東莊站—會展中心站區(qū)間盾構(gòu)管片拼裝技術(shù)

肖 昱，董延昭，劉 峰，崔衛(wèi)龍

(1.石家莊市軌道交通集團有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000； 2.中鐵建華北投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

自1841年英國泰晤士河水底隧道首次采用盾構(gòu)法修建以來，盾構(gòu)法迄今已有180 a歷史。我國1963年于浦東塘橋采用盾構(gòu)法試挖了直徑4.2 m的隧道[1]，由于盾構(gòu)掘進(jìn)隧道機械化和自動化程度高[2]、有利于減小工程建設(shè)對城市交通影響[3-5]，已成為修建城市軌道交通的首選工法[6]。張文萃[7]、宋瑞恒[8]、劉鳳華[9]、高春香[10]等針對盾構(gòu)管片排版、糾偏及擬合進(jìn)行了研究，擬合隧道線路良好。

石家莊地鐵1號線東莊站—會展中心站區(qū)間工程采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工[11]，并結(jié)合工程實際對管片拼裝技術(shù)進(jìn)行研究。研究內(nèi)容包括：管片類型選擇、拼裝位置確定、管片類型及拼裝位置預(yù)測、管片直楔環(huán)配合比、拼裝施工的技術(shù)要點和質(zhì)量要求。

1 工程概況

東莊站—會展中心站區(qū)間里程為K26+750.820～K30+186.000，線路長度3 435.180 m，覆土厚度為9.54 m～23.4 m，線路平面設(shè)計曲線半徑依次為550 m，800 m，1 200 m和400 m，坡度呈“W”型。管片外徑(D)為6 000 mm，厚度300 mm，內(nèi)徑5 400 mm，環(huán)寬(L)為1 200 mm。襯砌管片分為6塊：3塊標(biāo)準(zhǔn)管片、2塊鄰接管片及1塊封頂塊。每環(huán)設(shè)縱向連接螺栓16根，沿隧道圓周均勻布置；環(huán)向連接螺栓12根；共28根弧形螺栓。盾尾脫出后，土層與隧道結(jié)構(gòu)之間的間隙采用同步注漿進(jìn)行充填，這種注漿方式能夠及時填充施工間隙，保證注漿效果，減小地表沉降，減少管片脫離盾尾后的位移，增強隧道結(jié)構(gòu)的防水性能。管片襯砌環(huán)采用錯縫拼裝方式，管片拼裝由隧道中心線和過隧道圓心的水平線定位。管片安裝順序為A型管片、B型管片和C型管片。左、右楔形環(huán)的楔形量為48 mm，楔形角為0.46°(0.008 rad)。其中圖1為管片拼裝展開圖，圖2為管片拼裝圖。

2 管片類型選擇原則

2.1 管片選型原則

管片拼裝以順盾尾行進(jìn)，考慮預(yù)拼裝系統(tǒng)和人工管片點位選擇相結(jié)合，在拼裝前確定管片選擇角度，基于固定封頂塊的位置出發(fā)，以管片姿態(tài)、盾構(gòu)姿態(tài)、隧道軸線三者相對關(guān)系為主要考慮因素，結(jié)合各千斤頂行程差、管片迎土面與盾尾內(nèi)壁間隙、各項楔形量、錯縫拼裝、后配套臺車軌道定位銷孔及糾偏趨勢分析合理選擇。直線段盡量減少楔形環(huán)使用，“勤糾偏、緩糾偏、小糾偏”，確保成型隧道軸線近乎完全與設(shè)計軸線擬合；曲線段配合管片選型，合理直楔環(huán)配比，嚴(yán)格控制超挖，完成曲線段隧道的擬合。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)及方向控制如圖3所示。

2.2 管片選型依據(jù)

