李新龍（中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200435）

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城市超大直徑盾構(gòu)管片選型及姿態(tài)控制技術(shù)

李新龍（中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200435）

大盾構(gòu)的管片拼裝需要注意事項(xiàng)繁瑣，管片姿態(tài)控制復(fù)雜，對(duì)不同地層有不同的控制方法，隨著高鐵盾構(gòu)隧道的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、零誤差的控制理念。針對(duì)各個(gè)方面需要認(rèn)真總結(jié)，科學(xué)指導(dǎo)、反復(fù)求證的心態(tài)，不斷的完善控制標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。

管片；控制；技術(shù)

1　工程概況及地質(zhì)情況

廣深港客運(yùn)專線ZH-4標(biāo)隧道分為兩段：益田路隧道DK104+730～DK111+053；深港隧道DK111+987～DK115+929。其中益田路隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)2546m，深港隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)1404m，盾構(gòu)隧道均采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管片，管片外徑12.8m、壁厚50cm。

2　工程采用盾構(gòu)機(jī)

盾構(gòu)隧道采用海瑞克設(shè)計(jì)制造氣墊復(fù)合模式泥水加壓式平衡盾構(gòu)。該盾構(gòu)是一個(gè)具備多種功能于一體的綜合性設(shè)備，它集合了盾構(gòu)施工過(guò)程中的開挖、出土、支護(hù)、注漿、導(dǎo)向等全部的功能。

盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為13.23m，總重達(dá)3300t，總推力最大可達(dá)12000t，最大掘進(jìn)速度為 50mm/min，刀盤最大轉(zhuǎn)速為3.2rap/min。

3　管片選型的意義

管片選型的意義：按預(yù)定方法、工序進(jìn)行，符合設(shè)計(jì)預(yù)定要求；管片選型好壞擬合隧道軸線直接影響工程的進(jìn)度、質(zhì)量、投資等。

4　管片的幾何尺寸及表外特性

工程盾構(gòu)隧道采用C50高性能耐腐蝕混凝土預(yù)制拼裝式管片襯砌，采用“6+2+1”雙面楔形通用環(huán)管片，錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑11.7m，外徑12.8m，環(huán)寬2m，楔形量為26mm。每環(huán)管片由一塊封頂塊（F）、兩塊鄰接塊（L1、L2）、6塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1～B6）等九塊構(gòu)成。管片縱橫向均采用直螺栓斜向連接（環(huán)縫設(shè)φ50mm定位榫，縱縫設(shè)φ50mm定位桿槽）。

圖1

每環(huán)管片存在26mm的楔形量，而封頂塊在每個(gè)螺栓孔位所產(chǎn)生的水平楔形量與豎直楔形量不同。需要通過(guò)調(diào)整封頂塊位置控制每環(huán)管片的水平楔形量和豎直楔形量對(duì)管片姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到管片拼裝姿態(tài)與設(shè)計(jì)線路的擬合。

5　拼裝點(diǎn)位選擇考慮因素

5.1管片選型依據(jù)

管片選型的依據(jù)主要從以下幾個(gè)方面：盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及趨勢(shì)、油缸行程差、盾尾間隙、管片姿態(tài)與盾構(gòu)姿態(tài)對(duì)比分析、盾構(gòu)線路走向和楔形量的計(jì)算等。

5.2盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及趨勢(shì)

根據(jù)盾構(gòu)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)VMT上盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及盾構(gòu)司機(jī)下一步的掘進(jìn)趨勢(shì)，可以整體判斷下一環(huán)管片封頂塊的方位，從盾構(gòu)姿態(tài)反應(yīng)出盾構(gòu)機(jī)的調(diào)整趨勢(shì)，根據(jù)調(diào)整趨勢(shì)中的調(diào)整量提前進(jìn)行管片趨勢(shì)調(diào)整，封頂塊位置的變換來(lái)進(jìn)行調(diào)整到與盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)線上。排列封頂塊的位置計(jì)算出楔形量之后符合盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)的差值在次進(jìn)行調(diào)整糾偏。

