杜闯东1,杜怡杭2,黄小福3
(1.中铁隧道局集团有限公司,广东广州511457;2.深圳大学土木与交通工程学院,广东深圳518060;3.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东广州511457)
摘要：为解决大直径盾构隧道掘进施工中经常出现的管片上浮、错台和线形偏差等难题,对多个大直径盾构工程设备和施工过程进行姿态模拟和现场测试,发现盾构主机经常采用低头或与隧道线形不一致的姿态掘进,管片脱出盾尾后会产生较大的上浮力或水平错动力,造成规律性错台或隧道线形偏差,还会造成管片开裂、破损和渗漏等问题。探究发现:盾构主机重心偏移、盾尾及后方管片上浮或姿态调整过度是造成管片规律性错台和隧道线形偏差的主要原因。分析认为:盾构姿态和隧道线形控制除了受地层性状和浮力等客观条件影响外,还主要受盾构设备、管片结构和施工控制3方面影响。在合理优化盾构设备主机自重、重心和注浆系统,强化管片环缝端面结构和抗剪设计的基础上,通过加强盾构姿态拟合、掘进参数管控和注浆工艺创新等措施,可实现大直径盾构隧道管片错台消减或规避、姿态和线形可控。
0引言
盾构法的诸多优点使其成为隧道(洞)建设的主要选择之一,但盾构隧道的修建还存在一些技术难题,特别是在大直径(D≥10m)盾构隧道的盾构姿态、管片错台和隧道线形控制等方面,由于影响因素多、受力状况复杂,还需要持续开展相关研究。石湛[1]结合工程实例,对大直径盾构隧道管片结构形式、分块方案、连接形式、环纵缝构造等方面的设计思路进行了介绍;曹淞宇等[2]采用有限元方法建立局部错缝拼装管片结构模型,对目标管片在拱顶位置受拱顶竖向均布力荷载作用下弯矩与位移的分配规律进行了研究;张力等[3]考虑大断面管片接缝面及接头复杂结构形式,为找到一种便于工程应用的管片接头抗弯刚度取值方法,开展了接头抗弯足尺试验,并对取值结果进行了验证;张君等[4]对管片结构在施工过程中的受力状态进行了分析,提出了管片脱出盾尾后至浆液初凝前的上浮计算方法,并提出了一些管片上浮的控制措施;傅鹤林等[5]对盾构隧道施工期渗流场、地应力场、隧道埋深、地下水位、泥水和注浆压力等因素进行分析,明确了各因素对隧道施工的影响程度和作用机制;李明宇等[6]基于监测结果及施工参数,对大直径盾构隧道施工期管片上浮和错台发展规律及其影响因素进行了研究,分析了其相关性;肖明清等[7]推导了密封垫有效总泄漏率公式,并通过数值分析与防水试验,证明所提出的有效总泄漏率指标作为密封垫防水性能评价方法的合理性;舒瑶等[8]提出了考虑渗滤效应下同步注浆浆液固结时间的计算方法,建立了不同渗透性地层中同步注浆浆液固结特性的管片上浮分析模型,对施工期管片上浮特性进行了分析;肖明清等[9]基于盾构隧道施工期的受力模式,拟定了隧道直径、围岩条件、覆土厚度、浆液凝固时间、浆液密度、盾构掘进速度及盾尾间隙7个主要影响因素,分别建立了盾构隧道施工期上浮分析模型与管片错台量计算模型,分析了施工期各因素影响下盾构隧道上浮错台量的变化规律。
综上所述，相关研究大多从管片分块形式、接头结构受力、防水密封设计、足尺试验和建模分析等方面,对结构防水、上浮机制、错台规律和浆液固结特性等进行了系列理论研究,为大直径盾构隧道的建设提供了有力支撑;但通过大量工程实践发现,有些研究成果与现场实际状况还存在一定差异。因此,本文结合施工现场,针对大直径盾构设备结构、管片结构设计和施工过程控制等方面在实际工程中的表现形式进行分析,进一步研究盾构、管片姿态和错台控制的相关影响因素及控制重点,以期为大直径盾构隧道姿态和线形控制提供借鉴。
