小半径曲线盾构隧道设计及施工新技术
【摘 要】上海地铁13号线北翟路出入场线属于小半径曲线隧道,在分析同类型工程经验的基础上,对隧道结构、管片等进行再设计。施工中采用铰接式盾构推进,通过特殊部位的地层加固、纵向刚度加强等措施,减小盾构切向分力带来的影响;同时配合信息化施工,调整施工参数,保证了顺利贯通。由于采用新的设计、施工思路,为后续项目提供了经验。 【关键词】城市轨道交通 盾构 管片 小半径 注浆
随着社会和经济的高速发展,以及城市化进程的不断加快,对各种地面资源的利用逐渐趋于饱和。各地地铁设计及建设的周边环境控制因素越来越多,小半径曲线线路大量出现。因此,较为系统地总结小半径曲线的设计施工经验,为后续工程提供经验指导,已成为当务之急。本文依据上海市轨道交通13号线北翟路出入场线区间工程项目,从盾构机的选型、区间结构设计以及现场施工控制、信息化施工等方面对小半径盾构隧道设计、施工进行系统的总结分析。 1、工程概况
上海市轨道交通13号线一期工程由华江路站至南京西路站,北翟路出入场线位于13号线一期西端金沙江西路站及丰庄站之间。受周边场地及环境的,出入场线下穿苏州河后分别以250m及350m半径接入金沙江西路站及丰庄站。250m为A型车出入场线一般情况下的最小半径(见图1)。
入场线盾构区间设置单侧区间排水泵站一座;出场线穿越正线风井,并在风井内设置排水泵站一座。场区地基土分布如下:杂色—灰黄色填土①1层、褐黄色—灰黄色粉质黏土②1层、灰色砂质粉土②3层、④灰色淤泥质黏土层、第⑤1-1黏土层、第⑤1-2粉质黏土层、⑤1灰色砂质粉土夹层、⑤2灰色砂质粉土夹粉砂层、⑤3灰色粉质黏土夹层。盾构区间主要位于④层、第⑤1-1层及⑤1-2层。 2、盾构设备选型
土压平衡盾构技术在地铁隧道施工中的应用已经渐趋成熟,它保留了泥水盾构的优点,可以在黏土、含水量高的砂层和砾石层中施工,且不需要复杂的泥水处理设备。
在曲线段,由于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。
为了控制好曲线隧道的施工轴线,提高盾构机的纠偏灵敏度,铰接式盾构被提出(见图2)。通过在盾构机的中部增加铰接装置,减少了盾构固定段长度。使用铰接装置后,盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形,需要配套使用仿形刀装置进行部分超挖。因此,控制好曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和仿形刀装置[1]。
3、区间结构设计 3.1 纵向刚度的提高
小半径曲线隧道每掘进一环,则管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生角度θ(见图3),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。一般在圆曲线半径取定时,已验算侧向作用力对原状土体的影响,管片在侧向作用力下,不足以使原状土体发生塑性破坏,即土体处于弹性变形范围。因此,研究侧向分力形成的原因和规律就可以有效控制土体的弹性变形范围[2-3]。 侧向分力计算(见图4),有 F侧=F总sinθ(1) θ=tan-1(L/RD) =tan-1[L/(Rc+D /2)]
式中:F总为盾构千斤顶作用力;F纵为垂直于管片环面的反作用力;F侧为平行于管片环面的侧向反作用力;Rc为圆曲线半径;D为管片外径;L为管片宽度。
盾构依靠管片轴向刚度和地层刚性作为反力来纠偏。在软弱地层中,小曲线内侧阻力较小,再加上采用铰接盾构机施工,故没有显著约束盾构弯曲的因素。
日本的规范明确规定,在隧道缺乏自稳性的情况下,为了增大地层反力,防止结构松弛,在软弱地层中纠偏较大处的超挖,要采取压注和高压喷射等工法加固地层,为曲线隧道提供反力壁。同时,盾构推进反力需要管片具有足够的刚度,为了确保合理的推进反力,有必要增大管片的纵向刚度,或者采用地层加固措施以及两者的组合措施。为此,本次设计从上述两个角度采取措施。 3.1.1 设置加强肋
在靠近盾构机处的管片内侧设置60 cm的加强肋加强肋采用双拼18a槽钢用钢板焊接成型,然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接,从而将隧道纵向连接起来,以加强隧道纵向刚度。 3.1.2 注浆
注浆包括同步注浆及壁后复合早凝浆注入。同步注浆采用惰性浆体可防止堵塞注浆管,减小盾壳的侧摩阻力,及时填充盾壳空隙。但由于惰性浆液难以完全充填空隙,且早期强度不够,不能提供侧向反力,有必要及时注入复合早凝浆,以便在较短时间内将建筑空隙填满并达到一定强度,与原状土共同作用。注浆需及时,否则千斤顶产生的侧向分力会随着盾构机
顶进,随曲线角度的加大而加大。
图5所示即为本次设计中的地层加强范围。施工监测显示,加强肋及地层加固有效地减小了隧道侧移。 3.2 管片设计 3.2.1 楔形量的调整
从式(1)中可以看出,在特定工程下,只有L为可以调整的变量,L应尽量减小,以更好的拟合线路曲线,减小盾构管片间的应力集中。
本工程中采用了1.0m宽的管片。分6块, 1块封顶块(KF),2块邻接块(KL1、KL2), 2块标准块(KB1、KB2),1块拱底块(KD),分块角度分别为:封顶块16°,邻接块、标准块65°,拱底块84°。
管片设计了左、右转弯楔形环,与直线环组合对线形进行拟合。楔形环采用双面楔形,为方便盾构推进中误差的调整,管片的楔形量理论最小拟合半径需小于实际线路半径。如盾构推进中出现曲率过大或过小,可通过增加直线环或曲线环调整设计线路。结合上海早期工程实例,最终设计楔形量确定为32.34mm,管片楔形量理论最小拟合半径为191m。
3.2.2 双道止水设计
国内通常的的管片防水为外侧遇水膨胀橡胶+三元乙丙弹性橡胶密封垫、内侧聚乙烯泡沫条+密封胶/聚合物水泥嵌缝,如图6(a)、(b)所示。而本项目中由于隧道为小半径曲线,对管片防水带来新问题:①由于采用了1m宽管片,环缝增加;②区间线路平面内的纵向变形带来的环缝角度增大。
为此,设计中在内侧防水以内对管片增设了一道内侧防水,即聚醚型聚氨酯防水条,见图6(c)。表1为聚醚型聚氨酯防水条的物理参数。
3.2.3 管片的配筋加强
盾构推进中,盾尾千斤顶缩进后支撑在新拼装的管片上。小半径曲线隧道中,盾尾处曲线外侧千斤顶需要施加较直线推进大的推进力,因此,需适当加强标准环与邻接环的配筋,以承受偏心荷载。
3.2.4 注浆孔的增设
普通管片中注浆孔设置为2环邻接环+2环标准环+1环落底环,管片中心各设计一个注浆孔,共5处注浆孔。曲线隧道施工中盾构超挖量增大,需及时多点2次压注复合浆液。为此,本次设计1m环宽管片采用15个注浆孔,除封顶环为单螺臂孔外,其余各块管片采用3个注浆孔。拱底块管片上3个注浆孔预埋件考虑道床影响,设置方向为向下。 3.2.5 泵房处钢管片的设计
上海市盾构管片通用标准图中,推荐泵房及联络通道处采用2环1.2m环宽钢管片+2环1.2m环宽钢砼复合管片,4环特殊管片均为直线环。本项目入场线路最低点位于250m半径处,需设一处单侧泵房。此处的特殊管片设计受到多处条件:采用4环1. 2m环宽的原特殊管片设计,则难以拟合线路曲线;采用楔形1.2m管片,则涉及到新的楔形量确定及模具加工;采用4环1.0m环宽管片,不能满足泵房开口及积水坑的需要。
