李飛宇， 胡燕偉， 李龍飛

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

馬蹄形盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝技術(shù)

李飛宇， 胡燕偉， 李龍飛

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝是盾構(gòu)始發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其拼裝工法將直接影響工程工期、盾構(gòu)的順利始發(fā)及后續(xù)管環(huán)的拼裝質(zhì)量(傾角、滾轉(zhuǎn)角等)。以應(yīng)用世界首臺(tái)馬蹄形盾構(gòu)施工的蒙華鐵路MHTJ-01標(biāo)白城隧道為例，介紹盾構(gòu)始發(fā)時(shí)負(fù)環(huán)管片的拼裝步驟，研究負(fù)環(huán)管片拼裝過(guò)程中管片的定位與固定方式，并針對(duì)性地設(shè)計(jì)馬蹄形管片在管片推出時(shí)的支護(hù)方式與支護(hù)工裝。最終形成一套科學(xué)、安全、高效并具有指導(dǎo)意義的異形盾構(gòu)管片施工方法。

馬蹄形盾構(gòu)； 負(fù)環(huán)管片； 管片拼裝； 盾構(gòu)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(gòu)作為異形盾構(gòu)的一種，具有開(kāi)挖面小、隧道襯砌周長(zhǎng)小等優(yōu)點(diǎn)。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(gòu)的負(fù)環(huán)管片拼裝尚未形成一套完整的施工技術(shù)。

目前針對(duì)盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝技術(shù)的研究主要集中于圓形盾構(gòu)，且主要面向于常規(guī)地鐵隧道6 m級(jí)盾構(gòu)管片。韓亞麗等[1]通過(guò)南京地鐵玄武門(mén)站—許府巷站的施工實(shí)踐，論述了6.2 m直徑圓形管片的拼裝技術(shù)；于建軍[2]以沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線為例，通過(guò)設(shè)計(jì)比選，提出一套快速的地鐵盾構(gòu)始發(fā)負(fù)環(huán)管片拼裝及拆除技術(shù)；梅勇兵等[3]結(jié)合隧道施工技術(shù)及工程機(jī)械各領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)管片拼裝技術(shù)的今后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，大直徑盾構(gòu)的使用也趨于頻繁。針對(duì)大直徑盾構(gòu)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(yáng)[5]以南京緯三路過(guò)江隧道工程φ14.93 m泥水平衡式盾構(gòu)為例，分別論述了超大直徑盾構(gòu)的管片拼裝技術(shù)和超大直徑盾構(gòu)的始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

然而，由于異形盾構(gòu)尤其是馬蹄形盾構(gòu)的工程實(shí)例較少，故目前尚未形成一套完善的負(fù)環(huán)管片拼裝方法。本文結(jié)合蒙華鐵路白城隧道馬蹄形盾構(gòu)施工實(shí)例，對(duì)管片的拼裝方式、拼裝流程以及在管片推出時(shí)的支護(hù)方式和支護(hù)工裝進(jìn)行研究，探索一套可適應(yīng)于馬蹄形大直徑盾構(gòu)管片的拼裝方法。

1 馬蹄形管片介紹

馬蹄形管片是針對(duì)蒙華鐵路白城隧道的馬蹄形盾構(gòu)開(kāi)挖面而特殊設(shè)計(jì)的盾構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)塊5塊，臨接塊2塊，封頂塊1塊。管片標(biāo)記如圖1所示。

每塊管片上面均布置有螺紋預(yù)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(gè)相互交叉螺栓擰緊，同環(huán)相鄰管片間由2個(gè)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(biāo)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(tái)盾構(gòu)結(jié)合設(shè)備布置及管片特殊性，選用環(huán)形機(jī)械抓取式管片拼裝機(jī)。管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)形機(jī)械抓取式拼裝機(jī)

