基于特定參數下管片選型方法與盾構機姿態控制措施

包世波，張志宇，高 超

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

1 線路參數、盾構機參數和管片參數

廣州軌道交通三號線北延段11標高增站—新機場南站盾構區間共包含三個曲線。曲線半徑分別為1 000 m，1 000 m，5 000 m。區間線路縱坡為“V”形節能坡，最大坡度為25‰。

施工采用的是德國HK公司生產的土壓平衡式盾構機。盾構機最小自適應曲線半徑為250 m;挖掘直徑6 280 mm;前盾長2 100 mm，直徑6 250 mm;中盾長2 580 mm，直徑6 240 mm;尾盾長3 585 mm，直徑6 230 mm;盾殼厚40 mm。

為滿足直線段和曲線段施工和糾偏的需要，設計了標準襯砌環和左右轉彎楔形環，通過標準環與楔形環的各種不同組合來擬合不同的線路。管片外輪廓直徑 6 000 mm，管片厚度300 mm，管片寬度1 500 mm，每環轉彎環楔形量為38 mm。管片采取錯縫拼裝，彎螺栓連接，管片環縫、縱縫接觸面皆不設榫槽。

每環管片共分6塊，包括3個標準塊A、2個鄰接塊B和C、1個封頂塊K，環向螺栓12根，縱向螺栓10根(通常按時鐘方位稱之為十個點位)。一般情況下，為保證拼裝安全和拼裝質量，封頂塊的位置偏離正上方±18°(1點和11點)，楔形環封頂塊偏離正上方±54°(2點和10點)和 ±18°(1點和 11點)。轉彎環封頂塊位于不同的點位，不同位置對應的楔形量亦隨之改變。詳見圖1和圖2。

圖1 右轉彎環楔形量隨K塊點位不同變化示意

圖2 左轉彎環楔形量隨K塊點位不同變化示意

2 管片選型

管片選型只是針對上述轉彎楔形環而言。當盾構機在曲線段掘進，或者在直線段掘進過程中出現盾尾間隙過小、油缸行程差過大時，即需要選擇合適的轉彎環，適應隧道曲線或者糾偏。

2.1 管片選型需考慮的因素

2.1.1 隧道設計軸線TDA(Tunnel Design Axis)

盾構掘進之前，即需根據隧道設計軸線和管片參數，計算出不同半徑的曲線段上楔形環理論使用頻率和數量，而后利用標準環和楔形環擬合出該段線路管片選型結果。現以本工程線路設計參數和管片參數為例，計算在曲線半徑R=1 000 m時每環(1.5 m)理論需要楔形量:

圖3 半徑為1 000 m的曲線段每環楔形量計算簡圖(單位:m)

每環對應的圓心角α≈L2/R=1.5/1 000。

每環理論需要楔形量(內外弧長差)=L3-L2=(R外-R內)α=(1 003-997)×1.5/1 000=9 mm，即沿曲線半徑R=1 000 m的線路軸線方向每前進1.5 m，需要9 mm的楔形量抵消因曲線產生的內外弧長差。本工程使用的轉彎環每環楔形量為38 mm，故在該段曲線上每前進38/9≈4環(6 m)，需使用一環轉彎環，即用“3標準環 +1轉彎環”的組合來擬合本工程半徑為 1 000 m的曲線段(見圖3)。

半徑為5 000 m以及25‰的縱坡曲線段上每環理論需要楔形量計算方法同上，不再贅述。

2.1.2 盾尾間隙

由前述盾構參數和管片參數可知，當管片在尾盾內拼裝時，理論上整個環向盾尾間隙均為:(6 230-2×40-6 000)/2=75 mm。盾尾間隙不均時，拼裝的管片外弧面易受壓破裂導致滲漏水。同時，易造成一側間隙過小而導致盾尾刷受擠壓破壞，另一側由于間隙過大而導致盾尾漏漿，加快盾尾刷磨損，增加施工風險。根據經驗，施工時應每環量測環向盾尾間隙，設定警戒值，當某處盾尾間隙小于或等于該警戒值時，即需要選擇合適的轉彎環，調整K塊點位，將最大楔形量對應放在盾尾間隙最小的位置，從而達到調整盾尾間隙，避免盾尾漏漿，保證管片拼裝后的外觀質量和防水效果。

2.1.3 油缸行程差

當盾構機在曲線段前進，或者軟硬不均地質、分區油缸推進壓力控制不當等原因，均可能造成不同分區的推進油缸出現行程差。當推進油缸行程差過大時，將可能導致直接承受油缸壓力的管片因受力不平衡而嚴重破損，或者使盾構機姿態進一步惡化并最終偏離隧道設計軸線。因而，當油缸行程差大于或等于某個警戒值時，就需選擇合適的轉彎環，調整K塊點位，將最大楔形量對應放在油缸行程最大的位置，從而抵消該處的油缸行程差，達到控制盾構機姿態的目的。

2.1.4 盾體趨勢

SLS-T導向系統實測得到的當前盾構機姿態，根據顯示的盾體趨勢可以預知在接下來掘進過程中盾構機的前進方向和趨勢。某方向的趨勢變化值=該徑向兩端的油缸行程差/推進油缸安裝直徑。在管片選型時，需將盾體趨勢做為超前因素考慮，保證選取的管片與盾構機下步前進趨勢一致。

