软土地层盾构机小半径曲线接收技术应用.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２０１３２０５・隧道／地下工程・软土地层盾构机小半径曲线接收技术应用程传过（中铁十六局集团有限公司北京１０１１００）摘要：以苏州地铁３号线８标教育园站至横塘镇站盾构区间４００ｍ小半径曲线段盾构在全断面粉土层接收为例，根据在施工中对盾构机小半径曲线段接收实践经验，分析和探讨盾构小半径曲线接收的操作技术及控制措施，以便为今后类似盾构施工提供借鉴和参考。关键词：小半径曲线粉土盾构机接收中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．Ｓ２．０３５ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｉｌＳｍａｌｌＲａｄｉｕｓＣｕｒｖｅＲｅｃｅｉｖｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅｉｎＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄＣｈｅｎｇＧｈｕａｎｇｕｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１６由ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＢｅｉｊｉｎｇｌＯｌ１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇｔｈｅ４００ｍｓｍａｌｌｒａｄｉｕｓｃｕｒｖｅｄｌｉｎｅｇａｔｈｅｒｉｎｇｉｎｆｕｌｌ－ｓｅｃｔｉｏｎｓｉｌｔｙｓｏｉｌｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｎｔｅｒｖａｌｂｅｔｗｅｅｎＪｉａｏｙｕｙｕａｎＳｔａｔｉｏｎａｎｄｎｅｎｇｔａｎｓｚｌａｅｎＳｔａｔｉｏｎｉｎＬｏｔ８ｏｆＳｕｚｈｏｕＭｅｔｒｏＬｉｎｅ３ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｓｈｉｅｌｄｉｎａｃｈｉｎｅｓｍａｌ］ｒａｄｉｕｓｃｕｒｖｅｓｅ印ａｅｎｔｓｒｅｃｅｉｖｉｎｇｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｎｌｅａｓｕｒｅｓｆｏｒｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｉｎｓｍａｌｌｒａｄｉｕｓｃｕｒｖｅ，ｈｏｐｉｎｇｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｍａｌｌｒａｄｉｕｓｃｕｒｖｅ；ｓｉｌｔｙｓｏｉｌ；ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ１引言城市轨道交通选线时会因为种种因素制约而设计成半径大小不等的弯道，小半径盾构接收往往不可避免¨。１，因此使盾构机掘进姿态满足设计线路“是关键ＨＪ。目前接收端头井加固主流设计采用三轴搅拌桩加固土体，在水泥加固土体中小半径转弯进‘行盾构施工更是对技术控制的一个挑战卜９｜。本文以横塘镇站一教育园盾构区间４００ｍ转弯半径盾构接收为例，分析小半径曲线盾构接收技术。２工程概况此区间工程地在苏州市高新区，右线隧洞长为１２３６．１５１ｍ，左线隧道全长１２０９．３９０ｍ，区间左右线总长２４４５．５４１ｍ。盾构机头长约９ｍ，盾构直径６４１０ｍｍ，管片外径６．２ｍ，管片内径５．５ｍ，管片环宽１．２ｍ。盾构接收端为４００ｍ转弯半径，盾构在接收端覆土为９．３ｍ，东侧距离家居广场６．３ｍ。左右线间距为１４一１５．５ｍ。区间左线设置了Ｒ＝４５０ｍ、Ｒ＝４００ｍ的平曲线，区间右线设置了Ｒ＝４００ｍ平曲线。“”区间隧道呈Ｖ形，隧道出横塘镇站后先以２５％ｏ、４．８６％ｏ两段纵坡下到最低点，然后以４．