盾构管片模拟拼装技术.pdf

第3 3 卷第7 期 2 0 1 3 年7 月 彪莲。莲霞 t u n n e lc o n s t r u c t i o n v 0 1 3 3 n o 7 j u l y2 0 1 3 盾构管片模拟拼装技术 肖红军，杨红军 ( 中铁隧道股份有限公司，河南郑州4 5 0 0 0 3 ) 摘要：为了研究盾构管片在施工和使用过程中的受力情况以及验证管片设计是否合理，制作是否合格，对管片在地面进行l ：1 模拟 拼装试验，研究了模拟拼装方案及技术要点、外部和内部支撑钢结构及管片的拼装，并对模拟拼装过程中出现的问题进行分析总 结，比较真实地体现了盾构管片在洞内的拼装过程。 关键词：盾构；管片；模拟拼装 d o i ：1 0 3 9 7 3 j i s s n 1 6 7 2 7 4 1 x 2 0 1 3 0 7 0 1 3 中图分类号：u4 5 5文献标志码：b文章编号：1 6 7 2 7 4 1 x ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 6 0 2 0 5 t e c h n o l o g yf o rs i m u l a t e ds e g m e n ta s s e m b l y x i a oh o n g j u n ，y a n gh o n g j u n ( c h i n ar a i l w a yt u n n e ls t o c kc o ，l t d ，z h e n g z h o u4 5 0 0 0 3 ，h e n a n ，c h i n a ) a b s t r a c t ：f u l l s c a l es e g m e n ta s s e m b l ys i m u l a t i o ni sm a d ei no r d e rt os t u d yt h el o a d i n gc o n d i t i o n so fs e g m e n t si nt h e c o n s t r u c t i o na n ds e r v i c es t a g e s ，a n dt os t u d yw h e t h e rt h ed e s i g no ft h es e g m e n t si sr a t i o n a la n dw h e t h e rt h ef a b r i c a t i o no f t h es e g m e n t si sq u a l i f i e d t h ep r o g r a ma n dk e yt e c h n i c a lp o i n t so ft h es e g m e n ta s s e m b l ys i m u l a t i o n ，t h ei n t e r n a la n de x t e r n a ls u p p o r ta n dt h es e g m e n ta s s e m b l ya y es t u d i e da n dt h ep r o b l e m si nt h es e g m e n ta s s e m b l ys i m u l a t i o na r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nc a nr e f l e c tt h et r u ec o n d i t i o n so ft h es e g m e n ta s s e m b l yi nt h es i t e k e yw o r d s ：s h i e l d ；s e g m e n t ；a s s e m b l ys i m u l a t i o n o 引言 管片作为盾构隧道的临时衬砌或永久衬砌，是盾 构工程质量控制的重点之一。目前国内外对管片的研 究主要为管片在盾构隧道内的拼装技术、管片受力分 析、管片数字模拟拼装等方面。文献 1 3 主要对管 片的拼装技术，如大型管片拼装方法、拼装精度控制、 拼装顺序优化、掘进姿态影响等进行了较系统的总结。 文献 4 5 介绍了南水北调穿黄隧洞采用钢筋混凝 土管片作为隧道的衬砌形式，在盾构法施工中能够较 好地控制隧道掘进轴线和管片成环质量。文献 6 总 结了北京地下直径线工程大直径盾构管片拼装技术， 初步分析了大直径盾构钢筋混凝土管片施工过程中的 表观破损原因，并对破损管片修补技术进行探讨，提出 了对拱腰以上、拱腰以下部位管片修补的方法。文献 7 通过建立环、纵向接头不连续性的三维盾构隧道 有限元模型，采用注浆压力、千斤顶推力以及拼装方式 对管片力学性能进行研究。