2.2 管片選型的方法

根據本工程雙線隧道施工經驗，隧道設計軸線(即隧道走向)和盾體趨勢應做為管片選型的超前考慮因素，而推進油缸行程差(含鉸接油缸影響)和盾尾間隙兩因素則是正確管片選型的主要決策依據，結合本工程設計參數、盾構機參數和管片參數，具體總結如下:

1)當出現一邊盾尾間隙＜5 cm(而推進油缸行程差均＜4 cm)時，則選擇合適轉彎環，將楔形量最大值放在盾尾間隙最小處，以調整盾尾間隙。

2)當出現推進油缸行程差(含鉸接油缸影響)＞4 cm(而盾尾間隙均＞5 cm)時，則選擇合適轉彎環，將楔形量最大值放在油缸行程量最大處，以調整油缸行程差。

3)當盾尾間隙和油缸行程差同時超出上限且二者趨勢吻合時，則以兩者中任一因素選擇合適轉彎環矯正，即可同時調整兩者變化趨勢。

4)當盾尾間隙和油缸行程差同時超出上限且與二者趨勢相反時，則可能是前一環管片選擇不當或糾偏過急，宜在下一環或下兩環選擇標準環拼裝，以進一步觀察二者發展趨勢(理論上講其中一者必定會得到糾正)，然后根據二者實時情況按照前述四條原則選擇合適的管片進行糾偏。

理論上講，需要調整某方位的楔形量時，左右轉彎環均可以達到同樣的目的，只是K塊的點位正好對稱于隧道中心線。為方便現場指導管片選型，可以使用如下“左右手定則”:左右手分別代表左、右轉彎環，伸開五指，掌心向自己，如果拇指指向K塊中心位置，則四指所指方向則為該轉彎環最大楔形量所在位置。

3 姿態控制

為使盾構機持續保持較好姿態，盾構機推進時，操作人員需全程做到勤調整編組油缸推力、小幅度勤糾偏，必須使盾構機姿態保持在±50 mm之間。推進的過程就是一直糾偏的過程，在直線段建立垂直 ±25 mm、水平±30 mm的報警機制，超出該警戒值，需及時做出正確的糾偏反應。

根據本工程不同地質和不同曲線段的掘進經驗，總結盾構機姿態控制措施如下。

1)盾構姿態在垂直方向上出現過大下沉(即超出-50 mm)時:放慢掘進速度，逐步加大下部油缸推力，以增大下部區域與上部區域油缸的行程差;將趨勢(指操作儀表上的盾構趨勢)調整到4后，以該趨勢推進，如果在2環后的糾偏量仍不能抬高盾構垂直姿態，則需要逐步加大趨勢，趨勢最大不得超過8 mm/m。

2)盾構姿態在垂直方向上出現過大上浮(即超出50 mm)時:逐步加大上部油缸推力，以增大上部區域與下部區域油缸的行程差;將趨勢調整到-2后，以該趨勢推進，如果在2環后的糾偏量仍不能降低盾構垂直姿態，則需要逐步加大趨勢，趨勢最大不得超過-4 mm/m。

3)盾構姿態在水平方向出現過大左偏(即超出-50 mm)時:放慢掘進速度，逐步加大左邊油缸推力，以增大左部區域與右部區域油缸的行程差;將趨勢調整到3后，以該趨勢推進，如果在2環后的糾偏量仍不能改善盾構姿態，則需要逐步加大趨勢，趨勢最大不得超過6 mm/m。

4)盾構姿態在水平方向出現過大右偏(即超出50 mm)時:放慢掘進速度，逐步加大右邊油缸推力，以增大右部區域與左部區域油缸的行程差;將趨勢調整到3后，以該趨勢推進，如果在2環后的糾偏量仍不能改善盾構姿態，則需要逐步加大趨勢，趨勢最大不得超過6 mm/m。

5)當以上措施對盾構姿態改善不力時，可考慮開啟超挖刀，充分利用盾構機最小自適應曲線半徑的能力，以確保糾偏有充足的空間。

6)盾構機在曲線段推進過程中，盾構機的行進方向實際上是處于曲線的切線上，因此，推進的關鍵是確保對前盾的控制。由于曲線推進盾構環環都在糾偏，必須做到勤糾偏，而每次的糾偏量要盡量小。

7)盾構糾偏時的注意事項:①嚴格控制盾構正面平衡壓力，在盾構穿越過程中，必須嚴格控制切口平衡壓力，同時也必須嚴格控制與切口壓力有關的施工參數，如推進速度、總推力、出土量等，盡量減少平衡壓力值的波動;②嚴格控制盾構糾偏量，在確保盾構正面變形控制良好的情況下，使盾構均衡勻速地施工，盾構姿態變化不可過大、過頻，以減少盾構施工對地層的擾動影響。

4 結束語

盡管正確的管片選型在盾構施工中至關重要，但也應該認識到，管片選型只是被動地適應盾構掘進，輔助調整盾構前進趨勢和姿態，而不能主動決定盾構姿態，盾構姿態決定管片選型。盾構掘進過程，應合理使用推進千斤頂編組，區域油壓差異不得過大，保證盾構姿態與隧道軸線吻合。

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［2］竺維斌，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2006.

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