降低大直徑盾構小半徑曲線管片錯臺率

劉堂

一、研究背景

珠海城際鐵路橫琴隧道1#井～灣仔北區間位于珠海市市區南灣大道，線路左側臨海，多為工業廠房。全長1.230km，雙洞單線，采用盾構法施工。襯砌結構為C50鋼筋混凝土預制管片，內徑7700mm、外徑8500mm。每環管片由4塊標準塊、2塊連接塊和1塊封頂塊7片管片組成。管片厚40cm,寬度1.6m，襯砌管片為通用管片，最大楔形量40mm。區間始發段設置半徑R=400m轉彎段；段縱斷面為下坡，最大坡度為15.7‰，隧道頂覆土厚度6.1m（＜1倍洞徑）～16.5m。

區間隧道右線采用一臺8.8m直徑海瑞克土壓平衡盾構機掘進施工。左線采用一臺鐵建重工土壓平衡盾構機掘進施工。右線首先始發，始發段掘進過程成型管片出現多處錯臺。

二、大直徑小曲線淺埋盾構隧道管片錯臺原因分析

工程在實施過程中發現管片脫出盾尾后成型隧道管片拼裝質量較差，出現多出錯臺超過規范以及設計要求的范圍。應結合地質環境，人員、材料、設備、施工方案等多方面進行分析。

1.管片受力分析

小半徑曲線地段的隧道軸線控制難度大，同時管片向外側扭曲而擠壓地層使地層和管片結構均受到復雜的力影響，尤其管片拼裝是在盾尾內有力束縛，拼裝完成后無錯臺，待管片脫出盾尾后，管片束縛力突然釋放等原因最終導致已拼裝的襯砌管片錯臺及滲漏水。

2.姿態控制分析

始發段位于半徑R=400m轉彎段，坡度為15.7‰下坡。由于地質突變等原因盾構機推進方向可能會偏離設計軸線并達到管理警戒值；在穩定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產生較大的偏差。掘進過程中如果不及時進行針對性糾偏，極易造成成型管片錯臺。

3.注漿材料分析

原方案制定的漿液配比，現場試驗，初凝時間在8小時左右。根據掘進時間分析，管片在脫出盾尾時，相鄰幾環管片漿液還未達到初凝時間管片并未被“裹死”，掘進過程中由于曲線段受力不均，導致管片破裂、錯臺等出現。

4.盾構機設備分析

舊盾構機始發段故障較多，對油缸的行程、盾構的相關姿態參數，必須進行復核、校正，避免因為設備本身數據錯誤，最終導致數據判斷的錯誤，造成成型管片錯臺。

三、降低大直徑小半徑淺埋盾構隧道管片錯臺率的措施

1. 盾構掘進參數（姿態）的控制

（1）掘進速度及推力的控制

曲線段掘進速度嚴格控制，在土層地段控制在20mm/min以內為宜，在地層強度較大巖層控制在10mm/min以內為宜?？刂频木蜻M速值，不是一成不變的，需根據盾構機所處地層情況、盾構機姿態、管片姿態等來進行調整，要把掘進總推力控制在1000t以內。

管片的端面與盾構機盾體斷面不處于完全平行狀態，存在一定的角度，在千斤頂推力作用下，產生側向分力，在襯砌管片脫出盾尾后，受到側向分力的影響，成環隧道會向圓弧外側偏移，若推力過大，會使隧道外側原狀土體產生塑性破壞，控制推力，使得外側土體處于彈性范圍內。有利于控制側向分力的增加，減少對側向土體的干擾。

（2）曲線段軸線預偏

為了確保隧道軸線最終偏差控制在規范允許的范圍內，盾構掘進時在規范允許范圍內給隧道預留一定的偏移量。將盾構沿設計曲線線路的割線方向掘進，管片安裝時軸線位于設計軸線的內側，使得管片脫出盾尾后受側向向外的力向弧線外偏移時留有預偏移量。

（3）掘進過程中的糾偏

盾構掘進過程從微觀來講是一個“S”型糾偏的過程，每延米糾偏量控制在2～3mm，掘進每環糾偏量控制在7mm以內。盾構掘進方向偏角控制在5mm/m，當處在曲線段時，盾構機的方向控制將比較困難特殊情況下不超過10mm/m，否則盾構機轉彎過急易導致盾尾間隙過小，管片拼裝較困難，及拼裝完成后出現錯臺，并且由于盾尾間隙過小導致拼裝完管片損壞盾尾密封，造成管片破裂、錯臺漏水。