1盾构隧道施工过程受力和姿态线形影响分析
1.1盾构主机自重、重心和受力影响分析
盾构在掘进施工中,主机和管片悬浮于外围流体或软塑介质中,受力状况复杂。尤其是大直径泥水盾构,其主机自重(包括附着于主机内的设施和管片,管片考虑2环)与外部浮力一般都不匹配,并受主机重心偏移影响,通常需要通过调整推进油缸分组压力来维持盾构垂直姿态,相对于隧道设计轴线采取低头(前倾)或抬头(后昂)模式掘进。部分工程项目盾构主机和管片参数统计见表1。
正常情况下,大直径盾构所承受的外周浮力一般都大于盾构主机自重,因此盾构主机需维持低头趋势掘进。此时盾构推力在垂直方向产生2个分力,即F推=F推1(有效推力)+F推2(竖向分力)(F推1=F反力,F推2=F浮-G,F反力为简化的推进反力,F浮为主机浮力,G为主机自重),其中,向下的垂直分力(F推2)用来抵消主机的浮力差,但在后部管片不稳固和环间抗剪力不足时,会循环加剧管片的上浮;反之,如果盾构主机自重大于浮力,则盾构主机会以抬头趋势掘进。分析可知,在正常掘进情况下,主机自重是影响盾构垂直姿态的重要因素;重心偏移则主要影响上下推进油缸压力差的调整,重心越靠前,下部油缸压力要随之加大,反之则减小。通过前面的分析并结合隧道的纵断面线形设计受力分析可知,盾构主机自重不足和重心向前偏移会加剧盾构下坡掘进低头趋势及控制难度,对下坡掘进的姿态控制更为不利,反之则上坡掘进会得到相应缓解。盾构主机主要受力示意图见图1,盾构主机低头掘进模式受力示意图见图2。
1.2盾构管片姿态、上浮与错台相互关联分析
盾构整环管片在水体或浆液中的浮力一般为自的2倍以上,大直径管片单位长度浮力相对更大重,若步注浆不是快凝浆液,脱出盾尾的管片会持续承受同大的外围流体浮力,上部土体压力和抗剪力将不能较及时传递给管片使其稳固,从而出现以下问题:1)发生连续多环管片整体上浮,造成局部应力集中,导致管片局部裂纹或渗水;2)盾尾内管片上浮会挤压上部尾刷(盾壳),造成上部盾尾间隙小;3)相邻环管片间抗剪力不足,管片环间将产生规律性错台式上浮;4)在软弱地层中还会引起盾构主机姿态变化,造成盾构姿态难以控制和隧道线形超限。
实际施工中,为调大上部盾尾间隙、方便顶部管片安装,会尽量将带楔形量的管片环宽最小处(一般为封顶块)拼装在底部位置,这将导致推进油缸行程上短下长,使每环管片与隧道轴线存在坡度差;而盾构掘进按隧道设计轴线推进,因此,环间管片会产生适量的规律性错台以削减坡度差,维持隧道设计线形,施工中很多项目都出现过类似的隧道管片上浮现象[10]。通过绘图模拟可推导出管片的垂直错台量计算公式(见式(1)),同理可推导水平错台量计算公式(见式(2))。管片姿态与隧道线形偏差规律性错台调整示意图见图3,与文献[11-12]的研究成果存在一定差异。
式中:δv为垂直错台量;δh为水平错台量;Tv为盾构垂直趋势偏差(线路纵坡-盾构主机坡度),1/1000(偏差/长度);Th为盾构水平趋势偏差,1/1000(偏差/长度);J为油缸行程;Di为管片内径;B为管片环宽。
1.3盾构建压大小与建舱高度(液位)影响分析
实际盾构施工过程中,还要结合盾构类型、主机结构、重心、地质、线形、建压和注浆等系统地进行受力分析。如:建压大小将对主机和管片纵向挤压力、竖向分力和环向摩擦力造成影响,若采用空舱或气压辅助模式掘进,由于盾体外浆液流窜,主机和管片承受的浮力大小受外部的建舱(液位)高度影响。因此,盾构建压和建舱控制会对垂直姿态造成较大影响。
