東莊站—會展中心站區(qū)間盾構管片拼裝技術

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法修建以來，盾構法迄今已有180 a歷史。我國1963年于浦東塘橋采用盾構法試挖了直徑4.2 m的隧道[1]，由于盾構掘進隧道機械化和自動化程度高[2]、有利于減小工程建設對城市交通影響[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]等針對盾構管片排版、糾偏及擬合進行了研究，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)間工程采用盾構法進行隧道施工[11]，并結合工程實際對管片拼裝技術進行研究。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測、管片直楔環(huán)配合比、拼裝施工的技術要點和質(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塊標準管片、2塊鄰接管片及1塊封頂塊。每環(huán)設縱向連接螺栓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，土層與隧道結構之間的間隙采用同步注漿進行充填，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，增強隧道結構的防水性能。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，考慮預拼裝系統(tǒng)和人工管片點位選擇相結合，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)、盾構姿態(tài)、隧道軸線三者相對關系為主要考慮因素，結合各千斤頂行程差、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計軸線擬合；曲線段配合管片選型，合理直楔環(huán)配比，嚴格控制超挖，完成曲線段隧道的擬合。盾構隧道掘進及方向控制如圖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。

盾構刀盤千斤頂與鉸接千斤頂行程差：針對盾構機鉸接類型差異，基本原則為拼裝管片與盾尾構造方向努力達到統(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)間盾構為被動型，鉸接千斤頂?shù)拈L度在盾構掘進過程中跟隨前盾、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：盾構機設有3道盾尾密封刷，防止水土及漿液進入盾構內(nèi)部，掘進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準環(huán)和左、右楔形環(huán)3種。施作時，標準環(huán)有5種拼裝位置，采用標準環(huán)對管片軸線未見明顯影響。標準環(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

拼裝位置的選擇應確保錯縫拼裝，全面分析管片類型并預測下環(huán)管片情況。為保證錯縫拼裝，依據(jù)當前環(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測

當前環(huán)掘進行程完成時，管片平面與盾尾間隙相對固定。當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(應小于20 mm,如圖6所示)。

預測計算結果須滿足管片選型依據(jù)，否則須重新選擇。

4 管片類型選擇預測

在東莊站—會展中心站區(qū)間工程中，選用的盾構掘進管理自動導向系統(tǒng)(VMT)具備管片預測功能，專設管片選型的軟件(Ring selection Software)完成下一環(huán)掘進，施工過程中需人工計算復核確定管片類型及管片拼裝位置。管片類型選擇預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，完成預測下一環(huán)管片的類型及拼裝位置。盾構掘進方向不變時，盾構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數(shù)據(jù)預測出未來若干環(huán)(3環(huán)～5環(huán))的管片類型。

4.1 用計算機程序?qū)崿F(xiàn)管片預測

采用計算機實現(xiàn)管片預測與人工選擇管片的相互結合，綜合考慮施工誤差、偏差和盾構機功能限制進行管片排列。預先輸入管片參數(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)拼裝結束以后程序據(jù)推進千斤頂伸長量、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核，與計算機預測結果比較。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有關點位指標。

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作為優(yōu)先條件進行確定。當盾尾間隙小于20 mm時，以拼裝管片時調(diào)整盾尾間隙指標作為優(yōu)先條件進行確定，相關點位確定見表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準環(huán)管片直接拼裝完成，實際掘進可能因施工誤差、結構變形、隧道隆沉、測量偏差等條件限制未精確擬合隧道軸線，加之掘進不可避免會產(chǎn)生少量偏轉(zhuǎn)，實際掘進時可選用“標準環(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。正常掘進直線段施工優(yōu)選標準環(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，為達到擬合設計軸線的目的，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，隧道軸線用標準環(huán)拼裝，加上少量楔形管片配合糾偏進行隧道軸線擬合。

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。施作尚應關注盾尾間隙，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，必須嚴格按照直楔形管片配合比計算指導施作，進一步監(jiān)控盾構姿態(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準環(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?？纱_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 管片拼裝技術要點及質(zhì)量控制

1)在掘進前正確的對下一環(huán)管片進行預測，嚴格按照“先縱后環(huán)[12]”拼裝順序錯縫拼裝，由下而上，左右對稱，按標準塊→鄰接塊→封頂塊的順序進行。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)盾構機掘進施工直接影響盾構機的軸線及管片拼裝型式和管片拼裝位置，掘進中嚴格“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)施工實際進程對管片排版選型的計算結果進行調(diào)整修正[13]。3)嚴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)管片拼裝應采取管片、防水及密封保護措施，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，應根據(jù)拼裝順序分組回縮千斤頂，盾構機土倉內(nèi)應保壓。管片拼裝成環(huán)時，應檢查襯砌環(huán)橢圓度和錯臺情況。連接螺栓應先逐片對稱初步擰緊，脫出盾尾后應及時復緊管片螺栓[15]。7)曲線段管片的拼裝依靠設置楔形管片使管片環(huán)軸線形成曲線，對后續(xù)管片拼裝進行糾偏計算，并符合設計的曲率半徑要求。

7 結論及建議

1)東莊站—會展中心站區(qū)間隧道已施工完成，SLS-T自動導向系統(tǒng)及管片預測軟件在管片拼裝技術設計了管片拼裝方案，重點加強了管片拼裝擬合隧道設計軸線、適應盾構姿態(tài)要求、適應千斤頂行程等關鍵指標預測監(jiān)控，確保了盾構掘進及管片拼裝的質(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體系，后續(xù)可指導盾構掘進施工。