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TBM施工隧洞混凝土衬砌轴线的确定

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水利水电技术第39卷2008年第2期 TBM施工隧洞混凝土衬砌轴线的确定 杜士斌,杨胜,冀红伟 (辽宁水利土木工程咨询有限公司,辽宁沈阳 110003) 摘要:根据TBM施工的特点,论述了TBM掘进轴线与设计洞轴线的关系。在全面满足结构设计、过 水能力及质量控制标准的前提下,TBM施工隧洞二次混凝土衬砌轴线采用TBM掘进轴线是合适的。 关键词:大伙房输水隧洞;超长隧洞;隧洞轴线;TBM;混凝土衬砌 中图分类号:U455+TV672.1 文献标识码:B 文章编号:1000.0860(2008)02.0036.04 Determination of axis for concrete lining of tunnel excavated by TBM DU Shi—bin,YANG Sheng,JI Hong—wei (Liaoning Water Resources and Civil Engineering Consultation Co.,Ltd.,Shenyang 1 10003,Liaoning,China) Abstract:According to the features of TBM construction in tunnel project,the relationship between the design axis nd aTBM ex- cavation axis is discussed.Under he premise tto fully meet wih tthe structural desin,watger discharging capacity and quality con- tolr standard,it is proper to take the TMB tunneling axis as the axis for the concrete lining. Key words:Dahuofang Water Conveyance Tunnel;super-long tunnel;tunnel axis;TBM;concrete lining 1 工程概况 大伙房输水隧洞长85.3 km,开挖洞径8.0 m, 属大断面超长隧洞,是目前世界在建同等规模最长的 隧洞。隧洞工程施工采用以隧洞掘进机(TBM)为主、 设备转场并开始进行第二段掘进后,才能在第一段进 行;(4)二次混凝土衬砌的施工程序是先仰拱、后边 顶拱。 对于钻爆法施工段,可以按照不允许欠挖的原 则,严格以设计洞轴线控制进行开挖、初期支护和 二次混凝土衬砌。因此,其衬砌与开挖可以同为设 计洞轴线。与其不同的是,TBM则是以固定的刀盘 滚刀掘进的直径、在导向系统的控制下、大体围绕 设计洞轴线进行平缓的“蛇形”曲线掘进的。这样, 对于TBM施工段就形成了两条洞轴线,即设计洞轴 线和掘进洞轴线;两者之间存在着适度的偏差。那 么,二次混凝土衬砌究竟是应该按照哪条洞轴线进 行控制?这是隧洞工程采用TBM施工提出来的新课 题。 钻爆法(DB)为辅的联合施工方案…。为了进行超长 隧洞工程的施工,钻爆法施工段设置了7条施工支 洞。钻爆段修改后的施工方案是 :(1)在开挖和初 期支护进行到足够的安全距离后,实行开挖和衬砌平 行作业;(2)二次混凝土衬砌的施工程序是先边顶 拱、后仰拱;(3)待钻爆段开挖、初期支护和边顶拱 衬砌施工完毕,最后进行仰拱衬砌的施工。