5.3油缸行程差

在盾構(gòu)機(jī)不斷的調(diào)整姿態(tài)，通過(guò)調(diào)整不同的油缸壓力來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)的方向，這樣油缸會(huì)出現(xiàn)不同的行程差值，當(dāng)形成差值達(dá)到較大是應(yīng)及時(shí)靠管片的楔形量來(lái)彌補(bǔ)油缸行程差值，這時(shí)也是我們考慮管片封頂快的位置的依據(jù)之一，行程差值縮小時(shí)盾構(gòu)機(jī)可以從新調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的方向，是盾構(gòu)機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)的路線行走。

5.4盾尾間隙

盾尾間隙是選型考慮較多的一個(gè)因素。盾尾間隙的測(cè)量，在本環(huán)開始掘進(jìn)和掘進(jìn)完成后各測(cè)一次，分別是3點(diǎn)鐘，9點(diǎn)鐘，6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘四個(gè)方向。在拼裝管片過(guò)程中，還要注意每一塊管片與盾體之間的距離。與封頂塊相對(duì)的位置就是盾尾間隙相對(duì)較小的。標(biāo)準(zhǔn)的盾尾間隙是確定值，當(dāng)上下左右的盾尾間隙一定是說(shuō)明管片與盾構(gòu)的姿態(tài)是同步的，當(dāng)姿態(tài)不同步是會(huì)出現(xiàn)盾尾刷的損壞甚至漏水、漏漿，對(duì)管片的止水條及洞內(nèi)環(huán)境造成破壞。

5.5管片姿態(tài)與盾構(gòu)姿態(tài)對(duì)比分析

管片姿態(tài)也是決定封頂塊位置的因素之一，當(dāng)拼裝好的后方管片有較大的蛇形，這時(shí)不能將的封頂塊的位置放在擺動(dòng)方向，而應(yīng)該放在擺動(dòng)方向的兩側(cè)來(lái)減小應(yīng)力，從而使管片的姿態(tài)趨于平穩(wěn)，也要加強(qiáng)管片壁厚的注漿，穩(wěn)定管片。

5.6盾構(gòu)線路走向

盾構(gòu)線路的走向往往都是設(shè)計(jì)好的，轉(zhuǎn)彎半徑都是設(shè)計(jì)好的，我們?cè)诰徢€甚至直線的時(shí)候就應(yīng)該提前做轉(zhuǎn)彎的準(zhǔn)備，提前計(jì)算楔形量之后有步驟、有提前、有計(jì)劃的向左或向右轉(zhuǎn)，避免轉(zhuǎn)彎過(guò)大之后對(duì)管片拉傷拉壞等現(xiàn)象。

5.7楔形量的計(jì)算

管片楔形量的計(jì)算主要是符合以前的管片姿態(tài)從而總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為以后的封頂塊位置選擇提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，這樣的計(jì)算也是總結(jié)以前的管片與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的差值，找出經(jīng)驗(yàn)值對(duì)以后選型提供依據(jù)。

6　施工中常見問(wèn)題及處理辦法

6.1封頂塊插入時(shí)容易擠傷自己或鄰接塊

封頂塊的順利插入是檢驗(yàn)整環(huán)拼裝質(zhì)量的關(guān)鍵，如果封頂塊的順利插入代表預(yù)留的見間隙、拼裝縫控制的精準(zhǔn)。產(chǎn)生問(wèn)題的原因有：①人員的拼裝不精細(xì)，思想應(yīng)提前把封頂塊的位置預(yù)留出來(lái)；②拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)力不能達(dá)到要求，縱縫未能拼裝到設(shè)計(jì)要求，以至于封頂塊的位置比較小，帶來(lái)插入困難而造成破損；③拼裝封頂塊的時(shí)封頂塊的姿態(tài)未調(diào)整到最佳的狀態(tài)，這樣會(huì)造成偏壓或偏擠，對(duì)封頂塊造成本身的損傷等原因。