４３％ｏ、‰２５两段纵坡Ｅ升到达教育园站。隧顶覆土约１０．０～１７．８③ｍ。接收端为全断面，粉土层。４００ｍ小半径曲线段平面及剖面如图１所示。——收稿日期：２０１８０３２８作者简介：程传过（１９８２一），男，工程师，主要从事城市轨道交通土建工程施工技术研究。１３２铁道建筑技术ＲＡｌＬＷＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴｔＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（增２１万方数据・隧道／地下工程・ａ．曲线段平面ｊ１粉质黏土县二歪巫三整型型｛———‘—’‘‘’—’‘—‘—．＿・・－＿－＿。。。。。。。。－－－．．－Ｊｂ．曲线段剖面图１４００ｍ小半径圆曲线段平面及剖面３小半径曲线隧道盾构接收操作和纠偏３．１施工中需要解决的主要问题盾构在小半径曲线中接收，怎样解决盾构机在加固体范围内直线掘进线路与洞门偏差、怎样控制盾构曲线的姿态是盾构施工中的重难点¨‘０１２Ｊ。目前，国内区间隧道施工中，小半径曲线接收的实例并不多，本文通过小半径曲线盾构接收理论的偏差进行了研究和分析，产生理论偏差主要原因为：小半径曲线段盾构接收时，因盾构机在加固体内无法转弯，不能与小曲线充分拟和。规范允许成形隧道水平偏差±１０ｃｍ，在Ｒ＝４００ｍ的小半径按常规办法接收，盾构机在加固区内就要沿着井内接收架方向前进，而盾构机在加固区内及接收架上很难进行纠偏，只能按照直线前进，导致盾构姿态和设计的曲线不能拟合。在小半径圆曲线盾构接收段，盾构不能按照正常掘进设置各种技术参数，如何合理的把这些参数达到最佳状态，是影响盾构机能否顺利掘进小半径曲线接收施工的关键。３．２盾构小半径曲线段掘进和管片拼装“”（１）走内割线、保证间隙、防止偏移。①为了制顷利让盾构在曲线段掘进，盾构进入加固区前需要提前调整好进入加固区的姿态，根据区间地质和曲线路，使盾构提前进入曲线预备姿态，避免在加固区转弯操纵，为小半径接收做好准备。②盾构进入加固区范围内仅能直线前进，为保铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣ丁ｆＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ证盾构姿态，盾构实际推进线路要始终位于曲线内侧，在曲线的内侧割线位置，头尾偏差值为一１５～一３０ｍｍ，铰接位置偏差一５０一一８０ｍｍ，千斤顶行程保持左长６０一８０ｍｍ。③“”均匀的盾尾间隙是管片拼装的前提，同时“可以减少拼缝渗漏水，所以盾构推进时要围绕保”证间隙为核心，合理利用转弯环和标准环对曲线进行拼装，同时开启盾构铰接装置，让盾构机有一定角度，使管片环面和盾构姿态保持同步。④每环开始掘进，首先已拼装的管片法面、千斤顶行程差和盾尾间隙进行测量，按照测量结果有针对“性的调整姿态。纠偏要遵照勤纠、多纠，严禁猛纠、”急纠的原则，且每环的纠偏量一般不超过３ｍｍ。“（２）曲线段管片拼装以计算选型、严格拼装、”经常复紧为原则。由小半径掘进实际情况，合理选择标准环和转弯环的组合，并根据施工中盾构和管片姿态相对关系灵活地调整，根据管片法面达到盾构姿态，由此提高管片的拼装质量。①每环管片长度在设计半径上所需超前量推导，见图２。由弧度公式可知：图２小半径曲线盾构掘进示意ＯＬ＝Ｌｌ／Ｒ１＝Ｌ２／Ｒ２（￡＋艿／２）／（Ｒ＋３．１）６＝Ｌ×６．２／Ｒ②已知转弯环管片楔形量是３７．２舢，标准环宽为１．２ｍ。小半径曲线盾构机掘进拼装见图３。Ｓ＝Ｓｌ＋Ｓ２，Ｎ＝．ｓｌ／Ｓ２Ｓ＝Ｓ２×Ｎ＋Ｓ２Ｓ２＝ｓ／（１＋Ｎ）＝（￡一６／２）／（Ｒ一３．１）图３小半径曲线盾构掘进拼装示意又６１＝０．０３７２×Ｓ２，６１＝Ｓ×ＬＸ６．２／Ｒ０．０３７２×Ｓ２＝Ｓ×ＬＸ６．２／Ｒ０．０３７２×Ｓ／（１＋Ｎ）＝Ｓ×Ｌ×６．２／Ｒ得：Ｎ＝０．０３７２Ｘ肜（１．２×６．２）一１Ⅳ式中，是标准环数与楔形环数之比；Ｓ为每循环周期内标准环与楔形环总数；Ｓ。为标准环数量；Ｊｓ：为２０１８Ｉ增２ｌ１３３万方数据・隧道／地下工程・楔形环数量。