盾構糾偏時要使千斤頂各區域壓力分布呈線性狀態，如盾構要向右糾，除左區要較右區有一個較大的壓力差外，上、下區域的壓力也要適當，一般可取左、右區域壓力的平均值。同理，如需上、下糾偏時，可造成上、下區域千斤頂的壓力差。

（4）鉸接裝置的使用

使用盾構機的鉸接裝置，可以使盾構機的盾體與曲線趨于吻合，預先推出弧線趨勢，可以為管片提供良好的拼裝空間。

（5）隧道測量控制

①規范測量換站程序

每次換站必須復核不少于3個導線點的邊角關系，經檢核無誤后方可向前傳遞坐標。換站前后記錄比對姿態數據，確保各項偏差小于限差。一般導向系統姿態跳動20mm以內需結合管片姿態進行判斷，姿態跳動超過20mm必須檢核換站程序并復核坐標。

②導線點復核

隧道施工過程中，對洞內導線點進行不少于1次/周的坐標復核，以及時糾正導向系統的錯誤和累積誤差，確保隧道正常施工。

③實時觀測管片姿態

正常掘進過程中保證每環不少于3次姿態測量，并測量施工當班環倒10環管片，同時復核后10環管片姿態，確保隧道施工精度。

2.盾構注漿控制

注漿控制分為同步注漿控制及二次注漿控制。掘進過程中加強注漿量控制，切實做好注漿參數的調整，注漿壓力，尤其是漿液配合比。淺埋曲線段，由于覆土較淺注漿壓力過大容易造成地面冒漿，壓力過小造成注漿量不夠進而導致管片脫出盾尾后受地層包裹不均導致管片下沉，因此同步漿液初凝時間宜控制在4～6小時內，并及時在管片脫出盾尾后第三環進行二次注漿補強。同時在已脫出盾尾的管片進行反復二次注漿補強。

3.管片拼裝點位選取

對于管片拼裝點位選擇，現場主要依據是盾尾間隙。根據盾尾間隙進行管片拼裝點位的選擇，在直線段基本比較適用，但在圓曲線段，單獨依靠盾尾間隙指標來進行管片選型是完全不夠的。一方面要考慮管片姿態要適應當前設計線路的走向，尤其是坡度相對較大的小半徑圓曲線段，管片點位的選擇要兼顧轉彎所需要的楔形量和縱向坡度所需的楔形量。小半徑圓曲線段襯砌管片點位選擇對盾構機姿態控制及管片安裝質量等有著緊密的聯系。管片點位選擇的依據不僅僅局限于“盾尾間隙”，盾構機姿態與隧道軸線相對關系、盾構機姿態與管片姿態的相對關系、盾構機各區域千斤頂行程差等也是襯砌管片點位選擇的重要依據。實際推進的過程中，盾構機的姿態與管片姿態二者相輔相成。管片的點位選擇要適應當前盾構機的姿態及變化趨勢。同時成環隧道為盾構推進提供反力，直接影響盾構機推進過程中的姿態控制。

4.管片拼裝控制及管片復緊

嚴格控制襯砌管片每塊的安裝位置精確性。尤其底部第一塊的定位尤為重要。安裝位置精確，這樣可以避免最后安裝封頂塊F塊時的空間不足或空間過大現象。F塊的安裝空間過小，會造成F塊安裝過程中止水帶被擠壓開膠錯位及兩塊鄰接塊上移錯臺，即使F塊采取潤滑的措施但在安裝空間較小的情況下效果不是很明顯，管片脫出盾尾后必定造成錯臺、滲漏水。F塊的安裝空間過大，會造成管片在脫出盾尾過程中F塊滑動，尤其是在螺栓復緊次數不足(F塊空間過大，至少復緊3次)，造成F塊錯臺嚴重。

四、結語

大直徑盾構機在小半徑曲線淺埋段掘進，盾構掘進姿態難控制，成型管片受力復雜，拼裝點位選擇等多方面原因造成成型管片拼裝錯臺率增加。結合以上原因分析，采取針對性措施：盾構掘進速度不宜過快，宜控制在20mm/min以下，單日掘進環數不宜超過5環。掘進過程中進入轉彎段前，采取預糾偏，糾偏過程中切記糾偏過急，應勤糾、緩糾。注漿材料選擇初凝時間相對較短的配合比，在管片脫出盾尾后漿液處于凝固狀態。經過對右線管片錯臺原因分析，區間左線施工過程中針對主要原因采取相對應的措施，完成后成型隧道管片拼裝錯臺率大大減小，小曲線淺埋段管片拼裝質量符合規范和設計要求。