小半径曲线盾构隧道管片错台控制技术研究

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　　摘 要：小半径曲线盾构隧道工程，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。可见，管片安装好坏直接影响隧道的质量和使用寿命。由此，本文依托小半径曲线盾构电缆隧道调查管片拼装错台超标统计情况，对超标原因进行分析，并针对性地提出具体的控制措施，提高管片拼装质量。
　　关键词：小半径曲線;盾构;管片;错台
　　中图分类号：U455.49 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）02-0086-03
　　Research on Control Technology of Slice Stagger in Small Radius Curved Shield Tunnel
　　Abstract： In the small radius curve shield tunnel project， the segments twist and squeeze the stratum outward， which makes the stratum and segment structure suffer complex influence. It can be seen that the installation of segment directly affects the quality and service life of the tunnel. Therefore， this paper relied on the statistics of small radius curve shield cable tunnel to investigate the over-standard of segment assembling staggered platform， analyzed the reasons for the over-standard， and put forward specific control measures to improve the quality of segment assembling.
　　Keywords： curve in small radius;shield;segment;step
　　城市地下空间利用和建设，受地面既有建筑物和地下空间的限制，出现了大量小半径曲线隧道工程。小半径曲线盾构外侧呈挤压状态。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。管片安装好坏直接影响隧道的质量和使用寿命。蒙晓莲[1]以广州地铁4、5号线直线电机盾构隧道工程为背景，针对直线电机隧道大坡度和小曲线半径的显著特性，采用理论分析、数值计算、现场实测对比分析等方法，对小半径、大坡度线路条件下盾构隧道施工开挖面稳定性和管片受力相关问题进行研究探讨。薄帅帅[2]运用数值模拟研究管片结构受力等效应力和管片接头的力学状态等情况。刘建国研究了盾构隧道管片拼装质量控制技术，分析管片拼装错台的原因，并提出相应的防治措施。本文依托电缆隧道，研究小半径曲线盾构隧道管片错台控制技术。
　　1 工程概况
　　深圳电网北环110kV架空线改造入地电缆隧道工程土建I标南线隧道位于深圳市福田区，从笔架山公园南侧坡脚开始，向南穿行笋岗西路、中心公园，至深南东路转向西行，沿深南大道经福田河、深南皇岗立交至深南彩田立交，沿彩田路西侧南行，至终点为220kV福华变电站，南线主要长度为4 044m，其中盾构隧道全长3 965.956m。盾构隧道设5处曲线，其中3处最小半径为250m（见表1），设置4个区间，最长区间为1 456m（见图1）。
　　工程地质情况如下。隧道沿线范围内上覆人工素填土、冲洪积粉质黏土、粗砂、黏土及残积土，下伏基岩为燕山期花岗岩。隧道局部地段洞身穿越中、微风化岩层或隧道开挖面上软下硬。地下水主要表现为松散土层孔隙水、孔隙潜水及基岩裂隙水。隧道埋深在28～32m，沿线地下水稳定水面埋藏深度0.60～18.00m，标高介于0.05～9.00m，且有一定承压性。
　　2 管片拼装情况
　　设计管片外径4.6m，内径4.0m，管片宽度1.2m，管片厚度0.3m，混凝土强度等级C50P10。
　　2.1 管片拼装要求
　　本工程管片拼装允许偏差满足《盾构法隧道施工与验收规范》（GB 50446—2008）和《地下铁道工程施工质量验收标准》（GB/T 50299—2018）规定，成型隧道相邻管片径向错台大于10mm、相邻管片环向错台大于15mm的超标率≤5%。为打造精品优质工程，超标率控制在4%以内。
　　2.2 管片拼装调查
　　项目部调查第一段小半径曲线第352—401环共400处点位，其中有40处点位发生错台超标的现象（见表2）。
　　2.3 调查结果
　　调查结果显示，曲线段管片错台超标率高出验收允许值（5%），且超标率还在继续扩大。
　　3 调查分析
　　根据管片超标统计情况，对超标原因进行调查分析。
　　3.1 管片纠偏幅度过大
　　通过查找第364环的掘进记录（左转），盾构水平姿态为+51mm。此时，盾构司机为了防止盾构机进一步偏离中线，采取了加大左右油压差的方式进行纠偏。但是，在操作过程中，纠偏幅度过大，造成连续3环的盾尾间隙过小，从而造成盾尾尾刷挤压管片导致管片错台超标。
