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        盾構(gòu)姿態(tài)控制和機(jī)管片選型技術(shù)探討

        2018-06-05 03:38:26□文/徐
        天津建設(shè)科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:施工

        □文/徐 薇

        隨著我國地下鐵路、電力隧道、綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,盾構(gòu)施工因其高效、安全、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢,在地下隧道施工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。施工前的盾構(gòu)適應(yīng)性分析,盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制,掘進(jìn)姿態(tài)控制,管片選型,掘進(jìn)對沿線建(構(gòu))筑物的保護(hù)等相關(guān)的控制要點(diǎn)的研究得到了高度重視。其中盾構(gòu)姿態(tài)和管片選型,因直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量和其不可逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn),成為盾構(gòu)施工的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

        1 盾構(gòu)姿態(tài)影響因素

        盾構(gòu)姿態(tài)是盾構(gòu)主機(jī)的空間狀態(tài),通常采用橫向偏差、豎向偏差、俯仰角、方位角、滾轉(zhuǎn)角和切口里程等參數(shù)描述,反應(yīng)了盾構(gòu)與設(shè)計(jì)線路的擬合程度,也反應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)狀態(tài)控制的合理性。但在施工過程中,盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)軸線無法與理論軸線保持一致,因此需分析影響盾構(gòu)施工過程姿態(tài)影響因素,采取相應(yīng)的控制措施,從而更有效的實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的控制,提高施工質(zhì)量。

        1.1 盾構(gòu)機(jī)的性能

        盾構(gòu)機(jī)的性能直接與姿態(tài)調(diào)整相關(guān)。不同的盾構(gòu)類型,推進(jìn)油缸設(shè)置的分區(qū)不同,油缸的鎖定或啟用控制區(qū)域也不同,直接影響到在盾構(gòu)掘進(jìn)調(diào)向控制。盾構(gòu)機(jī)的靈敏度主要表現(xiàn)在調(diào)向和轉(zhuǎn)彎方面,為保證盾構(gòu)調(diào)向的需要增加鉸接機(jī)構(gòu),但是由于鉸接機(jī)構(gòu)設(shè)置的不同,在調(diào)向表現(xiàn)上也不同:有的盾構(gòu)鉸接為被動(dòng)式,即隨著盾構(gòu)的需要走;有的則在盾構(gòu)調(diào)向時(shí),可以主動(dòng)調(diào)節(jié)鉸接油缸的行程,調(diào)整各分區(qū)油缸行程差。此外盾構(gòu)設(shè)備的配置水平(測量系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、超挖刀等)對盾構(gòu)的姿態(tài)控制和調(diào)整也起到了不同程度影響。

        1.2 工程地質(zhì)

        在地質(zhì)條件復(fù)雜,特別是刀盤范圍下軟上硬的地質(zhì)情況下,盾構(gòu)掘進(jìn)方向不易控制,甚至盾構(gòu)機(jī)自行低頭,使掘進(jìn)偏離隧道中心線或盾尾不規(guī)則傾斜,直接影響到盾構(gòu)姿態(tài)。隨時(shí)掌握盾構(gòu)所處的地層情況,該地層對于盾構(gòu)法的表現(xiàn),掘進(jìn)范圍內(nèi)有無特殊地層,這些都是影響盾構(gòu)姿態(tài)保持因素。

        1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

        掘進(jìn)過程是盾構(gòu)推力、油缸行程、土壓力、鉸接油缸行程、推進(jìn)速度等綜合參數(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向偏離中線較大時(shí),主司機(jī)可以通過對掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整及時(shí)糾正盾構(gòu)姿態(tài)。

        1.4 其他因素

        盾構(gòu)的始發(fā)到達(dá)、地層突變、長時(shí)間停機(jī)等當(dāng)未采取有效控制措施時(shí),出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的變化。

        2 盾構(gòu)機(jī)管片選型拼裝與姿態(tài)的關(guān)系

        當(dāng)出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)超限,通??梢圆扇≈苯臃绞竭M(jìn)行調(diào)整,包括改變分區(qū)千斤頂壓力;減少一個(gè)或多個(gè)千斤頂;調(diào)整盾構(gòu)參數(shù),包括調(diào)整土壓力、盾構(gòu)扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、減少貫入度等;也可以采取輔助措施,包括開啟刀盤超挖裝置、單側(cè)注漿、膠接裝置的利用等。當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)問題后除調(diào)整盾構(gòu)各施工參數(shù)外,通過正確的管片選型和選擇正確的拼裝點(diǎn)位,將隧道的實(shí)際線路調(diào)整在設(shè)計(jì)線路允許的公差范圍內(nèi),也是常用有效的方法。