理論上管環(huán)外側(cè)距離尾盾內(nèi)側(cè)有一定尾刷間隙，而在拼裝第1環(huán)管片時(shí)并沒(méi)有壓到盾尾刷來(lái)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(jìn)時(shí)損壞底部盾尾刷?，F(xiàn)場(chǎng)選用槽鋼反扣并焊接到尾盾內(nèi)側(cè)，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(duì)管片進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以保證首塊管片拼裝完成后整環(huán)管片相對(duì)于隧道中軸線垂直并左右對(duì)稱。首塊管片的定位通常選用全站儀，定位時(shí)準(zhǔn)確確定首塊管片4個(gè)角在尾盾內(nèi)壁的投影，然后劃線標(biāo)記。

2.2.2 首塊管片的拼裝

馬蹄形盾構(gòu)管片有別于圓形管片，主要涉及管環(huán)與隧道的滾轉(zhuǎn)角等。第1環(huán)首塊管片的姿態(tài)決定整個(gè)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(jī)將管片吊裝到劃線標(biāo)記位置附近后，利用管片拼裝機(jī)抓取并調(diào)整管片位置，使管片4個(gè)角點(diǎn)投影可以和上述劃線標(biāo)記點(diǎn)初步重合，然后用卷尺精確測(cè)量位置誤差。管片的位置誤差測(cè)量項(xiàng)目包含： 管片外圓與尾盾內(nèi)壁距離；管環(huán)軸線與盾構(gòu)軸線的垂直度；管環(huán)軸線相對(duì)于盾構(gòu)軸線的同軸度。

管片位置及姿態(tài)調(diào)整好后，對(duì)首塊管片進(jìn)行固定。固定方式如圖5所示，用φ40 mm的鋼筋穿過(guò)管片前后兩側(cè)用于環(huán)間連接的螺栓孔，焊接到尾盾內(nèi)壁。由于在拼裝第1環(huán)后續(xù)管片時(shí)，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(qiáng)度。

2.2.3 首環(huán)其他塊管片的拼裝

利用管片吊機(jī)將管片放置到最底部拼裝機(jī)接收區(qū)域，等待拼裝機(jī)抓取。管片放置位置應(yīng)保證在拼裝機(jī)前后行走行程之內(nèi)。每塊管片與相鄰管片的環(huán)向連接強(qiáng)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(shí)測(cè)量每塊管片相對(duì)于盾體的前后位置，以保證管環(huán)在同一平面內(nèi)，同時(shí)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(nèi)(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(shí)，要首先確定2臨接塊在同一豎直平面內(nèi)。臨接塊與常規(guī)塊的前后位置通過(guò)推進(jìn)油缸在點(diǎn)動(dòng)模式下進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，分塊分區(qū)頂進(jìn)，并做好實(shí)時(shí)測(cè)量。

封頂塊的榫卯與2臨接塊榫卯對(duì)準(zhǔn)后，推進(jìn)油缸伸出將封頂塊頂緊并用連接螺栓緊固，然后松開(kāi)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(shí)，要保證管環(huán)間的拼裝精度，盡可能控制管環(huán)之間的錯(cuò)臺(tái)高度在允許范圍內(nèi)。螺栓在插入困難時(shí)禁止強(qiáng)行插入和敲打，切忌野蠻操作而對(duì)管片造成損傷。

管片錯(cuò)臺(tái)會(huì)導(dǎo)致管片破裂、隧道滲水、盾尾刷損壞等一系列問(wèn)題，不僅影響隧道外觀質(zhì)量而且影響隧道壽命。拼裝過(guò)程中為防止錯(cuò)臺(tái)、錯(cuò)縫，要規(guī)范管片拼裝程序，嚴(yán)格控制負(fù)環(huán)頂?shù)揭r砌段后各組推進(jìn)油缸的推進(jìn)行程及推進(jìn)壓力，保證合理的盾體姿態(tài)[6-8]。

3 管片的支護(hù)與盾體推進(jìn)：

3.1負(fù)環(huán)管片的支護(hù)