横教区间接收段平曲线转弯半径为４００ｍ，标Ⅳ准环数与楔形环数之比的计算式如下：［１．２×（Ｎ＋１）］／４００＝３７．２／６２００Ｎ＝１，在平曲线段，每拼１环标准环需在１５点位拼一环右转环。另外，对苏州地铁管片（外径６２００ｍｍ，环宽１２００ｍｍ，转弯环楔形量３７．２ｍｍ），计算出转弯环封顶块位于不同点位时所对应的楔形量，以便施工中管片选型，见图４。图４环楔形量随楔形环点位变化示意３．３推力在加固区内对掘进的影响管片在曲线段的位移产生的原因为掘进时盾构机推力大小和曲线的转弯半径大小。软土地质情况下，盾构掘进时对土体产生扰动，土体因扰动后的蠕动也对管片产生不均匀的侧向挤压，管片受到挤压后，慢慢会向土压力小的方向发生位移。小半径推进引起的管片位移量为Ｌ＝Ｍ×ｒｔ＝ＦＸｎ／Ｒ。其中，Ｆ为盾构机推力的反作用力；Ｍ是管片侧面附加应力；Ｒ为转弯半径；ｎ为变形系数。由上得知，影响管片的位移量的因素为：推力越大位移越大，转弯半径越大位移越小。如果在小半径转弯施工时减少管片侧向位移，必须减少盾构机千斤顶的推力，根据横教掘进经验，千斤顶推力控制在７５０一ｌ１００ｔ，千斤顶左线推力比右侧大３００ｔ；对于接收浅覆土段，可适当减少盾构推力。在推进中要及时调整左右两侧千斤顶推力差，减小整体推力，来实现慢速急转，确保推进时外圆弧侧推力比内圆弧侧大，以满足转弯的需要，也可降低掘进速度来保证掘进的连续性。３．４铰接对掘进的影响在小半径掘进过程中铰接的伸长量对转弯难易程度及管片拼装质量起很大作用，以下是对小半径推进过程中铰接伸长量的预计算，铰接油缸的左右行程差见图５。６＝ｈ２×ｓｉｎ０６＝ｈ２×ｓｉｎ（０１＋９２）＝ｈ２Ｘｓｉｎ｛ａｒｅｓｉｎ［＾／（２×Ｒ４）］＋１３４铁道建筑技术图５铰接油缸左右行程差示意ａｒｃｓｉｎ［ｈｉ／（２×Ｒ４）］｝＝７０．２ｍｍ式中，６为铰接最大伸长量；Ｒ。为隧道转弯半径；０为铰接打开角度；＾为盾构前体长度；ｈ，为盾构后体长度；＾：为水平位置左右铰接油缸中心最远距离。由此得知，在４００ｍ转弯半径掘进过程中铰接油缸左右行程差为７０．２ｍｍ。在此行程差下，可以有效解决盾构转弯时盾构机盾尾与成形隧道空间尺寸净空冲突的问题。３．５刀盘转速和扭矩对掘进的影响盾构刀盘转速需要满足的条件是保证与掌子面的充分切削，在加固区内操作方法是采用低转速，同时注意调整推力，以控制刀盘对土体的惯入度。扭矩控制在２５００ｋＮ・ｍ，在施工中统计的数据显示，刀盘转速０．８ｒｐｍ、扭矩１５００～２５００ｋＮ・ｍ时，小半径曲线掘进最有利，既能保证速度的稳定性，也可控制纠偏的尺度。３．６加固区超挖刀的应用盾构机掘进曲线段时，可通过超挖刀的伸缩调整盾构机姿态。利用超挖刀超挖出一定空间，可使盾构发生偏移，减小土体相互挤压作用，从而降低对盾构施工参数的影响。也有一些软土地质盾构施工时，盾构掘进曲线段可以不采用超挖刀。本文ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２ｌ万方数据・隧道／地下工程・中盾构区问加固体设计强度ｌＭＰａ，加固长度９ｎｌ，超过盾构机头长度，所以在盾构通过曲线段加固区时在内弧侧适当开启超挖刀，有利姿态的调整。超挖刀超挖量的计算见图６。图６超挖刀超挖量计算叼＝Ｒ５×（１一ＣＯＳ０４）＝（Ｒ４ＸＣＯＳ０】一６．２／２）Ｘ（１一ＣＯＳ０４）＝１０．９ｍｍ式中，Ｊ，７为超挖刀伸出最大行程；Ｒ。为隧道转弯半径；恐为开挖范围最小半径。通过计算可得盾构机超挖量最大为１０．９ｍｍ时满足盾构机在４００ｍ小半径转弯时通过净空的要求（考虑铰接角度开到位的情况下，详见３．４）。３．７同步注浆及二次注浆盾构同步注浆的作用是为填充开挖面与管片外弧面之间的空隙，保证地表不因超挖而沉降。注浆的原则是要同步、均匀，不然会因管片外围受力不均引起隧洞变形甚至使管片受到不均衡挤压力而破坏。如果同步注浆用双液浆易引起注浆管堵塞，不能保证盾构连续推进，造成始发或接收施工时封堵洞门的风险，所以此阶段的推进中，同步注浆宜采用常规浆液，壁后补注浆则需采用双液浆。