3台TBM 施工段,其设备选型采用开敞式TBM,支护衬砌方 式为初期支护及二次混凝土衬砌 。由于单机施工 长度按20 km左右控制 ,为了确保单机掘进长度、 方便施工及运行期的维护与管理,在每台TBM施工 段均设置1—2条中间施工支洞 。3台TBM施工段 2隧洞开挖和掘进轴线的控制 在隧洞工程、特别是超长隧洞工程施工中,做好 测量控制极为重要。 共设置7条施工支洞。TBM段的施工特点是 :(1) 中间施工支洞将TBM施工段分成两段或三段;(2) 锚喷初期支护伴随TBM掘进同步进行;(3)二次混 凝土衬砌,必须在TBM完成第一段掘进、实现TBM 收稿日期:2007・10—25 作者简介:杜士斌(194o一),男,教授级高级工程师,总监理工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 杜士斌,等//TBM麓工隧洞混凝土衬砌轴线的确定 对于采用钻爆法施工的隧洞工程,其测 量控制包括两个部分,即地面施工控制网控 制和洞内导线控制。钻爆法可以严格按照洞 内导线控制进行施工。 围岩级别 表2 TBM施工段初期支护及混凝土衬砌参数 Ⅱ Ⅲa Ⅲb 12 Ⅳ 16 V 16 喷C25混凝土/cm 随机 12 部位 锚 直径/ram 初 杆 长度/m 期 间排距l/m 支 护 挂 部位 网 直径、网格/ram 钢 型号 架 间距/m 随机 随机 顶拱120。 顶拱270。 d 2 2 2.0 2.0 62 22.5 1.2 xl_2 d 2 2.5 1.0 x1.0 顶拱270。 5 3.0 0.8 x0.8 采用TBM施工的隧洞工程,其测量控 制除地面施工控制网控制和洞内导线控制 外,尚包括安装在TBM设备上设置的PPS (Poltinger Precision System)定位、导向系统。 洞内的导线控制将为PPs导向系统的远程 局部 顶拱270。 顶拱270。 鹋@200 x200 鹋@150x150 鹋@150x150 I—l6o 1.2 I—l6o 0.6 (后视)棱镜提供满足测量精度要求的坐标 参数。PPs定位、导向系统,可以以三维的 方式对TBM的确切位置和掘进方向定位, 衬砌C25混凝土厚/cm 30 30 2 l17 26 2 l17 26 2 l17 底板C25混凝土宽度/mm 2 ll7 2 ll7 随时为操作手提供TBM偏离轴线的确切信 息及纠偏方案 】。ROBBINS制造的TBM可以在每个 循环掘进过程中随时进行纠偏调向。WIRTH制造的 TBM则在每个循环掘进完成后、下一循环开始前进行 纠偏调向。因此,TBM施工始终围绕设计洞轴线作微 小角度的调整,其掘进轴线呈微调的折线形或平滑的 曲线形。 从表l可以看出,本输水隧洞属低流速无压隧洞, 其正常水深和净空面积比尚留有一定的余幅或潜力。 TBM施工段初期支护及混凝土衬砌参数见表2。 4 TBM掘进轴线与设计轴线的偏差 不管是双护盾TBM还是开敞式TBM,在掘进时 尽管有PPs定位、导向系统的监视,可以随时进行 鉴于钻爆法施工和TBM施工的特点,在施工合 同中分别对开挖和掘进轴线的控制标准作出明确的规 定。对钻爆法施工规定,不允许存在任何形式的欠 挖;凡伸人设计开挖线以内的欠挖必须进行处理。对 TBM施工则规定,为控制TBM按设计的洞轴线开挖, 需配备一套方向、位置监测控制系统。在TBM掘进过 程中,随时监测并调整TBM掘进的方向及其自身的姿 态。隧洞掘进轴线与设计轴线之间的水平向和竖直向 的允许偏差分别规定为±100 mm和±60舢。 监测和纠偏,但由于地质条件、洞内环境、机器设备 和操作人员及技术水平等种种原因,不可能始终准确 地沿着设计洞轴线掘进;而一旦发现偏差,又不能马 上全部纠正过来,需要通过若干个循环(一般每个循 环进尺为1.8 m)缓慢地予以纠正。