双圆盾构隧道施工中侧向滚动的压重纠偏方法 【技术领域】
本发明涉及一种隧道工程技术领域的施工方法，具体是一种双圆盾构隧道施工中侧向滚动的压重纠偏方法。
背景技术
双圆盾构(DOT)法隧道由于能节约地下空间资源、减小对地面构筑物的影响、降低工程造价，成为地铁建设和市政工程隧道建设中的施工方法之一。但是，盾构机在施工中不可避免地会产生侧向滚动偏转(以下简称侧滚)现象，即盾构机的断面向一侧偏转角度α。双圆盾构隧道有两条轴线、横向尺寸显著增大，衬砌管片发生滚动偏转现象将直接影响管片拼装，使中间立柱产生附加应力从而影响正常使用功能，同时也会影响地表沉降的控制和盾构设备的使用。因此，滚动偏转控制也就成为双圆盾构施工过程中的技术重点和难点。一般地，双圆盾构机的驱动由左右大刀盘相互间逆向旋转，扭矩反力相互抵消，故不易产生侧滚；但是正因为如此，侧滚一旦产生，更难于纠正。对于双圆盾构机在推进中产生的侧滚现象，现有技术中应用盾构千斤顶与仿形刀来进行纠偏动作。在滚动纠偏中，除将两大刀盘同时向相反方向旋转产生相互抵消的扭矩及用仿形刀来进行纠偏动作地措施外，还特别装备了滚动纠偏千斤顶使盾构主千斤顶产生偏心力作用于与滚动方向相反的力矩而纠正滚动偏转。但工程实践证明，由于1)有时纠偏千斤顶难于把产生的偏转迅速纠正过来；而且还会产生纠偏过渡的问题；2)仿形刀的超挖会使地层产生过多的变形而影响周围环境。因此，需要除利用既有的双圆盾构机上配置的纠偏设备外，提出既能保护环境又能纠正偏转的切实可行的施工技术措施。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号200410067139.4，发明名称：双圆盾构转角控制的方法，公开号：1614197，该专利自述为：“双圆盾构两腰各设有6～8个修正转角千斤顶，其沿盾构壳体圆周方向旋转±1°，在盾构掘进过程中，一旦盾构出现旋转，将修正千斤顶反向旋转，修正偏转；开启左盾构下部和右盾构上部千斤顶，利用单独上部或下部千斤顶，使盾构圆心位置产生扭矩，使盾构右转；利用仿形刀对相应部位的超挖，改变盾构偏转方向；利用左、右螺旋机的出土量，控制盾构转角；采用反对称的壁后注浆，修正管片转角，进一步修正盾构转角；盾构发生偏转时，对盾构单侧加压重物，实现盾构旋转。本发明适用于所有采用双圆盾构工艺施工的工程……。”该专利虽然也提出了采用单侧压重的方法来纠正双圆盾构转角，但并没有指出具体压重的材料、配置方法，也没有给出加多少荷载能纠正多少偏角的关系。从而在实际施工操作之前无预测手段，使操作处于盲目状态。
【发明内容】
本发明的目的在于弥补双圆盾构机现有侧向滚动纠偏技术中的缺陷及不足，提供一种双圆盾构隧道施工中侧向滚动的压重纠偏方法，使其给出更为详细的简便有效的纠偏方案，所需的仅是铅块的运输与存放，可以大大减轻对周围环境产生的不良影响。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：
(1)针对盾构机的构造、土性条件及偏转角应用有限元法计算得到压重的重物大小，压重的重物采用铅块。
有限元法的计算，步骤如下：
1)采用平面应变方式的有限元数值分析方法。
2)有限元的建模范围为水平方向100m，垂直方向25m，双圆盾构隧道置于模型的中间，两侧边界距隧道中心45m地表距离考虑隧道的实际埋深，底面距隧道中心为12.5m。
3)计算中边界条件设定如下：盾构壳体内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。模型四周就采用可排水边界。
4)软土地层的本构关系采用修正剑桥模型，盾构取为弹性体。
5)模型中设定双圆盾构处于偏转状态，设定初始偏转角θ度，然后在上抬侧的盾构内加上压重荷载，计算荷重与回转角的关系。得到从偏转θ度回复到0度所需的压重荷载，得到偏转角与压重荷载的关系。