負(fù)環(huán)管片在每環(huán)拼裝完成后，為防止管環(huán)變形，需要對(duì)管環(huán)進(jìn)行輔助支撐。具體支護(hù)方法需按照管環(huán)未推出尾盾時(shí)和管環(huán)推出尾盾后2種工況進(jìn)行考慮。

1)管環(huán)未推出尾盾時(shí)，其下部外側(cè)有槽鋼支撐，故只需對(duì)內(nèi)側(cè)做支撐加固。尾盾內(nèi)管環(huán)的內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)，一端鉤住管片內(nèi)表面，分布如圖7所示。

圖7 未推出盾尾時(shí)管環(huán)支護(hù)

2)管環(huán)推出尾盾后，考慮負(fù)環(huán)管片在自重情況下的受力變形，需要對(duì)其底部和中部外側(cè)及上部?jī)?nèi)側(cè)進(jìn)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(fù)環(huán)管片始發(fā)完成后不予拆除，經(jīng)回填后作為永久隧道管片留存，故對(duì)于負(fù)環(huán)管片下部要求充分填實(shí)。管環(huán)具體加固支護(hù)方式如圖8所示。

圖8 推出盾尾后管環(huán)支護(hù)

①管環(huán)底部支撐有導(dǎo)軌，防止管環(huán)下沉。支撐導(dǎo)軌在圓周方向的布置決定相鄰導(dǎo)軌的包絡(luò)角。相鄰支撐導(dǎo)軌的包絡(luò)角選取與管片的分塊、管片的質(zhì)量密切相關(guān)。導(dǎo)軌布置時(shí)應(yīng)避開(kāi)管片接縫，布置位置與數(shù)量要適應(yīng)管環(huán)質(zhì)量，以防管片被壓潰；同時(shí)要做好精確位置測(cè)量，尤其是導(dǎo)軌高度要與管環(huán)高度相適應(yīng)以防管環(huán)上翹或下懸。調(diào)整好導(dǎo)軌姿態(tài)后，將導(dǎo)軌與預(yù)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(dǎo)軌之間密實(shí)填充豆礫石。

②中部由工字鋼做成的外側(cè)支撐頂?shù)筋A(yù)先做好的澆筑工事上。

③內(nèi)側(cè)上部由工字鋼做成的內(nèi)部支撐頂?shù)皆O(shè)備結(jié)構(gòu)件上。管環(huán)推出時(shí)要防止管環(huán)出現(xiàn)裂紋、破損等表面損傷。

由于該掘進(jìn)段前部埋深較淺，因而在盾構(gòu)始發(fā)前采用明挖加襯砌的施工方式，襯砌段同時(shí)用作始發(fā)反力架。負(fù)環(huán)管片被推出頂?shù)揭r砌段后，采用工裝對(duì)負(fù)環(huán)管片和襯砌段連接固定(針對(duì)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(dǎo)軌與填充豆礫石提供，而側(cè)部有外側(cè)支撐頂緊防止管環(huán)變形，因而掛鉤所受內(nèi)力較小，并不會(huì)對(duì)管片、襯砌表面造成損傷。

管片與襯砌段連接固定后，負(fù)環(huán)管環(huán)已經(jīng)具備一定的自穩(wěn)性，由于連接于設(shè)備上的內(nèi)部支撐將隨設(shè)備掘進(jìn)，此時(shí)拆除內(nèi)部支撐，僅有外側(cè)支撐支持管環(huán)。

3.2負(fù)環(huán)管片的推進(jìn)

負(fù)環(huán)管片的推進(jìn)過(guò)程要實(shí)時(shí)跟蹤管環(huán)相對(duì)中軸線的垂直度。推進(jìn)負(fù)環(huán)管片時(shí)刀盤(pán)沒(méi)有貫入掌子面，盾構(gòu)推進(jìn)油缸的負(fù)載很小。如果管片推進(jìn)時(shí)采用推進(jìn)模式，推進(jìn)油缸會(huì)產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管環(huán)與中軸線不垂直，因此應(yīng)單獨(dú)控制或分區(qū)控制推進(jìn)油缸的伸出。