        盾構(gòu)姿態(tài)在某種程度上決定了管片選型,因管片是在盾尾內(nèi)拼裝,也不可避免地受到盾構(gòu)姿態(tài)的限制。在管片選型時(shí),一定要考慮盾構(gòu)機(jī)的趨勢、偏移中線在水平和豎直方向的程度,特別是在下幾環(huán)管片選型時(shí)一定要綜合考慮盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),計(jì)劃通過多少環(huán)將盾構(gòu)機(jī)調(diào)整到隧道中心線上。

        管片在某種程度上也影響盾構(gòu)掘進(jìn)的易難,如果盾構(gòu)在左右或上下油缸行程差很大,使盾構(gòu)機(jī)趨勢過大甚至偏離中心且推進(jìn)油缸的撐靴與管片面形成線接觸,要很好地控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向也是不容易的,而且使推力在管片上分解出一個(gè)徑向的分力,此分力可以通過管片及連接螺栓傳遞到前一環(huán)甚至后幾環(huán),如果這個(gè)分力超過了管片混凝土的抗剪極限,管片就要破損。因此盾構(gòu)姿態(tài)和管片選型,兩者是相輔相成、互為條件、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的關(guān)系。

        3 管片選型的相關(guān)因素和方法

        3.1 與隧道線路的關(guān)系

        為擬合設(shè)計(jì)線路,通過轉(zhuǎn)彎環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的組合來適應(yīng)隧道線路要素的不同要求。根據(jù)設(shè)計(jì)線路對管片作一個(gè)統(tǒng)籌安排,了解整條線路需要多少轉(zhuǎn)彎環(huán)(包括左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎),多少標(biāo)準(zhǔn)環(huán)以及曲線段上標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的布置方式。

        3.2 與管片楔形量的關(guān)系

        依照曲線的圓心角與轉(zhuǎn)彎環(huán)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系,可以計(jì)算出區(qū)間線路曲線段的轉(zhuǎn)彎環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的布置方式,見圖1。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的關(guān)系

        轉(zhuǎn)彎環(huán)偏轉(zhuǎn)角

        式中:θ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角;

        δ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔形量的一半,取24.5mm;

        D——管片直徑,取6200mm。

        θ=0.4528

        根據(jù)圓心角的計(jì)算公式

        式中:L——線路中心線的長度;

        R——曲線半徑,取350m。

        而θ=α,得出L=2.765m。

        式(1)和式(2)表明,在半徑R=350m的圓曲線上,每隔2.765m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán),由于管片環(huán)寬為1.2m。以此類推,可以算出R=400m時(shí),每隔3.1595 m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。

        3.3 管片拼裝點(diǎn)位的選擇

        拼裝點(diǎn)位是指管片拼裝時(shí)封頂塊所在的位置。轉(zhuǎn)彎環(huán)在實(shí)際拼裝過程中,可以根據(jù)不同的拼裝點(diǎn)位來控制不同方向上的偏移量,控制盾構(gòu)隧道的曲線走向,從而實(shí)現(xiàn)隧道的調(diào)向。由于是錯(cuò)縫拼裝,所以相鄰兩塊管片的點(diǎn)位不能相差2的整數(shù)倍。一般情況下,本著有利于隧道防水的要求,都只使用上部5個(gè)點(diǎn)位。

