盾构推拼同步顶力重分配分区数量试验比选_朱叶艇.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022盾构推拼同步顶力重分配分区数量试验比选朱叶艇,翟一欣,闵锐,吴文斐,秦元(上海隧道工程有限公司,上海 200232)摘要:为解决传统盾构工法应用于长距离盾构隧道项目产生的过长施工周期的问题,研发了基于充分利用因轴向插入封顶块产生的油缸行程富余量进行管片拼装作业的盾构推拼同步技术,提出了基于不同分区数量的顶力再分配方法,以保持推拼同步过程中部分油缸缺位情况下的总顶推力矢量。通过构建大型盾构推拼同步技术模拟试验平台对不同分区数量的顶力再分配技术进行试验验证,试验结果表明:推拼同步过程中,盾构推进系统总顶推力矢量稳定能力对分区数量不敏感,盾构姿态和推进速度保持能力相似;三分区相较于五分区和七分区在油缸压力利用率以及管片结构承压方面具有较为明显的优势;最终,三分区被推荐为较优的推拼同步顶力再分配分区数量。关键词:盾构机;盾构掘进;管片拼装;同步;模型试验中图分类号:U451.5文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0702-12Tests Comparation on the Number of Jacking Force Redistribution Zones for Synchronous Technology Combining Shield Tunnelling with Segment AssemblingZhu Yeting,Zhai Yixin,Min Rui,Wu Wenfei,Qin Yuan(Shanghai Tunnel Engineering Co.Ltd.,Shanghai 200232,P.R.China)Abstract:To solve the problem of the long construction periods produced by the long-distance shield tunnel projects adopting the traditional shield method,synchronous technology combining shield tunneling with segment assembling was created based on the principle of making full use of the extra stroke of the propulsion cylinders generated by the axial insertion of the key block to assemble segments,and a jacking force redistribution method based on different partition numbers is proposed to maintain the total thrust force vector during the absence of some propulsion cylinders.Through the establishment of large-scale test platform for the synchronous technology,the jacking force redistribution methods with different partition numbers were tested and verified,the results show:The stability of the total jacking thrust vector is not sensitive to the partition numbers,and the shield attitudes and tunneling speeds are similar.Compared with both five-and seven-zone methods,three-zone method has obvious advantages on the oil pressure utilization and compressive bearing capacity of the segments.Finally,three-zone partition method is recommended to be optimal for the redistribution of the missing thrust force in the synchronous process.Keywords:shield machine;shield tunnelling;segment assembling;synchronous;model test收稿日期:2022-03-25(修改稿)作者简介:朱叶艇(1987),男,浙江绍兴人,博士,高级工程师,主要从事盾构隧道施工技术与盾构重大装备研发。E-mail:zhuyeting 基金项目:上海市青年科技启明星计划资助项目(20QB1405000);上海隧道工程有限公司科研项目(2020-Sk-1)0引言自 1806 年法国工程师马克布鲁诺尔通过观察蛀虫木板钻孔并涂抹分泌液体与孔壁上的现象创造了盾构掘进隧道的原理,盾构机问世至今已近200 年,已发展成一种边掘进边构筑隧道的集多学科技术于一体的地下工程高端装备1。通过不断的技 术 创 新 和优化升级,盾构机已经在有效密封2、开挖面稳定3、控制地表沉降4、切削刀具磨损检测5、应对复杂地质条件6-7等方面形成了较为成熟的关键技术,并不断地在掘进机断面多样化8、基于地层条件的掘进模式切换9以及特种盾构机(包括管幕、小曲率)10等方面进行突破创新。