经过广州轨道交通四号线大学城专线【仑头～大学城盾构区间】隧道管片选型的实践, 详细的介绍了广州地铁施工中的管片拼装技术。

【关键词】管片拼装盾构姿态盾尾间隙转弯环楔形量1、工程概况广州轨道交通四号线大学城专线【仑头～大学城盾构区间】土建工程, 北起仑头后底岗盾构始发井, 经仑头村穿越仑头海至官洲岛, 经过官洲站后经官洲村、官洲河等地, 至大学城结束, 区间隧道为单孔双线隧道, 总长为2826.5m, 其中盾构法区间隧道为2301.3m, 区间包括7个联络通道、 2个废水泵房。

本区段共有两处曲线, 第一处曲线半径R为800m, 曲线长度为691.242m, 转向角а为43°25′08″; 第二处曲线半径R为450m, 曲线长度为259.359m, 转向角а为24°06′36″; 该区间曲线总长为950.601m, 占盾构隧道总长的41.31％。

区间隧道设计为”V”形坡, 其坡度依次为: 27.75‰( 长540m, 下坡) 、 4.08‰( 长350m, 上坡) 、37‰( 长470m, 上坡) 、 24.5‰( 长350m, 下坡) 、 5‰( 长330m, 下坡) 、 43.3‰( 长320m, 上坡) , 变坡处设有竖曲线, 竖曲线半径R为5000m或3000m。

仑大盾构区间盾构隧道采用C50预制钢筋混凝土管片, 管片内径为5400mm, 外径为6000mm, 厚度为300mm, 宽度为1500mm。

管片采用3A＋2B＋1K的分块方式, 即每环管片分6个单元, 3个标准块, 2个邻接块和1个封顶块组成, 管片间设橡胶止水带, 衬砌环间采用错缝拼装。

为满足曲线施工和隧道纠偏的需要, 专门设计了左、右转弯环。

管片的型号分为标准环( T) 、左弯环( L) 和右弯环( R) , 转弯环为双面对称楔形环, 楔形量为38mm。

2、管片型号的选择原则仑大盾构区间隧道采用德国海瑞克公司制造的外径6250mm土压平衡盾构机施工, 该盾构采用了盾尾铰接装置, 其目的是为了使盾构能够适应曲线段掘进。

盾壳的铰接结构将盾构分成前后, 两段之间经过铰接装置连接, 盾尾可偏转, 从而使盾构机能沿设计的曲线掘进, 在前盾与盾尾发生偏转后, 由于铰接装置的存在, 仍可保持盾尾和管片的同轴度, 避免盾尾密封刷受损, 也防止管片挤压二碎裂损坏。

管片拼装时, 经过转弯环与标准环的组合来适应不同的曲线要求。

管片拼装时按照以下以下两个原则: 第一, 要适合隧道设计线路; 第二, 要适应盾构机的姿态。

这两者相辅相成, 经过正确的管片选型和选择正确的拼装点位, 将隧道的实际线路调整在设计线路的允许公差±50mm内。

2.1管片型号的选择要适合隧道设计线路当一个盾构工程开工之前, 就要根据设计线路对管片作一个统筹安排, 一般把这一步骤叫管片排版。

经过管片排版, 了解了整条线路需要多少转弯环( 包括左转弯、右转弯) , 多少标准环, 以及曲线段上标准环与转弯环的布置方式。

曲线段施工时, 采用标准环与转弯环配合。

表1 仑大盾构区间管片技术参数表依照曲线的圆心角与转弯环产生的偏转角的关系, 能够计算出区间线路曲线段的转弯环与标准环的布置方式。

转弯环偏转角的计算公式:θ=2γ=2arctgδ/D式中:θ―――转弯环的偏转角δ―――转弯环的最大楔形量的一半D―――管片直径将数据代入得出θ＝0.3629根据圆心角的计算公式:α＝180L/πR式中: L―――一段线路中心线的长度R―――曲线半径, 取800m而θ＝α, 将之代入, 得出L＝5.067m上式表明, 在800m的圆曲线上, 每隔5.067m要用一环转弯环, 由于管片长度为1.5m, 因此, 在800m的圆曲线上, 标准环与转弯环的拼装关系为2环标准环＋1环转弯环。