文献 8 介绍了c r e a t o r v e g ap r i m e 模拟管片拼装过程。文献 9 首次介绍了 矩形拼装式管片，为了验证矩形管片整体结构的刚度、 强度是否满足设计的要求，进行了盾构隧道管片1 ：1 三 环结构试验前后数值模拟试验。文献 1 0 介绍了一 套能够实现对管片拼装机操作者进行技能培训的虚拟 现实系统，深入探索了虚拟现实技术在管片拼装机上 的应用。文献 1 1 介绍了穿黄隧洞衬砌1 ：1 仿真模 型试验：先对三环内衬进行1 ：1 仿真地面模型试验， 再进行地下模型试验研究，模型埋于地下，并人工构造 与实际工程相同的埋深和水土条件，而以高位水箱按 设计水头对洞内充水加压，进行超载试验，但这种试验 无法真实地体现施工现场的情况。本文以南水北调黄 河隧道为例，通过盾构管片地面1 ：1 仿真模拟，研究盾 构管片拼装方案，并加工制造相应的设备，顺利完成了 2 段1 2 环盾构管片的地面模拟拼装，以期为后期试验 和现场施工做好基础。 1 工程概况 南水北调穿黄隧洞为大型盾构法水工隧洞，隧洞 采用双层衬砌结构，其中外衬为混凝土预制管片拼装 收稿1 3 期：2 0 1 2 1 0 2 5 ；修回日期：2 0 1 3 0 5 0 8 作者简介：肖红军( 1 9 8 0 一) ，男，重庆万州人，2 0 1 0 年毕业于河南城建学院土木工程专业，本科，工程师，长期从事地下工程、盾构施工技术管理工作。 万方数据 第7 期肖红军，等：盾构管片模拟拼装技术 成型，管片外径8 7m ，内径7 9m ，厚4 0c m ，环宽 1 6m ，每环由7 块组成；内衬为现浇预应力混凝土结 构，其结构型式设计复杂，施工难度高，同时其隧道的 受力情况与普通的地下工程的盾构隧道的受力有所不 同。为确保工程质量，真实反映盾构隧道施工过程中 管片拼装施工技术以及隧洞工作状态，通过盾构隧道 管片1 ：1 仿真试验，全面系统地掌握盾构管片拼装过 程、双层衬砌单独受力和变形情况，模拟隧洞内、外的 水土环境和受力条件，落实细部构造与设计，完善各工 序施工措施和施工工艺。目前国内的管片拼装基本上 都是地面水平三环拼装试验和管片隧道内盾构机掘进 拼装以及计算机模拟试验，为了完成本试验，本项目特 地在穿黄隧道附近的黄河北岸进行了此次模拟试验， 对盾构管片进行仿真模拟拼装。 2 管片仿真模拟拼装 2 1 模拟拼装总体方案 盾构管片模拟拼装的总体施工方法及施工流程 为：先施工两端的堵头、受力墙、基础等混凝土结构一 施工中间混凝土支撑梁一安装外部支撑结构一拼装最 底下2 块管片一安装内部支撑钢结构一安装剩余4 块 管片一用千斤顶推进封顶块一紧固连接螺栓一平移外 部支撑、内部支撑钢结构到第2 环处一依次安装剩余 管片。 2 2 拼装技术要求及基础施工 根据设计要求，在管片环内外架设支撑钢模板，在 2 个堵头段、4 根支撑大梁、连接段以及竖井段的设计 高度、强度达到设计要求后，进行管片拼装模拟试验。 纵向采用钢支撑以保证管片环与环之间的缝隙，每环 管片最后拼装k 块。第1 环k 块在拼装前进方向左 上半圆4 5 0 的位置，第2 环管片在拼装前进方向右上 半圆4 5 。的位置，依次类推，模拟拼装共2 个试验段， 每段拼装6 环。 由于在沙砾石上拼装管片，为便于底部管片定位， 需要在拼装管片的底部浇筑条形基础a 和b ，条形基 础a 和b 在管片环的同心圆半径上，比管片环外径大 3m m 。为便于管片环与环之间顶紧，减少摩擦，在条 形基础a 和b 顶面预埋小角钢，同时为了保证管片拼 装的圆度和支撑管片，须在管片环的内部和外部安装 支撑结构，内部支撑结构固定在已浇筑的支撑大梁上， 外部支撑结构固定在条形基础c 上，如图1 所示。 2 3 拼装外部支撑钢结构 在拼装管片的外侧架设落地满堂钢管支撑排架，步 距、纵距、横距均为0 5m ，搭设高度为2 7 4m ，单边搭 设宽度为2 8m ，长度为1 6m ，钢管支撑排架与管片拼 装完后空隙为1 0 0c m ，在空隙范围内安装丝杆，丝杆与 钢管支撑排架连接，在管片吊装就位后，利用丝杠调节 带动导轨顶紧管片，从而固定管片的相对位置。在纵向 每隔1 4m 设置1 道剪刀撑，撑杆与地面成4 5 。，排架底 部铺3c m 厚的木板，设置扫地杆，并在圆截面方向架设 2 3 道斜撑，以增强排架的整体稳定性。 l5 2 7 管片位置 ，- 一一 。 一 ，7 3堵；：段 、 一 ，7， 陡撑失梁 陟梨、 l j 哆 孪。 、叉b 梁 、疑撑氏梁，7 l j ) 、条形基础b 禁形基础妒 条形基础 擎 黼、二1 鑫形， 竺泻7 圈 | 、：亡 h 到 圈日 j ! l j 堑l2 一且! 