本站原创【摘 要】通过对小曲线半径盾构施工技术的研究,使盾构机能从软土到硬岩等各类不同地质条件下实现小曲率半径的急转弯施工,有效拓展盾构施工技术,丰富盾构隧道的线型设计与选用.
【关键字】盾构；小曲线；半径
1.引言
小曲率半径的盾构施工技术涵盖盾构机选型、管片设计、测量控制、盾构机的姿态与线型控制、管片配置与选用、管片姿态控制、管片保护、铰接装置与盾构千斤顶的组合选用、注浆控制技术、刀具超挖量的控制技术、掘进参数的选用与控制等一系列技术措施的有效组合.
2.施工难点
2.1盾构推力设定
一般情况下的纠偏和大曲率半径施工时,通常是采用千斤顶的偏选来使盾构机转弯或纠偏的,但对于急转弯段来说,千斤顶的过分偏选,将造成两个问题：①每个千斤顶能提供的推力约120t,若选用的千斤顶太少,无法提供盾构掘进所需的推力；②管片受力过于集中,会对管片产生破坏.
2.2防止盾构机被卡
盾构机在岩层中转弯,需要的超挖量是多少,如何保证开挖直径,必须预先计算清楚,并制定好相关措施,使盾构机在岩层中能顺利沿计划曲线转弯.如若盾构机在岩层中被卡住,将使盾构机的推力变得很大,甚至无法掘进.
2.3如何使盾构机在软弱地层中转弯
盾构机是一个刚体,在软土地层中掘进时,容易出现隧道整体平移现象,这使得盾构机在软弱土层中掘进时,须预先制定好相关措施,使盾构机能顺利沿计划曲线转弯.若盾构机在软弱土层中无法转弯,将使盾构机远离计划曲线,施工失败.
2.4盾构管片的破损问题
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,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.
3.施工技术措施
小曲率半径盾构施工中,由于盾构机本身为直线形刚体,在小曲率半径段掘进形成的线形为一段段连续的折线,曲线半径越小、盾构机身越长,则拟合难度越大.通过对盾构机的姿态与线型控制、管片的选用、铰接装置与千斤顶的组合选用、注浆控制、刀具超挖量的控制、掘进参数的选用与控制等一系列技术措施的有效组合,使得盾构掘进折线与小半径曲线接近吻合来完成小曲率半径的盾构施工,并有效的保护拼装管片的质量.
3.1盾构选型
盾构机选型主要考虑两个参数：
3.1.1盾构机最小转弯半径.盾构机最小转弯半径的大小取决于盾构机的长度、是否启用铰接、铰接的开启量、刀盘刀具的超挖量等因素,盾构机选取尺寸尽量短.对盾构机选型还要验算盾构机的最小转弯半径,计算方法如下：Rmin等于（L1+L2）/4÷sin（θ/2）
式中：L1为盾构机前体长度；L2为刀盘的厚度；θ为铰接可开启最大值
3.1.2刀盘超量挖计算.盾构在小曲率半径内掘进铰接装置的使用,需要外圈刀具与仿形刀的超挖、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.超挖量的大小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.
3.2盾构机姿态控制
在盾构施工过程中,盾构机姿态变化不宜过大或过频,盾构姿态控制的好坏直接影响到盾构机是否沿计划曲线行走,以及隧道竣工的质量.在施工掘进过程主要通过以下几个措施来控制盾构掘进的姿态.
3.2.1合理使用铰接装置.①在小曲率半径盾构施工过程中盾构机姿态控制的原则是：调整铰接为主,千斤顶的选用为辅,尽可能全选盾构千斤顶来进行盾构推进；②在小曲率半径盾构施工中,千斤顶的选用是铰接控制盾构机姿态的一种辅助工具.当要使盾构机水平向左偏,则需提高右侧千斤顶分压的推力；反之,则需提高左侧千斤顶分压的推力.当要使盾构机机头向上偏,则需提高下部千斤顶的推力；反之亦然；③掘进过程的管片保护措施,在千斤顶选取时,应尽量全选.盾构机在260m小半径曲线段行走时,为了避免千斤顶在推进时造成管片的破损,可在每300mm～500mm推进后,适量收缩千斤顶,调整千斤顶靴板与管片的接触面,消除千斤顶对管片的侧向应,减少对管片损环,同时有利于盾构机方向的调整；④在小半径中掘进,铰接开启的大小要针对地层做出相应的调整,在软弱地层中提供盾构机外弧线的被动土压力小,盾构机转弯姿态较为困难,因此在软弱地层要实标开启的铰接值大小要比理论值相对偏大,而在硬岩地层,考虑到刀具磨损超挖量不够会引起盾构机卡壳,因此在硬岩地层中开启的铰接值要比理论值相对偏小.
3.2.2仿形刀的使用.铰接装置在小曲率半径施工过程中是盾构机姿态控制的主要手段,仿形刀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.因此,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,该工程将采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖,以有利于曲线行走.二是超挖量.但在急曲线段由于距离较长,为了减少仿形刀的磨损量,在掘进过程中尽量慎用仿形刀,尽可能的使用中折和合理选取千斤顶来进行急转弯.
3.3.3盾构姿态预偏.在小曲率半径段掘进时,盾构的姿态是一个动态的调整过程,为了使隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内,一般情况下,盾构掘进时应考虑让盾构机在水平上向曲线内侧偏移一定量,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,以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量,同时也可以便于在急曲线内进行纠偏,通常小曲率半径内的盾构姿态是在水平向内弧线偏移30mm左右.
3.3.4掘进速度与推力的控制.急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角θ,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,侧向分力的大小与千斤顶总推力成正比即降低千斤顶总推力,同时也意味着降低侧向分力,有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量.因此在小曲率半径盾构施工时,必须确定一个合理的推力和掘进速度,但是这个推力与掘进速度也不是一成不变的,随着施工条件、地质情况、线形等的变化,也须即时调整从而达到最好的施工效果.
4.结语
通过对小曲率半径的盾构施工技术的科研攻关,使盾构机能从软土到硬岩等各类不同地质条件下实现小曲率半径的急转弯施工,有效拓展盾构施工技术,丰富盾构隧道的线型设计与选用.