超深覆土條件下盾構小半徑轉彎的施工技術研究

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號線26標段復興島站—利津路站區間存在多區段長距離轉彎半徑不大于350 m的小半徑曲線段，圓曲線段隧道縱坡為3％，曲線段隧道覆土深度由淺至深逐漸達到36 m，盾構穿越的主要土層為⑥層硬土層，⑦1、⑦2層砂性土承壓含水層。

2 超深覆土下盾構小半徑推進施工難點[1-4]

2.1 總推力計算分析

以復興島站—利津路站區間隧道為例，隧道最大覆土深度約為36 m，隧道最大中心埋深約為39 m，該位置理論土壓力約為0.5 MPa。以盾構機位于該深度為計算模型計算總推力。

盾構機總推力由盾構外壁周邊與土體之間的摩阻力或粘結阻力、切口環貫入阻力、工作面正面阻力、管片與盾尾之間的摩擦力、后方臺車牽引阻力等5 個部分組成。

通過對盾構總推力各組成部分進行計算，可以得知當隧道覆土達到30～36 m時，盾構機總推力約40 000 kN。其中，正面阻力占44％，側摩阻力占50％，與常規覆土深度盾構推進總推力相比較，由于覆土厚度的增加，側摩阻力增長較大。

通過對正面阻力進行計算分析，土壓力每上升0.1 MPa，總推力僅增加3 000 kN，故如因為超深覆土總推力過大而降低正面土壓力，以此來降低總推力，效果十分有限，且容易引起盾構姿態的惡化。

故盾構機在考慮減小總推力的措施時，應重點考慮減小側摩阻力的措施。

2.2 難點分析

本工程所選用的盾構機為Φ6 360 mm石川島，專門針對超深覆土隧道施工設計制造，盾構機設計階段已考慮到超深覆土工況下總推力過大的情況，將單個千斤頂的推力從常規的2 000 kN提高到3 000 kN，共有16 個千斤頂，總推力達到48 000 kN。

但是在實際施工中，總推力仍舊達到設計總推力的83.3％，導致盾構機在小半徑曲線段通過油壓糾偏時千斤頂總推力不足，出現區域油壓并壓的情況，影響盾構機的糾偏能力。

若長期連續多環出現上述情況，會導致隧道實際軸線偏離設計軸線，影響成型隧道的質量。

3 小半徑轉彎糾偏量計算[5-8]

盾構機在圓曲線段施工時，對圓曲線段長度進行幾何分析。圓曲線段由每段長度為1.2 m的弧長組成，即盾構機每推進1 環長度為1.2 m。每完成1 環后，盾構方位角發生變化，如圖1所示。

故盾構機每一環的糾偏角度即為方位角J與方位角I的夾角θ。通過計算得到盾構機每環糾偏角度，利用三角函數關系可以計算得到盾構機推進每一環的左、右千斤頂伸出行程差（圖2）。

圖1 每環糾偏量計算

圖2 每環糾偏量計算

小半徑圓曲線段盾構機糾偏量計算結果見表1。

表1 小半徑圓曲線段盾構機糾偏量計算表

4 盾構機糾偏方法

4.1 合理設定千斤頂分區

本工程所使用盾構機總推力48 000 kN，共有16 個千斤頂，劃分為4 個區域，上區5個千斤頂、下區5 個千斤頂、左區3 個千斤頂、右區3 個千斤頂。上、下區總推力均為15 000 kN，左、右區總推力均為9 000 kN。

根據上一節糾偏量計算，小半徑轉彎施工時，盾構機左、右區千斤頂每一環必須拉出一定行程差，方可確保盾構機前行在設計軸線上。根據原有分區，左、右區千斤頂推力遠遠小于上、下區千斤頂推力，盾構機左、右轉彎的靈活性不足，往往無法推出要求的行程差，導致隧道軸線超出規范要求。

為滿足盾構機左、右小半徑轉彎的需求，千斤頂分區需重新調整，如圖3所示。考慮到盾構自重影響，下區千斤頂推力應大于上區千斤頂壓力，故將上區2 個千斤頂分別調整至左、右區。上區總推力調整為9 000 kN，左、右區總推力分別調整為12 000 kN，盾構機左、右轉彎靈活度大大增加。

圖3 千斤頂分區調整示意

4.2 區域油壓糾偏方法

經過計算，盾構機在本工程工況下總推力將達到40 000 kN，在采取一系列減小總推力的措施后，總推力可降至30 000 kN，為額定總推力的62.5％，盾構機有一定余力進行分區油壓調節和糾偏操作。但是，設定分區油壓時，如若設定不當，仍舊會出現并壓狀況，這就要求在設定調節分區油壓時，必須更加精細化，確保在能推動盾構機的同時，能夠滿足小半徑轉彎時每環的糾偏量。