因为双液浆采用水泥浆和水玻璃混合而成，凝固快、强度大，并能充分填充同步注浆不足引起的管片后空隙，能有效防止地面沉降和管片不均匀挤压出现变形。及时的二次注浆能控制管片位移，改善管片整体稳定性，遏制管片错台和破损。３．８接收托架的安装对盾构接收的影响在围护结构破除后，由于盾构机直径为６４１０ＩＢｍ，接收洞门直径为６７００ｍｍ，盾构机与洞门之间有１５０ｍｍ空隙，为防止盾体离开土体进入洞门时前盾无支撑而导致前盾姿态下沉，在洞门钢环内焊接两块４３ｋｇ／ｍ的钢轨，轨道高１４ａｍ，沿接收基座轨道延长线焊接。横教左线区间共ｌ００５环，到达横塘镇站时，９９７～１００５环坡度０％０，洞门中心标高为一１０．０５０ｍ。平曲线Ｒ＝４００ｍ，Ｌ＝７０ｍ，８２０环为（ＨＹ）缓圆点，铁道建篱技术ＲＡ『ＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣ丁『ＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ８２１～１００５环在４００ｍ半径的曲线上。区间左线盾构到达横塘镇站接收时在圆曲线上，因为盾构机整体笨重，如果产生偏差纠偏便很困难，尤其是在加“”“”固区内注意盾构曲线掘进时的及时和微调。盾构接收托架中心线为沿着盾构机进入加固区直线方向的延伸线。盾构机掘进到９９７环，与盾构中心线左偏１０ｍｍ，到１０００环右偏９ｍｍ。接收托架长度９．６ｍ，距离洞门边０．５ｍ，在距离洞门边１０．１ｍ的位置，托架中心线与盾构中心线路东偏０．１６５ｍ，托架标高偏差均在１０ｍｍ内。托架摆放位置如图７所示。模拟隧道中心线接收托架中心线实测隧道中心线图７托架摆放位置示意４管片加固及监测数据分析４．１管片加固盾构机到达掘进阶段，盾构推力减小，将造成管片与管片之间的环缝连接不紧密而产生漏水，在推进过程中迅速复紧螺栓，对最后１５环管片进行拉紧处理，将最后几环管片与之前管片连成一体，有效防止不均匀推力对管片之间松懈造成的隧道渗漏水。４．２施工监测在小半径曲线接收段掘进时，为确保盾构区间自身的安全和周边建筑物、地下管线等安全，施工采用信息化施工技术，采用多手段联合地表监测，提高施工过程中的信息管理水平，做到定时监测、及时反馈。通过对构筑物的监测工作，可达到本工程监测的目的主要有：（１）掌握盾构机接收施工过程中地表、建筑物沉降及其规律性。（２）了解盾构隧道在小半径曲线施工时的管片变形情况。根据横教区间左线接收段地表、建筑物及管片轴—线的监测数据，地表最大沉降ＤＢ－９９５０２为一５．２ｍｍ，建筑物最大沉降ｚＪ一０３为一１．６ｍｍ，管片水平轴线最大偏差ＺＸ一１００ｌ为４３ｍｍ，均在规范允许范围内。２０１８ｌ增２）１３５万方数据・隧道／地下工程・５结束语通过以上技术控制，盾构机顺利通过加固区小半径曲线掘进。科学控制盾构在掘进过程中的参数变化，总结各参数之间的相互联系，不断总结行之有效的操作经验，保证盾构在小半径曲线段顺利接收，希望对以后类似的工程提供参考。［２］［３］［４］参考文献邵高波．软土地层小半径曲线段盾构管片破损分析及—预防措施研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：１９２２．程骁，潘国庆．盾构施工技术［Ｍ］．上海：上海科学技术文献出版社，１９９０．何广沂，田雄文．我国隧道掘进钻爆技术发展综述［Ｊ］．铁道建筑技术，２００６（６）：７ｌ一８０．刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｍ］．上海：上海铁道出（上接第１２５页）版社，１９９１．［５］王甫东．盾构小半径圆曲线始发衬砌环拟合技术［Ｊ］．—建材发展导向，２０１５（１０）：１０１１０２．［６］李庆斌．隧道掘进水压爆破技术及应用分析［Ｊ］．铁道—建筑技术，２０１３（４）：９９１０２．［７］乔凤龙．复合式土压平衡盾构机通过软弱地层施工技—术［Ｊ］．铁道建筑，２０１２（６）：６６６９．［８］郝明亮，邬根发．盾构法隧道软土地层盾构水下进洞施—工技术的应用［Ｊ］．