淺析盾構(gòu)掘進質(zhì)量控制要點

【摘要】 隨著城市的發(fā)展需要，市政交通、給水、燃氣、電力工程將會越來越多地采用盾構(gòu)進行管線施工。而其中盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制、管片選型等技術(shù)控制點對隧道質(zhì)量影響較大。在電力項目盾構(gòu)法隧道線路設(shè)計時，只需滿足電纜鋪設(shè)，并不需要考慮后續(xù)隧道通車需要，線路設(shè)計多從規(guī)劃紅線著手，所以常常出現(xiàn)小半徑曲線，在這里，200米轉(zhuǎn)彎是“家常便飯”，甚至還有120米的轉(zhuǎn)彎半徑，這都在不同程度上對成型隧道質(zhì)量控制增加難度。本文結(jié)合筆者所在電力項目盾構(gòu)施工情況，對盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量控制措施作一些介紹。

【關(guān)鍵詞】 盾構(gòu)掘進 管片選型 姿態(tài) 實例 質(zhì)量控制

1 工程簡介

本工程采用隧道外徑Ф4100盾構(gòu)施工管片內(nèi)徑為Ф3600mm，外徑為Ф4100mm。盾構(gòu)掘進控制主要分為盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制及管片選型，下面將以本工程為例進行探討。

2 盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制

在理想的情況下，主機是嚴格按DTA （盾構(gòu)機相對隧道設(shè)計中線）向前掘進的，主機的前后參考點應(yīng)該都位于DTA 上。如果DTA 為一段直線，每掘進一環(huán)推進油缸向前推進相同距離，所有油缸的行程都是相同的；如果DTA 為曲線，掘進時位于曲線外側(cè)的油缸就會比位于曲線內(nèi)側(cè)的油缸推進距離長一些，就會在曲線內(nèi)外兩側(cè)的推進油缸上產(chǎn)生行程差。當行程差達到一定程度時，就必須安裝楔形環(huán)以平衡這個行程差，否則管片的走向就會和主機的走向偏離。但在實際盾構(gòu)掘進中，由于受地質(zhì)軟硬不均、不同方向千斤頂推力不一致及線路曲線等影響，會引起盾構(gòu)姿態(tài)蛇行前進。

3 管片選型的原則

管片選型是擬合線路，減少盾構(gòu)千斤頂行程差以達到減少盾構(gòu)與成型隧道的折角，調(diào)整盾尾間隙，保證成型隧道的質(zhì)量，提高推力的效能，延長盾尾刷的密封壽命等作用。管片選型的原則如下：

3.1管片選型適合隧道設(shè)計軸線

管片擬合計算

一定的標準環(huán)和一定的楔形環(huán)按照一定的數(shù)量和合適順序排列，能夠擬合出不同半徑的曲線隧道，這種管片排列的計算叫做管片對隧道的擬合計算。當規(guī)劃管片的總體制造計劃和管片的運送計劃以及施工場地的管片儲存計劃時，就要用到擬合計算，擬合計算對管片的選型也有直接的指導(dǎo)作用。通過擬合計算，就基本了解了這段線路需要多少轉(zhuǎn)彎環(huán)（包括左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎），多少標準環(huán)，曲線段上標準環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的布置方式。現(xiàn)根據(jù)廣州電力某工程管片設(shè)計情況簡要介紹一下隧道管片擬合計算。

以200米平面圓曲線為例計算出路曲線段的轉(zhuǎn)彎環(huán)與標準環(huán)的布置方式。

轉(zhuǎn)彎環(huán)偏轉(zhuǎn)角的計算公式：

θ=2γ=2arctgδ/D

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

D―――管片直徑

將數(shù)據(jù)代入得出θ=0.5729

根據(jù)圓心角的計算公式：

α=180L/πR

式中： L―――一段線路中心線的長度

R―――曲線半徑，取200m

而θ=α，將之代入，得出L=1.998m

上式表明，在200m的圓曲線上，每隔0.998m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)，本工程使用的管片長度為1.0m，就是說，在200m轉(zhuǎn)彎半徑的圓曲線上，標準環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝關(guān)系為1環(huán)標準環(huán)+1環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。

