盾构机在特殊地段的管片拼装技术

杨成春,马晓卫

(中铁隧道集团二处有限公司掘进一工程公司,北京燕郊　101601)

摘要:深圳前湾燃机电厂过海管廊工程分为1088m 的盾构法施工段和370m 矿山法施工段,衬砌均采用6块钢筋混凝土预制管片拼装而成。隧道地质条件复杂,坡度要求高,在海下通过,需穿越预留排桩,给管片拼装造成了很大的困难。主要介绍了在该工程施工中的两个特殊地段:盾构机穿越预留排桩地段和盾构机过矿山段,如何采用正常拼装、纠偏拼装、曲线段拼装三种管片拼装技术顺利地通过,且保证管片拼装质量。关键词:盾构机;施工;特殊地段;管片拼装中图分类号:U455.43　　　　　文献标识码:B

Seg ment Erecti on Technology for Speci a l Porti ons of Shi eld 2dr i ven Tunnels

Y ANG Cheng 2chun,MA Xiao 2wei

(The 1st TBM Construction B ranch of the 2nd Engineering Co .,L td .of China R ail w ay

Tunnel Group,Yanjiao 101601,B eijing,China )

Abstract:Q ianwan subsea tunnel in Shenzhen consists of t w o secti ons,i .e .,the shield 2bored tunnel secti on and the m ined tunnel secti on,f or which p re 2fabricated reinf orced concrete seg ment lining consisting of 6seg ments per ring is a 2dop ted .Due t o the comp lex geol ogical conditi ons,high gradient require ments and the r o wed p iles under which the shield machine bores thr ough,it is of great difficulties t o conduct the seg ment erecti ons .For the t w o s pecial porti ons of the tun 2nel,i .e .,the tunnel porti on where the shield machine bores underneath thr ough the r owed p iles and the tunnel porti on where the shield machine advances thr ough the m ined tunnel secti on,three seg ment erecti on patterns,i .e .,nor mal e 2recti on pattern,directi on 2modificati on erecti on mode and pattern of erecti on f or curved secti ons,are adop ted,which re 2sults in high seg ment erecti on quality .The article p laces it e mphasis on the p resentati on of the af ore 2described seg ment erecti on technol ogy adop ted f or the t w o s pecial tunnel porti ons .

Key words:shield machine;constructi on;s pecial porti on;seg ment erecti on

1工程概况

深圳前湾燃机电厂过海管廊工程位于珠江口伶仃

洋海域上,两岸陆域相距约1.3k m 。过海管廊从建设中的交通码头用地范围内穿越,经大铲东水道海底,在大铲岛岸边登陆。整个过海管廊长1449.538m ,分为盾构法和矿山法施工,其中1088m 管廊采用目前国内最先进的复合式泥水平衡盾构机进行施工,衬砌采用6块钢筋混凝土预制管片拼装而成,隧道成型后内径

为2440mm ,外径2940mm;另外370m 管廊采用矿山法施工。盾构机从始发井开始掘进,推进1088m 到达矿山法施工段,然后通过矿山法施工段后进入接收井完成整个管廊施工。

2工程主要难点

2.1

地质条件复杂,坡度要求高

(1)海底管廊沿线工程地质及水文地质条件复杂,隧道断面岩性分布不均匀且有明显差异,盾构穿越的地层既有软土又有软岩,甚至硬岩。隧道穿越地层有残积土、硬塑性粘土、粗砂、中密砂、细砂层、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩,风化岩强度从2～91.47MPa 不等。隧道位于海底,根据招标文件提供的地质资料及现场调查,其最大水压可能达0.31MPa 。

(2)隧道的纵坡设计控制点为规划的420m 双向航道东边线与管廊中心线的交点,该处盾构管廊的顶埋深高程按-24.0m 控制。该点以东为30‰的上坡,该点以西为2‰的下坡(见图1)。隧道两坡度之间设R 2000的竖向曲线。曲线全长153m (里程18.986～171.413),曲线半径700m 。收稿日期:2006-03-08

