盾构法施工小曲率转弯隧道管片成环质量控制--管片成型错台和碎裂原因分析及防治措施

盾构法施工小曲率转弯隧道管片成环质量控制--管片成型错台和碎裂原因分析及防治措施

摘 要：盾构法施工小曲率半径隧道时，掘进施工轴线控制较难，很容易造成盾构偏离轴线以及纠偏困难等问题，影响隧道施工速度及管片拼装及隧道结构质量。针对这一施工技术与质量控制难点，本文以武汉轨道交通二号线洪中区间为例深入探究小曲率转弯隧道施工技术与管片成环质量控制要点。

关键词：盾构施工 小曲率半径 管片错台 管片碎裂 防治措施 前言

在盾构施工中，盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。在盾构施工中，常常会遇到盾构管片结构上浮、隧道轴线偏移和管片错台等问题。此类问题除了会影响隧道走向、净空外，还会引起管片破裂并破坏管片结构，从而给隧道的防水带来隐患。地铁成型隧道管片的上浮和错台以及由其引起的管片破裂一直是困扰盾构隧道施工的技术难题。本文以武汉市轨道交通二号线一期工程18B标洪中区间小曲率转弯施工时出现的管片碎裂和错台为研究对象，就产生管片碎裂和错台原因进行了总结分析，并就避免管片破损碎裂和错台的应对措施进行了探讨研究。 1 工程概况

武汉市轨道交通二号线一期工程洪~中区间隧道结构采用预制装配式钢筋混凝土单层内衬，错缝拼装，环片内径 5.4米，厚度0.3米，宽1.5米。管片强度等级C50、螺栓强度等级8.8级。管片为通用型管片，单环楔形量45mm。管片纵向和环向均采用单排弯螺栓(达克罗六角螺栓)连接。管片衬砌体接头面采用平面式，在环缝和纵缝靠近外弧侧设止水条槽，在内弧侧设嵌缝槽。 洪山广场站～中南路站区间二号线隧道左线703.258ｍ、右线700.24ｍ。全线最小平曲线半径为R＝350m（国内通常认定R<500m的平曲线为小曲率），纵断面呈节约型“V”坡，最大纵坡为-28.350‰，区间隧道顶部埋深在8.2～24.6m之间。本工程洪山广场站～中南路站区间左右线从洪山广场站始发后便是一段R350m曲线推进。本隧道主要穿越土层有：洪山广场站～中南路站区间二号线主要穿越（10-2）层碎石粘土、(11-1) 粉砂、(11-2a) 粉质粘土、(16a-3)石灰岩、（18b-2）泥灰岩、（18c-2）泥岩、（18d-2）石灰岩、（18b-4）溶洞。 2施工与质量控制难点分析

2.1小曲率半径转弯推进轴线控制较难，纠偏较难

本工程所采用的盾构机为德国海瑞克S601土压平衡式盾构机，盾构机外径6250mm，管片拼装后平均盾尾间隙约为75mm，采用被动连接式铰接油缸拉伸控制转弯时盾尾间隙。盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合，曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制；盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态

偏差；由于拐弯弧度大，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，从而可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，所以加大了隧道轴线控制和纠偏的难。同时，转弯段盾构施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后方可确定。 2.2管片在千斤顶推力水平分力作用下易产生垂直轴线位移

隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移，如图1。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶的推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移。

图1 转弯处管片受千斤顶推力示意图

盾构推进方向

图2 转弯时盾构机与管片位置 示意图

如图2所示，千斤顶开始推进时,管片受到来自盾构机的作用力有：A 点的接触力( 因此时管片刚安装上, 虽然有作用力, 但较小)；左、右部分钢丝刷的作用力及油脂压力, 由于盾尾间隙右部远大于左部, 所以左部钢丝刷作用力较大，此时测量盾尾间隙右侧应大于左侧。

随着盾构机掘进1 环完成，千斤顶开始回收，此时管片受到盾构机作用力为：C 点的接触力,此时由于管片抵御盾构机的偏离, 导致机壳对管片产生极大的作用力；由于右部盾尾间隙减小,管片此时脱出盾尾，这也是造成C点作用力的垂直于轴线的主要原因，此原因主要造成了管片环向错台。在小曲率转弯时错台外弧线向内，而内弧线向外错台。

图3 外弧线向内错台 内弧线向外错台 2.3 管片之间易发生错台，管片易产生碎裂

管片存在一个水平方向的受力，不但会使整段隧道衬砌管片发生水平偏移，还会导致管片之间发生相对位移，形成错台。由于管片的特殊受力状态，管片与管片之间存在着斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点，使得相当多的管片因此破裂。还有一个破裂原因就是因为相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处的混凝土产生了剪切作用，使该处的混凝土开裂。如图4所示：

图4 千斤顶顶推管片掉角破损 螺栓连接部位管片开裂破损 3 预防方案与应对措施

对于小曲率转弯的施工与质量控制难点，主要是从盾构机掘进参数、盾构千斤顶推力分

配、管片选型、被动铰接的使用和螺栓复紧等施工措施方面来解决，特别是要采取同步注浆及时填充围岩空隙保证土体稳定的措施。下面对上述难点逐一进行分析并探讨： 3.1 小曲率半径隧道轴线与纠偏控制 3.1.1 盾构姿态控制