最终设计中采用中间2环直线1. 2m钢管片, 2侧1.0m宽楔形复合管片。复合管片楔形量同为32.34mm,混凝土管片部分可以采用1m环宽普通楔形环,同时有效地保证了泵房冰冻法开孔及曲线的拟合。 3.2.6 下穿主线隧道管片设计
出入场线位于正线隧道下侧,间距3. 35m,出入场线先期施工。为防止上侧正线长期运营振动及后期沉降对于下侧隧道的影响。对于重叠隧道穿越段的衬砌环,管片采用钢筋钢纤维-聚丙烯纤维复合混凝土。其中,钢纤维含量为30 kg/m3,聚丙烯纤维掺量为1 kg/m3。
4、区间施工控制
根据前期设计阶段的盾构选型,最终确定采用铰接式土压平衡盾构。图7为采用铰接盾构下穿过程中的3个状态。
图7(a)状态为铰接角度不足,曲线内侧超挖较大,同时造成外侧D点未接触到土体,易引起盾构机的不稳定;图7(b)状态为铰接过大,超挖较小,盾构机后侧铰接段通过后会对土体造成影响;图7(c)状态为界限铰接角度,为最理想的铰接状态。前部外端(A点)和前筒后端(G点)、后筒后端(D点),均在同一圆弧上,对土体的扰动最小。
4.1 仿形刀设备的使用
盾构大刀盘上安装有2把仿形刀(见图8),超挖范围为100mm。在曲线施工时,可根据
推进轴线情况进行部分超挖,超挖量越大,曲线施工越容易。但另一方面,超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面,加上曲线推进时反力下降的因素,会产生隧道变形增大的问题。因此,超挖量最好控制在超挖范围的最小限度内(见图9)。
图9(a):曲线施工前,仿形刀开始在内侧超挖,为曲线施工准备;图9(b):曲线端头开始铰接,仿形刀继续内侧超挖;图9(c):正常曲线段;图9(d):开始复位,对曲线外侧开始超挖。 软土土质条件下,半径超过400m,可以采用铰接而不需要使用仿形刀,可减少操作上的繁琐,并减小推进中对隧道的侧向影响。 4.2 纠偏量的控制
在盾构掘进过程中,要加强对推进轴线的控制。曲线推进时盾构实际上应处于曲线的切线上,因此推进的关键是确保对盾构机的控制。曲线推进时必须做到勤测勤纠,而每次的纠偏量应尽量小,确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。根据设计图纸,部分楔形垫片制作将采用丁基软木橡胶,同时为控制管片的位移量和环面的平整度,管片纠偏在适当时候仍需采用软木楔形垫片,以减少位移和管片碎裂现象的发生,从而达到有效控制轴线和地层变形的目的。
对于曲线的急转弯,测量吊点间距(25环)较小,靠近开挖面的管片在侧向压力的作用下可能发生位移,所以为确保导线点的精确性,每推5环复测一次。西出入段推进过程中,每推进50 cm测量一次盾构姿态,同时,盾构上坡推进时,盾构很容易发生“上抛”现象。故盾构坡度每次向上纠偏量小于0.2%,并调整好土压力设定值,以切口土体不隆起或少隆起为主。 4.3 掘进速度的控制
盾构推进中最关键的是控制好推进速度,曲线上穿越过程中,掘进速度控制在5~10mm/min。掘进中保证均匀、慢速,但推进速度需要与土仓压力、出土量相协调。 4.4 土仓压力的控制
在盾构掘进过程中,土舱土压力与开挖面前方土体(刀盘或面板上)的土压力存在一定的土压力差,这是造成周围土体变形的主要原因。因此,施工中应尽量减小仓内外压力差。土仓压力应控制在刀盘前方实际水平压力(静止土压力十水压力)的105~115%[4]。
4.5 出土量的控制
