本区间存在多区段长距离转弯半径不大于350 m的小半径曲线段(上行线SK32+563.348~SK32+344.888, SK32+310.581~SK32+131.532,下行线XK32+321.922~XK32+130.219,共三段,位于朱家门煤炭装卸码头及煤堆场下部),圆曲线段隧道纵坡为30‰,隧道覆土深度逐渐达到36 m,盾构穿越的主要土层为⑥层硬土层及⑦1层、⑦2层砂性土承压含水层。
3.5.4.1 超深覆土下盾构小半径推进施工难点
根据前文中的总推力分析,隧道覆土达到30~36 m时,盾构机总推力约为40000 kN。本工程所选用的盾构机为φ6360石川岛,专门针对超深覆土隧道施工设计制造,盾构机设计阶段已考虑到超深覆土工况下总推力过大的情况,将单个千斤顶的推力从常规的2000 kN提高到3000kN,共有16个千斤顶,总推力达到48000kN。但是在实际施工中,总推力仍旧达到设计总推力的83.3%,导致盾构机在小半径曲线段施工时通过油压纠偏时千斤顶总推力不足,出现区域油压并压的情况,影响盾构机的纠偏能力。
若长期连续多环出现上述情况,会导致隧道实际轴线偏离设计轴线,影响成型隧道的质量。
3.5.4.2 小半径转弯纠偏量计算
盾构机在圆曲线段施工时,对圆曲线段长度进行几何分析:圆曲线段长度由每段长度为1.2 m的弧长组成,即盾构机每推进1环长度为1.2 m。每完成一环后,盾构方位角发生变化,如图3-176所示。
图3-176 每环纠偏量计算图1
故盾构机每一环的纠偏角度即为方位角J与方位角I的夹角θ。
通过计算得到盾构机每环纠偏角度,利用三角函数关系可以计算得到盾构机每一环推进左、右千斤顶伸出行程差(图3-177)。
图3-177 每环纠偏量计算图2
小半径圆曲线段盾构机纠偏量计算结果见表3-86。
表3-86 小半径圆曲线段盾构机纠偏量计算表
3.5.4.3 盾构机纠偏方法
1.区域油压纠偏方法
经过计算,盾构机在本工程工况下总推力将达到40000 kN,在采取一系列减小总推力的措施后,总推力可降至30000 kN,为额定总推力的62.5%,盾构机有一定余力进行分区油压调节进行纠偏操作。但是,设定分区油压时,如若设定不当,仍旧会出现并压状况,这就要求在设定调节分区油压时,必须更加精细化的操作,确保在能推动盾构机的同时,满足小半径转弯时每环的纠偏量。
在进行油压设定时,应严格按照理论计算的总推力进行设定,并形成一套设定、调整的流程,以本工程总推力30000 kN、左转弯圆曲线段为例。
(1)在小半径转弯施工时,盾构机以左右纠偏为主,应先调整左右油压。极限状态下,右区油压设为30 MPa,左区油压设定为10MPa,千斤顶额定油压为34.3MPa,单个千斤顶最大推力3000kN。根据千斤顶压力换算推力:
右区推力为30/34.3×3000×4=10496 kN;
左区推力为10/34.3×3000×4=3499 kN。(www.xing528.com)
(2)左、右区千斤顶压力设置完成后,对上、下区千斤顶压力进行设置,结合左、右区的推力计算,上、下区总推力需达到16006kN后,方可满足推动盾构机的条件。
假设下区千斤顶压力设置为X,上区千斤顶压力设置为Y,可以得到方程:X/34.3×3000×5+Y/34.3×3000×3=16006kN。
为避免盾构机自重导致磕头,上、下区千斤顶压力设置时,往往下区推力大于上区推力,下区压力设置区间为20~26 MPa,并根据下区压力计算得到上区压力(表3-87)。
表3-87 上、下区千斤顶压力设置表
每次设置、调整千斤顶压力时,根据纠偏需要确定3个分区压力后,可计算得到第4个分区的压力,可确保总推力满足要求,有效避免并压的情况。
2.停千斤顶纠偏方法
当盾构机总推力继续增大后,通过区域油压调节时如若部分分区压力小于5 MPa,既无法满足总推力的要求,而且5 MPa为跟随油压,千斤顶实际未产生推力,此时可选择暂停部分千斤顶,其余千斤顶压力全部释放的方式进行纠偏,能够达到立竿见影的效果,以右转弯为例,如图3-178所示。
通过将右上区域5个千斤顶暂停,把盾构机的推力中心调整至左下方,可以达到保证盾构机不磕头的情况下,使盾构机向右转弯的目的。在该工况下,共有11个千斤顶为工作状态,在每个千斤顶都能达到额定推力的情况下,此时盾构机总推力可达到33000 kN。
3.5.4.4 管片贴片计算
在盾构小半径转弯施工中,由于盾构机左、右区千斤顶推力设定差异大,造成管片左、右段受力不一致。例如在右转弯时,管片左端受到的推力远远大于右端所受到的推力,不均匀的受力会使得管片轴线逐渐偏向圆弧外侧,渐渐跟不上设计轴线,同时盾构机在持续纠偏的情况下,左右行程差越拉越大,盾构机与管片夹角也会越来越大,引发盾尾间隙过小、外弧面碎裂等一系列质量问题。
所以在小半径转弯施工时,在盾构机纠偏的同时,同样需考虑管片的纠偏,通过贴片使管片的轴线接近设计轴线。我们通过分析设计轴线、盾构机、管片三者的相对关系,来确定合理的贴片方式。
第一步,分析设计轴线与盾构机的相对位置关系,通过每一环的盾构姿态测量数据来计算:
图3-178 暂停部分千斤顶示意图
第二步,分析盾构机与管片的相对位置关系,通过左、右千斤顶推进时的行程差进行计算:
第三步,计算设计轴线与管片的相对位置关系:我们需要通过在管片上贴片使端面成为楔形来减小设计轴线与管片间的夹角,通常采用4mm或5mm厚的贴片。每环纠偏角度=贴片厚度/管片直径。通过分析设计轴‰线与管片的夹角以及贴片后每环纠偏角度,确定管片纠偏贴片方式,确定贴片环数时需考虑贴片材料在承受千斤顶推力时的压缩量。
3.5.4.5 应用效果
针对超深覆土小半径盾构推进施工,通过调整千斤顶分区、合理设定区域油压、采取停千斤顶纠偏的方法,根据盾构姿态进行管片贴片等措施,可在超深覆土施工条件下有效控制隧道轴线偏差。
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