負(fù)環(huán)管片頂?shù)揭r砌段(即反力架)后，盾構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，后續(xù)拼裝的負(fù)環(huán)管片難以布置底部支撐導(dǎo)軌，即使從管環(huán)外部向底部填充豆礫石也無(wú)法保證完全填充密實(shí)。此時(shí)對(duì)管環(huán)下部的支撐通過(guò)對(duì)下部同步澆筑混凝土實(shí)現(xiàn)。首先推進(jìn)油缸伸出并推進(jìn)管環(huán)，當(dāng)管片的二次補(bǔ)漿孔露出最后一道盾尾密封刷時(shí)，連接注漿管通過(guò)管片的二次補(bǔ)漿孔進(jìn)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(shí)防止?jié)仓毫^(guò)大造成管片上浮，可在補(bǔ)漿孔上臨時(shí)安裝壓力表檢測(cè)漿液壓力數(shù)據(jù)。管片容許最大上浮量要與管片參數(shù)(管片接頭容許錯(cuò)臺(tái)量、接頭容許張開(kāi)角、管片環(huán)寬等)相匹配[10]。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于管環(huán)必須在注漿孔被推出盾尾密封刷時(shí)才可以注漿，在此之前可能由于管環(huán)下沉對(duì)盾尾刷造成損壞，因而要定時(shí)監(jiān)測(cè)管環(huán)姿態(tài)，必要時(shí)在底部對(duì)管環(huán)做臨時(shí)性支撐。

3.3管片螺栓復(fù)緊及管片破損修復(fù)

管片被推出尾盾后，管環(huán)可能由于支撐不到位而產(chǎn)生管環(huán)變形，從而導(dǎo)致管片螺栓松動(dòng)的現(xiàn)象，此時(shí)要及時(shí)對(duì)管片螺栓復(fù)緊。管片有破損的要用水泥及時(shí)修復(fù)。管片破損較為嚴(yán)重時(shí)，可以借鑒其他盾構(gòu)法施工案例中利用新型修復(fù)材料RM或粘貼芳綸纖維修復(fù)的方法[11-15]。

馬蹄形盾構(gòu)負(fù)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(duì)負(fù)環(huán)管片做回填處理，負(fù)環(huán)管片作為隧道永久環(huán)使用。

圖10 馬蹄形負(fù)環(huán)管片拼裝效果

4 結(jié)論與討論

1)負(fù)環(huán)首塊管片的準(zhǔn)確定位是后續(xù)管片順利拼裝的前提。拼裝首塊管片時(shí)要使用精密儀器測(cè)量、合理工裝固定。負(fù)環(huán)后續(xù)管片拼裝時(shí)要及時(shí)對(duì)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(fù)環(huán)管片推出盾尾后要同步對(duì)管環(huán)進(jìn)行支護(hù)，其中包括底部的混凝土澆筑支撐和上部與中部的鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)工裝時(shí)避免應(yīng)力集中損壞管片。

3)管環(huán)拼裝完成后要及時(shí)對(duì)管片連接螺栓復(fù)緊。管片有破損的要及時(shí)修復(fù)避免發(fā)生隧道滲水。

使用不同工法、工序拼裝盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片，不僅對(duì)負(fù)環(huán)管片的拼裝質(zhì)量、拼裝效率、施工安全性有重要的影響，而且會(huì)對(duì)后續(xù)甚至整個(gè)區(qū)間內(nèi)管片的拼裝產(chǎn)生影響。本工程首次采用馬蹄形盾構(gòu)進(jìn)行隧道施工，對(duì)于異形管片拼裝尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循，通過(guò)參考圓形管片的拼裝方法對(duì)馬蹄形盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝技術(shù)進(jìn)行了研究和實(shí)踐，可以為其他異形盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝提供參考。異形管片拼裝的誤差及質(zhì)量控制是管片拼裝的關(guān)鍵，關(guān)于異形管片拼裝質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還需要進(jìn)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(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。E-mail： creclfy@163.com。

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