雙圓盾構施工中轉角的控制？
雙圓盾構法隧道由於在節約地下空間資源、減小對地面構築物的影響、降低工程造價等方面的優點,使其成為地鐵建設和市政工程隧道建設中的主要施工方法。雙圓盾構機(Double-O-Tube)由於其在形態和設備配置上同單圓盾構機的差異,難於糾正其在推進過程中產生的側向偏轉(以下簡稱轉角),盾構機的斷面向壹側偏轉角度α。雖然轉角在單圓盾構施工中會發生,但對於單圓盾構,由於是圓形斷面,盾構即使發生偏轉,對於管片襯砌的拼裝及今後隧道使用中的受力狀態不會產生使用功能上的影響,對軸線也不會產生太大的影響。而雙圓盾構隧道有兩條軸線、橫向尺寸顯著增大,襯砌管片發生偏轉現象將直接影響管片拼裝,使中間立柱產生附加應力,從而影響正常使用功能,同時也會影響地表沈降的控制和盾構設備的使用。因此,偏轉控制也就成為雙圓盾構施工過程中的技術重點和難點。
1 轉角發生的影響因素
雙圓盾構機推進過程中很難控制雙圓盾構始終保持平衡,總有偏轉發生,其原因有如下幾個方面。
1.1 土質特性的影響
雙圓盾構機在推進過程會受到如下幾個方面力的作用:盾構正面阻力、盾構四周土體與盾構殼體間的摩阻力、盾構自重與下臥土層的摩阻力及開挖面土體對大刀盤的扭矩反力T1、T2等(圖2)。
圖中F1為切口貫入阻力;F2為正面阻力;F3為四周土體與盾構外殼的摩阻力;F4為自重產生摩阻力。由於受到土質變化、隧道埋深變化和地面建築等因素影響,使以上這些外力不均勻地作用於盾構從而導致盾構推進時發生轉角。
兩邊大刀盤由於接觸的土層不同以及刀盤所處位置的地面超載不同,造成作用於大刀盤上的扭矩發生左右偏差,從而導致盾構機發生滾動。另外盾構機左右兩側的支持地基的土性的不同引起不均勻下沈或由懸崖、急傾斜地形等左右兩邊的復土厚度的不同同樣會引起轉角①。
1.2 盾構機體的制造誤差
雙圓盾構其斷面為啞鈴形,是中心對稱結構,相對較為穩定。但如果由於制造誤差使其在某方面不再對稱,如雙圓盾構機兩側的重量平衡的偏差,這將使盾構向壹側轉動產生偏轉。
1.3 運輸臺車的牽引重量的不同
由於盾構體內的空間是有限的,盾構機具要配備相當數量的設備,壹般被安置於設備臺車上,設備臺車是安設在隧道內,對於雙圓盾構,左右隧道內需各設壹臺,由盾構拖拉壹起推進。由於左右運輸臺車的重量差以及拖動對盾構產生的後拉力不對稱, 會引起轉角現象的發生。
1.4 已拼裝完成管片對軸線控制的影響
由於拼裝誤差等原因,使拼裝完成的管片與盾尾之間的間隙大小不壹,甚至會發生管片與盾尾有接觸現象,這種接觸會產生摩阻力,這會加大盾構機與隧道的偏轉(圖3)。
上述因素在實際施工過程中會比較明顯的導致雙圓盾構發生偏轉現象,此外,其他的影響因素如盾構註漿的流失、皮帶傳送帶的支架支持點的誤差,也會引起盾構發生偏轉。
2 雙圓盾構偏轉角的控制方法
雙圓盾構推進過程中由於盾構機體的制造誤差、土層條件的不均勻、地面超載以及施工過程中的操作問題都會很容易的引起襯砌管片的滾動。滾動的發生將造成左右隧道的高差及中間立柱的傾斜,並將直接影響隧道建成後的正常施工功能。雙圓盾構因左右刀盤相互間逆向旋轉,扭轉反力和慣性力相互抵消,壹旦發生偏轉就不能像單圓壹樣通過逆轉刀盤得到解決。壹般的雙圓隧道施工中糾正滾動的有效方法主要有以下幾點:
(1)采用糾偏千斤頂控制偏轉。調整盾構機千斤頂的推進角度,用千斤頂推力產生的沿盾構圓周方向的分力,來修正盾構機的偏轉。
(2)采用單側壓重控制偏轉。此法較為簡單,但也是壹種經常使用的方法,當盾構發生偏轉時,在盾構單側加壓鉛塊等重物,實現盾構糾偏。
(3)采用仿形刀設備控制偏轉。利用仿形刀對盾構掘進斷面的某些部位進行適量的超挖,使盾構機產生與偏轉方向相反的可控的沈降或位移,以修正盾構機的偏轉。
(4)采用控制左右螺旋機的出土量控制偏轉。雙圓盾構機兩側的螺旋輸送機的轉速以及出土量是獨立的控制的,因此可以通過調整左右螺旋機的出土量來調整兩土倉內的土壓力,從而調整了左右刀盤的扭矩,來實現糾偏。
(5)盾尾註漿控制:根據偏轉與超挖情況,增大盾尾壓漿量的方法來糾正與控制偏轉。
(6)用高精度測量儀器來測量,盡量在早期進行糾偏。
圖4為六號線某段工程中實測滾動偏轉角與頂進距離的關系。有時盾構後隧道的連帶作用產生的慣性矩,即使實施了糾偏動作,也不能壹下子向期望的方向發展。如圖所示,在偏轉角為-0.28°時開始了千斤頂糾偏動作和增加盾尾同步註漿量,但收效甚微,偏轉角繼續擴大,在三天內達到-0.4°,這時采取了單側壓重的措施,取得了壹定的效果。但壹天後偏轉角繼續發展。對於這種情況采取了仿形刀在偏轉的反面超挖和增加註漿量的措施後,偏轉方向朝相反方向發展,糾偏效果明顯。
3 結束語
雙圓盾構隧道施工中的質量控制較單圓盾構更為復雜,特別是偏轉的發生,不僅使施工難度增大,而且對隧道管片襯砌的拼裝產生不良的影響,也會使已施工完畢的隧道中柱產生較大的應力集中現象而影響施工質量。本文就雙圓盾構方向偏轉的原因作了解釋,同時提出了方向控制的壹些施工技術措施。上海市地鐵6號線的施工中,對滾動偏轉角進行了實時監測及時糾偏,使這幾項控制指標的偏差控制在允許範圍內,達到了方向控制的目的。
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