超大直徑盾構小半徑轉彎技術研究

溫竹菌

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)

超大直徑盾構小半徑轉彎技術研究

溫竹菌

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)

以上海市北橫通道的具體工程實施為背景,從設計與施工兩方面對超大直徑小半徑曲線盾構隧道的相關技術進行研究,解決小半徑曲線盾構隧道中所出現的技術難題。

盾構隧道；超大直徑盾構；小半徑轉彎技術

0 引言

隨著城市的發展,地面交通擁堵問題日益嚴重,修建城市地下道路是解決交通問題的重要舉措。為了減少隧道施工期間對地面道路交通和建構筑物的影響,超大直徑盾構已經越來越多地應用于地下道路隧道。而在城市中心區,為了避讓周邊密集建構筑物,盾構采用小半徑曲線轉彎的需求也越來越大。

盾構隧道受盾構設備的限制,轉彎半徑不可能太小；同時從已建的盾構隧道的建成質量來看,在小半徑轉彎段隧道管片更易出現開裂滲漏等現象。在這樣的背景下,對超大直徑盾構小半徑轉彎技術研究的需求日益強烈,本文擬以上海市北橫通道為工程背景,從盾構機設備選型、隧道的縱向受力分析、管片的構造措施、防水措施等方面開展研究,以提出相應的設計、施工方案,力求有效地緩解小半徑轉彎引起的不利影響,為今后此類項目建設提供經驗。

1 工程背景

北橫通道是上海正在實施的一條北部的東西向主干道,工程西起北虹路,東至內江路,貫穿上海中心城區,全長約19.1 km(見圖1)。北橫通道采用高架、明挖隧道與盾構隧道相結合的布置方式。其中西段采用直徑為15 m的盾構隧道由西向東行進約6 km,沿線穿越蘇州河、軌道交通、密集的建筑群。為了避讓地下建構筑物、盡量減少對相鄰地塊的影響,隧道近一半區域采用了轉彎半徑小于600 m的線形,其中最小轉彎半徑僅500 m,為國內類似大直徑盾構小轉彎半徑之最。

2 盾構小半徑轉彎引起的不利影響

根據《盾構法隧道施工與驗收規范》(GB50446-2008)中的定義：盾構隧道曲線小于40D(D為盾構外徑)的為小半徑曲線。當盾構直徑達到15 m時,轉彎半徑小于600 m即為小半徑曲線。超大直徑盾構在小半徑曲線上推進主要存在如下問題。

2.1 糾偏量大,軸線控制困難

由于盾構機本身為直線形剛體,圓曲線段掘進只能形成一段連續的折線來擬合圓弧曲線。為了使盾構隧道軸線與設計軸線相吻合,掘進過程中需要進行連續糾偏。轉彎半徑越小,盾構機直徑越大,擬合困難就越大,掘進單位距離的糾偏量也越大,因此其軸線控制更為困難。

2.2 管片容易出現拼裝質量問題

線路轉彎弧度大,需要左、右側推進油缸形成一個較大的推力差才能滿足盾構機的轉彎要求,致使姿態調整的推力可調范圍變小,從而增加了拼裝質量控制難度,使得該區段管片出現崩缺、錯臺等質量問題的幾率增大。

2.3 地面沉降增加

在小半徑曲線段由于盾構機的超挖、糾偏量大,對土體的擾動也大,增加了土體損失率,使得地面沉降增加。此外由于小半徑曲線段管片拼裝質量不高,易造成管片接縫漏水,更加加劇了地面的沉降。

針對上述問題,下面將從盾構機設備選型、隧道的縱向受力分析、管片的構造措施、防水措施等方面進行綜合分析,來有效地緩解小半徑轉彎引起的不利影響。

圖1 北橫通道盾構段平縱斷面圖

3 盾構設備選型與配置

在曲線段,由于常規盾構機本身為直線形剛體,不能與曲線完全擬合,需要使掘進路徑成為一段段連續的折線,為了使得折線與急曲線接近吻合,掘進施工時需連續糾偏。曲線半徑越小,盾構機越長,則糾偏量越大。因此在小半徑曲線隧道施工時,更多傾向于采用具有鉸接裝置的盾構機。通過在盾構機的中部增加鉸接裝置減小盾構機固定段長度,可更好地控制曲線隧道的施工軸線,提高盾構機的糾偏靈敏度。帶鉸接與不帶鉸接盾構對比表如表1所列。

表1 盾構機對比表

由于北橫通道小半徑區段施工環境保護要求高,沿線穿越了大量的建筑物和軌道交通,且帶鉸接的盾構機具有超挖量少、對周邊環境擾動小等優點,實施效果相對較好,因此推薦采用帶鉸接的盾構機進行施工。

