管片超前量在極端軟弱地層中的應用

吳俊呈

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司

1 引言

目前，在地鐵施工中，盾構法是一種比較先進，應用廣泛的施工方法，盾構隧道質量也是在不斷提升中。盾構機在極端軟弱地層掘進中，極易出現盾構機栽頭、盾構機姿態超限、管片大面積錯臺破損滲漏等施工問題出現，運用管片超前量對于盾構姿態控制起到關鍵性作用，同時，可較大程度上減少管片質量缺陷，提高管片質量。

2 管片超前量相關概述

從拼裝整環管片正面看是一個圓環，從頂部看，管片投影為矩形；而通用管片（或標準型管片轉彎環）在平面上的投影為對稱的梯形，梯形長邊與短邊差值即為楔形量，依靠楔形量來實現隧道的轉向及盾構機的輔助控制。超前量是管片的楔形量在水平和豎直方向上的貢獻值。

圖1 通用型管片超前量投影

以昆明五號線八標通用型1.2m管片，雙面楔形量18.6mm為例：

圖2 通用型管片超前量計算投影示意圖

則任意角度a的環寬計算為：

3 盾構隧道理論超前量計算

當一條隧道設計軸線確定了后，平面線形由直線段、緩和曲線和圓曲線構成。豎曲線由直線段、變被圓曲線構成。

在直線段，管片易于選型，內外弧線一樣長，超前量設計值為0mm/環；在緩和曲線段，超前量數值介于緩和曲線前后分段曲線超前量數值的中間，是漸變量；在變坡曲線段，設計文件通常是超大一條圓曲線，計算按照下面圓曲線過程；在圓曲線段，擬合半徑為R的曲線時，單個襯砌環所需水平超前量Sa為：

式中：

D——內外弧線對應的轉彎半徑差值即隧道直徑。

L——管片長度。

R——隧道設計轉彎半徑。

4 分析管片超前量作用

4.1 超前量分析是判斷隧道管片擬合設計軸線的重要數據

超前量分析一般連續計算單環管片不同拼裝點位水平方向的超前量和豎直方向上的超前量然后通過對比該段區間管片理論超前量值進行分析。

當水平實際平均值大于理論超前量值，該段拼裝管片轉彎度過大，管片成型過程中，管片會向外弧線方向錯臺來擬合實際設計軸線，弧線外側管片受擠壓;當水平實際平均值小于理論超前量值，該段拼裝管片轉彎度過小，管片成型過程中，管片會向內弧線方向錯臺來擬合實際設計軸線，弧線內側管片受擠壓。

當垂直實際平均值大于理論超前量值，該段施工拼裝管片變坡度過大，管片成型過程中，管片會向外弧線方向錯臺來擬合實際設計軸線，底部管片受擠壓；當垂直實際平均值小于于理論超前量值，該段施工拼裝管片變坡度過小。管片成型過程中，管片會向內弧線方向錯臺來擬合實際設計軸線，頂部管片受擠壓。

在超前量數據庫樣本中，實際超前量平均值的樣本（環數）越大，實際平均值越接近理論超前值，如果出現上述2種情況的較大偏差，就表示隧道管片拼裝擬合設計軸線較差，管片錯臺率、破損率及滲漏水率大大提高。

4.2 通過超前量分析指導管片選型

管片選型除了根據現場實際施工的測量數據選擇（盾尾間隙、千斤頂油缸行程差），超前量數據的分析對管片選型的參考具有重大影響。施工過程中，通過圓曲線半徑計算獲取理論超前量，通過當分析對比實際水平超前量值與理論超前量值出現較大偏差的情況，即分析是轉彎過度還是轉彎度不足，分析判斷盾尾間隙變化及油缸千斤頂行程差變化。

在圓曲線盾構掘進過程中，當水平實際平均值大于理論超前量值，該段拼裝管片轉彎度過大，通常外弧側盾尾間隙變小，外弧油缸千斤頂行程短，即減小管片超前量值；當水平實際平均值小于理論超前量值，該段拼裝管片轉彎度不足，通常內弧側盾尾間隙變小，內弧油缸千斤頂行程差變大，即增大管片水平超前量值。

4.3 超前量分析擬合盾構姿態

在盾構掘進過程中，計算分析管片超前量，保持管片趨勢與盾構機趨勢平行狀態，保證盾尾間隙均勻性，從而保障管片質量合格率。

當兩者趨勢差呈“V”字形，管片間隙難以控制，管片進行出現大面積錯臺、破損及滲漏現象。

5 管片超前量在極端軟弱地層盾構施工實際應用

5.1 工程概況

昆明五號線八標金海新區站～福保站盾構區間設計里程：左DK21+355.465～左DK23+117.872，短鏈9.774m，1752.633m；右線右DK21+355.465～右DK23+117.872，全長1762.407m，其中金福右線541～787 環為R600 圓曲線。昆明五號線采用通用型管片，楔形環為雙面楔形，楔形量平均分為兩部分，對稱設置在楔形環兩側環面，單面楔形量為18.6mm，為標準由轉管片，即管片K塊拼裝在1點位，水平方向左邊超前量為37.2mm。

5.2 工程地質

金福區間上而下可分為第四系人工填土層（Q4ml）及第四系全新統沖湖積層（Q4al+l）二個地層單元，區間埋深12m～17m，主要穿越土層為：（2）4-3粉土（厚度：3m～12.6m）、（3）1-3泥炭質土（厚度2.1m～3.4m）、（2）3-3粉質黏土、（4）1-3泥炭質土。其中(4)1-3層泥炭質土：黑色，可塑，主要成分為黏土，含有機質及腐殖物，土質輕，干強度及韌性中等特征；呈層狀分布，各鉆孔均揭露該層，層厚1.00m～8.60m，平均厚度3.15m，層面埋深2.00m～14.90m；承載力特征值dak=60kPa，巖土施工工程等級為Ⅱ級。

5.3 盾構掘進姿態失控

金福區間左線盾構掘進至293環，垂直姿態超限失控，整體持續往下掉。調整上下分區壓力差，增大垂直趨勢，盾尾管片出現錯臺。

圖3 地質剖圖面

圖4 293環盾構姿態

5.4 超前量分析及調整

盾構垂直姿態失控停機分析，累計管片垂直超前量為-75.64mm，管片趨勢為-1.2‰，盾構機趨勢為11‰，兩者相差大，盾構機與管片之間出現夾角導致垂直姿態調整困難，管片出現錯臺破損。

保持盾構機趨勢穩住盾構機垂直姿態，通過管片選型增加管片下部超前量擬合盾構機趨勢，調整兩者線型為平行關系。

通過管片選型增加管片下部超前量，掘進至304環時，管片垂直超前量為49.54mm，管片趨勢為7.9‰，此時盾構機趨勢為9‰，兩者趨勢差為1.1‰，盾構機垂直姿態穩定往上調整，同時管片錯臺量在2mm以內，無破損及滲漏現象發生。

圖5 304環盾構姿態

圖6 成型管片線型實際效果圖

6 結束語

在極端軟弱地層盾構掘進中，發生盾構機垂直姿態失控率高，在姿態調整過程中因管片超前量與盾構機趨勢呈“V”字形問題從而造成大面積管片破損、錯臺及滲漏等質量缺陷問題。利用管片超前量分析擬合盾構機趨勢，指導軟弱地層盾構掘進，控制盾構機姿態方法是有效的，同時有效降低管片質量缺陷率，保障盾構成型隧道合格率。