　　3.2 管片拼装点位选取错误
　　通过查找第378环的掘进记录（左转），盾尾间隙左侧为75mm，右侧为56mm，根据盾尾间隙、掘进油缸行程差及铰接油缸行程差，选择了时钟1点位，管片点位选取不当，故而造成拼完之后的第379环出现盾尾间隙小，从而导致在下环掘进过程中盾尾尾刷台阶挤压管片造成错台超标。 　　3.3 管片拼装操作不当
　　调阅第380—384环的掘进记录表及拼装时间发现：当天白班完成掘进12环。根据以往经验，管片调运+拼装时间应在15～20min。翻阅拼装记录，发现当天拼装时间平均为13min。现场值班人员反映，为了赶工，管片拼装时只进行了粗调。在拼装环节，其错台量已超標。可见，源头上把控不到位导致错台量超标。
　　4 控制措施
　　通过调查分析，制定针对性的控制管片错台对策（见表3）。
　　4.1 理论计算与实际操作结合，确定最大纠偏量
　　技术人员对小半径曲线左右油缸行程差进行了理论计算，其理论值为20.64mm。
　　[Δ=l×R+r2R-l×R-r2RmmΔ=1 200×4.3250=20.64mm]           （1）
　　式中，[Δ]表示油缸行程差;[l]表示每环掘进长度;[R]表示曲线半径;[r]表示油缸安装直径。
　　曲线盾构推进每环都在纠偏，通过盾构千斤顶行程差控制纠偏量，逐环小量纠偏，防止过量纠偏对已拼装管片和盾尾密封的损坏，纠偏量控制在2～3mm/m。每次纠偏量需保证楔形块环面处于曲线半径的径向竖直面内。管片与盾尾的间隙影响管片拼装质量及盾构纠偏，通过盾构方向调整使四周间隙基本相同。
　　在实际掘进过程中，连续三环油行程缸差在26mm时，发现盾尾间隙逐渐减小，铰接油缸压力上升。通过调整油缸行程差及管片拼装位点后使其降低到标准范围，经多次试验后，左右油缸行程差控制在24mm时，对盾尾间隙无影响。此时，铰接压力为180bar，铰接油缸位移差为80mm。
　　后续每环掘进油缸行程差控制在24mm。此时，可以保证盾尾间隙每环的变化量能适应刀盘的开挖轮廓，否则超过该值后易造成盾尾与管片挤压形成错台。
　　4.2 技术人员对管片拼装点位选取进行技术交底
　　第一，技术人员对盾构掘进人员下发管片拼装点位选取施工技术交底并进行培训。通过进行交底培训，让现场人员了解管片构造、楔形量控制以及管片超前量如何计算。
　　第二，现场进行管片拼装点位选取指导，结合理论数据，确认选择的管片是否超前或者滞后，管片安装顺序从底部标准块开始向上拼装相邻块，在隧道顶部拼装封顶块。
　　通过加强技术培训，合理进行管片拼装点位的选择，纠偏后盾尾间隙均大于45mm。
　　4.3 选聘经验丰富的管片拼装工现场示范
　　第一，加强现场控制，对盾构掘进技术人员下发管片拼装施工技术交底并进行培训。通过进行交底培训，让现场人员熟悉管片构造、管片拼装的操作要求。
　　第二，拼装工进行现场示范交底，并讲述关键部位的把控。
　　管片拼装后允许偏差相邻管片的径向错台不超过5mm，相邻环管片的环面错台不超过6mm。
　　5 效果验证
　　控制错台措施在第2段小曲线段实施后，共检测点位400处，累计错台点位为17处，错台超标率为17/400=4.25%，达到验收要求（不超过5%），但未达到当初确定的目标（4%）。第二段250m小半径曲线错台超标调查表见表4。从后半段25环的错台超标率来看，达到4%的目标是可以实现的，需要进一步控制。
　　6 底部错台控制
　　通过对第二段250m小半径曲线管片记录进行分析与总结，发现错台部分在成环管片的底部较多。这主要是因为未考虑雨季施工因素。通过现场核对试验，将现场细砂的含水率调整为与雨季一致，其他配合比数据不变，实测初凝时间为10h，不符合方案要求的为6h。对此，提出以下控制措施。
　　计算施工配合比，合理进行含水量的调整。对每次进场的细砂进行含水量测定，通过现场试拌确定砂浆浆液初凝时间。
　　调整配合之后测定砂浆浆液。浆液初凝时间为6h，满足方案要求的同步注浆初凝时间在4～6h。
　　控制错台措施在第3段小曲线段实施后，共检测点位400处，累计错台点位为14处，错台超标率为14/400=3.5%，符合《盾构法隧道施工与验收规范》（GB 50446—2008），且符合当初制定的质量控制目标，实现了错台超标率4%以内的目标（见表5）。
　　7 控制效果及巩固措施
　　7.1 控制效果
　　管片拼装质量得到显著改善，二次注浆费用、管片修补费用大幅降低，管片破损频率大幅下降，平均日掘进环数增加1.5环，施工效率提高，施工进度加快，为企业带来了显著的经济效益（见表6）。
　　7.2 巩固措施
　　编制《盾构隧道施工安全质量管理手册》下发到现场管理人员和操作人员手中，结合现场情况，制作幻灯片，举办学习班，深入施工现场监督指导，不断提高施工人员素质，保证施工质量。
　　8 结论
　　在具体施工中，要注意：理论计算与实际操作结合，确定最大纠偏量，每次纠偏量需要保证楔形块环面处于曲线半径的径向竖直面内;雨季每工作班应测定细砂含水率，通过现场试拌确定砂浆浆液初凝时间。
　　对施工成型的盾构隧道管片拼装质量进行抽查，管片拼装质量有很大的改善，管片错台大于10mm的比例降低到3.5%，提高了管片拼装质量。
　　参考文献：
　　[1]蒙晓莲.大坡度小半径线路情况对盾构法施工开挖面稳定性及管片受力影响的研究[D].北京：北京交通大学，2011.
　　[2]薄帅帅.盾构施工对管片结构受力的影响分析[D].北京：北京交通大学，2010.
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