淺談小曲線半徑盾構(gòu)施工難點(diǎn)

【關(guān)鍵字】盾構(gòu)；小曲線；半徑 

　　1.引言 

　　小曲率半徑的盾構(gòu)施工技術(shù)涵蓋盾構(gòu)機(jī)選型、管片設(shè)計(jì)、測(cè)量控制、盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)與線型控制、管片配置與選用、管片姿態(tài)控制、管片保護(hù)、鉸接裝置與盾構(gòu)千斤頂?shù)慕M合選用、注漿控制技術(shù)、刀具超挖量的控制技術(shù)、掘進(jìn)參數(shù)的選用與控制等一系列技術(shù)措施的有效組合。 

　　2.施工難點(diǎn) 

　　2.1盾構(gòu)推力設(shè)定 

　　一般情況下的糾偏和大曲率半徑施工時(shí)，通常是采用千斤頂?shù)钠�選來使盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎或糾偏的，但對(duì)于急轉(zhuǎn)彎段來說，千斤頂?shù)倪^分偏選，將造成兩個(gè)問題：①每個(gè)千斤頂能提供的推力約120t，若選用的千斤頂太少，無法提供盾構(gòu)掘進(jìn)所需的推力；②管片受力過于集中，會(huì)對(duì)管片產(chǎn)生破壞。 

　　2.2防止盾構(gòu)機(jī)被卡 

　　盾構(gòu)機(jī)在巖層中轉(zhuǎn)彎，需要的超挖量是多少，如何保證開挖直徑，必須預(yù)先計(jì)算清楚，并制定好相關(guān)措施，使盾構(gòu)機(jī)在巖層中能順利沿計(jì)劃曲線轉(zhuǎn)彎。如若盾構(gòu)機(jī)在巖層中被卡住，將使盾構(gòu)機(jī)的推力變得很大，甚至無法掘進(jìn)。 

　　2.3如何使盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層中轉(zhuǎn)彎 

　　盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)剛體，在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)隧道整體平移現(xiàn)象，這使得盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中掘進(jìn)時(shí)，須預(yù)先制定好相關(guān)措施，使盾構(gòu)機(jī)能順利沿計(jì)劃曲線轉(zhuǎn)彎。若盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中無法轉(zhuǎn)彎，將使盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離計(jì)劃曲線，施工失敗。 

　　2.4盾構(gòu)管片的破損問題 

　　盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)是依靠管片提供推進(jìn)反力，在一個(gè)循環(huán)過程中，特別在小半徑曲線段上掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)變化較大，這就在推進(jìn)油缸靴板與管片之間產(chǎn)生一個(gè)微小的側(cè)向滑移量，導(dǎo)致管片局部受力過大而產(chǎn)生裂紋或崩裂。管片向外側(cè)扭曲擠壓地層，使地層和管片結(jié)構(gòu)均受到復(fù)雜的影響，極易造成盾構(gòu)與管片之間的卡殼及管片碎裂現(xiàn)象發(fā)生。 

　　3.施工技術(shù)措施 

　　小曲率半徑盾構(gòu)施工中，由于盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體，在小曲率半徑段掘進(jìn)形成的線形為一段段連續(xù)的折線，曲線半徑越小、盾構(gòu)機(jī)身越長，則擬合難度越大。通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)與線型控制、管片的選用、鉸接裝置與千斤頂?shù)慕M合選用、注漿控制、刀具超挖量的控制、掘進(jìn)參數(shù)的選用與控制等一系列技術(shù)措施的有效組合，使得盾構(gòu)掘進(jìn)折線與小半徑曲線接近吻合來完成小曲率半徑的盾構(gòu)施工，并有效的保護(hù)拼裝管片的質(zhì)量。 

　　3.1盾構(gòu)選型 

　　盾構(gòu)機(jī)選型主要考慮兩個(gè)參數(shù)： 

　　3.1.1盾構(gòu)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑。盾構(gòu)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑的大小取決于盾構(gòu)機(jī)的長度、是否啟用鉸接、鉸接的開啟量、刀盤刀具的超挖量等因素，盾構(gòu)機(jī)選取尺寸盡量短。對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型還要驗(yàn)算盾構(gòu)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑，計(jì)算方法如下：Rmin=（L1+L2）/4÷sin（θ/2） 

　　式中：L1為盾構(gòu)機(jī)前體長度；L2為刀盤的厚度；θ為鉸接可開啟最大值 

　　3.1.2刀盤超量挖計(jì)算。盾構(gòu)在小曲率半徑內(nèi)掘進(jìn)鉸接裝置的使用，需要外圈刀具與仿形刀的超挖、錐形管片、曲線內(nèi)外側(cè)千斤頂?shù)牟煌�推力等施工措施配合在一起使用。超挖量的大小將直接影響盾�?gòu)機(jī)鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴(yán)重地?cái)_動(dòng)土體，過小將不能充分發(fā)揮鉸接裝置的作用，以至達(dá)不到所要求設(shè)計(jì)軸線的半徑。 