1.4垂直姿态和线形控制案例分析
1.4.1上浮和规律性错台
广深港狮子洋隧道盾构开挖直径11.18m,主机长12.43m,管片外径10.8m,内径9.8m,环宽2m,管片环缝端面采用大平面+软木衬垫+柱型定位销设计。按1倍洞径埋深,只计算泥水反力情况下纵向挤压力超过14700kN;根据建筑材料摩擦因数相关测定试验,取光面混凝土摩擦因数为0.6,只计算管片端面环间竖向抗剪摩擦力可达8820kN,则纵向传递抗剪摩擦力也为8820kN;按每环管片浮力差约1470kN,在背后浆液不能及时凝固条件下,应保证脱出盾尾的5~6环管片不发生环间错动和弯曲上浮。但在实际施工中,盾构主机基本采用低头模式掘进,在不同地层段管片都出现过上浮和规律性错台现象,如图3所示。分析认为:采用普通砂浆凝固时间长且容易受泥浆侵蚀,定位销因不能同时、均匀承受剪力,会被逐步或逐个破坏;并发现软木衬垫在大剪切力状态下会产生柔性滑动,削弱管片环间的摩擦因数或摩擦力。在软弱地层段尝试取消软木衬垫后,相关现象很快得到遏制或改善,分析认为:大平面混凝土端面直接接触对维持管片环间的抗剪力更可靠。广深港高铁狮子洋隧道管片端面及软木衬垫见图4。
1.4.2盾构低头
意大利“SS1 Nuova Aurelia”公路项目[13]有3座隧道,采用1台开挖直径13.72m的单护盾TBM,无铰接设计,管片外径13.3m,内径12.6m,其中巴西(Basci)隧道长约490m,地质主要为软弱黑云母—白云母片麻岩和角闪岩,导致推进反力很小,采取多种措施后仍无法控制TBM栽头。最终在TBM主机顶部和洞口之间设置了绞线千斤顶系统,利用拉索产生负力矩,才解决了严重低头问题,具体原理见图5。格鲁吉亚KK公路隧道采用1台开挖直径14.86m的单护盾TBM,围岩强度比较低(特别是洞口段),始发后也出现了一定的低头现象,吸取之前经验在TBM设置铰接,施工中通过合理应用铰接使垂直姿态得到了有效控制。2个单护盾TBM案例说明了建立合理舱内压力和液位高度对盾构在软弱地层中姿态控制的重要性。
盾构始发使盾构主机从刚性支撑状态逐步过渡到受外围土(流)体包裹、支撑或悬浮状态,受力状态变化及转换复杂;始发也可看作从敞开式向闭胸模式的过渡,盾构自重和重心偏移对始发垂直姿态的影响比较大,大多会出现低头趋势。而且,不同类型盾构和地层对始发掘进建立压力的要求不同,泥水和土压平衡盾构随着逐步建立的泥水和土舱压力,对盾构主机从前到后会逐步产生浮力;并随着压力的提高,舱内反力提供的力矩也会提高,使得底部油缸压力相应提高,从而抵消部分低头力矩。因此,建压对始发和软弱地层盾构掘进姿态控制是有利的。另外,泥水和土压平衡盾构也采用气压辅助掘进模式,这时壳体外侧流体高度会对盾构主机浮力造成一定影响,且大直径泥水盾构气垫舱容积比较大,气垫舱液位高低会引起主机实际自重变化。所以,盾构掘进姿态控制既要考虑地层变化,又要结合实际掘进模式和相关参数进行调整。
2大直径盾构掘进姿态和线形控制主要思路
影响盾构隧道线形控制的因素很多,如地质、水文、注浆、管片结构、掘进控制和主机结构等,其中,区间地质和水文很难大范围改善或改良,浮力客观存在。盾构在特定环境和曲线地段掘进时,若上浮力或方向调整过大,超过管片环间抗剪力,环间会通过产生规律性错台来调整适应隧道线形,曲线段水平姿态也不会按管片楔形量进行拟合,但水平姿态受影响相对简单。管控重点还是盾构和管片的垂直姿态控制。