6.2管片螺栓未能順利鎖緊

管片的螺栓是鏈接管片及增加整體剛度的，需要幾次的復(fù)緊才能達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)管片拼裝時(shí)螺栓孔未能較準(zhǔn)備的對(duì)應(yīng)到位，會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期螺栓未能正常鎖緊而失去作用，產(chǎn)生問(wèn)題原因及處理有：①第一塊管片的拼裝時(shí)候未能正確對(duì)準(zhǔn)，這樣會(huì)帶來(lái)次生的問(wèn)題，一塊偏差1mm后，幾塊之后就不能將螺栓順利插入到位了，要保證每一塊管片的精度，這樣就會(huì)正常的螺栓安插到位。②預(yù)先要檢查螺栓孔位，避免雜物進(jìn)入孔內(nèi)后不能緊固。

6.3在全斷面硬巖中管片穩(wěn)定和防止開裂

在全斷面硬巖中管片錯(cuò)臺(tái)可以引起一系列的問(wèn)題，如隧道漏水，管片開裂，盾尾刷的破壞等。如果防水條脫落或者錯(cuò)臺(tái)較大，就會(huì)使相鄰管片的防水條的搭接不夠嚴(yán)謹(jǐn)，在地下水壓較大的情況下容易造成管片漏水；由于盾構(gòu)機(jī)的推力千斤頂直接作用在管片上，依靠管片的反作用力使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，一旦管片發(fā)生較大的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，就容易導(dǎo)致相鄰塊管片之間產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使管片邊緣（包括上下波動(dòng)和左右波動(dòng)）幅度過(guò)大，再加上管片形態(tài)的慣性作用，必然導(dǎo)致管片與盾尾之間的間隙不均勻，從而導(dǎo)致管片拼裝的困難，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生管片崩角等問(wèn)題。管片的錯(cuò)臺(tái)基本上發(fā)生在脫出盾尾以后，導(dǎo)致上下盾尾間隙不均勻，對(duì)盾尾刷擠壓損壞，可能導(dǎo)致盾尾漏漿，影響管片的拼裝以及防水條的質(zhì)量，在推進(jìn)過(guò)程中要時(shí)刻觀察，如漏漿要及時(shí)打盾尾油脂密封。對(duì)此類顯現(xiàn)從以下幾個(gè)方面避除：①調(diào)整漿液配比、改善漿液質(zhì)量。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，在砂漿中添加硅灰、抗分散劑等材料，改善漿液質(zhì)量，提高漿液的抗分散性、和易性、可注性，增加漿液的早期強(qiáng)度和縮短初凝時(shí)間；②雙液漿封閉環(huán)，固定管片。每五環(huán)采用雙液漿對(duì)管片進(jìn)行封閉，形成封閉環(huán)，減少漿液流失并有效的固定了管片；③對(duì)管片頂部120°范圍，采用雙液漿跟進(jìn)注漿；④在管片頂部120°范圍，管片背千斤頂面增加2mm后丁晴軟木橡膠襯墊，來(lái)彌補(bǔ)凹凸榫槽設(shè)計(jì)的瑕疵，增大管片環(huán)縫的間隙。

