超大直径盾构小半径转弯技术研究

温竹菌

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市200092)

超大直径盾构小半径转弯技术研究

温竹菌

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市200092)

以上海市北横通道的具体工程实施为背景,从设计与施工两方面对超大直径小半径曲线盾构隧道的相关技术进行研究,解决小半径曲线盾构隧道中所出现的技术难题。

盾构隧道；超大直径盾构；小半径转弯技术

0 引言

随着城市的发展,地面交通拥堵问题日益严重,修建城市地下道路是解决交通问题的重要举措。为了减少隧道施工期间对地面道路交通和建构筑物的影响,超大直径盾构已经越来越多地应用于地下道路隧道。而在城市中心区,为了避让周边密集建构筑物,盾构采用小半径曲线转弯的需求也越来越大。

盾构隧道受盾构设备的限制,转弯半径不可能太小；同时从已建的盾构隧道的建成质量来看,在小半径转弯段隧道管片更易出现开裂渗漏等现象。在这样的背景下,对超大直径盾构小半径转弯技术研究的需求日益强烈,本文拟以上海市北横通道为工程背景,从盾构机设备选型、隧道的纵向受力分析、管片的构造措施、防水措施等方面开展研究,以提出相应的设计、施工方案,力求有效地缓解小半径转弯引起的不利影响,为今后此类项目建设提供经验。

1 工程背景

北横通道是上海正在实施的一条北部的东西向主干道,工程西起北虹路,东至内江路,贯穿上海中心城区,全长约19.1 km(见图1)。北横通道采用高架、明挖隧道与盾构隧道相结合的布置方式。其中西段采用直径为15 m的盾构隧道由西向东行进约6 km,沿线穿越苏州河、轨道交通、密集的建筑群。为了避让地下建构筑物、尽量减少对相邻地块的影响,隧道近一半区域采用了转弯半径小于600 m的线形,其中最小转弯半径仅500 m,为国内类似大直径盾构小转弯半径之最。

2 盾构小半径转弯引起的不利影响

根据《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)中的定义：盾构隧道曲线小于40D(D为盾构外径)的为小半径曲线。当盾构直径达到15 m时,转弯半径小于600 m即为小半径曲线。超大直径盾构在小半径曲线上推进主要存在如下问题。

2.1 纠偏量大,轴线控制困难

由于盾构机本身为直线形刚体,圆曲线段掘进只能形成一段连续的折线来拟合圆弧曲线。为了使盾构隧道轴线与设计轴线相吻合,掘进过程中需要进行连续纠偏。转弯半径越小,盾构机直径越大,拟合困难就越大,掘进单位距离的纠偏量也越大,因此其轴线控制更为困难。

2.2 管片容易出现拼装质量问题

线路转弯弧度大,需要左、右侧推进油缸形成一个较大的推力差才能满足盾构机的转弯要求,致使姿态调整的推力可调范围变小,从而增加了拼装质量控制难度,使得该区段管片出现崩缺、错台等质量问题的几率增大。

2.3 地面沉降增加

在小半径曲线段由于盾构机的超挖、纠偏量大,对土体的扰动也大,增加了土体损失率,使得地面沉降增加。此外由于小半径曲线段管片拼装质量不高,易造成管片接缝漏水,更加加剧了地面的沉降。

针对上述问题,下面将从盾构机设备选型、隧道的纵向受力分析、管片的构造措施、防水措施等方面进行综合分析,来有效地缓解小半径转弯引起的不利影响。

图1 北横通道盾构段平纵断面图

3 盾构设备选型与配置

在曲线段,由于常规盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合,需要使掘进路径成为一段段连续的折线,为了使得折线与急曲线接近吻合,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。因此在小半径曲线隧道施工时,更多倾向于采用具有铰接装置的盾构机。通过在盾构机的中部增加铰接装置减小盾构机固定段长度,可更好地控制曲线隧道的施工轴线,提高盾构机的纠偏灵敏度。带铰接与不带铰接盾构对比表如表1所列。

表1 盾构机对比表

由于北横通道小半径区段施工环境保护要求高,沿线穿越了大量的建筑物和轨道交通,且带铰接的盾构机具有超挖量少、对周边环境扰动小等优点,实施效果相对较好,因此推荐采用带铰接的盾构机进行施工。