其偏差包括三个 方位,即横向偏差、竖向偏差和纵向偏差。现仅以横 向偏差为例予以说明。 表3为以设计轴线为基准,TBM掘进轴线与其 偏离并进行纠偏的一个过程,即从偏离设计轴线开 始,经不断地纠偏调向再回到设计轴线。其过程线类 似于正弦曲线的一半。 3隧洞及其结构设计 大伙房输水隧洞长85.3 km。隧洞纵坡1/2 380。 钻爆法施工段为马蹄形断面,TBM施工段为圆形断 面。TBM施工段开挖洞径8.00 m,衬砌后成洞洞径 7.16 m。设计引水流量70 rn3/s,最大引水流量77 m3/s。 多年平均调水量18 X 10。m 。该工程为自流引水, 无压隧洞。对于TBM施工段,洞内水力学参数见 表1。 表1 TBM施工段洞内水力学参数 引水流量 流速 水深/m 净空面积比/% 围岩级别 /m3.s—l /m.s一‘ 正常水深 允许水深 计算值 规定值 70 2.06 2O9 .表3表明:(1)TBM掘进轴线是一条围绕设计轴 线的“蛇形”线,类似于正弦曲线;(2)其偏差值控制 在施工《技术规范》规定值(4-100 ram)范围内;(3) 纠偏过程是连续、缓慢、微小的,不可能发现偏差立 刻纠正过来;(4)掘进轴线与设计轴线的偏差角大体 在0.12。~0.15。之间;(5)掘进轴线是一条变幅不 大、极其平缓的曲线。 5衬砌偏离设计洞轴线的影响 (1)横向偏差的影响。 4.87 5.52 5.52 27.8 21.6 J l5.0 l5.0 II(不衬砌) Ⅲ、Ⅳ、V 77 528 .横向偏差,系指TBM在掘进过程中,相对设计 洞轴线在左右方向上摆动的偏离。严重的横向偏差, 70 2.40 4.75 5.52 27.1 l5.0 (衬砌) 77 2.43 5.13 5.52 21.0 l5.0 其可能的影响是:①增加洞线长度(即纵向偏差), 水利水电技术第39卷2008年第2期 维普资讯 http://www.cqvip.com 杜士斌,等∥TBM施工隧洞混凝土衬砌轴线的确定 改变纵向坡度,减小过流能力。②增加弯道,从而增 加沿程水头损失和局部水头损失。③弯道增加,水流 产生横波,连续的横波将使均匀流变为紊流。 表3掘进轴线与设计轴线横向偏离、纠偏过程记录 序号 桩号 偏差/mm 偏向 l ×+338 0 2 x+342 l0 右 3 ×+346 22 右 4 x+350 32 右 5 ×+354 40 右 6 ×+358 50 右 7 x+362 59 右 8 x+366 69 右 9 ×+370 79 右 l0 ×+374 73 右 ll ×+378 66 右 l2 x+382 59 右 13 ×+386 5l 右 14 ×+390 04 右 l5 ×+394 28 右 l6 ×+398 l5 右 17 ×+4O2 0 弯道本身,对于采用双护盾TBM施工的预制混 凝土管片衬砌而言,由于其管片、连接、止水等部件 的结构、形状和尺寸都是按照标准预制的,因而增加 了管片调整安装的难度和安装的质量;处理不好,将 会造成管片损坏、止水失效,形成渗漏通道。对于采 用开敞式TBM施工的现浇模筑混凝土衬砌而言,虽 需采取适当的措施,增加了一定程度的难度,但对其 接头部位的结构及其施工质量不会造成多大影响。 (2)竖向偏差的影响。 竖向偏差,系指TBM在掘进过程中,相对设计 洞轴线在竖直方向上俯仰起伏的偏离。竖向偏差导致 掘进断面相对设计高程的偏离。其影响如下。 改变均匀流特性,高部位流速决,低部位流速慢。 改变沿程水深的均匀性,高部位水深浅,过水断 面小,上部净空大;低部位水深深,过水断面大,上 部净空小。 