上_ 2 f i u 323 59q l j l ! ! ! q q 一一一一j 图1 条形基础剖面图( 单位：m m ) f i g 1 p r o f i l eo fs t r i pf o u n d a t i o n ( m m ) 2 4 拼装a 3 和a 4 块管片 用2 5t 吊车吊装管片a 4 块到预定位置，使a 4 和 a 3 的连接缝处与隧洞轴线的夹角为6 。，并固定a 4 块，通过调整钢管支撑上的丝杆顶进a 4 块，使a 4 块 到达预定位置。a 3 拼装方法同a 4 块，并连接其纵缝 螺栓到3 0 0n m ，如图2 所示。 拦，、采 一铸黼管 一锄姻蜂 瓤警、詹 1c 图2 外部支撑及拼装管片a 4 和4 3 ( 单位：m m ) f i g 2 e x t e r n a ls u p p o r ta n ds e g m e n ta 4a n ds e g m e n ta 3 ( m m ) 2 5 拼装内部支撑钢结构 由于本次模拟拼装后还需要进行二次衬砌预应力 锚索混凝土施工，因此二次衬砌的模板可以作为管片 拼装的支撑模板，并将内部支撑钢架分为2 部分。第 1 部分为安装完内衬的小弧形钢模板后半径为3 5m 的支撑钢架，第2 部分为管片安装支撑钢架，在第1 部 分支撑钢架的外部加一个宽4 5 0m m 的钢结构圆环， 第1 和2 部分支撑钢架通过螺栓连接，2 部分结合在 万方数据 隧道建设第3 3 卷 一起达到管片安装的内径7 9m 。为防止管片拼装完 后失圆，在外部回填完后拆除第2 部分支撑钢架，为内 衬施工小弧形钢模板安装做准备。本试验段的钢支撑 长度为96 0 0m m ，分为6 小节，每节为一环管片的宽 度16 0 0m m 。在每环管片的下部管片a 3 和a 4 块拼 装完毕后，安装内部两侧支撑钢结构，封顶块拼装之 前，安装内部顶端支撑钢结构，如图3 所示。 l 一导轨；2 一桁架；3 - - 顶支撑主梁( 双1 0 4 槽钢) ；4 一顶支撑次梁 ( 1 0 。工字钢) ；5 - - 木楔块；6 一侧支撑主梁( 双1 0 。槽钢) ；7 - - 侧支撑次 梁( 双l o 。槽钢) 。 图3内部支撑钢架结构图 f i g 3 s t e e ls t r u c t u r eo fi n t e m a ls u p p o r t 2 6 拼装a 2 和b 2 管片 在安装完内部两侧的支撑钢结构后，2 5t 吊车吊 装管片b 2 靠近a 4 端的纵缝螺栓用倒链辅助靠模滑 入到位，使b 2 和a 4 的连接螺栓紧固力达到 3 0 0n m ，同样，在管片a 3 侧拼装a 2 管片。测量已 拼装好的管片，通过底部丝杆对管片a 2 ，a 3 ，a 4 和b 2 的油缸做适当调整，同上依次拼装a l 和b 1 管片。为 防止a l 和b 1 因自重发生滑移，需要利用倒链将其固 定住，如图4 所示。 2 7 拼装k 块管片 吊k 块放到支撑钢模板上，与b 1 和b 2 块搭接 2 3 ( 约10 0 0m m ) 的位置，在堵头段和k 块位置安放 西3 7 7 钢支撑，利用钢支撑的液压油缸使k 块顶推到 达预定位置，如图5 所示。在顶紧的过程中用在支撑 大梁上的钢架托起钢支撑，防止钢支撑掉落，当油缸伸 缩长度不够时，在钢支撑的活络头端垫h 型钢，最后 连接k 块与b 1 和b 2 的环向连接螺栓，封闭成环。 2 8 第2 环第5 环管片拼装 1 ) 第2 环管片拼装点位于前进方向右上半圆4 5 。 的位置。 2 ) 将第1 环管片的外部支撑钢结构转移到第2 环 管片的底部，采用拼装第1 环的方法拼装完成第2 环 管片。 导轨 | 箧 丝t i = 豢霾 曳。， t 支撑：基釜 l 一心 圆5 妤 萝i “皂 ( h ) 图4 拼装示意图 f i g 4s e g m e n ta s s e m b l 、 3 ) 在管片接缝的位置共设置7 道钢支撑，钢支撑 采用直径3 7 7m m 、壁厚1 2m m 的钢管。钢管支撑分 节制作，管节间采用法兰盘螺栓连接，其端部( 仅一 端) 设预加轴力装置，在支撑梁上安装钢架支撑钢支 撑。为防止管片局部碎裂，须在钢支撑的端部放置 5c m 厚的橡胶垫块。 支撑临时固定后，及时检查各节点的连接状况，经 确认符合要求后方可从管片下侧钢支撑开始施加预压 轴力，施压时，将2 台2 0 0t 液压千斤顶吊放人活络头 顶压位置，2 台液压千斤顶安放位置必须对称平行。 施加预压轴力时应注意保持2 个千斤顶对称同步进 行，每级压力施加完毕，在活络头中锲紧钢垫块，并焊 接牢固。当预加轴力达到设计预加轴力时，再次检查 各连接点的情况，必要时应对节点进行加固，待预加压 力稳定后锁定。紧固第1 和2 环管片纵向、环向连接 螺栓，对液压千斤顶进行卸压，同时为下一环管片拼装 进行准备，如图6 所示。同理拼装第3 5 环管片。 