2.1水平姿态与线形控制
盾构隧道正常掘进水平姿态和隧道线形主要受最小曲线半径、设备结构尺寸(主机长度、锥度和扩挖量等)、管片楔形量、点位选择和线形拟合等方面的影响,控制技术难度相对较小。在相关参数确定的情况下,曲线段掘进的重点是做好线形拟合、保证硬岩中边刀扩挖量和同步注浆稳固工作,通过合理调整各组油缸压力,尽量使盾构主机按曲线趋势稍偏向曲线内侧掘进,使左右油缸行程差的增加值与理论楔形量基本一致,在拼装点位选择过程中结合盾尾间隙和油缸行程差进行综合调整。
曲线段管片的理论(最小)楔形量可根据盾构隧道断面直径、管片环宽和线路曲线半径等要素进行计算(见式(3)),但管片的设计楔形量要大于最小楔形量δΔ。
δΔ=De×B/R。 (3)
式中:De为管片外径;B为管片环宽;R为隧道水平曲线半径。
2.2垂直姿态和线形控制
1)明确控制上浮是垂直姿态和线形控制的重点。主要思路是通过盾构主机自身与工作面(及外围地层包裹)的挤压作为前部固定端,通过注浆稳定后的管片作为后部固定端,中间管片由推进反力提供环间挤压力[14],并通过增强环间抗剪、注浆减小浮动等措施,增加管片环间及管片与主机之间的抗剪力和整体刚度。另外,被压紧和固结的整体管片可形成悬臂梁,从而对尾盾产生下压力,增大顶部盾尾间隙,达到遏制上浮和错台、控制隧道线形的目的。
2)闭胸盾构要建立压力平衡掘进。基本目的有3方面:①保证软弱地层稳定;②平衡自然水压,保证地下水不向前窜流造成浆液流失;③增强管片的挤压力,保证管片环间的抗剪力。
3)在适宜地层和环境条件下才可采用合理的气压辅助掘进模式。主要有3方面影响：①可在度上改善在高黏地层掘进时的糊刀盘状态;②一定程盾体液位降低会减小盾构主机或盾尾部分管片浮力外;③造成同步注浆流失,需盾体外采取隔断措施来保证注浆。
3控制措施及相关问题探讨
3.1科学优化管片结构和抗剪设计
3.1.1采用大平面环缝端面
通过前文分析可知,如果注浆工艺不合理,多环管片的浮力会叠加传递,使某环缝间剪力超过两环管片间的抗剪值,导致环间发生错台或破损。常规的设计主要采用在管片环端面设置定位销(棒)、凸凹榫(台)和管片螺栓等措施,但管片螺栓所能提供的预紧力和抗剪力非常有限,定位销、凸凹台和凸凹榫不能同时整体受力,很容易产生抗剪力集中而导致个别部位破坏并逐步发展。连续凸凹榫看似全环抗剪,实际在抵挡垂直抗剪时,6点钟(按钟表点位,下同)和12点钟方位左右凸凹榫受力最大,在3点钟和9点钟方位凸凹榫基本不能提供抗剪力,而且连续凸凹榫会大大减小管片端面有效受力面积[15],使局部压强增加、应力集中,导致管片开裂或破损等问题。管片端面连续凸凹榫见图6,凹凸榫结构示意图见图7。
以管片外直径14.5m、厚度0.6m、环宽2m,凹凸榫尺寸突起厚30mm、宽188mm,建立模型共5环,管片中间3环施加浮力荷载9902.77kN,第1、5环外侧约束全部自由度,管片与管片之间施加剪切弹簧和轴向弹簧。凹凸榫工况下,6点钟方位剪力约为612kPa,12点钟方位剪力约为365kPa,3点钟和9点钟方位剪力约为0。凹凸榫管片几何模型和端面剪力图分别见图8和图9。
在盾构施工正常建压情况下,推进油缸传递给每环管片所产生的环间摩擦力完全可以抵抗多环管片的重量和浮力差。因此,大直径盾构管片环缝端面建议直接采用大平面接触面,利用管片环间混凝土摩擦力抗剪,这样端面受力面积更大、更均匀,可减小应力集中点而避免造成破损,降低管片拼装和掘进工况下的强度要求。