严重的竖向偏差将导致明满流过渡,影响补气, 对隧洞结构不利。 低部位易造成积水和泥沙淤积,对检修、清淤不 利。 竖向偏差对管片安装和衬砌混凝土施工的影响, 与横向偏差相同。 6综合比较论证 鉴于TBM“蛇形”掘进的特点,对于采用需要进 88 行二次混凝土衬砌的开敞式TBM进行施工的隧洞工 程,便形成了两条洞轴线。一条是TBM施工用以定 位、导向基准的设计洞轴线,一条则是TBM按照规 定的允许偏差实际掘进的洞轴线。作为TBM后序施 工的二次混凝土衬砌,其轴线如何确定,将从以下几 个方面分别进行比较论证。 (1)衬砌结构设计。 衬砌结构设计的宗旨是其稳定性、坚固性和耐久 性。二次混凝土衬砌呈圆环形承载结构。真正圆环形 结构的受力、承载条件最为优越。但薄厚不均的圆环 起不到均匀厚度圆环承载结构的作用,其薄部位必然 成为圆环结构的薄弱环节,影响结构的稳定性、坚固 性和耐久性。如果衬砌轴线采用设计轴线,则对于设 计衬砌厚度为260 mm(见表2)的Ⅳ、V级围岩,在 横向偏差为79 mm(见表3)的情况下,其一侧的衬砌 厚度仅为181 mm。显然这一厚度不能满足衬砌结构 设计的要求。如果对欠挖侧采取处理措施,则其处理 工作量和处理难度浩大,已背离采用TBM施工的初 衷。若衬砌轴线采用掘进轴线,这种衬砌厚度薄厚不 均的现象将会得到明显的改善。因此,就衬砌结构设 计而言,以TBM掘进轴线作为衬砌轴线,对衬砌结 构的稳定性、坚固性和耐久性更有利。 (2)水力学条件。 输水隧洞工程的设计,除其结构要满足稳定性、 坚固性和耐久性要求外,关键就是要满足过水能力、 流态及表1所述各项水力学要素的要求。大伙房输水 隧洞,属低流速无压隧洞。从表1可以看出,其水深 和净空比均留有充分的余地。采用掘进轴线和设计轴 线,均可满足过水能力的要求。掘进轴线与设计轴线 之间微小的偏差与极其平缓的曲线,不至于对2 m/s 多流速的水流产生上述那么严重的影响。 (3)施工质量控制与评定。 参照水利部建设与管理司、水利部水利工程质量 监督总站编《水利水电工程施工质量评定表填表说明 与示例(试行)》,本工程分别对TBM掘进轴线和混 凝土衬砌制定了施工质量控制与评定的标准。鉴于 TBM施工的特点,掘进轴线与设计轴线之间横向和 竖向的允许偏差分别规定为±100 mm和±60 mm, 已如前述。对于二次混凝土衬砌,其施工质量控制与 评定的标准则规定:结构物水平断面内部尺寸允许偏 差±20 mill;衬砌混凝土厚度减薄不大于20 mm;结 构物边线与设计边线允许偏差10 mm。对于这些规 定,只有以TBM掘进轴线为基准才能满足要求;否 则,以设计轴线为基准,绝大多数洞段不经扩挖处理 水利水电技术第39卷2008年第2期 维普资讯 http://www.cqvip.com 杜土斌,等∥TBM施工隧洞混凝土衬砌轴线的确定 根本无法满足要求。 (4)测量控制和贯通精度。 除上述轴线测量控制的要求外,本工程还对超长 隧洞TBM施工允许贯通误差作出规定,见表4。 表4 TBM施工段实际贯通误差与允许贯通误差比较 贯通面 7结论 (1)采用TBM施工的隧洞,混凝土衬砌轴线的 确定是一个新课题。 (2)设计洞轴线是TBM施工定位导向的基准线。 (3)TBM掘进洞轴线是围绕设计洞轴线随时进行 纠偏的“蛇形线”。 (4)满足横、竖向偏差和贯通精度要求的隧洞是 贯通距离 /kni 14.5 贯通误差/mm 方向 横向 竖向 横向 竖向 允许 ±320 ±125 实际 l0o.O l3.O TBM1—1 TBM满足设计要求的隧洞。 (5)衬砌轴线的确定必须满足结构设计、过水能 力和质量控制标准的要求。 