2 9 第6 环管片拼装 用堵头段预留槽内的千斤顶拼装第6 环管片，紧 固第1 6 环管片的所有连接螺栓后方可拆掉千斤顶。 万方数据 第7 期肖红军，等：盾构管片模拟拼装技术 6 0 5 5 0 0 b l块 1 夥头絮 。冬逮= k堵头段 尉驻 块 。 ；爹= = # b ：峡 50 1 1 厚橡胶垫块 图5k 块拼装示意图 形7 羽 钢支撑 磊2 环管片第懈：管片 爹 纩划；架支撑镧架 0 ，t - 1 1 ，i 夕, - 夕。生疆大桑i i ，乡彩j j 缪 堵头慰丫 ，夕搿，7 7 ，7 ，7 支鞋矢菇7 7夕x ， ，：乡，夕 缪 。：? ，。j j i ，j ，? 钢支撑 第2 环管片第l 环错 陟，：，乡，多，1 ，夕，1 5 k r 厚橡胶垫女 图7 模拟试验及内外支撑 f i g 7 s e g m e n ta s s e m b l 、+ s i n m l a t i o nt l l l di n t e r n a l4 1 1 ( 1 e x l e r n a s u p p o r t ( b ) 剖面图 图8 拼装完成后效果 l g 8 s s e n d ) l c d s e g l l l e l l t ：； 3 结论与体会 本次管片模拟拼装试验，通过设计反力墙、堵头 墙、中间支撑横梁、半弧型条形基础、内外支撑架等一 系列措施，成功地完成了1 2 环大直径混凝土盾构管片 的水平模拟拼装，比较真实地反映了盾构管片在隧道 内水平拼装过程，能够非常直观地了解管节拼装好后 万方数据 隧道建设第3 3 卷 的真实状况，为本工程后期其他模拟试验奠定了基 础和创造了条件；同时，由于本次管片水平拼装为国 内首次，没有成功案例可供借鉴，施工方案是在理想 状态下的摸索，在实际的实施过程中，还有部分值得 改进的地方。 1 ) 模拟拼装的关键是第1 环的拼装质量和精度， 因此最好在端头墙上标识好管片的位置，并制作一定 的限位装置，确保第1 环的安装质量； 2 ) 在完成第1 环拼装以后，后续拼装的管片可以 在第1 环的基础上进行，不再需要内、外部的支撑架； 3 ) 由于无法同时给盾构推进过程中拼装好的管 片提供足够大的反推力，管片环间的止水条压紧不均 匀，力度不够，容易出现渗漏。 参考文献( r e f e r e n c e s ) ： 宋艳玲超大直径盾构管片拼装技术 j 铁道建筑技 术，2 0 1 1 ( 2 ) ：5 1 5 2 ，5 4 ( s o n gy a n l i n g a s s e m b l i n g t e c h n o l o g i e sf o rs h i e l dd u c tp i e c e sw i t he x t r a - l a r g ed i a m e t e r s j r a i l w a yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ( 2 ) ：5 1 5 2 ， 5 4 ( i nc h i n e s e ) ) 梅勇兵，程永亮，王宇飞盾构隧道管片拼装技术的应用 与发展 j 建筑机械，2 0 1 0 ( 3 ) ：7 4 7 6 ( m e iy o n g b i n g ，c h e n gy o n g l i a n g ，w a n gy u f e i t h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h es e g m e n te r e c t i n gt e c h n o l o g yo nt h et u n n e l d u gb ys h i e l d j c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，2 0 1 0 ( 3 ) ：7 4 7 6 ( i nc h i n e s e ) ) 万晓东盾构隧道管片拼装技术施工质量控制 j 交通 世界：建养机械，2 0 1 2 ( 5 ) ：2 5 2 2 5 4 ( w a nx i a o d u n g s h i e l dt u n n e ls e g m e n ta s s e m b l yc o n s t r u c t i o nq u a l i t y c o n t r o l j t r a n s p o r t a t i o nw o r l d ：c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c em a c h i n e r y ，2 0 1 2 ( 5 ) ：2 5 2 2 5 4 ( i nc h i n e s e ) ) 马凤伟南水北调中线盾构管片拼装技术 j 河南建材， 2 