盾構管片封頂塊拼裝施工技術研究

高 磊

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 工程概況

上海軌道交通9號線三期(東延伸)12標包含兩個盾構區間:曹路站-民雷路站盾構區間；民雷路站-顧唐路站盾構區間。兩區間隧道均包括上、下行線，隧道外徑6.6 m、內徑5.9 m。管片拼裝方式為通縫拼裝，襯砌每環寬1.2 m，由封頂塊、鄰接塊、標準塊和拱底塊構成[1]。襯砌環縱縫之間均采用螺栓連接。本區間采用四臺小松公司生產的外徑為6.76 m的盾構機掘進。

2 工程施工難點分析

通常盾構管片拼裝施工過程中，由于盾構機向下一環掘進時，盾構機盾體向前推進，包裹在盾構機盾殼內的管片脫出盾尾后，管片直接承受外側水土壓力。由于土體的重力作用在管片上對封頂塊管片產生向下的壓力增大，造成脫出盾尾環封頂塊管片受力失衡，從而產生下墜錯位的問題，極易使封頂塊管片和鄰接塊管片大面積碎裂，進而影響整個隧道的工程質量[2]。本工程通過采用盾構管片封頂塊托架施工工藝，圓滿完成了盾構隧道的施工，解決了通縫管片拼裝過程中封頂塊管片容易下墜錯位的難題，提高了盾構隧道的施工質量。

3 工藝原理

3.1 原理分析

地鐵盾構隧道施工過程中，盾構千斤頂頂進管片前進，管片封頂塊接觸面錯縫的形成過程是伴隨著接觸面的摩擦力從靜摩擦向滑動摩擦轉化而成的[3]。

通過管片封頂塊托架上的兩絲杠對封頂塊管片的頂托支撐來抵消封頂塊管片由于盾構機向下一環掘進時，包裹在盾構機盾殼內的管片脫出盾尾后，管片直接承受外側水土向下增大的壓力，避免脫出盾尾環封頂塊管片瞬時受力失衡致使封頂塊管片下墜錯位問題的發生[4]。

3.2 力學分析

封頂塊管片在拼裝完成后至脫出盾尾的過程中存在兩個明顯的力學狀態。

(1)管片未脫出盾尾

管片未脫出盾尾時，封頂塊管片主要受兩側管片壓力、連接螺旋拉力、連接螺栓頂托力及封頂塊管片自重產生的向下的重力[5]，如圖1所示。

圖1 管片未脫出盾尾時封頂塊受力模型

(2)管片脫出盾尾后

管片脫出盾尾后，封頂塊仍受兩側管片壓力、連接螺旋拉力、連接螺栓頂托力及封頂塊管片自重產生的向下的重力。但由于外側水土重力的作用，致使兩側鄰接塊管片對封頂塊管片的側向壓力不足[6]，如圖2所示。

圖2 管片脫出盾尾時封頂塊受力模型

通過加設管片封頂塊托架，彌補管片脫出盾尾后兩側鄰接塊管片對封頂塊管片側向壓力的不足，避免封頂塊管片下墜錯位問題的發生。

4 工藝流程及操作要點

本工程使用小松盾構機，尾盾長度約2.8 m，因此盾殼內可同時包裹兩環1.2 m成形管片。第一環和第二環管片拼裝成環后會處于盾尾盾殼包裹狀態，從第三環管片掘進開始，第一環及以后管片才會陸續脫出盾尾包裹。因此，封頂塊安裝從第三環開始進入正規循環，前兩環安裝順序上有所不同[7]。總體施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

5 施工方案

5.1 盾構管片封頂塊托架的制作

依照在建隧道管片內徑，配合其管片弧度制作盾構管片封頂塊托架。其結構形式如圖4所示。

圖4 盾構管片封頂塊托架結構示意

盾構管片封頂塊托架采用全鋼結構，輔以橡膠襯墊制作而成。由三部分構成:管片封頂塊托架左、右固定吊桿和管片封頂塊托架橫梁焊接在一起組成的托架主體，帶有弧形托塊的左、右螺旋絲杠。

5.2 盾構掘進第一環，按常規工藝完成第一環管片拼裝

(1)施工準備

每一環管片由6塊組成，包括一塊拱底塊管片、兩塊標準塊管片、兩塊鄰接塊管片和一塊封頂塊管片。管片在施工場地做好防水處理后，由門式行車吊放至隧道內電瓶管片車上，并運送至盾構機管片拼裝區域待用[8]。每環管片組成如圖5所示。

圖5 盾構管片組成示意圖

(2)第一環盾構掘進

液壓馬達驅動刀盤旋轉，同時開啟盾構機推進油缸，盾構機向前推進。隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續旋轉，被切削下來的渣土充滿土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面[9]。盾構機每掘進一環距離，盾構機上的管片拼裝機就開始拼裝管片成環。

