小曲线半径盾构施工施工难点与技术措施

1、小曲线半径盾构施工难点及技术措施1 引言盾构工法由于机械化程度高,施工速度快,对地层扰动小等优点被大量使用于城市地铁和公路隧道的建设中。然而在小曲线段推进时,由于盾构机本身具有一定长度和刚度,在该种条件下盾构施工的灵活性和有效性明显降低。针对这一难题,国内外很多学者和专家都做了相关方面的研究。为进一步了解盾构法在小曲线段的施工技术措施,开拓自己视野,在结合*老师的授课知识并参考一些相关方面文献的基础上,本文就小曲线半径盾构施工难点和施工技术措施等方面做了一个简要的阐述。2 施工难点2.1 隧道整体向弧线外侧偏移,轴线难以控制小曲线隧道每掘进一环,管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的

2、角度,在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后,受到侧向分力的影响,隧道向圆弧外侧偏移。另外,由于盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙,在施工过程中,掘进产生的空隙与同步注浆的浆液填充量不可能做到完全同步、完全符合一致。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。由此增加了曲线段盾构推进轴线控制的难度。2.2 地层损失增加曲线段盾构推进时掘进轴线为一段段折线,且曲线外侧出土量又大,这样造成曲线外侧土体的损失,并存在施工空隙。曲线仿形刀也处于开启状态进行超挖,实际掘进面为一椭圆形,实际挖掘量超出理论挖掘量。另外在采用适当技术和良好操作的正常施工条件

3、下,小半径曲线掘进也会增加地层损失。不同曲线半径线路情况下地层的最大可能损失与盾构机的长度关系密切;与直线段相比,盾构在曲线线路情况下的地层最大可能损失随线路曲线半径的减少在显著增加。2.3 纠偏量工作量大,对土体扰动的增加在小曲线段,由于盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合。在小曲线段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。曲线半径越小,盾构机越长,则纠偏量越大,纠偏灵敏度越低。纠偏工作量增加的同时也增加了对隧道周围土体的扰动,这样容易造成较长时间的后期沉降。在小曲线处掘进时如果隧道的纵向刚度和地层的刚度过小,可能引起管片和其外地层的

4、过大位移,以及使土压超过被动土压力而产生过大扰动。2.4 容易造成管片破损盾构机的推进是依靠管片提供推进反力,在一个循环过程中,特别在小半径曲线段上掘进时,盾构机的姿态变化较大,这就在推进油缸靴板与管片之间产生一个微小的侧向滑移量(至少是一种趋势,导致管片局部受力过大而产生裂纹或崩裂。管片向外侧扭曲挤压地层,使地层和管片结构均受到复杂的影响,极易造成盾构与管片之间的卡壳及管片碎裂现象发生。2.5 盾构与管片之间容易卡壳小半径曲线隧道时时处于转弯状态,管片左超或右超量较大,施工人员如不能很好的控制,将造成左超或右超滞后,从而产生盾构与管片之间的卡壳,造成盾构偏离隧道轴线。2.6 容易造成渗漏隐患

5、,引起地表沉降在曲线段施工时,由于管片四周的盾尾间隙分布并不均匀,盾尾刷密封装置受管片偏心挤压后易产生塑性变形而失去弹性,密封性能下降;同时在曲线段施工容易出现管片错台,在纵缝错台产生后,盾尾刷无法紧密包裹整坏管片,极易形成渗流通道。这无疑增加了隧道渗漏水的风险。另外,若盾尾发生渗漏,将污染盾构管片安装的工作面,并出现较大的地表沉降。3 技术措施3.1 增加铰接装置为控制急曲线隧道施工轴线,需提高盾构机的纠偏灵敏度。在盾构机的中部增加铰接装置,即可减少盾构机固定段的长度,使盾构切口环至支撑环,支撑环至盾尾都形成活动体。由此可以增加盾构机的灵敏度,推进时可以在减少超挖量的同时产生推进分力,确保曲

6、线施工的推进轴线控制,管片外弧碎裂和管片渗水等情况也可大大改善。施工时根据设计曲线半径及盾构直径计算铰接角度,开启盾构铰接装置,使得盾构机的前筒与后筒张角与曲线吻合,预先推出弧形趋势,为管片提供良好的拼装空间。随着盾构进入缓和曲线,逐步减小水平张角,直至直线段处,张角完全闭合,进入直线段掘进。在采用单铰接盾构仍不能满足小半径曲线盾构推进要求时,可以采用双铰接盾构。此时,盾构施工的极限半径还可进一步降低。3.2 仿形刀的使用使用铰接装置后,盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形。其作为一种辅助手段,需要与仿形刀的超挖、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀

7、的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用,超挖量过大将严重地扰动土体,过小将不能充分发挥铰接装置的作用,以至达不到所要求设计轴线的半径。仿形刀的使用主要须考虑两个方面的因素,一是仿形刀的超挖范围。仿形刀通过设置,可以在圆周任意区域位置进行超挖。采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖,以有利于纠偏。二是超挖量。在缓和曲线段,它是不断变化的一个函数值。然而,在软土地区,即使不使用仿形刀,盾构机在小曲线段推进过程中对内侧土体的挤压,亦能使盾构沿轴线掘进。故实际施工中,实际超挖量要小于理论超挖量。因此实际超挖时,超挖量必须根据隧道的设计轴线、盾构机的姿态、管片的拼装状态等因素综合考虑后确定。为减少仿形刀的磨

8、损量,在掘进过程中尽量不用仿形刀,尽可能采取使盾构中折和合理选取千斤顶等措施进行急转弯。在小曲线施工时应加强施工控制和管理,尽量减少施工超挖。3.3 隧道管片选择曲线段施工时应根据盾构姿态和盾尾间隙进行管片选型,且须超前10环左右预选,确保管片姿态和盾构姿态保持同心。管片作为影响最小曲线半径取值的一个关键因素,在实际工程中,可以通过调整管片楔形量、宽度等来满足小曲线半径盾构施工要求。盾构机是在曲线段掘进时,需要利用安装相应的楔形管片来逐步消除推进油缸的行程差,以使盾构机每环开始掘进时每组推进油缸行程差尽可能趋于最小,保证盾构机掘进方向的准确性。大楔形量管片排版方式能很好地拟合小半径曲线。但如果

9、楔形量设计的过大,施工中很容易造成管片错台,管片成圆度差,不但对管片拼装带来很大困难,更影响隧道的防水和美观。故楔形量应根据管片种类、管片宽度、外径、曲线半径、曲线区间楔形环使用比例、管片制作方便性及尾隙大小而决定,由于受管片配筋的制约,大多混凝土类管片的楔形量在75mm以内。对于小半径曲线地段,根据上海地铁类似工程的施工经验,采用宽1. 0m的管片比1. 2m的更有利于线路曲线的拟合,管片拼装更容易,也有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水。3.4 增加管片纵向刚度从盾构机对土体的反力来看,小曲线外侧不需要用反力壁进行弯曲。但盾构推进反力期待着管片或反力壁的刚度,为了确保合理的推进反力,有必要

10、增大管片的纵向刚度,或者采取地层加固措施以及两者的组合措施。考虑到结构纵向刚度和地层参数的不确定性,管片纵向刚度的加强是必要的,最为经济的就是对螺栓进行紧固。可考虑采用紧固螺栓(加强螺栓或临时的加强肋的方法,加强肋采用2根槽钢用钢板焊接成型,然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接,从而将隧道纵向连接起来,以加强隧道纵向刚度。每环推进结束后,须拧紧当前环管片的连接螺栓,并在下环推进时进行复紧,克服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。每掘进完成3环,对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。3.5控制纠偏量盾构掘进过程中,管片在承受侧向压力后将向弧线外侧偏移。为了使隧道轴线最终偏差控

11、制在规范要求的范围内,盾构掘进时考虑给隧道预留一定的偏移量。将盾构沿曲线的割线方向掘进,管片拼装时轴线位于弧线的内侧,以使管片脱出盾尾时,受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量;而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出,同时需考虑掘进区域所处的地层情况。在施工过程中,可通过对小半径段隧道偏移监测,适当调整预偏量。盾构曲线推进时,每一环都在纠偏。此时须做到勤测勤纠,而每次的纠偏量应尽量小,尽量控制在23mm/m范围内,确保楔形块的环面始终处于曲线半径的径向竖直面内。针对每环的纠偏量,通过计算得出盾构机左右千斤顶的行程差,利用盾构机千斤顶的行程差来控制其纠偏量。同时,分析管片的选

12、型,针对不同的管片需有不同的千斤顶行程差。3.6 盾构施工参数控制3.6. 1 严格控制盾构的掘进速度推进时速度应控制在12 cm /min,既可以避免因推力过大而引起的侧向压力的增大,又能减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。另外,在转弯时应采取短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,可每30 50mm 适量收缩千斤顶,使得千斤顶对管片的应力得以释放,同时有利于盾构方向调整。3.6. 2 严格控制盾构正面平衡压力盾构在穿越过程中须严格控制切口平衡土压力,使得盾构切口处的地层有微小的隆起量(0.51mm来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数,如进出土量、盾构正面进土部位、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过量超挖、欠挖,尽量减少平衡压力的波动,其波动值控制在0. 02MPa以内。例如:在盾构网格两侧增设闸门,以保证盾构两侧可按施工需要控制进