以此类推, 能够算出R为450m时, 每隔2.85m要用一环转弯环, 故为1环标准环＋1环转弯环; R为3000m时, 每隔19m要用一环转弯环, 故为12环标准环＋1环转弯环; R为5000m时, 每隔31.7m要用一环转弯环, 故为21环标准环＋1环转弯环。

2.2管片选型要适应盾构机姿态所谓”盾构姿态”是指盾构机的空间方位和走向、管片是在盾尾内拼装, 因此不可避免地受到盾构机姿态的限制。

管片与盾尾的关系见图2。

图2 管片与盾尾的关系图管片的端面应尽量垂直于盾构机轴线, 以使盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上, 这样能够使管片受力均匀, 掘进时不会使管片破裂。

同时也要兼顾管片与盾尾之间的间隙, 避免盾构机推进时, 盾尾钢丝刷密封与管片发生干扰而损坏管片。

盾构机应尽量根据设计线路进行掘进, 避免产生不必要的偏差。

在实际掘进过程中, 盾构机因为地质不均、推力不均等原因, 盾构机的姿态经常会偏离隧道设计线路, 当盾构机偏离设计线路进行纠偏时, 要特别注意管片型号的选择, 避免因盾尾间隙过小而造成管片破损等事故。

如果盾构机偏离设计线路, 在纠偏过程中不要过急, 为了保证盾构机的铰接密封、盾尾钢丝刷密封工作良好, 同时也为了保证管片不受损坏, 盾构纠偏过程中不能有太大的调整量, 一个掘进循环内盾尾间隙的纠偏值宜控制在±8mm内, 否则转弯环管片的偏移量跟不上盾构机的纠偏幅度, 盾尾会挤坏管片。

3 管片拼装技术3.1 管片的拼装点位所谓”拼装点位”是指管片拼装时封顶块所在的位置。

转弯环在实际拼装过程中, 能够根据不同的拼装点位来控制不同方向上的偏移量, 经过管片不同点位的拼装, 能够控制盾构隧道的曲线走向, 从而实现隧道的调向。

广州地铁四号线仑大区间的管片拼装点位为在圆周上均匀分成10个点, 即管片拼装的10个点位, 相邻点位的旋转角度为36o。

由于是错缝拼装, 因此相邻两块管片的点位不能相差2的整数倍。

一般情况下, 本着有利于隧道防水的要求, 都只使用上部5个点位。

根据工程实际情况, 选择拼装不同点位的转弯环, 就能够得到不同方向的楔形量。

下面是广州地铁四号线仑大区间的管片左转弯环不同点位的楔形量计算表:表2 左转弯环楔形量计算表右转弯环的情况与左转弯相反, 这里就不再列举。

经过管片不同点位的拼装, 就能够实现隧道的调向。

3.2 根据推进油缸行程选用管片盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进的, 推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。

而每一个掘进循环, 这四组油缸的行程的差值反应了盾构机与管片平面之间的空间关系, 能够看出下一掘进循环盾尾间隙的变化趋势。

当管片端面不垂直于盾构机轴线时, 各组推进油缸的行程就会有差异, 当这个差值过大时, 推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力, 从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。

如果继续拼装标准环的话, 盾尾间隙将会进一步减小。

一般以各组油缸行程的差值的大小来判断是否应该拼装转弯环, 在两个相反的方向上的行程差值≥40mm时, 就应该拼装转弯环进行纠偏, 拼装1环10点位的转弯环时, 能够使左、右两组的油缸行程差缩小38mm。