4 小半徑盾構隧道縱向受力分析

盾構隧道平面曲線半徑小時,在盾構推進過程中為了實現盾構機的轉彎需要施加不均等的千斤頂推力,此時會在隧道縱向產生附加彎矩,通過對盾構推進附加彎矩的計算對管片結構設計進行復核。圖2為小半徑曲線附加彎矩計算示意圖。

圖2 小半徑管片縱向受力計算模型示意圖

計算中根據現有15 m外徑隧道盾構機施工經驗,縱向千斤頂分為19組,每組的最大推力約為10 000 kN,在小半徑曲線段,推力取為最大推力的80%,力的偏心距取為5 m。在隧道的覆土厚度為30 m、隧道外徑D=15 m、厚度t=650 mm、千斤頂推力P=16×104kN,偏心距e=5 m的條件下,管片所受的彎矩與軸力情況如圖3和圖4所示。

圖3 彎矩分布圖

圖4 軸力分布圖

通過采用有限元數值模型對“S“曲線段進行的模擬分析,結果表明在極限偏心荷載作用下(19組千斤頂,每組最大推力10 000 kN),在管片采用C60混凝土時,可滿足管片的受力要求。但還需要通過增加隧道縱向剛度和環間抗剪能力,來有效地控制襯砌環在小半徑轉彎區段的錯臺與接縫張開情況。

5 隧道的構造設計

在小半徑急曲線的施工條件下對隧道結構產生的影響主要有兩點：一是導致管片破損、開裂現象加劇；二是容易導致管片接縫滲漏增加。因此,結構設計著重從以上兩點考慮,采取相應構造措施避免或減輕上述情況的發生。

5.1 減小環寬

管片環寬的選擇與線路曲線半徑、楔形量的設置等密切相關。通常,確定楔形量具有一定的經驗性,應考慮管片種類、環寬、直徑、曲線半徑、管片制作的方便性、盾尾操作空隙等因素綜合確定。日本規定管片環外徑與楔形量的關系如表2所列。

表2 楔形量與管片外徑的關系一覽表

從上海地區已建大直徑盾構隧道管片楔形量統計圖(見圖5)可見,楔形量集中在40 mm左右,最大達到80 mm。

圖5 上海已建隧道管片楔形量統計圖

針對北橫通道工程線路情況,可能的管片環寬組合如表3所列。

從表3可見,采用2 m+1.5 m環寬組合比較經濟合理,該方案的拼裝機真空吸盤的位置也不需調整,較有利于施工。管片環寬及楔形量的選用情況參見表4所列。

5.2 增強環間抗剪能力

小半徑區段,由于存在側向分力,會導致管片錯臺過大,容易導致連接螺栓承受過大的剪切力,從而使螺栓孔附近管片混凝土出現裂縫,同時盾構機在小半徑轉彎區段的持續糾偏過程也易引起接縫張開量增加,導致管片接縫漏水,這對隧道結構耐久性及防水極為不利。

為了提高管片環間的抗剪能力,在環間設置剪力銷(見圖6)。除封頂塊在背千斤頂面和迎千斤頂面各設置1個剪力銷孔外,其余每塊均在背千斤頂面和迎千斤頂面各設置2個剪力銷孔,每環共設置19個剪力銷。

5.3 加強縱向連接

對于管片縱向剛度的提高,一般有三種方法：一是通過螺栓將聯系槽鋼與管片的預留注漿孔進行連接；二是在管片內設置縱向拉緊的預埋鋼板,管片拼裝完成后,將環與環之間的預埋鋼板再以鋼板焊接連接；三是在每個剪力銷預留孔兩側對稱布置2個預緊力預留孔,在預緊力裝置預留孔內設置雙頭螺柱并施加預緊力,從而提高隧道的整體縱向剛度及抗剪能力,改善管片的整體受力狀態。

表3 管片環寬組合方式一覽表

表4 管片環寬及楔形量選用表

圖6 剪力銷設計圖

上述三種方法中,安裝預緊裝置對增強管片的縱向整體剛度最為有效(見圖7),且施工方便,因此在小半徑區域里均考慮采用。

圖7 預緊裝置安裝示意圖

5.4 環縫構造和角部加強措施

小半徑曲線掘進時,轉彎處的外側千斤頂推力最大,內側千斤頂推力最小,為避免受力不均勻引發混凝土邊緣應力集中而造成邊角破損,在迎千斤頂環面的千斤頂頂塊位置局部設4 mm凸面(見圖8)。