同样,以管片外直径14.5m、厚度0.6m、环宽2m,建立模型共5环,结构两端受49000kN轴力,前4环施加浮力荷载13210.4kN,第1、5环外侧约束全部自由度,管片与管片之间施加剪切弹簧和轴向弹簧。端面为平面工况下,6点钟方位剪力约为676kPa,12点钟方位剪力约为23kPa,3点钟和9点钟方位剪力约351kPa。大平面管片几何模型和端面剪力图分别见图10和图11。
3.1.2合理采用强制定位形式
通过前文分析可知,定位销设置不当会造成抗剪应力集中,导致管片开裂和渗漏水,如果认为有必要采用强制定位,则建议采用大截面纺锤型定位销(见图12)。大截面纺锤型定位销中间粗、两头尖,强制定位时,对止水条侧向挤压距离短,方便管片安装,受力截面大,抗剪力强,材质选择得当,还能够适应适量的剪切变形。凸凹台(见图13)类似于大截面纺锤型定位销,但设计时一般预留一定间隙。柱状定位销(见图14)和细长型定位销(见图15)在管片拼装时需要提前侧向挤压纵缝止水条,造成止水条角部集聚、滑动和挤压不均匀等问题,并直接破坏定位销。此类定位销建议采用梯形管片(见图16)和平行四边形管片(见图17),可减小拼装时对止水条的侧向挤压。
3.1.3取消软木衬垫
管片环间软木衬垫的作用主要是缓冲混凝土面接触应力,但其负面影响比较大,在大剪力作用下会产生柔性破坏,极大地降低接触面摩擦因数而导致错台。因此建议取消软木衬垫。香港屯门—赤鱲角和茶果岭海底隧道的管片采用环缝端面大平面、大截面纺锤型定位销、外侧单道三元乙丙止水条、无软木衬垫、少螺栓和无螺栓设计等。工程建设期间,2个工程的管片上浮和错台控制效果良好,验证了前面的建模计算,值得相关工程借鉴。2个工程的后、前及纵端面管片设计见图18—21。
3.2注重盾构主机结构设计和浮力检算
由于大直径盾构机自重的不匹配和管片浮力差的客观存在,特别是大直径泥水盾构,在盾构主机设计时要注重主机自重和重心的验算,检算在最不利坡度和地层条件下的低头弯矩,通过加强结构或配重等手段适当增加自重和调整重心,来缓解主机所需的过大的低头趋势(或抬头趋势)。施工中也可在主机和盾尾上浮区域增加配重或压重,但由于可施加的配重有限,只能作为一种辅助缓解手段。具体加配重和压重案例见图22和图23。
3.3加强监控、合理调整掘进参数与模式
实际施工中盾构姿态、管片姿态与隧道设计轴线存在偏差,偏差的大小、调整的及时性和姿态的保持度直接影响隧道线形和管片错台形式,并且在因果关系间存在循环加剧现象。针对上浮趋势客观存在的问题,在施工中要做好盾构和管片姿态监测,及时分析反馈,根据具体数据合理谨慎地调整掘进参数或模式,提前调低盾构姿态,通过预设量来抵消上浮量。并要特别注意管片点位选择、油缸行程差和端面姿态调整,保持盾构主机、管片和隧道线形一致,使作用在管片上的径向分力尽可能小,进而在一定程度上减小管片环间错台。
3.4加强注浆工艺控制
盾构设备要具备同步注入抗分散厚浆、双液浆、次补二充注浆和盾体注泥等系统。主要通过对注浆浆液配比和掘进速度进行合理调整及动态管理,综合利用同步注入双液浆、抗分散厚浆、盾壳注泥、超量注浆(窜浆会到盾壳外形成浆液阻隔环)和及时二次注双液浆固结等注浆工艺措施,保证相应地层的注浆质量(填充饱满、减少流失、提高抗剪、及时固结),以提高浆液及外围地层的抗剪性能(即剪切强度、内摩擦角),抑制管片环间错动,及早稳固后部管片,并可实现对盾体形成下压力而增大主机抗浮能力。
