雙護(hù)盾TBM小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)總結(jié)

賈俊啟

青島市地鐵四號線公司 山東青島 266000

雙護(hù)盾TBM目前在我國地鐵已廣泛使用，雙護(hù)盾TBM小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)主要通過管片選型、推進(jìn)控制和拼裝控制等提高隧道成型質(zhì)量，本論文以青島地鐵四號線雙護(hù)盾TBM施工為實(shí)例，分析總結(jié)雙護(hù)盾TBM在小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)技術(shù)要求。

1 工程概況

青島地鐵四號線內(nèi)海區(qū)間TBM始發(fā)兼軌排井到勁松三路站共5.5個(gè)區(qū)間。其中左右轉(zhuǎn)彎隧道施工共13處，隧道施工轉(zhuǎn)彎半徑在350～2000m之間，施工完成的內(nèi)海區(qū)間TBM始發(fā)兼軌排井至海泊橋站0.5個(gè)區(qū)間內(nèi)包含該施工范圍最小轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎半徑為350m，接近雙護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)彎極限半徑300m。

本工程隧洞穿越地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖強(qiáng)度變化大，對管片要求較高，所以采用的是C50P12管片，管片尺寸為：管片外徑為6000mm，管片的內(nèi)徑為5400mm，管片寬度為1500mm，每環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)的楔形量為38mm。

2 雙護(hù)盾TBM小半徑轉(zhuǎn)彎分析

2.1 管片預(yù)選型

在小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)要對轉(zhuǎn)彎時(shí)拼裝所需管片有初步估算，方便提前有計(jì)劃預(yù)定管片，提高效率[1]。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)所需轉(zhuǎn)彎環(huán)及標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片比例計(jì)算如下。

管片轉(zhuǎn)彎環(huán)偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式：

式中：α為轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角；δ為轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔形量的一半；D為管片直徑；將數(shù)據(jù)代入式（2-1）得出A=0.363

依據(jù)圓心角的計(jì)算公式：

式中：L為一段線路中心線的長度；R為轉(zhuǎn)彎半徑，取350m。而θ＝A，將上述數(shù)據(jù)代入（2-2）得出L＝2.22m。

由上結(jié)果知，在轉(zhuǎn)彎半徑為350m曲線上，每隔2.22m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)，青島地鐵四號線所用的管片長度為1.5m，理論所用的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的關(guān)系為（2.22-1.5）：1.5，即1環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)：2環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。同理計(jì)算不同半徑標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)比例，結(jié)果如表1所示。

表1 TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)不同半徑標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)比值

以青島地鐵四號線左線為例，其ZJD12小半徑轉(zhuǎn)彎里程從ZDK6+456.292到ZDK6+572.436，共116.144m。按照上述結(jié)果推算理論上需要25環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和52環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)來完成，而該小半徑轉(zhuǎn)彎實(shí)際拼裝使用15塊標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和62塊轉(zhuǎn)彎環(huán)與理論值存在24%的差距，考慮到在實(shí)際拼裝中線路坡度、TBM蛇行和管片楔形量不能100%利用以及拼裝手拼裝質(zhì)量等實(shí)際情況影響，該理論值具有80%的參考價(jià)值。在管片預(yù)定時(shí)按照理論數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)增加轉(zhuǎn)彎環(huán)比例[2]。

2.2 推進(jìn)控制

在長距離隧道施工過程中要求TBM具有很好的方向控制能力，以保證在規(guī)劃線路方向上誤差可以控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。與直線隧道掘進(jìn)相比小半徑轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)過程TBM操作人員需要時(shí)刻調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)使掘進(jìn)方向在規(guī)定范圍內(nèi)。

以左線ZJD12小半徑左轉(zhuǎn)彎為例，該轉(zhuǎn)彎半徑為350m，其中F1斷裂帶在該轉(zhuǎn)彎半徑范圍內(nèi)，影響帶寬90m左右，在實(shí)際推進(jìn)過程中盾首姿態(tài)主要控制在水平方向10～40mm之間、垂直方向20～40mm之間的范圍達(dá)到理想規(guī)劃路線方向前行。盾首姿態(tài)垂直方向控制在20～40mm之間是為了克服F1斷裂帶處TBM刀盤沉降。盾首姿態(tài)水平方向控制在10～40mm之間是為了小半徑左轉(zhuǎn)彎時(shí)掘進(jìn)方向沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。在F1斷裂帶之外的半徑為350m的小半徑轉(zhuǎn)彎盾首姿態(tài)垂直方向控制在5～20mm之間。在直線隧道掘進(jìn)時(shí)盾首姿態(tài)一般主要控制在水平方向-20～+20mm之間、垂直方向-20～+20mm之間，這是與過小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)姿態(tài)控制主要差別。掘進(jìn)控制主要通過控制刀盤轉(zhuǎn)速和各主推油缸壓力達(dá)到TBM推進(jìn)所需總推力以及推進(jìn)時(shí)的掘進(jìn)貫入度。TBM主推油缸分為四組，通過操作桿進(jìn)行四組油缸油壓分配控制[3]。