圖8 環縫構造圖

在小轉彎半徑區段,管片角部素混凝土處易發生碎裂,在角部采用鋼筋網片進行加強,避免碎裂的產生。

5.5 增設注漿孔

在常規管片中,注漿孔的設置為每塊管片設置1個注漿孔,每環管片共10個注漿孔。小半徑轉彎段在隧道施工中盾構超挖量增大,需及時多點2次注漿。所以在小半徑區段所采用的1.5 m 環寬管片上增設了注漿孔,除封頂環外其余各塊管片采用2個注漿孔,每環管片共設19個注漿孔。

6 加強施工控制

6.1 嚴格控制盾構的推進速度

推進時,速度應控制在1～2 cm/min,既可以避免因推力過大而引起的側向壓力的增大,又能減小盾構推進過程中對周圍土體的擾動。

6.2 嚴格控制盾構正面平衡壓力

嚴格控制與盾構正面平衡壓力有關的施工參數,如推進速度、總推力、實際土壓力圍繞設定土壓力波動的差值等。防止過量超挖、欠挖,盡量減少平衡壓力的波動。

6.3 嚴格控制同步注漿及二次注漿的注漿量和漿液質量

由于曲線段推進增加了地層的損失量,糾偏次數的增加導致了對土體擾動的增加。因此,在曲線段推進時,應嚴格控制同步注漿量和漿液質量,在施工過程中采用推進和注漿聯動的方式,確保每環注漿總量到位。同步注漿及二次注漿的漿液采用雙液漿,以便在較短時間內將建筑空隙填滿并達到一定強度,并與原狀土共同作用,有效地減小管片因受側向壓力影響而在建筑空隙范圍內向弧線外側的偏移量。

6.4 盾尾與管片間的間隙控制

小半徑曲線段內的管片拼裝至關重要,而影響管片拼裝質量的一個關鍵問題是管片與盾尾間的間隙。合理的周邊間隙既便于管片拼裝,也便于盾構進行糾偏。

(1)施工中隨時關注盾尾與管片間的間隙,一旦發現單邊間隙偏小時,應及時通過盾構推進方向進行調整,使得四周間隙基本相同。

(2)在管片拼裝時,應根據盾尾與管片間的間隙進行合理調整,以便于下環管片的拼裝,也便于在下環管片推進過程中盾構能夠有足夠的間隙進行糾偏。

6.5 盾構推進軸線預偏

在盾構掘進過程中,管片在承受側向壓力后將向弧線外側偏移。為了使隧道軸線最終偏差控制在允許的范圍內,在盾構掘進時,可考慮給隧道預留一定的偏移量。預偏量需根據理論計算和相關施工實踐經驗綜合分析來確定。

6.6 盾構測量與姿態控制

小半徑曲線段推進時,應適當增加隧道測量的頻率,通過多次測量來確保盾構測量數據的準確性。同時,可以通過測量數據來反饋盾構機的推進和糾偏。在施工時,如有必要可實施跟蹤測量,促使盾構機形成良好的姿態。

6.7 加強螺栓復緊

每環推進結束后,須擰緊當前環管片的連接螺栓,并在下環推進時進行復緊,克服作用于管片上的推力所產生的分力,減少成環隧道偏移。

7 結論

針對小半徑實施的特點及存在的問題,可有針對性地考慮采取如下幾個方面措施：

(1)小半徑轉彎段施工推薦采用鉸接式盾構,以提高盾構機的糾偏靈敏度,減少對周邊地層的擾動。

(2)通過采用有限元數值模擬分析,在千斤頂的極限偏心荷載作用下,采用C60高強混凝土可滿足管片的局部受壓要求。但還需要通過增加隧道縱向剛度和環間抗剪能力,來有效地控制襯砌環在小半徑轉彎區段的錯臺與接縫張開情況。

(3)設計上可考慮減小管片環寬及相應調整楔形量,以減小側向分力及管片中的應力集中現象。并通過設置縱向拉緊措施,增加隧道縱向剛度,為盾構推進過程中提供足夠的反力,減小隧道向圓弧外側的偏移量。

(4)施工中主要控制好糾偏量、推進速度、泥水壓力、注漿量等施工參數,并注意控制好管片與盾尾間的間隙、設置一定的預偏量及加強螺栓復緊等,以減少小半徑施工帶來的不利影響。

(5)結合信息化施工， 及時通過監測的反饋信息調整盾構施工參數， 能有效地減少對周邊環境的影響,避免施工偏差。

U455.43

A

1009-7716(2015)09-0210-05

2015-06-05

上海市科委科研項目(12231201002)

溫竹菌(1975-),女,廣西南寧人,碩士研究生,高級工程師,從事隧道工程設計研究工作。