　　3.2盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制 

　　在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化不宜過大或過頻，盾構(gòu)姿態(tài)控制的好壞直接影響到盾構(gòu)機(jī)是否沿計(jì)劃曲線行走，以及隧道竣工的質(zhì)量。在施工掘進(jìn)過程主要通過以下幾個(gè)措施來控制盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)。 

　　3.2.1合理使用鉸接裝置。①在小曲率半徑盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的原則是：調(diào)整鉸接為主，千斤頂?shù)倪x用為輔，盡可能全選盾構(gòu)千斤頂來進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)；②在小曲率半徑盾構(gòu)施工中，千斤頂?shù)倪x用是鉸接控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的一種輔助工具。當(dāng)要使盾構(gòu)機(jī)水平向左偏，則需提高右側(cè)千斤頂分壓的推力；反之，則需提高左側(cè)千斤頂分壓的推力。當(dāng)要使盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭向上偏，則需提高下部千斤頂?shù)耐屏�；反之亦然；③掘進(jìn)過程的管片保護(hù)措施，在千斤頂選取時(shí)，應(yīng)盡量全選。盾構(gòu)機(jī)在260m小半徑曲線段行走時(shí)，為了避免千斤頂在推進(jìn)時(shí)造成管片的破損，可在每300mm～500mm推進(jìn)后，適量收縮千斤頂，調(diào)整千斤頂靴板與管片的接觸面，消除千斤頂對(duì)管片的側(cè)向應(yīng)，減少對(duì)管片損環(huán)，同時(shí)有利于盾構(gòu)機(jī)方向的調(diào)整；④在小半徑中掘進(jìn)，鉸接開啟的大小要針對(duì)地層做出相應(yīng)的調(diào)整，在軟弱地層中提供盾構(gòu)機(jī)外弧線的被動(dòng)土壓力小，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎姿態(tài)較為困難，因此在軟弱地層要實(shí)標(biāo)開啟的鉸接值大小要比理論值相對(duì)偏大，而在硬巖地層，考慮到刀具磨損超挖量不夠會(huì)引起盾構(gòu)機(jī)卡殼，因此在硬巖地層中開啟的鉸接值要比理論值相對(duì)偏小。 

　　3.2.2仿形刀的使用。鉸接裝置在小曲率半徑施工過程中是盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的主要手段，仿形刀的使用效果將直接影響盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴(yán)重地?cái)_動(dòng)土體，過小將不能充分發(fā)揮鉸接裝置的作用，以至達(dá)不到所要求設(shè)計(jì)軸線的半徑。因此，仿形刀的使用主要須考慮兩個(gè)方面的因素，一是仿形刀的超挖范圍：仿形刀通過設(shè)置，可以在圓周任意區(qū)域位置進(jìn)行超挖，該工程將采用仿形刀在曲線內(nèi)側(cè)位置進(jìn)行超挖，以有利于曲線行走。二是超挖量。但在急曲線段由于距離較長，為了減少仿形刀的磨損量，在掘進(jìn)過程中盡量慎用仿形刀，盡可能的使用中折和合理選取千斤頂來進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎。 

　　3.3.3盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)偏。在小曲率半徑段掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)的姿態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)整過程，為了使隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，一般情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)考慮讓盾構(gòu)機(jī)在水平上向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定量，將盾構(gòu)沿曲線的割線方向掘進(jìn)，管片拼裝時(shí)軸線位于弧線的內(nèi)側(cè)，以使管片出盾尾后受側(cè)向分力向弧線外側(cè)偏移時(shí)留有預(yù)偏量，同時(shí)也可以便于在急曲線內(nèi)進(jìn)行糾偏，通常小曲率半徑內(nèi)的盾構(gòu)姿態(tài)是在水平向內(nèi)弧線偏移30mm左右。 

　　3.3.4掘進(jìn)速度與推力的控制。急曲線隧道每掘進(jìn)一環(huán)，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角θ，在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個(gè)側(cè)向分力。管片出盾尾后，受到側(cè)向分力的影響，隧道向圓弧外側(cè)偏移，側(cè)向分力的大小與千斤頂總推力成正比即降低千斤頂總推力，同時(shí)也意味著降低側(cè)向分力，有利于減少隧道向弧線外側(cè)的偏移量。因此在小曲率半徑盾構(gòu)施工時(shí)，必須確定一個(gè)合理的推力和掘進(jìn)速度，但是這個(gè)推力與掘進(jìn)速度也不是一成不變的，隨著施工條件、地質(zhì)情況、線形等的變化，也須即時(shí)調(diào)整從而達(dá)到最好的施工效果。 

　　4.結(jié)語 

　　通過對(duì)小曲率半徑的盾構(gòu)施工技術(shù)的科研攻關(guān)，使盾構(gòu)機(jī)能從軟土到硬巖等各類不同地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)小曲率半徑的急轉(zhuǎn)彎施工，有效拓展盾構(gòu)施工技術(shù)，豐富盾構(gòu)隧道的線型設(shè)計(jì)與選用。