2.3 拼裝控制

雙護(hù)盾TBM小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，姿態(tài)控制在合理范圍之內(nèi)時(shí)其管片的選型和拼裝尤為重要。管片左右及上下的盾尾間隙之和均為90mm，拼裝前要測量并記錄管片上、下、左、右四個(gè)位置的盾尾間隙，直線隧道掘進(jìn)時(shí)如發(fā)現(xiàn)有任何一個(gè)方向的盾尾間隙小于25mm，則需用轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整盾尾間隙，當(dāng)一側(cè)小于25mm時(shí)需要選擇與其相反方向轉(zhuǎn)彎的管片拼裝來調(diào)整，直至盾尾各間隙接近均勻；在直線掘進(jìn)時(shí),當(dāng)增加一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)后，要選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)增加一環(huán)與之相反方向的轉(zhuǎn)彎環(huán)將之調(diào)整回來，否則一側(cè)尾部間隙會越來越小直至與管片發(fā)生碰撞。當(dāng)TBM處于小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，管片左右盾尾間隙需要調(diào)整的值會發(fā)生變化，依據(jù)目前TBM施工完成的半徑為350mm的左轉(zhuǎn)彎隧道總結(jié)出左側(cè)盾尾間隙在10mm左右時(shí)對拼裝影響不大，但右側(cè)盾尾間隙接近15mm時(shí)容易造成管片破損。所以左轉(zhuǎn)彎半徑350mm隧道施工時(shí)右側(cè)盾尾間隙盡量在30mm以上，左側(cè)盾尾間隙控制在10mm以上[4]。

盾尾間隙在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)管片主要通過油缸行程差來選型。當(dāng)直線隧道施工時(shí)，油缸行程差在±40mm之間不需要通過轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整，當(dāng)超出這個(gè)范圍后則需要通過加轉(zhuǎn)彎環(huán)來調(diào)整，當(dāng)左右油缸行程差超過40mm時(shí)說明掘進(jìn)方向偏右側(cè)需要用左轉(zhuǎn)環(huán)調(diào)整。當(dāng)小半徑350mm左轉(zhuǎn)彎時(shí)左右油缸行程差控制在0～-70mm之間比較合適，當(dāng)左右油缸行程差為-70mm時(shí)說明掘進(jìn)方向?yàn)樽筠D(zhuǎn)且在可控范圍之內(nèi)，當(dāng)左右油缸形成差小于-70mm時(shí)則需要用右轉(zhuǎn)環(huán)調(diào)整。同理當(dāng)掘進(jìn)方向右轉(zhuǎn)時(shí)，油缸行程差可適當(dāng)正數(shù)方向增大[5]。

當(dāng)TBM掘進(jìn)轉(zhuǎn)彎時(shí)需要計(jì)算每推進(jìn)一環(huán)兩側(cè)油缸行程差，其計(jì)算方式如下：

已知本項(xiàng)目使用的管片寬度為1500mm，推進(jìn)千斤頂油缸安裝直徑為5.5m,取R為350m，將上述數(shù)值代入式（2-3）得=23.6mm。

單環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)管片左右兩側(cè)最大差值為36.14mm。以轉(zhuǎn)彎半徑350m為例，當(dāng)推進(jìn)三環(huán)時(shí)行程差為70.8mm，通過兩環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)最大程度調(diào)整量為72.28mm，需加一環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)使主推油缸行程差保持在一定水平內(nèi)。同理不同轉(zhuǎn)彎半徑下每推進(jìn)一環(huán)油缸行程差及換算標(biāo)準(zhǔn)和轉(zhuǎn)彎環(huán)比例如表2所示。

表2 TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)不同半徑行程差和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)比值

2.4 小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)導(dǎo)向調(diào)整

區(qū)間最大縱坡29.0‰，線路最小曲線半徑為350m，為保證施工隧道軸線的準(zhǔn)確，配備了被動(dòng)鉸接及力信RMS-D自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)測控雙護(hù)盾TBM姿態(tài)和管片拼裝的精度。TBM方向的控制采用先進(jìn)的激光導(dǎo)向技術(shù)降低方向控制誤差。力信RMS-D自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)能精確反映TBM主機(jī)的方位和姿態(tài)，使操作人員能精確的控制TBM掘進(jìn)方向。

由“力信rms-d自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)——說明書”知道激光靶的尺寸是155mm×90mm×95mm，所以激光靶的寬度為90mm，推進(jìn)過程中激光靶接收激光位移量與夾角關(guān)系如下。

式中：α為TBM轉(zhuǎn)彎弧度角，°；R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；b為激光靶寬度，m。以轉(zhuǎn)彎半徑350m為例，已知激光靶寬度為0.09m，代入式2-4得α=1.55°。

已知弧長計(jì)算公式

式中：L為掘進(jìn)長度，m；n為圓心角度數(shù)，°；R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；采用180角度制。

當(dāng)α=n轉(zhuǎn)彎半徑350m時(shí)，L=9.5m，按照每環(huán)管片1.5m計(jì)算，大約推進(jìn)6環(huán)就需要換一次站。

同理不同轉(zhuǎn)彎半徑換站長短也不同，如表3所示。

表3 TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)不同半徑換站表

雙護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)其換站規(guī)律如表2-3所示，轉(zhuǎn)彎半徑350mm時(shí)每推6環(huán)需要換一次站，而轉(zhuǎn)彎半徑800mm時(shí)則每推11環(huán)需要換站一次，轉(zhuǎn)彎半徑2000mm時(shí)則每推36環(huán)需要換一次站。

3 結(jié)語

雙護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)彎施工過程中，以實(shí)際操作情況綜合考慮分析，為TBM小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)管片選型，導(dǎo)向調(diào)整、拼裝控制提供一系列理論值，部分進(jìn)行實(shí)際對比，為后續(xù)提供一定的參考。那么實(shí)際操作過程中按照規(guī)劃路線偏差越小越接近上述參考數(shù)值。