2—1 l2.6 ±320 ±l25 23.8 l7.O TBM3—1 l1.1 横向 竖向 ±250 ±l0o 28.O l1.O (6)按照TBM掘进轴线进行二次混凝土衬砌是 合适的。 本工程TBM施工段共有6个贯通面。截止2007 年8月已有3个面实现了贯通。从表4可以看出,3个 参考文献: 魏永庆,杜士斌.一座在建的大断面超长输水隧洞工程的特点 [J].水利水电技术,2006,(3):8一l1. [2] 杜士斌.变更TBM设备选型和支护衬砌方式的比较论证[J]. 水利水电技术,2007,(12). [3] 丽华,杜业彦,杜士斌.超长隧洞TBM单机掘进长度的确 定[J].水利建设与管理,2005,(3):25—26. [4] 姚志国,杜士斌.超长隧洞TBM施工段设置中间施工支洞的 必要性[J].水利水电技术,2006,(4):30—31. [5] 杜士斌,王世霏,李强.超长隧洞TBM施工贯通测量控制 措施[J].辽宁测绘,2006,(2):43—45. 贯通面的实际贯通误差远远低于允许贯通误差,均属 高精度贯通。高精度贯通的隧洞是满足设计要求的隧 洞。但就贯通面前、后洞段的混凝土衬砌而言,如以 设计洞轴线为准,其施工质量的控制与评定均不能满足 设计要求;如以掘进轴线为准,则均可满足设计要求。 满足横、竖向偏差和贯通精度要求的隧洞是满足 设计要求的隧洞。 综上所述,采用开敞式TBM施工洞段的二次混 凝土衬砌,其轴线采用TBM掘进轴线是合适的。 (上接第35页) (责任编辑南水北调与水利科技,2005,3(6):46—50. 欧阳越) (2)若以1 h内的水位下降幅度不能超过0.15 m [4] 阮建新,王长德-渠道运行最优控制与运行模拟仿真[J]・人 一 响分析[J].水利水电快报作为 道耋 限 ., ] 度变为初始 70%时,闸门运动速度即使达到0・1 m/min,闸后水 位下降幅度仍满足安全要求;闸门开度变为初始开度 的50%和40%时,分别要求闸门运动速度不能大于 0.0l m/min和0.1 m/min 萎 : 调30-中32线.工程输水渠道桥梁水头损失影 ,l997,l8(15):l一4. [6] 黄国兵,王才欢.南水北调中线工程穿黄隧洞水力学试验研究 [J].人民长江,1998,29(5):3-5. [7] 槐文信,赵明登,童汉毅.河道及近海水流的数值模拟[M]. 决于闸门开度变化幅度的大小,闸门开度变化幅度越 大,上游方向的影响距离也越远;相同闸门开度变化 。. 曼 上 . 曼 ? ’ 制建模及鲁棒控制 学:。 .………… …~ … 舰 ‘ [9] 魏文礼,王德意.计算水力学理论及应用[M].西安:陕西科 幅度下,闸门开度减小对上游的影响距离大于闸门开 度增大对上游的影响距离。 参考文献: [1] 吴泽宇,周斌・南水北调中线渠道控制计算模型[J]・人民 学技术出版社,2001. [ o]Swamee P K・S1uice-gate discharge equation…・Joumal of rriga- [11]Henry H R Discussion of difusion of submergedjets by M.L A1- fAScEo.1950,115:687-694. 长江,2000,31(5):10—12・ [2] 章晋雄,牛争鸣.南水北调中线输水渠道系统的仿真研究[J]. [12]方神光王开,吴保生.大型输水渠道中过水建筑物的新处 理方法【J]南水北调与水利科技,2006,4(6):56—58. ,.[3] 丁志良,等.输水渠道中闸门调节速度与水面线变化研究[J]. 水利水电技术第39卷2008年第2期 (责任编辑 林雁庆) 

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