小曲线半径盾构法施工管片错台和破损控制措施技术总结--中国期刊网

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小曲线半径盾构法施工管片错台和破损控制措施技术总结

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：林超群

[导读] 摘要：本文主要以南宁地铁3号线埌西站-青竹立交站区间300m转弯半径为例，分析和总结盾构掘进小半径区间段如何控制管片错台和破损，希望对今后的类似施工有帮助。

        南宁市轨道交通3号线土建施工监理04标南宁 530021
        摘要：本文主要以南宁地铁3号线埌西站-青竹立交站区间300m转弯半径为例，分析和总结盾构掘进小半径区间段如何控制管片错台和破损，希望对今后的类似施工有帮助。
        关键词：土压盾构；小曲线半径；管片错台和破损；防控措施
        1工程概况
        1.1工程概况
        埌西站-青竹立交站区间（简称埌青区间）线路自埌西站大里程端驶入后沿金湖路向西南方向行至锦春路口，开始以300m半径转弯，穿过大英雄与猪肚鸡楼、广西水产畜牧学校运动场、竹排冲，然后驶入青竹立交站的小里程。区间左线设计里程为ZDK18+361.701～ZDK19+153.994，短链26.053m，长度为766.240m；区间右线设计里程为YDK18+361.701～YDK19+153.991，长度为792.290m；区间总长度为1558.530m。区间线路由一段直线和两段曲线构成，左线曲线半径分别为R700m、R300m，线路最大坡度为23.381‰，线间距14.0～17.2m，隧道埋深7.1m～17.6m。右线曲线半径分别为R700m、R310m，线路最大坡度为20.944‰，线间距14.0～17.2m，隧道埋深7.1m～17.6m。本区间盾构由青竹立交站小里程端头始发至埌西站大里程端头。
        埌青区间左线采用海瑞克（S540）土压盾构机进行掘进，右线采用中铁装备（134）土压盾构机进行掘进，本文主要对区间左线如何有效控制管片错台和破损技术措施进行总结。
        1.2工程地质
        根据勘察报告和设计图纸，本区间穿越区域以粉质粘土②4-2、粉土③1、粉土③2、粉细砂④1-2、圆砾⑤1-1地层为主。具体地层情况见下图。