        3.4 與推進(jìn)油缸和鉸接油缸行程的關(guān)系

        盾構(gòu)機(jī)是依靠推進(jìn)油缸頂推在管片上所產(chǎn)生的反力向前掘進(jìn)的,當(dāng)各組推進(jìn)油缸的行程有差異時(shí),管片端面不垂直于盾構(gòu)機(jī)軸線,推進(jìn)油缸的推力就會在管片環(huán)的徑向產(chǎn)生較大的分力,從而影響已拼裝好的隧道管片以及掘進(jìn)姿態(tài)。通常當(dāng)兩個(gè)相反方向上的油缸行程差值≥40mm時(shí),就應(yīng)該拼裝轉(zhuǎn)彎環(huán)進(jìn)行糾偏。盾構(gòu)機(jī)中體與盾尾之間采用鉸接油缸進(jìn)行連接,鉸接油缸的收放實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在曲線段的掘進(jìn)及盾構(gòu)機(jī)的糾偏。當(dāng)顯示鉸接油缸行程差較大或使用大于2/3行程后,應(yīng)通過針對性措施進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)鉸接油缸的上下或左右的行程差值較大時(shí),盾構(gòu)機(jī)中體與盾尾之間產(chǎn)生一個(gè)角度,這將影響到油缸行程差的準(zhǔn)確性。這時(shí)應(yīng)當(dāng)將上下或左右的推進(jìn)油缸行程差值減去上下或左右的鉸接油缸行程的差值,最后的結(jié)果作為管片選型的依據(jù)。

        現(xiàn)有一組油缸,見圖2。行程數(shù)據(jù):B組1640mm,C組1643mm,D組1634mm,A組1674mm;左右行程差D-B=1634-1640=-6(mm);上下行程差為A-C=1674-1643=31(mm)。

        圖2 油缸分區(qū)

        由以上計(jì)算可以看出,盾構(gòu)機(jī)的軸線相對于管片平面向左上方傾斜。在對這環(huán)管片進(jìn)行選型的時(shí)候,就應(yīng)選擇一環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)且還要有向上的偏移量。

        3.5 與盾尾間隙的關(guān)系

        盾構(gòu)施工中管片的安裝是在盾尾殼體的保護(hù)下在主機(jī)內(nèi)部進(jìn)行的,每環(huán)管片安裝完成后被推出盾尾,實(shí)際上是主機(jī)在已安裝的管片提供的反力作用下向前推進(jìn),這就要求盾殼和管片外徑之間有一定的空隙,這個(gè)空隙稱為“盾尾間隙”。如果盾構(gòu)機(jī)偏離設(shè)計(jì)線路,糾偏過程中要保證盾構(gòu)機(jī)的鉸接密封、盾尾鋼絲刷密封工作良好,也要兼顧管片與盾尾之間的間隙,避免盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí),盾尾鋼絲刷密封與管片發(fā)生干擾而損壞管片。根據(jù)施工實(shí)踐,一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)盾尾間隙的糾偏值宜控制在±4mm內(nèi),否則轉(zhuǎn)彎環(huán)管片的偏移量跟不上盾構(gòu)機(jī)的糾偏幅度,盾尾會將管片擠壞。

        4 結(jié)論與建議

        1)正常情況主機(jī)沿著隧道設(shè)計(jì)中心線走,管片隨著主機(jī)走,線形控制為工作內(nèi)容之首。過程中注意盾尾間隙的保持,起碼滿足管片的拼裝需求,提前決策做到胸有成竹。

        2)管片選型中關(guān)注油缸行程差,特別是在曲線部位,如果外側(cè)與內(nèi)側(cè)油缸行程差過大,若通過連續(xù)安裝大量的轉(zhuǎn)彎環(huán)來跟上主機(jī)的姿態(tài),就會造成盾尾間隙過小和管片破裂。

        3)在遇到曲線內(nèi)側(cè)盾尾間隙過小的情況時(shí),不可貿(mào)然使用與曲線方向相反的管片進(jìn)行調(diào)整,可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整一下鉸接油缸的長度,雖然這時(shí)間隙很小,但一般幾環(huán)之后可以好轉(zhuǎn),特殊情況下可以在管片選型時(shí)稍稍加大行程差的數(shù)值,使管片向外運(yùn)動(dòng)一些。

        4)不同的工程、不同的盾構(gòu),其掘進(jìn)姿態(tài)控制和管片選型的計(jì)算不同,但其基本的原理和過程是相同的?!酢?/p>

        [1]洪開榮,吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2009.

        [2]GB50299—1999,地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范(2003版)[S].[3]GB50446—2008,盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

        [4]張鳳祥,傅德明,楊國祥,等.盾構(gòu)隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [5]周奇才,吳 瑋.地質(zhì)條件與盾構(gòu)姿態(tài)控制關(guān)系的研究[J].建筑機(jī)械化,2006,27(9):37-39.

        [6]張 鵬.盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏及管片選型技術(shù)淺析[J].建筑機(jī)械化,2012,33(S2):219-222.

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