管片拼裝依據(jù)主要包括盾構(gòu)刀盤千斤頂與鉸接千斤頂行程差、管片拼裝前后管片迎土面與盾殼內(nèi)壁間隙2個方面綜合分析所得。

盾構(gòu)刀盤千斤頂與鉸接千斤頂行程差：針對盾構(gòu)機鉸接類型差異，基本原則為拼裝管片與盾尾構(gòu)造方向努力達(dá)到統(tǒng)一；主動型鉸接，管片拼裝后兩個千斤頂最佳行程差為0；被動型鉸接，管片拼裝后刀盤千斤頂行程差約等于鉸接千斤頂行程差。東莊站—會展中心站區(qū)間盾構(gòu)為被動型，鉸接千斤頂?shù)拈L度在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中跟隨前盾、中盾擺動，千斤頂伸縮值控制受限，最終鉸接千斤頂行程差變化量不能直接測量。通過在其他工程的總結(jié)資料分析，單個鉸接千斤頂?shù)纳炜s變化幅度為±5 mm，因而左右、上下鉸接千斤頂行程差為小于±10 mm。

管片拼裝前后管片迎土面與盾殼內(nèi)壁間隙：盾構(gòu)機設(shè)有3道盾尾密封刷，防止水土及漿液進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)部，掘進(jìn)時盾尾密封補注油脂，確保密封。若盾尾間隙過小，管片脫出盾尾時可能出現(xiàn)變形，影響成型隧道質(zhì)量；同時，盾尾間隙過小也將直接損壞盾尾密封刷，故管片選擇時須確保各方向盾尾間隙均大于20 mm。

3 管片類型選擇及拼裝位置確定

3.1 管片類型及管片拼裝位置

在東莊站—會展中心站區(qū)間工程中管片的型式分標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和左、右楔形環(huán)3種。施作時，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)有5種拼裝位置，采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)對管片軸線未見明顯影響。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的拼裝位置如圖4所示(加黑處為楔形塊位置，S16點位需偏移22.5°方可)。

左、右楔形環(huán)5種拼裝位置對管片走向及盾尾間隙影響見圖5(H為垂直變化量，V為水平變化量，箭頭所示方向為管片偏轉(zhuǎn)方向)。

3.2 拼裝位置選擇

拼裝位置的選擇應(yīng)確保錯縫拼裝，全面分析管片類型并預(yù)測下環(huán)管片情況。為保證錯縫拼裝，依據(jù)當(dāng)前環(huán)管片參照表1選擇。

表1 下一環(huán)管片可選位置表

3.3 管片平面及盾尾間隙變化預(yù)測

當(dāng)前環(huán)掘進(jìn)行程完成時，管片平面與盾尾間隙相對固定。當(dāng)管片拼裝施工完成后管片平面相對盾尾的位置將出現(xiàn)一定量變化，其變化見式(1)：

Δh=δ垂直/5

(1)

C上=C上′+Δh。

C下=C下′-Δh。

其中，C上,C下分別為當(dāng)前環(huán)盾尾處各上、下兩點的盾尾間隙；C上′，C下′分別為前一環(huán)盾尾處各上、下兩點的盾尾間隙；Δh為因管片走向發(fā)生的垂直或水平方向盾尾間隙變化量(應(yīng)小于20 mm,如圖6所示)。

預(yù)測計算結(jié)果須滿足管片選型依據(jù)，否則須重新選擇。

4 管片類型選擇預(yù)測

在東莊站—會展中心站區(qū)間工程中，選用的盾構(gòu)掘進(jìn)管理自動導(dǎo)向系統(tǒng)(VMT)具備管片預(yù)測功能，專設(shè)管片選型的軟件(Ring selection Software)完成下一環(huán)掘進(jìn)，施工過程中需人工計算復(fù)核確定管片類型及管片拼裝位置。管片類型選擇預(yù)測主要采用前述選型依據(jù)、錯縫拼裝原則、盾尾間隙的計算方法，完成預(yù)測下一環(huán)管片的類型及拼裝位置。盾構(gòu)掘進(jìn)方向不變時，盾構(gòu)機操作手使用軟件能自動根據(jù)千斤頂行程、盾尾間隙和已裝管片的類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)測出未來若干環(huán)(3環(huán)～5環(huán))的管片類型。