掘进速度小于出土速度时,土舱会产生空隙,前方土体不能维持稳定,进而导致土舱压力骤然下跌,地表沉降过大。反之,则会对开挖面造成挤压,使得前方土体朝掘进方向移动。实际推进时,需根据地面沉降监测信息及地面荷载,通过调整盾构掘进速度或出土速度,以维持开挖面的平衡稳定,具体方式包括:千斤顶推进速度不变,通过进土口的开口率或转速调整。根据上海地质经验,开口率定位于30%左右,可使软泥顺利地从切削面流向土仓;保持螺旋输送机进土口的开口率和转速,改变千斤顶推进速度。保证这种速率下,实际出土量与理论出土量较吻合[5]。 4.6 千斤顶的回缩控制
盾构每掘进1环,就必须停下来拼装管片。此时,盾构机的千斤顶控制模式转为拼装状态,千斤顶液压系统的额定压力为6.5MPa(正常推进时千斤顶液压系统的额定压力为32MPa)。设计考虑的是在拼装状态,使用个别千斤顶时,不至于顶坏管片,同时也保证了在拼装时,盾构机的姿态不发生较大偏移。
因为拼装时千斤顶压力降低,在拼装管片的过程中盾构机有微量的后退,前仓土压力变小。根据实际统计,拼装管片前后的土压力变化值可达0.1MPa。因此,在穿越施工过程中,拼装时土压力的波动,必然会引起周围土体应力(主要是正前方)的波动,从而加剧对正面土体的扰动。在实际施工时为解决这一问题主要采取的措施有:在每环掘进结束时,通过减少出土量使前仓土压力略高于设定土压力;缩短拼装管片的时间。 5、信息化施工
信息化施工技术是运用系统工程于施工的一种现代化施工管理方法,它包括信息采集—信息分析处理—信息反馈—控制与决策(调整设计与施工方案及采取相应措施)。 施工监测是保证盾构掘进、控制地面沉降,确保沿线建(构)筑物和地下设施正常使用的必要条件。凭借监测数据可对施工中将要出现的问题通过改进各项推进参数来解决,并不断完善与优化下一步设计与施工,如调整盾构推进速度、土仓压力,调整下行线内的压重值。如果发现异常现象预示潜在危险时,应发布应急预报,迅速通报设计施工部门进行研究,对出现的各种情况作出决策,采取有效的措施。在实践经验相对较少以及相关的理论体系还未成熟完善的情况下,信息化施工显得尤为重要。
本项目非常重视信息化施工,事先提出相应的警戒值和极限值两个指标,当接近到警戒值时,监测人员检核监测资料的正确性,并增加监测频率,及时将监测信息数据经计算机处理后反馈给设计施工单位,保证了最终的顺利贯通。 6、结语
在上海市轨道交通13号线北翟路出入场线项目中,从前期盾构选型、结构设计到现场施工,采用很多新的设计及施工方法,总结了大量设计施工经验。
1)小半径曲线隧道中宜采用小环宽管片,有利于减小侧向分力及管片中的应力集中现象,需同时调整衬砌楔形量、管片配筋、接缝防水、注浆孔等。
2)由于盾构推进中侧向分力的增大,需要从增加隧道纵向刚度及外侧地层强度两方面保证盾构推进过程中反力的提供。
3)小半径曲线隧道施工推荐采用铰接式土压平衡盾构,并利用仿形刀等设备,控制好纠偏量。
4)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,能有效减少对周边环境的影响,避免施工偏差。
可以说,在设计施工前细致考虑各种控制因素,通过充分的前期设计准备,以及结合信息化施工加强现场控制,能够保证小半径曲线隧道的顺利贯通。 参考文献
[1]杨洪杰,傅德明,葛修润.盾构周围土压力的试验研究与数值模拟[J].岩石力学与工程学报.2006(8):1652-1657.
[2]徐辉.铰接式盾构机的铰接与仿形刀应用[J] .地下工程与隧道,2003(2):41-44. [3]杨俊龙.盾构近距离急曲线穿越已建地铁隧道技术研究[D].上海:同济大学,2004. [4]邵华.盾构近距离穿越对邻近地铁隧道的影响及其工程对策研究[D].上海:同济大学,2005.
[5]张丽,陈东.深埋隧道实用计算分析[J].都市快轨交通,2009,22(6):76-78. 文章来源： 《都市快轨交通》原作者：张 颖 李铭军
