双圆盾构施工中转角的控制

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双圆盾构法隧道由于在节约地下空间资源、减小对地面构筑物的影响、降低工程造价等方面的优点,使其成为地铁建设和市政工程隧道建设中的主要施工方法。双圆盾构机(Double-O-Tube)由于其在形态和设备配置上同单圆盾构机的差异,难于纠正其在推进过程中产生的侧向偏转(以下简称转角),盾构机的断面向一侧偏转角度α。虽然转角在单圆盾构施工中会发生,但对于单圆盾构,由于是圆形断面,盾构即使发生偏转,对于管片衬砌的拼装及今后隧道使用中的受力状态不会产生使用功能上的影响,对轴线也不会产生太大的影响。而双圆盾构隧道有两条轴线、横向尺寸显著增大,衬砌管片发生偏转现象将直接影响管片拼装,使中间立柱产生附加应力,从而影响正常使用功能,同时也会影响地表沉降的控制和盾构设备的使用。因此,偏转控制也就成为双圆盾构施工过程中的技术重点和难点。

1 转角发生的影响因素

双圆盾构机推进过程中很难控制双圆盾构始终保持平衡,总有偏转发生,其原因有如下几个方面。

1.1 土质特性的影响

双圆盾构机在推进过程会受到如下几个方面力的作用:盾构正面阻力、盾构四周土体与盾构壳体间的摩阻力、盾构自重与下卧土层的摩阻力及开挖面土体对大刀盘的扭矩反力T1、T2等(图2)。

图中F1为切口贯入阻力;F2为正面阻力;F3为四周土体与盾构外壳的摩阻力;F4为自重产生摩阻力。由于受到土质变化、隧道埋深变化和地面建筑等因素影响,使以上这些外力不均匀地作用于盾构从而导致盾构推进时发生转角。

两边大刀盘由于接触的土层不同以及刀盘所处位置的地面超载不同,造成作用于大刀盘上的扭矩发生左右偏差,从而导致盾构机发生滚动。另外盾构机左右两侧的支持地基的土性的不同引起不均匀下沉或由悬崖、急倾斜地形等左右两边的复土厚度的不同同样会引起转角①。

1.2 盾构机体的制造误差

双圆盾构其断面为哑铃形,是中心对称结构,相对较为稳定。但如果由于制造误差使其在某方面不再对称,如双圆盾构机两侧的重量平衡的偏差,这将使盾构向一侧转动产生偏转。

1.3 运输台车的牵引重量的不同

由于盾构体内的空间是有限的,盾构机具要配备相当数量的设备,一般被安置于设备台车上,设备台车是安设在隧道内,对于双圆盾构,左右隧道内需各设一台,由盾构拖拉一起推进。由于左右运输台车的重量差以及拖动对盾构产生的后拉力不对称, 会引起转角现象的发生。

1.4 已拼装完成管片对轴线控制的影响

由于拼装误差等原因,使拼装完成的管片与盾尾之间的间隙大小不一,甚至会发生管片与盾尾有接触现象,这种接触会产生摩阻力,这会加大盾构机与隧道的偏转(图3)。

上述因素在实际施工过程中会比较明显的导致双圆盾构发生偏转现象,此外,其他的影响因素如盾构注浆的流失、皮带传送带的支架支持点的误差,也会引起盾构发生偏转。

2 双圆盾构偏转角的控制方法

双圆盾构推进过程中由于盾构机体的制造误差、土层条件的不均匀、地面超载以及施工过程中的操作问题都会很容易的引起衬砌管片的滚动。滚动的发生将造成左右隧道的高差及中间立柱的倾斜,并将直接影响隧道建成后的正常施工功能。双圆盾构因左右刀盘相互间逆向旋转,扭转反力和惯性力相互抵消,一旦发生偏转就不能像单圆一样通过逆转刀盘得到解决。一般的双圆隧道施工中纠正滚动的有效方法主要有以下几点:

(1)采用纠偏千斤顶控制偏转。调整盾构机千斤顶的推进角度,用千斤顶推力产生的沿盾构圆周方向的分力,来修正盾构机的偏转。

(2)采用单侧压重控制偏转。此法较为简单,但也是一种经常使用的方法,当盾构发生偏转时,在盾构单侧加压铅块等重物,实现盾构纠偏。

(3)采用仿形刀设备控制偏转。利用仿形刀对盾构掘进断面的某些部位进行适量的超挖,使盾构机产生与偏转方向相反的可控的沉降或位移,以修正盾构机的偏转。

(4)采用控制左右螺旋机的出土量控制偏转。双圆盾构机两侧的螺旋输送机的转速以及出土量是独立的控制的,因此可以通过调整左右螺旋机的出土量来调整两土仓内的土压力,从而调整了左右刀盘的扭矩,来实现纠偏。

(5)盾尾注浆控制:根据偏转与超挖情况,增大盾尾压浆量的方法来纠正与控制偏转。

(6)用高精度测量仪器来测量,尽量在早期进行纠偏。

图4为六号线某段工程中实测滚动偏转角与顶进距离的关系。有时盾构后隧道的连带作用产生的惯性矩,即使实施了纠偏动作,也不能一下子向期望的方向发展。如图所示,在偏转角为-0.28°时开始了千斤顶纠偏动作和增加盾尾同步注浆量,但收效甚微,偏转角继续扩大,在三天内达到-0.4°,这时采取了单侧压重的措施,取得了一定的效果。但一天后偏转角继续发展。对于这种情况采取了仿形刀在偏转的反面超挖和增加注浆量的措施后,偏转方向朝相反方向发展,纠偏效果明显。

3 结束语

双圆盾构隧道施工中的质量控制较单圆盾构更为复杂,特别是偏转的发生,不仅使施工难度增大,而且对隧道管片衬砌的拼装产生不良的影响,也会使已施工完毕的隧道中柱产生较大的应力集中现象而影响施工质量。本文就双圆盾构方向偏转的原因作了解释,同时提出了方向控制的一些施工技术措施。上海市地铁6号线的施工中,对滚动偏转角进行了实时监测及时纠偏,使这几项控制指标的偏差控制在允许范围内,达到了方向控制的目的。