近 20 多年,随着城市地下浅层空间利用的逐渐饱和,国内外盾构法隧道来不断向大深度、大断面、长距离的方向发展,并成功建成一批超大直径海底隧道和城市道路隧道11-12。即将施工的上海轨道交通崇明线地铁工程,隧道直径 12.9 m,单次掘进将达 9.8 km,而规划中的上海北沿江高铁过江隧道工程,隧道直径 15.2 m,单次掘进甚至达到11.0 km。随着国内外盾构法隧道施工的普及、盾构制造技术的进步,对盾构施工成本和施工周期两方面的要求都在不断提升。然而,自机械化盾构问世以来,盾构施工依然保持着“推进、停止、拼装”的传统工序,即盾构机向前掘进一环,原地停下,完成一环管片拼装后再继续掘进。为保证盾构掘进时的姿态稳定,盾构掘进与管片拼装便一直以这样“串联”的形式组合进行隧道构筑。通常地,盾构掘进一环距离所用时间和整环管片拼装时间两者接近,但如此“走走停停”,施工效率难以提升。如何提高盾构施工工效、实现盾构的连续推进已然成为当下盾构施工技术和装备研发界亟待突破的关键问题。盾构推拼同步技术应运而生,即在盾构机往前掘进的过程中进行管片拼装作业,从而将掘进与拼装“并联”,两者同步进行,无疑将颠覆性提升盾构施工效率,大大缩短施工工期,节约建造成本。目前为止,国外只有日本在盾构推拼同步技术方面的研究和工程应用较早,研发了主要包括 F-NAVI 盾构工法13、格构式油缸盾构工法14、双油缸同步推拼工法15等在内的多种工法,但相关科研与工程应用成果并未可知。国内关于盾构推拼同步技术的研究才刚起步,并未有工程应用的案例。本文以上海市域铁路机场联络线工程“骥跃号”盾构机为原型,研发了一种可利用因轴向插入封顶块产生的油缸行程富余量进行管片拼装的盾构推拼同步技术,其本质是对推进系统压力的主动控制。为验证该技术的可行性和可靠性,首创了基于相似比为 1/2 的推拼同步技术模型试验平台。盾构推进过程中,推进系统部分油缸须缩回以为待拼装管片提供拼装空间,缺失的部分顶推力需要合理分配到剩余工作油缸,以维持推进系统总顶推力矢量保持不变。本文给出了推拼同步模式下 3 种分区方式的顶力再分配方法,并进行试验对比研究,从推进系统油压响应和总顶推力矢量维持能力、盾构推进速度和盾构姿态控制、管片结构受压状态等多个方面进行综合评价,最终比选出一种最为合适的顶力再分配分区方法。1研究背景作为国家发改委首批确定的全国 11 条市域铁路示范线路之一的上海市域铁路机场联络线工程起于虹桥枢纽,经过浦东机场,接入上海东站,线路全长 68.6 km。如图 1 所 示,上 海 轨 道 交 通 市 域 线 机 场 联络(西)3 标工程包含两个盾构区间:梅富路工作井华泾站段(长度 2 170 m)和梅富路工作井2号风井段(长度 5 658 m),分别采用“骐跃号”和“骥跃号”两台开挖直径均为 14.07 m 的超大直径泥水气平衡盾构机进行施工。其中,“骐跃号”采用传统盾构工法,而“骥跃号”将搭载推拼同步系统,可实现常规推进状态和推拼同步状态之间的无缝切换。两者设计差异上,除“骥跃号”盾尾和油缸行程相较于“骐跃号”加长 300 mm 以及增加必要的控制阀块、油缸压力和行程传感器等以外,其余设计基本一致。“骥跃号”泥水气平衡盾构主机整体设计如图2 所示,设计埋深 33 m,常压刀盘开口率 28%,开挖直径 14.07 m,壳体长度 13.33 m,整机工作压力 8 bar,最 大 推 进 速 度 60 mm/min。推 进 系 统(图(2c)包 含 沿 圆 周 均 匀 分 布 的 34 组 双 联 油 缸(360/280-3 300 mm),常规掘进状态下采用 6 分区设计,其中 2 区、3 区和 5 区和 6 区各含 5 组油缸,1区和 4 区分别含 6 组和 8 组油缸。隧道管片结构(图 2(d)外径 13.6 m,环宽2 m,厚为 0.55 m,采用 C60 混凝土浇筑。由于邻接块和标准块圆心角大小接近,整体上可视为“1+3072022 年增刊 2朱叶艇,等:盾构推拼同步顶力重分配分区数量试验比选图 1工程概况Fig.1Project profile图 2盾构主机和管片分块Fig.2Shield machine and segment blocks8”共 9 分块的型式,即 1 块 F 块、2 块邻接块和 6块标准块。除封顶块范围内含 2 组油缸,其余管片范围内均含 4 组。2盾构推拼同步技术原理2.1单环管片作业效率提升说明梅富路工作井2 号风井段最小转弯半径为520 m,在综合考虑盾构机盾尾左右两边各 50 mm的间隙设计余量、盾构转弯能力和最大超挖量以及盾尾最大变形等因素后,最终在“骐跃号”盾构机最大油缸行程 3 000 mm 的基础上仅增加 300 mm,作为“骥跃号”盾构机的最大油缸行程。理论上,假设盾构平均推进速度 30mm/min,单环管片拼装时间 50 min,当推进油缸由初始行程 1 300 mm 伸至 2 100 mm 时,即可满足第一块管片(B3)拼装作业的空间需求;当油缸伸至全行程时,已完成 7 块管片的拼装工作;停机 10 min,完成剩余两块管片的拼装。由此,可将整环管片的总作业时间缩短40 min,缩短盾构施工工期 34.2%。在不改变整环管片拼装时间的前提下,若将油缸最大行程增至 3 600 mm,即将“骐跃号”盾尾加长 600 mm,就可实现盾构的连续推进,理论工效对比如图 3。图 3理论工效对比Fig.3Comparison of theoretical work efficiency2.2技术实现方法区别于传统盾构推进系统阀控理念,即各分区内数个油缸单元共享同一比例减压阀,推拼同步盾构机推进系统的每个油缸单元都配备了独立的比例减压阀以及油压和行程传感器,故每个推进油缸单元都具备独立的压力调节和伸缩功能。推拼同步技术的应用流程如图 4 所示。实际407地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷盾构