浅析盾构机过小半径曲线段的操作与纠偏

2022-09-11

城市的发展, 带动了轨道交通建设的发展, 在轨道交通线路的选择上, 由于受规划及建、构筑物的制约, 这使得轨道交通的线形越来越复杂。小半径曲线隧道线形虽不属良好, 但在应用上将会越来越多。

盾构机是一种很笨重的机具, 盾构施工中一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符合设计线路, 而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题。小半径转弯会对盾构操作及纠偏带来诸多的难题, 下面就以区杨盾构区间的200m半径转弯为例, 分析一下小半径转弯盾构机操作与纠偏的方法。

1 工程概况

广州市轨道交通五号线区庄站~杨箕站盾构区间包括两个区间, 分别为区庄站~动物园站区间和动物园站~杨箕站区间。动物园站~杨箕站区间, 线路左线由直线段和2段曲线组成, 曲线半径分别为R 2 0 6和R285m;线路右线由直线段和2段曲线组成, 曲线半径分别为R200和R300。盾构隧道主要穿过<7>、<8>、<9>地层, 隧道下部以<9>地层为主。2 0 0 m小半径隧道起止里程为YDK12+793.571~YDK13+288.616。

2 小半径曲线隧道盾构机的操作与纠偏

在小半径曲线段, 由于盾构机本身为直线形刚体, 不能与曲线完全拟和。以致盾构机操纵及纠偏受更多技术参数的制约, 而怎样合理地把这些参数科学的统一起来, 是影响盾构机顺利通过小半径曲线的关键, 下面就这些参数对盾构机操作与纠偏的影响进行阐述。

2.1 盾构操纵基本参数对掘进的影响

2.1.1 推力对掘进的影响

掌握好左右两侧油缸的推力差, 尽量地减小整体推力, 实现慢速急转, 如果推进过程中出现一侧推力比另一侧推力大, 但推进油缸的行程显示却是推力小的一侧变化快 (这种现象多出现在小半径施工) , 那么增加推力, 使得压差变大, 以满足转弯的需要, 并用降低掘进速度的办法来保证掘进的连续性, 同时也避免刀盘被卡死。

在小转弯半径掘进时由于推力越大管片侧向位移越大, 从而更难纠偏, 所以要充分挖掘盾构机的有效推力, 要避免不必要的推力损失。根据经验, 区杨区间这种<8>、<9>地层, 土压平衡模式时推力控制在800~1300t, 在特殊地段需要严格控制推力时, 推力可减小到600~900t。

2.1.2 铰接 (也叫纠偏千斤顶) 对掘进的影响

在纠偏过程中一侧的铰接拉得太长是件很头痛的事情, 收铰接会加大不利的趋势, 严重时这环的纠偏可能前功尽弃, 一定要做到收铰接时间不可太长, 压力不要太高, 尽量把趋势从正值纠到负值 (或负值到正值) , 并使之过2个趋势点再收铰接, 这样就会把姿态调到了有利的一侧, 这时收铰接才会对姿态纠偏起到事半功倍的效果。

另外在小半径掘进过程中铰接的伸长量基本达到了铰接的最大限值 (150mm) , 故在操作中铰接的伸长量严格控制在145mm以内, 当超出这个界限时必须由被动式收铰接改为主动式手铰接, 才能解决了小半径转弯铰接收力不足的问题。

2.1.3 速度对掘进的影响

(1) 如果掌子面裂隙水丰富, 或是在通过含水丰富地层时, 要全速前进, 在出土量有保证的前提下, 尽可能提高掘进速度, 这样做的好处是快速通过含水层, 避免过多的水涌出。

(2) 在掘进过程中脱顶现象是时有发生的事情, 可通过增大速度的方法把脱顶的油缸伸出来, 以达到所有推进油缸都顶在管片上, 一次不行, 可多次重复此方法, 一定会见效的。这种情况多出现速度不是很快, 扭距忽大忽小的硬岩状况中。速度不宜过快也不宜过慢, 更不要走走停停, 可以在扭距大的情况下减小速度达到减小扭距的办法, 不要停机等扭距降下来再掘进。

总的来说, 盾构机过小半径曲线时要慢行, 掘进速度严格控制在10~20mm/min范围内, 太快和太慢都不利于盾构机的操作与纠偏。

2.1.4 土仓压力对掘进的影响

土仓压力不足, 可能会导致开挖面失稳、小半径纠偏过程中超挖, 若过大, 又会引起刀盘扭矩或推力的增大、刀盘启动扭距超限等, 因此, 设置合理的土仓压力, 对于控制地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本非常重要。小半径曲线段施工主要通过<8>、<9>地层, 甚至全断面<9>, 土仓压力控制在0.1~0.2bar, 对裂隙水比较丰富的地段土仓压力控制在0.6~0.7bar, 满足了操作与纠偏要求。