0 1 0 ( 5 ) ：2 2 2 3 ( m af e n g w e i n o r t hw a t e rt r a n s f e r s h i e l ds e g m e n ta s s e m b l yt e c h n o l o g y j h e n a nb u i l d i n g m a t e r i a l s ，2 0 1 0 ( 5 ) ：2 2 2 3 ( i nc h i n e s e ) ) 5 张传健，吕国梁，廖仁强南水北调中线穿黄隧洞结构设 计研究 j 人民长江，2 0 0 9 ( 2 3 ) ：8 5 8 7 ( z h a n g c h u a n j i a n ，l vg u o l i a n g ，l i a or e n q i a n g s t r u c t u r a ld e s i g n r e s e a r c ho fy e h o w e rp a s s i n g t h r o u g hw o r k sf o rs - nw a t e rd i - v i s i o n j y a n g t z er i v e r ，2 0 0 9 ( 2 3 ) ：8 5 8 7 ( i nc h i n e s e ) ) 6 程学武，许维青，杨志永大直径管片拼装及缺陷处理 j 中国工程科学，2 0 1 0 ( 1 2 ) ：8 9 9 3 ( c h e n g x u e w u ，x uw e i q i n g ，y a n gz h i y o n g a s s e m b l i n ga n dd e f e c t t r e a t m e n to fl a r g e - d i a m e t e rs h i e l ds e g m e n t j e n g i n e e r i n g s c i e n c e s ，2 0 1 0 ( 1 2 ) ：8 9 9 3 ( i nc h i n e s e ) ) 7 张鹏盾构隧道管片施工力学性能三维数值模拟研究 j 铁道工程学报，2 0 1 2 ( 1 0 ) ：6 3 7 0 ( z h a n gp e n g r e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs e g m e n to fs h i e l dt u n n e l d u r i n gc o n s t r u c t i o nw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a - t i o n j j o u r n a lo fr a i l w a ye n g i n e e r i n gs o c i e t y ，2 0 1 2 ( 1 0 ) ：6 3 7 0 ( i nc h i n e s e ) ) 8 陈桥，李凤远，韩伟锋基于c r e a t o r v e g ap r i m e 的管片拼 装过程仿真实现 c 中国土木工程学会第十五届年会 暨隧道及地下工程分会第十七届年会论文集昆明：中国 土木工程学会，2 0 1 2 9 杨方勤，袁勇，张冠军矩形盾构隧道管片l ：1 三环结构 试验前后数值模拟计算与分析 c 地下工程施工与 风险防范技术：2 0 0 7 第三届上海国际隧道工程研讨会 上海：上海市土木工程学会，2 0 0 7 1 0 陈桥基于m u h i g e nc r e a t o r v e g ap r i m e 的管片拼装机虚 拟仿真 d 成都：西南交通大学机械工程学院，2 0 1 2 ( c h e nq i a o t h e v i r t u a ls i m u l a t i o no fs e g m e n te r e c t o r b a s e do n m u h i g e nc r e a t o r v e g ap r i m e d c h e n g d u ： s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i - v e r s i t y ，2 0 1 2 ( i nc h i n e s e ) ) 1 1 钮新强，符志远，张传健穿黄隧洞衬1 ：1 仿真模型试验 研究 j 人民长江，2 0 1 1 ( 8 ) ：7 7 8 7 ( n i ux i n q i a n g ， f uz h i y u a n ，z h a n gc h u a n j i a n f u l l - s c a l e ds i m u l a t i o n m o d e la