(3)第一環管片拼裝

盾構機上的管片拼裝機完成第一環拱底塊管片的拼裝，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環拱底塊管片的側面上；管片拼裝機完成第一環左標準塊管片的拼裝，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環左標準塊管片的側面上；管片拼裝機完成第一環右標準塊管片的拼裝，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環右標準塊管片的側面上；管片拼裝機完成第一環左鄰接塊管片的拼裝，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環左鄰接塊管片的側面上；管片拼裝機完成第一環右鄰接塊管片的拼裝，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環右鄰接塊管片的側面上；管片拼裝機將楔形的第一環封頂塊管片沿隧道軸向方向插接在第一環左鄰接塊管片與第一環右鄰接塊管片之間形成的楔形口中[10]，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第一環封頂塊管片的側面上(見圖6)。

圖6 拼裝成環的管片示意圖

5.3 盾構掘進第二環，按常規工藝完成第二環管片拼裝

盾構機繼續向前掘進一環距離，盾構機管片拼裝機依次開始拼裝第二環拱底塊管片、第二環左標準塊管片、第二環右標準塊管片、第二環左鄰接塊管片、第二環右鄰接塊管片。然后，頂接在第一環封頂塊管片上對應的盾構機千斤頂縮回，管片拼裝機將第二環的封頂塊管片沿隧道軸向方向插接在第二環左鄰接塊管片與第二環右鄰接塊管片之間形成的楔形口中，盾構機中盾上對應的千斤頂伸出頂接在第二環封頂塊管片的側面上。第二環管片拼裝成環。

5.4 盾構掘進第三環，按常規工藝完成第三環管片拼裝

同5.3盾構隧道第二環掘進及管片拼裝的方法完成盾構隧道第三環掘進及管片拼裝。

由于盾構機尾盾盾殼內可同時包裹兩環成形管片，當第三環管片完成拼裝進行下一環掘進時第二環管片才會處于脫出盾尾包裹狀態。所以需完成第三環管片拼裝后則可進行管片封頂塊托架由第一環管片到第二環管片的拆裝作業。

5.5 卸下第一環的管片封頂塊托架

隨著盾構隧道第三環掘進及管片拼裝完成，第一環管片已完全脫出盾尾，直接承受外側水土壓力。在盾構管片封頂塊托架的支撐作用下，封頂塊管片瞬時所承受的外側水土向下的重力被抵消[11]。此時第三環管片已拼裝完成，處于盾構機千斤頂頂接受力狀態，因此臨近環管片給第一環管片封頂塊的側向壓力增大，足以抵消外側水土向下的重力[12]，即第一環封頂塊管片處于受力平衡狀態，可以將其管片封頂塊托架卸載，步驟如下:反向旋轉左絲杠，使左弧形頂塊與第一環封頂塊管片脫離；反向旋轉右絲杠，使右弧形頂塊與第一環封頂塊管片脫離；將管片封頂塊托架左固定吊桿從左鄰接塊管片螺栓連接孔中卸掉，將管片封頂塊托架右固定吊桿從右鄰接塊管片螺栓連接孔中卸掉，完成管片封頂塊托架拆卸工作(見圖7)。

圖7 管片封頂塊托架拆卸示意圖

5.6 安裝第二環管片封頂塊托架

將由管片封頂塊托架左固定吊桿、管片封頂塊托架橫梁和管片封頂塊托架右固定吊桿組成的管片封頂塊托架安裝到第二環左鄰接塊管片的螺栓連接孔和第二環右鄰接塊管片的螺栓連接孔中。正向旋轉左絲杠，使左弧形頂塊的弧形頂面頂接在第二環封頂塊管片上使其與第一環左鄰接塊管片內弧面一致；正向旋轉右絲杠，使右弧形頂塊的弧形頂面頂接在第二環封頂塊管片上使其與第一環右鄰接塊管片內弧面一致。

5.7 盾構掘進第四環，按常規工藝完成第四環管片拼裝

同5.4盾構隧道第三環掘進及管片拼裝的方法完成盾構隧道第四環掘進及管片拼裝。

5.8 卸下第二環的管片封頂塊托架

同5.5卸下第一環的管片封頂塊托架的方法卸下第二環的管片封頂塊托架。

5.9 安裝第三環管片封頂塊托架

同5.6安裝第二環管片封頂塊托架的方法安裝第三環管片封頂塊托架。

5.10 往復作業

重復第5.7到第5.9步驟，完成后續各環管片的拼裝。

6 結束語

該施工技術于2015年3月-2016年2月成功應用于上海軌道交通9號線三期(東延伸)12標盾構隧道工程施工。本工法解決了城市地鐵盾構隧道施工管片碎裂問題，提高了隧道施工質量。施工成本極其低廉，幾乎可忽略不計，又避免了后續高昂的管片修補費用和漏水點堵漏費用。保證了隧道百年工程的使用壽命，又豐富了現有國內盾構施工技術，具有很強的實用性和推廣應用價值，社會效益及經濟效益顯著。