4 小半径盾构隧道纵向受力分析

盾构隧道平面曲线半径小时,在盾构推进过程中为了实现盾构机的转弯需要施加不均等的千斤顶推力,此时会在隧道纵向产生附加弯矩,通过对盾构推进附加弯矩的计算对管片结构设计进行复核。图2为小半径曲线附加弯矩计算示意图。

图2 小半径管片纵向受力计算模型示意图

计算中根据现有15 m外径隧道盾构机施工经验,纵向千斤顶分为19组,每组的最大推力约为10 000 kN,在小半径曲线段,推力取为最大推力的80%,力的偏心距取为5 m。在隧道的覆土厚度为30 m、隧道外径D=15 m、厚度t=650 mm、千斤顶推力P=16×104kN,偏心距e=5 m的条件下,管片所受的弯矩与轴力情况如图3和图4所示。

图3 弯矩分布图

图4 轴力分布图

通过采用有限元数值模型对“S“曲线段进行的模拟分析,结果表明在极限偏心荷载作用下(19组千斤顶,每组最大推力10 000 kN),在管片采用C60混凝土时,可满足管片的受力要求。但还需要通过增加隧道纵向刚度和环间抗剪能力,来有效地控制衬砌环在小半径转弯区段的错台与接缝张开情况。

5 隧道的构造设计

在小半径急曲线的施工条件下对隧道结构产生的影响主要有两点：一是导致管片破损、开裂现象加剧；二是容易导致管片接缝渗漏增加。因此,结构设计着重从以上两点考虑,采取相应构造措施避免或减轻上述情况的发生。

5.1 减小环宽

管片环宽的选择与线路曲线半径、楔形量的设置等密切相关。通常,确定楔形量具有一定的经验性,应考虑管片种类、环宽、直径、曲线半径、管片制作的方便性、盾尾操作空隙等因素综合确定。日本规定管片环外径与楔形量的关系如表2所列。

表2 楔形量与管片外径的关系一览表

从上海地区已建大直径盾构隧道管片楔形量统计图(见图5)可见,楔形量集中在40 mm左右,最大达到80 mm。

图5 上海已建隧道管片楔形量统计图

针对北横通道工程线路情况,可能的管片环宽组合如表3所列。

从表3可见,采用2 m+1.5 m环宽组合比较经济合理,该方案的拼装机真空吸盘的位置也不需调整,较有利于施工。管片环宽及楔形量的选用情况参见表4所列。

5.2 增强环间抗剪能力

小半径区段,由于存在侧向分力,会导致管片错台过大,容易导致连接螺栓承受过大的剪切力,从而使螺栓孔附近管片混凝土出现裂缝,同时盾构机在小半径转弯区段的持续纠偏过程也易引起接缝张开量增加,导致管片接缝漏水,这对隧道结构耐久性及防水极为不利。

为了提高管片环间的抗剪能力,在环间设置剪力销(见图6)。除封顶块在背千斤顶面和迎千斤顶面各设置1个剪力销孔外,其余每块均在背千斤顶面和迎千斤顶面各设置2个剪力销孔,每环共设置19个剪力销。

5.3 加强纵向连接

对于管片纵向刚度的提高,一般有三种方法：一是通过螺栓将联系槽钢与管片的预留注浆孔进行连接；二是在管片内设置纵向拉紧的预埋钢板,管片拼装完成后,将环与环之间的预埋钢板再以钢板焊接连接；三是在每个剪力销预留孔两侧对称布置2个预紧力预留孔,在预紧力装置预留孔内设置双头螺柱并施加预紧力,从而提高隧道的整体纵向刚度及抗剪能力,改善管片的整体受力状态。

表3 管片环宽组合方式一览表

表4 管片环宽及楔形量选用表

图6 剪力销设计图

上述三种方法中,安装预紧装置对增强管片的纵向整体刚度最为有效(见图7),且施工方便,因此在小半径区域里均考虑采用。

图7 预紧装置安装示意图

5.4 环缝构造和角部加强措施

小半径曲线掘进时,转弯处的外侧千斤顶推力最大,内侧千斤顶推力最小,为避免受力不均匀引发混凝土边缘应力集中而造成边角破损,在迎千斤顶环面的千斤顶顶块位置局部设4 mm凸面(见图8)。