4.1 用計算機程序?qū)崿F(xiàn)管片預(yù)測

采用計算機實現(xiàn)管片預(yù)測與人工選擇管片的相互結(jié)合，綜合考慮施工誤差、偏差和盾構(gòu)機功能限制進(jìn)行管片排列。預(yù)先輸入管片參數(shù)、螺栓類型及數(shù)量、隧道起終點里程、平曲線要素、縱曲線要素，選擇錯縫拼裝，每環(huán)拼裝結(jié)束以后程序據(jù)推進(jìn)千斤頂伸長量、鉸接千斤頂伸長量等姿態(tài)參數(shù)經(jīng)計算、調(diào)整、修正，將提示盾構(gòu)機下一環(huán)的管片類型與封頂塊拼裝位置。操作人員人工計算復(fù)核，與計算機預(yù)測結(jié)果比較。若差異較大，系統(tǒng)會提示是否正確。

4.2 需提供的逐環(huán)基本數(shù)據(jù)

刀盤千斤頂參數(shù)：L上，L下，L左，L右；

鉸接千斤頂參數(shù)：A上，A下，A左，A右；

盾尾間隙：C上，C下，C左，C右。

程序計算出的管片見式(2)：

H=(L右-L左)+(A右-A左)
V=(L上-L下)+(A下-A上)

(2)

刀盤千斤頂?shù)纳扉L值與鉸接千斤頂?shù)纳扉L值可由PLC程序直接顯示或人工修正。

4.3 具體采用管片的選擇

對程序的要求必須執(zhí)行表1有關(guān)點位指標(biāo)。

在H>70 mm或V>70 mm或H<-70 mm或V<-70 mm或盾尾間隙小于30 mm時程序顯示“如何處理”。在管片選擇時，以滿足盾尾間隙指標(biāo)作為優(yōu)先條件進(jìn)行確定。當(dāng)盾尾間隙小于20 mm時，以拼裝管片時調(diào)整盾尾間隙指標(biāo)作為優(yōu)先條件進(jìn)行確定，相關(guān)點位確定見表2。在盾尾間隙滿足條件時，以管片平面值指標(biāo)為條件匹配管片類型及封頂塊位置如表3所示。

表2 盾尾間隙小于20 mm時拼裝點位 mm

表3 盾尾間隙滿足條件時拼裝點位 mm

5 直、曲線隧道擬合

5.1 直、楔環(huán)比計算

1)直線段直、楔環(huán)比計算。

初始條件有利工況下可采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片直接拼裝完成，實際掘進(jìn)可能因施工誤差、結(jié)構(gòu)變形、隧道隆沉、測量偏差等條件限制未精確擬合隧道軸線，加之掘進(jìn)不可避免會產(chǎn)生少量偏轉(zhuǎn)，實際掘進(jìn)時可選用“標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左、右楔形環(huán)”型式管片拼裝實現(xiàn)糾偏。

東莊站—會展中心站區(qū)間統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示直線段直、楔環(huán)比約10∶1。正常掘進(jìn)直線段施工優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，其拼裝效率明顯高于楔形環(huán)。

2)曲線段直、楔環(huán)配合比計算。

曲線段施工中，為達(dá)到擬合設(shè)計軸線的目的，須選用楔形環(huán)管片，楔形環(huán)管片用量計算見圖7,式(3)：

L為管片寬度，R為設(shè)計曲線半徑，δ為每環(huán)管片的楔形量。

β1=β2≈arctan(L/R)
α=β1+β2=2β1
δ=tanα=tan2β1

(3)

5.2 直線段隧道軸線擬合

直線段施工，隧道軸線用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)拼裝，加上少量楔形管片配合糾偏進(jìn)行隧道軸線擬合。

特殊情況下，利用左、右楔形環(huán)修正拼裝，抵消偏轉(zhuǎn)量擬合實現(xiàn)直線段隧道施工。施作尚應(yīng)關(guān)注盾尾間隙，精確計算盾尾間隙的變化量。