        图1 埌西站-青竹立交站区间地质剖面图

        图2 埌西站-青竹立交站区间各地层占比
        1.3工程水文地质
        根据钻探揭露，本区间有两层地下水：第一层地下水位上层滞水，第二层地下水位第四系松散岩类孔隙水。第一层地下水主要赋存于人工填土层和浅部粉土、砂土层中，沿线均有分布，分布不均匀、水位不连续、高低变化大，七主要接受大气降水、农田灌溉和自来水、雨水、污水等地下管线的垂直渗漏不给，排泄方式为大气蒸发及下渗。第二层地下水主要赋存于砂层和卵砾石层中，主要含水层为砾石层，水量丰富，属于承压水，其主要来源于大气降水和地表水补给。
        初见水位主要是人工填土层和浅部粉土、砂土层中上层滞水，稳定水位主要由松散岩类孔隙水位确定，埋深5.1~11.6m。具有承压性，承压水头约4~9m。
        2管片破损和错台原因分析
        1）本项目埌青区间平面最小曲线半径为300m，曲线长464m，线路最大坡度为23.381‰，曲线中盾构主要穿越地层为粉细砂④1-2和圆砾⑤1-1。在软弱地层中，盾构机姿态变化较大，在转弯掘进时推进千斤顶撑靴与管片之间会产生一个微小的侧向滑移趋势，导致管片边角受力过大而产生裂纹或崩裂。加上在富水性圆砾地层中，管片脱出盾尾后上浮量能达到50mm，容易造成管片错台和破损。
        2）在小半径曲线掘进时盾构机对曲线外侧地层为挤压力，掘进推力的反作用力会使隧道向曲线外侧偏移。另外，在掘进过程中，管片与地层间空隙与同步注浆的浆液难以达到完全填充，如果存在空隙或同步注浆浆液早期强度不够的现象，则管片在侧向压力作用下将向弧线外侧发生偏移，进而导致管片出现错台和破损。
        3）在小半径曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与小曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏，在频繁的纠偏过程容易造成纠偏量过大，进而导致盾尾与管片之间卡壳、管片受挤破损和错台。
        4）管片选型和管片拼装直接影响成型管片的质量，在软弱地层和小半径曲线施工中，盾构机姿态容易出现偏移和栽头现象。在盾构姿态不佳的情况下，若盾构队操作手对管片选型不严谨，“急纠”或“猛纠”则会导致管片错台和破损。在管片拼装环节，管片拼装手操作熟练程度及责任心直接影响管片拼装成型的质量。在管片拼装到最后一块时因预留准确的空间，会导致K块受挤错台和破损。同时，管片拼装前盾尾杂物和管片螺栓孔未清理干净、管片拼装后未及时复紧等不规范的拼装作业，都是导致管片错台和破损不可忽视的直接因素。
        3管片破损和错台控制技术措施
        3.1掘进速度控制措施
        盾构在小半径曲线掘进中，为避免推力过大而引起的侧向压力增大导致管片破损，掘进速度控制在20-30mm/min。在转弯时采取多行程多循环的方式进行掘进，为避免千斤顶推进造成管片破损，在1.2m管片推进至400mm和800mm时分组点动收油缸后再顶上，使得千斤顶对管片的应力得以释放。
        3.2同步注浆控制措施
        在小半径曲线盾构掘进中，同步注浆浆液的凝固时间、同步注浆的压力和注浆量的控制，是确保成型隧道管片稳定的关键。根据本项目施工总结得出，在埋深范围为15~17m的小半径曲线隧道，主要地层为富水性地层圆砾⑤1-1的工况下，同步注浆压力控制在2.7~3.5bar，同步注浆量控制在4.5~5m³（1.2m管片），同步注浆浆液配比具体如下表：