图8 环缝构造图

在小转弯半径区段,管片角部素混凝土处易发生碎裂,在角部采用钢筋网片进行加强,避免碎裂的产生。

5.5 增设注浆孔

在常规管片中,注浆孔的设置为每块管片设置1个注浆孔,每环管片共10个注浆孔。小半径转弯段在隧道施工中盾构超挖量增大,需及时多点2次注浆。所以在小半径区段所采用的1.5 m 环宽管片上增设了注浆孔,除封顶环外其余各块管片采用2个注浆孔,每环管片共设19个注浆孔。

6 加强施工控制

6.1 严格控制盾构的推进速度

推进时,速度应控制在1～2 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。

6.2 严格控制盾构正面平衡压力

严格控制与盾构正面平衡压力有关的施工参数,如推进速度、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。

6.3 严格控制同步注浆及二次注浆的注浆量和浆液质量

由于曲线段推进增加了地层的损失量,纠偏次数的增加导致了对土体扰动的增加。因此,在曲线段推进时,应严格控制同步注浆量和浆液质量,在施工过程中采用推进和注浆联动的方式,确保每环注浆总量到位。同步注浆及二次注浆的浆液采用双液浆,以便在较短时间内将建筑空隙填满并达到一定强度,并与原状土共同作用,有效地减小管片因受侧向压力影响而在建筑空隙范围内向弧线外侧的偏移量。

6.4 盾尾与管片间的间隙控制

小半径曲线段内的管片拼装至关重要,而影响管片拼装质量的一个关键问题是管片与盾尾间的间隙。合理的周边间隙既便于管片拼装,也便于盾构进行纠偏。

(1)施工中随时关注盾尾与管片间的间隙,一旦发现单边间隙偏小时,应及时通过盾构推进方向进行调整,使得四周间隙基本相同。

(2)在管片拼装时,应根据盾尾与管片间的间隙进行合理调整,以便于下环管片的拼装,也便于在下环管片推进过程中盾构能够有足够的间隙进行纠偏。

6.5 盾构推进轴线预偏

在盾构掘进过程中,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制在允许的范围内,在盾构掘进时,可考虑给隧道预留一定的偏移量。预偏量需根据理论计算和相关施工实践经验综合分析来确定。

6.6 盾构测量与姿态控制

小半径曲线段推进时,应适当增加隧道测量的频率,通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。同时,可以通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。在施工时,如有必要可实施跟踪测量,促使盾构机形成良好的姿态。

6.7 加强螺栓复紧

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分力,减少成环隧道偏移。

7 结论

针对小半径实施的特点及存在的问题,可有针对性地考虑采取如下几个方面措施：

(1)小半径转弯段施工推荐采用铰接式盾构,以提高盾构机的纠偏灵敏度,减少对周边地层的扰动。

(2)通过采用有限元数值模拟分析,在千斤顶的极限偏心荷载作用下,采用C60高强混凝土可满足管片的局部受压要求。但还需要通过增加隧道纵向刚度和环间抗剪能力,来有效地控制衬砌环在小半径转弯区段的错台与接缝张开情况。

(3)设计上可考虑减小管片环宽及相应调整楔形量,以减小侧向分力及管片中的应力集中现象。并通过设置纵向拉紧措施,增加隧道纵向刚度,为盾构推进过程中提供足够的反力,减小隧道向圆弧外侧的偏移量。

(4)施工中主要控制好纠偏量、推进速度、泥水压力、注浆量等施工参数,并注意控制好管片与盾尾间的间隙、设置一定的预偏量及加强螺栓复紧等,以减少小半径施工带来的不利影响。

(5)结合信息化施工， 及时通过监测的反馈信息调整盾构施工参数， 能有效地减少对周边环境的影响,避免施工偏差。

U455.43

A

1009-7716(2015)09-0210-05

2015-06-05

上海市科委科研项目(12231201002)

温竹菌(1975-),女,广西南宁人,硕士研究生,高级工程师,从事隧道工程设计研究工作。