在实际的施工中，由于操作仪表上实时地显示产生的偏转角，由上述算法可以迅速计算出对应的压重荷载的大小。
(2)铅块形状的设计：考虑铅块的搬运便利性，一般设定每块重为200公斤(2kN)。由于双圆盾构的千斤顶顶程为1380mm。因此，铅块的形状设计为1.38×0.13×0.1m3的长方体。而且，为了便于运输，在每块铅块上设置搭手。铅块压重最大为200kN。
(3)铅块存放位置的选择：由于盾构机中的空间较小，压重铅块堆放在上抬侧的盾构千斤顶之间的空隙。也可以由管片拼装吊勾吊住。铅块并不是随意堆放的。为了在有限的空间里尽可能多地存放铅块以备大角度纠偏所需，铅块相互之间有槽口搭接榫头，使铅块能咬合堆放在一起。
(4)当偏转角度较大，压重纠偏不足以纠正全部的偏转角时，宜采用部分压重纠偏法；即以压重纠正部分偏转角，另外的部分结合现有技术双圆盾构转角控制的方法中的纠偏千斤顶纠偏、仿形刀超挖、反对称的壁后注浆等方法解决。
本发明方法是将铅块压重物置于双圆盾构的一侧，在压重物重力的作用下对双圆盾构产生一个与偏转方向相反力矩。使双圆盾构机在力矩的扭转作用下旋转回复偏转了的角度。反转力矩的大小与所堆放重物的重量有关，重量越大，反转力矩越大，纠偏越有效。
本发明纠偏方法简单实用，与现有方法联合使用可以大大减轻对周围环境产生的不良影响，所需的仅是铅块的运输与存放。而且，在施工的方案制订阶段就可预测纠偏角度所对应的压重物的重量，为制定合理的施工方案服务。本发明适用于所有采用双圆盾构工艺施工的工程。
【附图说明】
图1为本发明铅块配置图
图2为本发明0.25、0.5度偏转角时的压重纠偏过程曲线图
【具体实施方式】
结合本发明的技术方案提供以下实施例：
铅块的形状为长方体，铅块大小为1.38×0.13×0.1m3，每块铅块上设置搭手，铅块相互之间有槽口搭接榫头，填充盾构机主千斤顶之间的间隙为宜，如图1所示。
实施例1：小偏角条件下(0.25度)的压重纠偏
实施例以上海地铁6号线十标段的双圆盾构隧道施工为例。根据双圆盾构机的构造及土性条件应用有限元法计算得到双圆盾构机在给定偏转角回复到零度时所需的荷载，对应的偏转角纠偏荷载(kN)的相互关系如下：
0.1度偏转角需92kN的纠偏荷载；0.2度偏转角需168kN的纠偏荷载；0.3度偏转角需230kN的纠偏荷载；0.4度偏转角需290kN的纠偏荷载；0.5度偏转角需345kN的纠偏荷载；0.6度偏转角需395kN的纠偏荷载；0.7度偏转角需435kN的纠偏荷载；0.8度偏转角需477kN的纠偏荷载；0.9度偏转角需518kN的纠偏荷载；1度偏转角需560kN的纠偏荷载。0.25度侧滚偏转角回复到水平状态的荷载与转角关系，如图-2所示。
由此可知，偏转为0.25度则需压重199kN，这样共需199/2＝100块铅块，将定型好的铅块，分别置于千斤顶之间，如图1所示，视转角变化逐渐增减铅块。结果仅通过加压铅块就可以使盾构机的偏转回复到水平状态。
实施例2：大偏角条件下(0.5度)的压重纠偏
在上海地铁6号线十标段的施工中，当偏转角度较大，如为0.5度时。根据上海的地层条件按有限元法计算得到的压重纠偏荷载为345kN。这时需铅块345/2＝173块。但实际上盾构机的空余空间有限，只能放置100块左右的铅块。只能采用部分压重纠偏的方法，这时压重量为200kN，图2为应用有限元数值分析的方法计算得到的0.5°偏转角时的压重纠偏过程曲线。由此可知，200kN的压重可以使双圆盾构回转0.25度。另外的0.25度偏转角按照现有技术的双圆盾构转角控制的方法解决。上述结果说明采用压重纠偏法应在较小的偏转角(0.25度)的条件下开始纠偏较为经济有效。