作者简介:杨成春(1980-),男,2003年毕业于山东科技大学机械设计制造及自动化专业,本科,工程学士,助理工程师,从事AVN2440DS 泥水盾构机的施工及管片拼装工作。

第26卷　增刊2006年5月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　隧道建设Tunnel Constructi on 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

26(Sup.):32～34

May,2006

图1

隧道纵面示意图

Fig .1

Longitudinal p r ofile of

tunnel

2.2　地质软硬不均且变化频繁,管廊处在海底下,掘

进及管片拼装具有较大难度

由于隧道断面岩性分布不均,并且常常出现上软下硬、左右不均等地层。根据深圳地铁类似地层盾构施工经验与教训,如果掘进参数选取不当,可能会造成

盾构损坏,如主轴承密封破坏导致主轴承受损,刀盘磨

损严重致使掘进受阻。推进油缸的推力和转向油缸的伸出选取不当可能造成盾构机偏离轴线,进而在纠偏过程中造成管片的破损和开裂,并可能伴生较大的地面沉降。因此,盾构施工难度很大。2.3　盾构穿越预留排桩,保护排桩要求高,且有一定的技术难度

盾构始发井布置在电厂陆域交通物资码头西南角,海底管廊必须从码头预留的11m 跨钢管排桩(见图2)下穿过,必须控制管桩的位移,确保管桩的承载能力不受影响,具有一定的技术难度,其施工难度很大

。

图2

码头排桩示意图(单位:m )

Fig .2

Sketch of r owed p iles at the wharf (unit:m )

以上工程的主要难点决定了管片拼装存在一定的困难。管片拼装质量成了影响整个隧道工程质量的关

键因素,是工程成败的关键。

3管片拼装点位

采用万能转向管片,管片宽度最长尺寸为1005mm ,最短尺寸为995mm 。拼装采用错缝拼装和接缝拼装两种。管片环的拼装始终按照ABBACC 的顺序进行。管片拼装点位是指管片拼装时A 管片插入块所在的位置。隧道管片有6个点位,即2点、4点、6点、8点、10点、12点(其中2、6、10点管片拼装在侧面封顶;4、8、12点管片拼装在顶部封顶),见图3。管片点位选择的主要依据是盾尾间隙。盾构机盾尾标准间隙为65mm 。

在拼装好上一环管片后,必须对管片的上、下、左、右四个位置的盾尾间隙进行测量,然后将测量数据输入电脑,运用程序进行计算,电脑将下一环管片的拼装点位显示在屏幕上。如果盾尾间隙过小,则盾构机在掘进过程中盾尾将会和管片发生干扰,轻则增加盾构机掘进的阻力,降低掘进速度,重则盾尾将管片损坏,

造成地表沉降和隧道渗漏水

。

图3　管片拼装点位图

Fig .3

Sketch of positi ons of different seg ments in different rings

3

3增刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　杨成春等　　盾构机在特殊地段的管片拼装技术

在深圳前湾燃机电厂过海管廊工程施工过程中,主要出现了两个特殊地段:盾构机穿越预留排桩地段和盾构机过矿山段。

4.1　管片拼装情况

管片拼装情况主要有三种:

(1)正常拼装:通过对前一组拼装好的管片测量,确定是否有偏差方向,如无偏差则属正常拼装,根据管片结构尺寸和正负抵消的原则,此时环管片拼装要环向旋转180°达到正负抵消。

(2)纠偏拼装:管片是在盾构的盾尾内拼装成环的,故管片成环位置受到盾构机推进后盾构位置的。通过对前已拼装好管片的测量,确定偏差方向及偏差值。再根据偏差方向及偏差值的大小选用拼装好的管片各块在不同位置所调整尺寸不一致的特点来逐步纠偏,每环管片最大纠偏量为5mm,最小纠偏量为

2.5mm。

(3)曲线段拼装:转弯环在实际拼装过程中,可以根据不同的拼装点位来控制不同方向的偏移量,通过管片不同点位的拼装,可以控制盾构隧道的曲线走向,从而实现隧道的调向。当隧道需要调向时,管片与上一环相临管片(沿盾构机前进方向)采用短短相连、长长相连的方法,这样不断向前延伸,则隧道就能按照预计方向进行调向,并符合设计曲率半径。同时,要保证隧道曲轴线的精度,需要控制好成环精度,要求第一块管片定位要正,使封顶块的左右两腰管片宽度的最大差值在水平中心断面线的位置上。