6.4管片破碎原因及解決辦法

管片破碎原因有以下幾個(gè)方面：①搬運(yùn)和堆放時(shí)造成的破碎。在搬運(yùn)、堆放過(guò)程中的碰磕，經(jīng)常導(dǎo)致在碰磕位置處產(chǎn)生小塊破裂。②拼裝時(shí)，由于管片環(huán)面之間及相鄰兩塊管片間接觸面達(dá)不到理想的平行狀態(tài)，使得預(yù)制管片的角部先受力而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片角部破碎。③封頂塊安插時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)和鄰接塊安裝的管片標(biāo)準(zhǔn)不夠，兩塊鄰接塊間預(yù)留的間隙太小，把封頂塊強(qiáng)行安裝，導(dǎo)致角部或整體受損。④由于管片盾尾間隙管片外弧與盾體的各距離不均等，造成管片中心軸線與盾構(gòu)機(jī)中心軸線成角度，在掘進(jìn)過(guò)程中擠壓管片邊或角造成損壞。⑤襯砌管片成圓度不標(biāo)準(zhǔn)，造成原因多種，其中預(yù)制質(zhì)量、安裝質(zhì)量和片縫之間有雜物等，在受集中應(yīng)力過(guò)大的部位造成管片破損。⑥推進(jìn)時(shí)管片受力不均勻，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中由油缸的千斤頂通過(guò)油缸撐靴傳力到管片環(huán)面，當(dāng)油缸撐靴與管片環(huán)面成角度后，受力不均造成管片破損。⑦同步注漿漿量分布不合理，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中同步注漿如果分布不均勻造成個(gè)別點(diǎn)位受到漿液的擠壓造成偏壓，通過(guò)盾尾間隙直接體現(xiàn)出來(lái)，盾尾間隙偏移造成管片受損。同時(shí)隨著盾構(gòu)震動(dòng)等因素，壁后的漿液在未凝固狀態(tài)下向下流動(dòng)造成底部漿液過(guò)多形成管片上浮趨勢(shì)，造成管片破損。

預(yù)防措施有以下幾個(gè)方面：

（1）拼裝前清理前一環(huán)管片上的雜物，保證環(huán)面清潔、接觸面無(wú)雜物。

（2）拼裝時(shí)保證襯砌環(huán)圓度，每塊與每塊不錯(cuò)位。推進(jìn)油泵的伸縮順序應(yīng)與管片拼裝順序一致。

（3）封頂塊安插前，實(shí)測(cè)兩鄰接塊間間距，實(shí)測(cè)值控制在比設(shè)計(jì)值稍大，確保安裝封頂塊。

（4）在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)各種外界地質(zhì)條件是，施工參數(shù)發(fā)生不斷的變化，在經(jīng)過(guò)不斷的變化過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)中軸線與管片中軸線必須高度保持一致，通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)過(guò)程來(lái)擬合。

（5）轉(zhuǎn)彎或豎曲線掘進(jìn)是提前擬合盾構(gòu)趨勢(shì)和管片趨勢(shì)，并保證拼裝環(huán)和前一環(huán)的坡度一致，控制每環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)的偏移量，減少管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

（6）掘進(jìn)前檢查油缸撐靴與管片環(huán)面的接觸關(guān)系，如發(fā)現(xiàn)成角度及時(shí)伸縮控制好平面接觸，調(diào)整不到位可采用輔助方木等措施。

（7）同步注漿時(shí)，控制好各分區(qū)的注漿量和注漿壓力，通過(guò)壓力控制注漿量，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后等待掘進(jìn)空間后再注漿。在地層自穩(wěn)性較好的情況下，減少盾構(gòu)底部注漿量，加大頂部注漿量，比較二次注漿，確保頂部注漿飽滿。當(dāng)掘進(jìn)轉(zhuǎn)彎半徑較大的線路是必要情況下可以加大一側(cè)的注漿量，控制盾構(gòu)機(jī)走向，提供必需的反力。

7　結(jié)論

管片選型要根據(jù)多方面因素平衡選型，施工中控制要點(diǎn)根據(jù)原因進(jìn)行具體分析，對(duì)大盾構(gòu)管片姿態(tài)精確控制要考慮提前量，控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。拼裝時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)的控制一定要形成流水線，隨著盾構(gòu)施工過(guò)程中的普及化我們國(guó)家對(duì)盾構(gòu)施工管片規(guī)范越來(lái)越正規(guī)，相信在不久的將來(lái)會(huì)管片拼裝越來(lái)越規(guī)范。

［1］鐵道部《鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01-2003）.北京：人民交通出版社.

［2］劉建航，等編著.盾構(gòu)法隧道.北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

［3］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.《福田站及相關(guān)工程設(shè)計(jì)圖》.

李新龍（1988-），男，漢族，黑龍江鶴崗人，畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院。

U455.43

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2095-2066（2016）17-0200-02

2016-5-20