        施工过程中做好同步注浆压力和注浆量双指标控制，确保每环注浆量满足要求。同时，防止管片上浮趋势过大，在掘进过程中适当加大2点和10点位同步注浆孔砂浆的注入量。
        3.3二次注浆控制措施盾构在小半径区间正常掘进阶段同步注浆的同时，为避免管片在侧向压力作用下将向弧线外侧发生偏移，进而导致管片出现错台和破损，在管片脱出盾尾后3-4环两侧和上部点位交替注入适量水玻璃浆液，促使同步注浆浆液及早凝固以稳定管片，并在管片脱出盾尾6-7环后及时进行二次注浆（双液浆）进一步稳定管片，二次注浆应遵循“少量、多次”的原则，注浆压力不大于0.5MPa，二次注浆浆液配比为：水泥：水=1：1，水：水玻璃=1：3，水泥浆：水和水玻璃混合液=1：1，浆液初凝时间为55秒。未避免在管片脱出盾尾后受后备套台车影响而无法进行二次注浆钻孔，可以在管片刚完成拼装时预先对二次注浆进行开孔，开孔后需安装好注浆球阀。
        3.4管片螺栓复紧控制措施
        在小半径曲线掘进中，盾构掘进推力的反作用力会使隧道向曲线外侧偏移，为确保脱出盾尾管片纵向的刚度，管片螺栓复紧是必不可少的工序，也是增强管片纵向刚度最直接有效的办法。管片螺栓分三次复紧，即管片拼装时第一次复紧，下一环推进时第二次复紧，管片脱出盾尾后第三次复紧，克服掉部分作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少成环隧道浮动，防止管片错台和破损。
        3.5盾构掘进时走向预偏控制措施
        尽管在掘进过程中采取了同步注浆早强、二次注浆稳固以及管片螺栓复紧的措施，但是在盾构掘进巨大的推力下，小半径曲线上成型隧道管片仍会向曲线外侧偏移，所以为了确保成型隧道轴线最终偏差控制在规范要求范围内，盾构掘进时应根据不同的地层情况考虑给隧道预留一定的偏移量，根据本项目施工情况总结，在以圆砾⑤1-1地层为主的300m小半径右转弯曲线掘进过程中预留偏移量为+20~+30mm为最佳。
        3.6盾构掘进纠偏控制措施
        盾构在300小半径右转弯曲线掘进过程中，每一环都在不断的纠偏。在此类情况下则要勤测量、勤纠偏、小纠偏。当盾构机水平姿态超过-30mm时，则必须及时进行纠偏，否则成型隧道难以保证规范要求的轴线偏差50mm内。盾构掘进过程中可以通过调整各区域千斤顶油压和行程差来进行纠偏，在纠偏时为确保盾尾间隙满足要求，每环纠偏量不宜大于4mm。同时，在掘进过程中至少测量2次盾尾间隙，海瑞克S540盾构机盾尾间隙设计为单侧75mm（包含40mm加强环，实际35mm），但实际盾尾间隙由于失圆远小于设计值，根据本区间施工经验，海瑞克S540盾尾间隙临界参数为49mm，在掘进中发现盾尾间隙临近49mm时，则在确保盾构姿态满足要求的情况下可以通过调整各区域千斤顶行程差来调整盾尾间隙。在纠偏过程盾构铰接行程控制在70~100mm。
        3.7管片选型控制措施
        为满足小曲率转弯施工要求，本区间小半径曲线上管片设计为1.2m宽管片，单环最大楔形量为41mm。管片选型根据盾构姿态、千斤顶行程、盾尾间隙预期盾构姿态综合考虑。管片选型的原则为确保管片的走向符合线路走向，且拼装后的管片满足盾尾间隙的最低要求。为充分利用管片楔形量，正常情况下一般选用靠转弯半径内侧的点位进行拼装，这样可以平衡推进千斤顶行程与盾构姿态的矛盾，减少纠偏量。
        3.8管片拼装控制措施
        管片拼装前需讲盾尾杂物清理干净，确保管片与盾尾间无大块杂物，管片连接螺栓孔无杂物，管片软木衬垫传力无阻碍。当管片拼装第5片的过程中，做好剩余空间内外弧大小的测量，确保K块拼装空间，否则极易导致K块受挤错台和破损。在管片拼装模式下千斤顶油缸压力设置不得大于50bar，避免顶破管片。管片在盾尾内拼装完成后应检查管片间隙、管片错台情况，务必使管片错台量小于规范要求的环向6mm、纵向5mm的要求，在此基础上管片脱出盾尾时才能保证错台量小于规范要求的环向15mm、纵向10mm。
        3.9测量控制措施
        盾构在小半径曲线掘进中，除了做好每环管片与盾尾间隙的测量外，还需做好管姿态人工测量、导向系统测量移站和控制点人工复测。因本区间转弯半径较小，测站间距离较小，测量移站频率高。在频繁的测量移站中，必须做好控制点人工复测才能保证测量的准确度。管片姿态人工测量是检验成型隧道是否满足规范要求，同时通过人工复测管片姿态可以得出管片脱出盾尾后的上浮偏移量，能够为下一步掘进姿态预偏提供可靠的数据。
        4小结
        随着各大城市轨道交通和地下综合管廊网络密度进一步的发展，受周边环境条件的限制以及线路规格经济性的要求，必然会有越来多的小半径曲线盾构施工。本区间右线在总结了左线推进的施工经验，制定了以上相应措施，在右线R=310m小半径曲线转弯施工时取得了良好效果，管片总体错台和破损量大幅度下降，工程质量得到了大幅提高。
        参考文献：
        [1]《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）
        [2]《城市轨道交通工程测量规范》（GB50308-2008）
        [3]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003版）