盾构机的姿态可通过左侧和右侧千斤顶推力的调整来控制，本工程对右转曲线的调整可采取的方式主要为通过左右侧推进油缸的推力差实现行程差从而实现转弯。这是盾构施工转弯的基本方法，在小曲率半径施工时应控制左右油缸推力差，一般以不超过40bar为限，过大的推力差会导致水平分力过大的管片错台，推力差过小则不能实现盾构机转弯。推进时应注意观察千斤顶撑靴的位置，使撑靴中心与管片环中线重合，减小千斤顶顶推垂直轴线的分力。 3.1.2 纠偏控制

当出现姿态偏差超过20mm时必须进行及时纠偏，否则难以保证规范要求的轴线偏差50mm。通过调整区域油压来进行盾构纠偏时，上下与左右分别计算推力差，油压差应控制在50bar以内，油压具体数值要根据情况调整。纠偏应及时并且单环纠偏量不应大于10mm。

控制盾构姿态的主要目的为控制好盾尾间隙，通常若盾尾间隙差超过20mm则会出现不同程度的错台，当盾构姿态良好时管片在盾尾内拼装将更容易。 3.1.3 转弯段起点前预先转弯

根据本工程地质情况和线路走向趋势，应使盾构机提前进入相应地预备姿态，使得盾构机掘进至转弯位置时已调整到预定的设计轴线上，无需在该点急转。由于缓和曲线与小半径曲线350 m的切线角θ存在较大差距，在切点处再进行转向，初始偏转量较大，这在盾构机使用被动铰接装置的情况下较为困难。故一般情况应提前5环就进行盾构机的预偏转，同时调整管片平面轴线与盾构机一致。 3.1.4 加强测量施工

因本工程转弯半径较小，通视长度仅有约40 m，测站间距离较小，盾构机后第一个测站距离也较近，应根据通视情况尽量减少个数。随盾构转弯及时进行跟进测量。本工程测量时主要控制盾构机的偏差，所以按照地铁盾构施工测量方法，要以控制盾构机的姿态和偏差值来控制隧道姿态和偏差。测量内容为：盾尾轴线和高程，并计算出与设计轴线偏差值，另外还包括管片坡度，管片与盾尾间隙实测数据等，盾尾间隙应每环测量。测量成果要用表格报盾构司机和项目部技术人员用于纠偏。 3.2 管片选型拼装控制 3.2.1 管片选型

施工过程中要严格管片选型程序，以保证管片拼装质量。为满足小曲率转弯施工要求，本工程管片标准环宽1.5m，单环楔形量为45mm。管片选型应综合盾构姿态、预期盾构姿态、千斤顶行程、盾尾间隙等因素考虑。本工程每环封顶块可选点位为U1-U16，考虑错缝拼装则可选点位数为5，为充分利用管片楔形量，转弯时一般选用靠转弯半径内侧的点位进行拼装，这样可以平衡推进千斤顶行程与盾构姿态的矛盾，减少纠偏量。 3.2.2管片拼装

管片拼装前应清理盾尾杂物，确保管片与管片连接螺栓孔无杂物，管片与管片间软木衬垫传力无阻碍，管片与盾尾间无大块杂物。这是管片拼装操作的前提。拼装时应严格按照由下至上，左右交叉的顺序拼装，减少螺栓穿插难度，使管片均匀摆布，减少由于螺栓变形导致的管片错台、碎裂。成环时应检查管片间隙、管片错台情况，务必使管片错台量小于规范要求的环向6mm，径向5mm的要求。在此基础上当管片脱出盾尾时才有保证管片错台量满足成型要求的环向15mm，径向10mm的可能。

3.3 被动铰接使用

海瑞克S601盾构机采用被动铰接的形式调节盾尾姿态。在小曲率转弯施工时，务必要注意铰接油缸压力与各油缸伸缩量。本工程R=350m转弯铰接油缸行程差不宜大于40mm，最小伸缩量不宜低于10mm，最大伸缩量不宜大于60mm，油缸压力不宜大于80bar。在隧道左线小曲率半径转弯施工时，项目部采取上述铰接油缸参数控制取得了良好效果，管片成型错台量环向平均值为9mm，无严重碎裂情况。 3.4 螺栓复紧的控制

螺栓是管片与管片间连接的唯一配件，螺栓是否紧固到位直接影响管片脱出盾尾时的受力状态。本工程采用的达克罗六角螺栓弧线长度为518mm，管片螺栓孔净距464.6mm，垫片厚度8mm，螺帽厚度22mm，螺纹的螺距为2.8mm，管片间隙2mm，螺栓密封圈1mm。

518-464.6-8*2-22-2-1*2=11.4/2.8=4.07取整为4丝

经计算，螺栓露出螺帽长度理论值为11.4mm，故日常检查中以螺栓露出螺帽3-4丝为紧固标准，露出长度小于2丝的螺栓认为紧固不到位。 在日常检查的10处环向错台严重的部位，发现有6处螺栓未拧紧或螺栓垫片下有泥块。这表明螺栓紧固程度与管片错台有直接联系。因此项目部要求所有管片螺栓必须用气动扳手上紧到300N?m，在千斤顶推进过程中和推进后应对最新安装的3环管片进行复紧，确保管片环脱出盾尾整体受力。 4 结语

本工程左线在右线推进的施工经验基础上结合理论计算，制定相应的应对措施，在左线R=350m小曲率转弯施工时取得了良好效果，管片总体错台量大幅度下降，管片碎裂情况也较右线有所缓解，工程质量得到了大幅提高。

盾构法施工小曲率转弯隧道管片成型质量不仅仅是管片拼装质量的直接体现，也是施工测量、盾构掘进参数控制、工序过程管理的综合体现。只要牢牢把握住小曲率转弯施工的技术要点，管片错台与碎裂的质量问题就可以迎刃而解。

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