2.1.5 刀盘转速及扭距对掘进的影响

刀盘的转速要满足的条件便是与掌子面的充分切削, 基本操作原则是黏土层用低转速, 硬岩用高转速, 同时注意推力的调整, 以提高或降低刀盘对土体的惯入度。扭距不可太大, 超过180bar不但应该提高泡沫剂等的用量, 也要通过降低掘进速度的措施, 来保证刀具不被严重磨损。

我们在施工中统计的数据显明, 土仓压力0.1~0.2bar, 刀盘转速1.2~1.8rpm左右、扭矩130~170bar下过小半径曲线最有利, 不仅能保证速度的稳定性, 也可以比较容易控制纠偏的尺度。

2.2 盾构掘进各参数之间相互联系

推进各参数之间是互相关联、相辅相成的统一体, 每一个参数都有它的理论计算值, 但这个理论值之间的相互影响是很难用计算可以解决的, 只有在推进实践中, 不断总结各参数相互影响的情况, 并通过数理统计方法, 才能在推进中有效控制轴线的偏差, 其中特别要关注的是出合理设置土压力, 防止超挖和欠挖例;严格控制刀盘转速和出土量;根据测量反馈的信息, 调整各千斤顶的顶力及总推力。然且, 由于盾构机是一个庞然大物, 其偏差一旦产生、纠偏是比较困难的, 因此在上述各盾构推进参数的调控中, 一定要注意“及时”和“微调”, 切不可把希望寄托在大量值纠偏上。

2.3 盾构纠偏影响因素及纠偏方法

2.3.1 盾构机纠偏的影响因素

注意保持良好的盾尾间隙状态, 避免盾尾钢环刮坏管片。调整好油缸撑靴的位置, 尽量使撑靴完全作用在管片上。根据盾构机的走向, 即满足的关键点为管片的轴线要与盾构机的轴线重合, 在考虑纠偏调整的时候应考虑几点注意事项, 首先要根据推进油缸的行程分析, 封顶块要拼装在行程最短的一侧, 其次要看盾构机的姿态, 例如盾构机向右, 而右侧的行程又最大, 那就得要看第三个考虑的因素--铰接, 这个因素也是最容易让人忽略的一个, 如果右侧铰接最小, 那么拼装时所要优先考虑的是拼装在行程最短处的两侧, 使得管片有向右的趋势, 减小管片与盾构机轴线之间的夹角, 如果左侧的铰接最小, 那么拼在行程最短处也是可以的, 因为盾构机已经有向左的趋势了。

当盾构机转弯方向与姿态方向相反时, 如果趋势过大, 超过±8, 从施工过程来看, 急纠的危害是巨大的, 如果从开始就调大推力压差, 产生的结果是后点还是向外侧偏移, 掘进过程中发现初始阶段大概推进4 0 0 m m的时候, 把压差调得适当, 即保证的状态为维持前后点, 使得后点有向内侧移动的趋势, 然后再调大压差, 就会容易使前点向外侧移动, 顺利完成纠偏, 同时这样也避免了过多的超挖。

3.3.2盾构机纠偏的解决方法

实践发现, 如果水平纠偏, 最好先把垂直姿态稳住, 再水平纠偏, 也就是说要一个方向纠完, 再纠另一方向, 而实际的情况多是水平、垂直同时出现的, 同时纠偏效果不是很好, 有的时候, 会出现推进压差不够的情况, 另外最容易出现3的问题就是脱顶, 如果一侧脱顶严重的话, 将有可能把管片拉开, 这对防水及下一环的拼装都会产生不利的影响。

(1) 小摆头、大摆尾。这种情况的要求下, 盾构机的姿态变化轨迹是以前点后侧为基准点, 后点进行扇型展开, 这种情况下对掘进速度是有一定影响的, 同时对下一环的掘进也将产生不利的影响, 如果盾尾处的间隙很小, 当掘进时受力不均等因素存在就会对管片产生扭动, 不仅仅降低了推进油缸的有效推力, 同时还会加大管片间的内力使得管片损坏或管片严重错台。

(2) 大摆头、小摆尾。这种情况就是, 前点变化明显, 使得一侧的土严重超挖, 并使土的内聚力增加, 另一侧出现很大空隙, 而这个空隙暂时是无法添充的, 当盾构机停止掘进时, 由于一侧的内力释放, 就会使得前点向另一侧偏移, 这就是为什么再次掘进时姿态会出现偏移的原因。

这两种纠偏方式都各有其优缺点, 在掘进过程中似具体情况灵活运用, 利用其它参数的使用找到二者平衡点, 但要保证的是尽量使盾构机减少对土体的扰动。