5.3 曲線段隧道軸線擬合

曲線段隧道軸線擬合施工，必須嚴(yán)格按照直楔形管片配合比計算指導(dǎo)施作，進(jìn)一步監(jiān)控盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙變化、超挖方向、超挖量，封頂塊的位置偏離正上方22.5°，在曲線模擬和施工糾偏時標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、楔形環(huán)封頂塊可依需要偏離正上方22.5°的整數(shù)倍角度，但不宜大于90°，確保管片拼裝精度。

以R=400 m的左轉(zhuǎn)曲線為例：取1.5 m小段計算，外圈邊長L1，內(nèi)圈邊長L2，偏差22.5 mm。

由于管片錯縫拼裝，無法保證每環(huán)管片的糾偏量均為22.5 mm，則需將線路微分，以小段為單位(不超過5環(huán))，通過管片的不同點位組合，保證平均糾偏量為22.5 mm每環(huán)即可。可確定選用S2，4，12，14，16管片組合，消除垂直方向的糾偏，計算水平糾偏為24.1 mm/環(huán)，與22.5 mm相近，已經(jīng)較好適應(yīng)400 m的曲線半徑，基本消除因曲線糾偏問題造成的管片錯臺。

6 管片拼裝技術(shù)要點及質(zhì)量控制

1)在掘進(jìn)前正確的對下一環(huán)管片進(jìn)行預(yù)測，嚴(yán)格按照“先縱后環(huán)[12]”拼裝順序錯縫拼裝，由下而上，左右對稱，按標(biāo)準(zhǔn)塊→鄰接塊→封頂塊的順序進(jìn)行。拼裝封頂塊時，只縮回拼裝管片部分的刀盤千斤頂，其他千斤頂則軸對稱保持支撐或升壓，封頂塊與鄰接塊先行搭接2/3徑向上推，縱向插入成環(huán)。2)盾構(gòu)機掘進(jìn)施工直接影響盾構(gòu)機的軸線及管片拼裝型式和管片拼裝位置，掘進(jìn)中嚴(yán)格“勤糾偏，小糾偏”，保證糾偏幅度在合理范圍。管片實時拼裝可根據(jù)施工實際進(jìn)程對管片排版選型的計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整修正[13]。3)嚴(yán)禁封頂塊拼裝到隧道軸線以下。4)在拼裝過程中管片定位要正確，保持已成環(huán)管片環(huán)面及拼裝管片各面的清潔[14]。5)管片拼裝應(yīng)采取管片、防水及密封保護(hù)措施，管片不得有內(nèi)外貫穿裂縫和寬度大于0.2 mm的裂縫及混凝土剝落現(xiàn)象。6)管片拼裝過程中，應(yīng)根據(jù)拼裝順序分組回縮千斤頂，盾構(gòu)機土倉內(nèi)應(yīng)保壓。管片拼裝成環(huán)時，應(yīng)檢查襯砌環(huán)橢圓度和錯臺情況。連接螺栓應(yīng)先逐片對稱初步擰緊，脫出盾尾后應(yīng)及時復(fù)緊管片螺栓[15]。7)曲線段管片的拼裝依靠設(shè)置楔形管片使管片環(huán)軸線形成曲線，對后續(xù)管片拼裝進(jìn)行糾偏計算，并符合設(shè)計的曲率半徑要求。

7 結(jié)論及建議

1)東莊站—會展中心站區(qū)間隧道已施工完成，SLS-T自動導(dǎo)向系統(tǒng)及管片預(yù)測軟件在管片拼裝技術(shù)設(shè)計了管片拼裝方案，重點加強了管片拼裝擬合隧道設(shè)計軸線、適應(yīng)盾構(gòu)姿態(tài)要求、適應(yīng)千斤頂行程等關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)測監(jiān)控，確保了盾構(gòu)掘進(jìn)及管片拼裝的質(zhì)量。

2)研究提出了合理的管片軸線擬合、拼裝順序，完善了施工工藝，有利于實現(xiàn)設(shè)計與施工的實時動態(tài)互動和反饋，初步形成了管片拼裝技術(shù)體系，后續(xù)可指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。