相关项目试验表明,盾构在软弱、抗剪性能差的地层中掘进,可同步连续注入双液浆,并在盾体顶部适时注入盾壳泥[16],对姿态控制非常有效。但在软硬不均或硬岩地层中,大直径盾构掘进速度很慢,换刀频繁,单位时间注浆量比较小且不连续,很容易造成堵管、清洗困难等问题,与双液注浆工艺不匹配。因此,大直径盾构采用抗分散厚浆(或特殊工艺的同步双液砂浆)是一种比较好的选择,厚浆配制材料经济、坍落度小、可注性好、操作工艺简单,且抗剪性能强、地层适应性好。盾壳泥是一种低强度快凝浆液,通过向盾壳外注入,可进一步阻断盾体前后水力联系,也适宜在硬岩地层气压辅助或欠压模式下使用。另外,在硬岩地层中采用建压闭胸模式掘进,由于刀盘扩挖间隙有限,洞壁导向作用强,且盾体外泥水或浆液浮力大,盾构若沿抬头趋势掘进易整体上浮。因此,在硬岩地层中要合理保持低头趋势和边刀扩挖量,防止出现盾构上浮和小曲线方向调整困难等问题。
3.5加强设计施工技术融合
盾构隧道的结构设计除了需要考虑永久结构受力,还要考虑盾构施工时的实际工况[17],包括管片结构、接头形式[18-19]、混凝土强度、注浆填充、接缝防水[20]和衬垫设计等,需要加强设计和现场应用技术融合。如正确认识管片错台形成机制、错台对防水的影响等,一方面,有些错台是管片为拟合隧道线形必须产生的,要对形成错台的源头因素采取措施;另一方面,止水条、槽按挤压全填充设计,在张开量正常情况下,一般错台(甚至止水条完全错开,只要不超出管片外弧面)对隧道防水不会有太大影响,这与相关研究[21-22]也存在一定差异。
4结论与讨论
影响盾构(特别是大直径)隧道姿态与线形控制因素很多,主要受施工控制(主要加强盾构姿态拟合和注浆工艺质量管控)、管片结构抗剪设计(主要建环缝端面采用大平面、议配合大纺锤型定位销并取消软木衬垫)和盾构设备设计制造(合理设置主机自重和重心)3个方面的影响。在充分理清相互关下,采系的情况取合理措施可以使大直径盾构(管片)姿态、管片错台和隧道线形得到有效控制。具体结论和讨论如下:
1)盾构主机自重与外部浮力一般不匹配,并受主机重心偏移影响,相对于隧道设计轴线通常需要采取低头(或抬头)模式掘进,主机自重不足和重心向前偏移加剧了盾构下坡掘进低头趋势及控制难度。
2)大直径盾构单位长度浮力相对更大,注浆若综合的工艺不到位,上部土体压力和抗剪力将传递不能及时给盾体和管片,管片脱出盾尾会产生上浮,并引盾构起主机姿态变化,造成管片局部应力集中,以及开裂或渗水,在环间抗剪力不足时,还会形成规律性错台。
3)软弱地层建压掘进对姿态控制更有利,重点要保证注浆抗剪性能、填充饱满和及早固结;硬岩地层建压闭胸掘进盾构易整体上浮和小曲线超限,要控制好掘进趋势以及边刀扩挖量;软岩地层不建压情况,要评估地基的承载力,宜设置并合理应用铰接。
4)加强设计和施工融合,优化管片结构设计,包括分块形状、接头形式、混凝土强度、接缝防水和衬垫设计等,要充分考虑施工工况。
5)大直径盾构隧道施工有共性问题,也存在很多个性差异,本文主要结合施工现场的突显问题和应对效果进行相关分析,但还缺乏深层的理论支撑,今后会持续就盾构隧道的姿态和线形控制等问题开展进一步研究。
转载文献来源：中国知网-隧道建设（中英文）
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