4.2　盾构机穿越预留排桩地段的管片拼装

盾构机在始发过程中因洞门密封的约束未能及时地调整好盾构机的姿态,使得盾构机完成始发后中心线严重地向左偏离隧道设计中心线,若不能及时地纠正盾构机的姿态,使其向右偏转,会有盾构机撞到排桩的危险。同时隧道设计中心线为曲线。

于是管片拼装配合盾构机司机调整盾构机姿态,同时采用管片纠偏拼装和曲线段拼装两种拼装技术。

因为盾构机中心线严重地向左偏离隧道设计中心线,左侧盾尾间隙远小于标准间隙,最小为35mm;而右侧盾尾间隙远大于标准间隙,最大为95mm。因此必须使盾构机姿态有向右偏转的趋势。于是在实际的管片拼装过程中按照U06、U04、U08三种点位进行间隔拼装。由管片拼装点位图可知管片会一直在向右偏转。通过四十二环管片的拼装,使得盾构机中心线基本与隧道设计中心线重合,在误差允许范围内。

4.3　盾构机过矿山段的管片拼装

矿山段隧道直径略大于盾构机外径,盾构机过矿山段时的姿态取决于矿山段现成隧道。盾构机推进过程中刀盘处于静止状态,为避免刀盘抵触矿山段现成隧道的欠挖部分,必须在推进过程中尽可能使盾构机处于矿山段隧道中心,且刀盘前面无掌子面,盾构机在推进过程中仅克服轴向的拖车与管片之间的磨擦力,没有过大的阻力,故盾构机会存在轻微摆动,因此盾构机的方向控制受到矿山段现成隧道方向的影响。同时管片外侧空隙大,其空隙无法及时填充饱满,在推进过程中管片单独受力。而且隧道呈上坡趋势,坡度为30‰。

由于上述原因导致管片拼装存在困难。因此管片拼装采用管片正常拼装和纠偏拼装两种拼装技术,确保管片拼装质量。其中值得注意的是:拧紧管片连接螺栓要使用套筒扳手、电动扳手、扭力扳手等,将其紧到所规定扭矩,防止管片变形下沉。

5管片拼装质量控制

管片拼装后直接形成隧道,所以拼装质量的好坏直接反映出整条隧道的质量及外观,也就奠定了整个工程的质量等级。质量控制的标准如下:

①成环环面控制:环面不平整度应小于3mm;

②相邻环高差控制:相邻环管片高差应控制在4 mm以内。

管片拼装允许误差见表1。

表1管片拼装允许误差

Fig.1A ll owable deviati ons of erected seg ment rings

测试部位　　　　

允许偏差　

/mm　

备注

相邻环的环面间隙≤1.0　内表面测定

纵缝相邻块间隙2±0.2　其中2mm为衬垫

对应的环向螺栓孔的不同轴度<1.0

6结束语

盾构机于2005年6月5日成功始发。在盾构机穿越陆屿码头的过程中,盾构机外径和桩基之间的距离仅为1.4m,盾构的姿态和方向控制十分困难。针对地层桩基分布密集的实际,为最大限度的减少盾构机掘进对桩基的扰动,确保陆屿码头的安全,制定了周密的穿越方案,通过调整盾构机姿态、掘进参数和管片拼装点位,加快掘进和管片拼装速度,确保了桩基不位移、码头不下沉,进而成功穿越了陆屿码头。8月份,创造了月掘进586m、最高日掘进28m的优异成绩,打破了在“长江第一隧道”———中石油忠武输气城陵矶长江穿越隧道施工中创下的月掘进369m、日掘进22 m两项全国泥水盾构施工记录。11月6日盾构机成功穿越矿山段隧道,完成整条隧道的管片拼装工作。

43隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年5月　第26卷