建筑知识，２０１０（ｓ２）：８７８９．［９］何凤娟．高水压复杂地质条件下的盾构出洞施工技术［Ｊ］．水利水电施工，２０１０（２）：４ｌ一４４．［１０］刘港．小转弯半径盾构隧道的施工变形分析［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１３．［１１］李勇，王玉锁，杨超，等．向浦铁路金爪山特长隧道施—工通风技术研究［Ｊ］．铁道建筑，２０１３（１１）：７３７５．［１２］宋剑，毛磊，金增选，等．华东软土地层盾构机掘进姿态及管片破损控制措施［Ｊ］．城市建设理论研究：电子—版，２０１２（１９）：２０２３．表３优化前、后预应力束根数变量设计优化变量设计优化变量设计优化号值值号值值号值值ｘ（４３）４２ｘ（４８）４２ｘ（５３）４２ｘ（４４）４２ｘ（４９）４２ｘ（５４）４２ｘ（４７）４２ｘ（５０）４２ｘ（６７）４２注：表内ｘ（６７）为底板束，其余为顶板柬。仅将优化前、后预应力束根数发生变化的预应力束罗列于表３中，可见，根数减少的预应力束分布在顶、底板上，腹板预应力束未有变化，总根数呈下降趋势，与优化期望一致。在设计过程中可通过优化程序将结构的设计要素参数化，根据设计者的需求改变参数的类型及数量，并可自行拟定目标函数，故可对桥梁进行个性化的优化设计。针对一些需要额外安全储备的结构，在设计中可通过调整约束条件的上下限值来完成。因此，优化设计可适用于不同桥型的桥梁设计，有较好的实用性。５结束语本文以包括预应力束张拉控制应力、型号和根数在内的设计参数为优化变量，以规范要求的各项位移、应力指标为约束条件，以预应力束总造价为目标函数，建立了Ｐｃ连续梁优化模型，并以中卫至１３６铁道建筑技术兰州铁路刘家湾特大桥为工程实例对所建优化模型及优化方法进行验证。对比本文所用工程实例的优化方案与原设计方案，前者不仅降低了预应力束２０．７０％的造价，并且满足结构受力要求，充分验证了本文所建优化模型的有效性以及实用性。参考文献［１］徐文平，张士铎．预应力混凝土简支空心板和Ｔ形梁—的优化设计［Ｊ］．中南公路工程，１９８６（４）：６１６６．［２］陈国藩，李文虎．具有预应力曲筋的预应力混凝土梁—的优化设计［Ｊ］．基建优化，１９８６（１）：２４２９．［３］姜新佩，胡浩云，郭凤台．预应力混凝土构件的优化设—计［Ｊ］．华北水利水电学院学报，１９９８（２）：３３３５．［４］孙峰伟．变宽度连续箱梁桥空间力学性能分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（７）：５３．［５］蔺鹏臻，刘世忠．桥梁结构有限元分析［Ｍ］．北京：科学出版社，２００８：１５７．［６］国家铁路局．铁路桥涵混凝土结构设计规范：ＴＢ１００９２——２０１７［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１７：７０７１．［７］国家铁路局．铁路桥涵设计规范：ＴＢ—１０００２２０１７—［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１７：１８１９．［８］ＥＸＬＥＲＯ，ＬＥＨＭＡＮＮＴ，ＳＣＨＩＴＩ＇ＫＯＷＳＫＩＫ．ＭＩＳＱＰ：ａＦｏｒｔｒａｎｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅｏｆａｔｒｕｓｔｒｅｇｉｏｎＳＱＰａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｍｉｘｅｄ－ｉｎｔｅｇｅｒｎｏｎｌｉｎｅａｒ——ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ［Ｃ／ＯＬ］．（２０１３０５１６）——∥［２０１８０３３０］．ｈｔｔｐ：ＷＷＷ．ｋｌａｕｓ－ｓｃｈｉｔｔｋｏｗｓｋｉ．ｄｅ／ＭＩＳＱＰ．ｏａｆ．ＲＡｌＬＷＡＹｃｏＮｓＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２ｌ万方数据