在進行油壓設定時，應嚴格按照理論計算的總推力進行設定，并形成一套設定、調整的流程，以本工程總推力30 000 kN、左轉彎圓曲線段為例：

（a）在小半徑轉彎施工時，盾構機以左右糾偏為主，應先調整左右油壓。極限狀態下，右區油壓設為30 MPa，左區油壓設定為10 MPa，千斤頂額定油壓為34.3 MPa，單個千斤頂最大推力3 000 kN。根據千斤頂壓力換算，右區推力為10 496 kN，左區推力為3 499 kN。

（b）左、右區千斤頂壓力設置完成后，對上、下區千斤頂壓力進行設置，結合左、右區的推力計算，上、下區總推力需達到16 006 kN后，方可滿足推動盾構機的條件。

為避免因盾構機自重導致磕頭，在上、下區千斤頂壓力設置時，一般下區推力大于上區推力，下區壓力設置區間為20～26 MPa，再反算得到上區壓力，如表2所示。

每次設置、調整千斤頂壓力時，根據糾偏需要確定3 個分區壓力后，可計算得到第4個分區的壓力，可確保總推力滿足要求，有效避免并壓的情況。

表2 上、下區千斤頂壓力設置表

4.3 停千斤頂糾偏方法

當盾構機總推力繼續增大后，通過區域油壓調節時如若部分分區壓力小于5 MPa，即無法滿足總推力的要求時，千斤頂實際未產生推力，此時可選擇采用暫停部分千斤頂、其余千斤頂壓力全部釋放的方式進行糾偏，能夠達到立竿見影的效果，以右轉彎為例，通過將右上區域5 個千斤頂暫停，把盾構機的推力中心調整至左下方，可以達到保證盾構機在不磕頭的情況下，使盾構機向右轉彎（圖4）。在該工況下，共有11 個千斤頂為工作狀態，在每個千斤頂都能達到額定推力的情況下，此時盾構機總推力可達到33 000 kN。

圖4 暫停部分千斤頂示意

5 管片貼片計算

在盾構小半徑轉彎施工中，由于盾構機左、右區千斤頂推力的設定差異大，造成管片左、右段受力不一致。例如在右轉彎時，管片左端受到的推力遠遠大于右端所受到的推力，不均勻的受力會使得管片軸線逐漸偏向圓弧外側，漸漸跟不上設計軸線，同時盾構機在持續糾偏的情況下，盾構機左右行程差越拉越大，盾構機與管片夾角也會越來越大，極易引發盾尾間隙過小、外弧面碎裂等一系列質量問題。

所以在小半徑轉彎施工時，在盾構機糾偏的同時，同樣需考慮管片的糾偏，通過貼片使管片的軸線接近設計軸線。我們通過分析設計軸線、盾構機、管片三者的相對關系，來確定合理的貼片方式。

（a）第一步，分析設計軸線與盾構機的相對位置關系，通過每一環的盾構姿態測量數據來計算：設計軸線與盾構機夾角X‰=（切口左右偏差－盾尾左右偏差）/盾構機長度；

（b）第二步，分析盾構機與管片的相對位置關系，通過左、右千斤頂推進時的行程差進行計算：盾構機與管片夾角Y‰=行程差/管片直徑；

（c）第三步，計算設計軸線與管片的相對位置關系：設計軸線與管片夾角Z‰=X‰+Y‰。

我們需要通過在管片上貼片使端面成為楔形來減小設計軸線與管片間的夾角，通常采用厚4 mm或5 mm的貼片。每環糾偏角度（‰）=貼片厚度/管片直徑。通過分析設計軸線與管片的夾角以及貼片后每環糾偏角度，確定管片糾偏貼片方式，確定貼片環數時需考慮貼片材料在承受千斤頂推力時的壓縮量。

6 結語

針對超深覆土條件下的小半徑盾構推進施工，形成了一套調整千斤頂區域壓力的計算方法。通過對總推力及4 個分區千斤頂壓力的計算，可確定在不同土層、不同總推力的工況下最合理的區域壓力設定值，并判斷是否需要暫停部分千斤頂運作，為施工人員進行盾構機糾偏提供了理論依據。

對于小半徑轉彎時的管片糾偏，形成一套管片貼片計算方法，通過對設計軸線、盾構軸線、管片軸線三者相對關系的計算，合理確定每環管片的貼片厚度，防止小半徑轉彎時隧道偏移。