同時，若將L設(shè)定為1m（即全部使用轉(zhuǎn)彎環(huán)），則可以推算出此管片的理論極限轉(zhuǎn)彎半徑為100m。

3.2管片選型適合盾構(gòu)千斤頂行程

盾構(gòu)機是依靠推進油缸頂推在管片上所產(chǎn)生的反力向前掘進的，我們把推進油缸按上、下、左、右四個方向分成四組。而每一個掘進循環(huán)這四組油缸的行程的差值反應(yīng)了盾構(gòu)機與管片平面之間的空間關(guān)系，可以看出下一掘進循環(huán)盾尾間隙的變化趨勢。當管片平面不垂直于盾構(gòu)機軸線時，各組推進油缸的行程就會有差異，當這個差值過大時，推進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姿態(tài)。管片平面盡量垂直于盾構(gòu)機軸線，使推進油缸能垂直頂在管片上，使管片受力均勻不致破損。

3.3管片拼裝完成后保持良好的盾尾間隙

如果盾尾間隙過小，盾殼上的力直接作用在管片上，則盾構(gòu)機在掘進過程中盾尾將會與管片發(fā)生摩擦、碰撞。輕則增加盾構(gòu)機向前掘進的阻力，降低掘進速度，重則造成管片錯臺（通過調(diào)整盾構(gòu)間隙，可以大大減少管片錯臺量），盾構(gòu)一邊間隙過小，另一邊相應(yīng)變大，這時盾尾尾刷密封效果降低，在注漿壓力作用下，水泥漿很容易滲漏出來，破環(huán)盾尾的密封效果。調(diào)整的基本原則是，哪方向盾尾間隙過小，就把轉(zhuǎn)彎環(huán)最大楔形量安裝在對應(yīng)位置。

3.4盡量使封頂塊位于隧道腰線以上，錯縫拼裝

目前廣州地鐵較常使用的管片縱向為10根螺栓連接，即管片拼裝的10個點位，相鄰點位的旋轉(zhuǎn)角度為36°。由于是錯縫拼裝，所以相鄰兩塊管片的點位不能相差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個點位。

4 管片選型實例分析

如表三、表四所示，534環(huán)測量得到如下數(shù)據(jù)：油缸左側(cè)行程比右側(cè)大38mm ，上部比下部大13mm；左側(cè)的盾尾間隙為90mm ，右側(cè)的盾尾間隙為55mm，上部盾尾間隙為80mm ，下部盾尾間隙為76mm；剛剛安裝好的一環(huán)管片為左轉(zhuǎn)彎環(huán)11：00。

從自動測量系統(tǒng)圖上看主機偏向DTA 的左下側(cè)，但右側(cè)的盾尾間隙比較小，而且從油缸行程看還有更加減小的趨勢，非常危險；下部的盾尾間隙略小，從油缸行程看上部盾尾間隙也有減小的趨勢，目前影響不大。下一環(huán)管片選型分析如下：

1、雖然刀盤的水平姿態(tài)由-50變?yōu)?9，一部分原因是因為盾構(gòu)機糾偏回來，同時也因為盾構(gòu)機正處于200米左轉(zhuǎn)彎，盾構(gòu)機與隧道設(shè)計線路成割線，盾構(gòu)機繼續(xù)掘進，刀盤自動回到隧道線路范圍內(nèi)。標靶水平姿態(tài)由前一環(huán)的-68到達-75，正反映了盾構(gòu)糾偏的滯后性，同時也因為盾構(gòu)糾偏過急，盾構(gòu)機出現(xiàn)“擺尾”現(xiàn)象；

2、由現(xiàn)場盾尾間隙測量結(jié)果顯示，右側(cè)盾尾間隙已處于危險狀態(tài)，為保證成型隧道管片質(zhì)量，防止管片被盾尾別壞，應(yīng)優(yōu)先考慮盾尾間隙來進行管片選型；

3、因此，534環(huán)應(yīng)選擇L10，而實際管片選型為R10，造成右側(cè)盾尾間隙繼續(xù)變小，最終使得管片收到右側(cè)盾尾的擠壓，繼而發(fā)生嚴重錯臺、碎裂、漏水。（如圖五所示）

5 小結(jié)

合理的盾構(gòu)姿態(tài)糾偏與管片選型對盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量控制起著關(guān)鍵作用。工程人員需在理解透徹盾構(gòu)姿態(tài)糾偏及管片選型的前提下，才能更好的完成監(jiān)理工作，同時更應(yīng)該在實際工作中做好工程經(jīng)驗的總結(jié)。

參考文獻

[1] 郭廣才. 盾構(gòu)掘進姿態(tài)與管片選型施工探討. 廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司.

[2] 周振國，郭 磊，郭衛(wèi)社. 盾構(gòu)施工姿態(tài)控制和管片選型. 中鐵隧道集團.