土压平衡盾构机10对推进油缸分为A、 B、 C、 D四组, 分别代表右、下、左、上四个方向。

油缸行程经过位移传感器显示在操作室的显示屏上, 经过计算各组油缸之间的差值, 就能为拼装管片提供正确的选择依据。

广州地铁仑大盾构区间采用的为铰接式盾构机, 盾构机中体与盾尾之间采用铰接油缸进行连接,个角度,选择管片的依据。

D四组,示屏上, 经过计算各组油缸之间的差值, 就能进行正确的管片选型。

下面举例说明, 现有一组油缸行程的数据如下:B组( 右) : 1980mm C组( 下) : 1964mmD组( 左) : 1934mm A组( 上) : 1943mm左右行程差为: D－B=1934－1980=－46mm上下行程差为: A－C=1943－1964=－21mm 图3 油缸分区图由上能够看出, 盾构机的轴线相对于管片平面向左上方倾斜。

在对这环管片进行选型的时候, 就应选择一环左转弯环且还要有向上的偏移量。

对照表2后得出, 此环应选择左转弯环在1点拼装。

拼装完管片后掘进之前油缸行程的初始数据理论为: A组( 上) : 454mm B组( 右) : 465mm C组( 下) : 453m D组( 左) : 450mm。

这样左右与上下的油缸行程差值基本控制在20mm之内, 有利于盾构掘进及保护管片不受破坏。

3.3 根据盾尾间隙选择管片及拼装点位盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。

广州地铁盾构机的盾尾内径为6150mm, 管片外径为6000mm, 因此, 在直线段施工时, 标准盾尾间隙为75mm。

盾尾间隙是管片选择的依据之一。

如果间隙过小, 则盾构机在推进过程中盾尾会与管片发生干扰。

轻则增加盾构机向前掘进的阴力, 降低掘进速度, 重则盾尾将管片损坏, 造成隧道渗漏水或地表沉降。

管片与盾尾经过钢丝刷密封, 当盾尾间隙小于40mm时, 盾尾拖动时管片与钢丝刷密封会发生干扰。

因此, 在拼装管片之前, 必须对上一环管片的上、下、左、右四个位置盾尾间隙进行测量。

如发现有一方向上的盾尾间隙接近40mm时, 就用转弯环对盾尾间隙进行调整。

调整的基本原则是, 哪边的盾尾间隙过小, 就选择拼装反方向的转弯环。

拼装1环左转弯环之后, 左边盾尾间隙将减小, 右边盾尾间隙将增大。

同时, 经过不同的拼装点位, 还能够调节上、下方向的盾尾间隙。

如果此时盾构机在进行直线段的掘进, 则必须注意在拼装完1环左转弯环后, 选择适当的时机, 再拼装1环右转弯环将之调整回来, 否则左边盾尾间隙将越来越小, 直至盾尾与管片发生干扰。

当盾构机处于曲线段, 则应根据线路的特点进行综合考虑。

3.4 盾尾间隙与油缸行程之间的关系在进行管片选型的时候, 既要考虑推进油缸行程的差值, 又要考虑盾尾间隙。

而推进油缸行程的差值更能反映盾构机与管片的空间关系, 一般情况下应反推进油缸行程的差作为选择管片的主要依据, 只有在盾尾间隙接近于警戒值40mm时, 才根据盾尾间隙选择管片。

4 影响管片选型的其它因素4.1 铰接油缸行程的差值当前地铁盾构工程中大多采用的是铰接式盾构机, 即盾构机不是一个整体, 而是在盾构机中体与盾尾之间采用铰接油缸进行连接, 铰接油缸能够收放, 这样就更加有利于盾构机在曲线段的掘进及盾构机的纠偏。

铰接油缸利用位移传感器将上、下、左、右四个方向的行程显示在显示屏上, 当铰接油缸的上下或左右的行程差值较大时, 盾构机中体与盾尾之间产生一个角度, 这将影响到油缸行程差的准确性。

这时应当将上下或左右的行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程的差值, 最后的结果作为管片选型的依据。

海瑞克盾构铰接油缸有三种模式, 锁、收和自由放开, 当盾构在直线上, 盾构姿态很好, 能够使用锁定模式, 当在曲线上, 应把铰接油缸自由放开, 当显示铰接油缸行程差较大或使用大于2/3行程后, 应经过针对性收模式来调整行程差。