地鐵盾構隧道施工中 管片錯臺控制技術研究

常喜軍

摘 要：地鐵隧道管片錯臺是盾構施工中常見的質量缺陷之一，嚴重的錯臺會導致成型隧道出現大面積破損、滲漏，不僅影響到列車的安全運營，還會嚴重影響隧道的安全性、耐久性。文章以西安地鐵某盾構施工區段襯砌管片出現大面積錯臺破損為背景，對管片錯臺原因和產生的機理進行深入分析，并提出針對性的控制技術措施。

關鍵詞：地鐵;盾構隧道;管片錯臺;控制技術

中圖分類號：U455

1 工程概況

西安地鐵某盾構施工區間隧道采用土壓平衡盾構機施工，盾構隧道全長2816 m，隧道最大埋深22.05m，最小平曲線半徑500 m，最大縱坡22.1‰。隧道管片周邊主要分布有粉質黏土、黃土狀土、粗砂，采用惰性漿液進行壁后同步注漿。標準環管片外徑6 m，內徑5.4m，環寬1.5 m，由3塊標準塊（B）、2塊鄰接塊（L），1塊封頂塊（F）組成。封頂塊置于隧道頂部1 點或11點處，采用錯縫拼裝形式。為了適應曲線施工和隧道糾偏的需要，配有相應的左彎環（Z）和右彎環（R），楔形量為38 mm。

2 管片錯臺引發的問題

管片錯臺是指管片拼裝后同一環相鄰管片塊間或者不同環管片之間的高度偏差，前者稱環向錯臺，后者稱縱向錯臺。管片錯臺不僅影響隧道的外觀，而且會導致管片接縫滲漏水，影響到地鐵列車的安全運營，以及隧道的安全性、耐久性。剛拼裝完畢的管片在盾尾內產生環向錯臺，會導致盾尾間隙過小，加速盾尾刷的損壞速度，嚴重時會導致盾尾漏漿，這不僅給盾構掘進、清理拼裝工作面、管片拼裝帶來很大影響，還直接影響同步注漿效果，造成同步注漿漿液、盾尾油脂的大量消耗，帶來底部推進油缸損壞以及地面沉降超限等隱患。

3 管片錯臺原因分析及控制技術措施

3.1 管片選型

管片選型正確與否是決定成型隧道質量的關鍵因素之一，尤其是帶楔形量的管片選型不當，易導致盾尾間隙過小、推進油缸和鉸接油缸行程差過大、隧道軸線與設計軸線匹配不上、盾構機糾偏困難等，從而造成管片出現錯臺破損、滲漏水現象。

管片選型要綜合考慮隧道線型、盾構機姿態、盾尾間隙、推進及鉸接油缸行程差、盾構機姿態與管片姿態的相對關系、管片的上下左右超前量等實際情況，綜合考慮確定預拼裝管片的型號;根據隧道曲線設計情況，提前考慮后幾環的盾構掘進姿態控制及管片選型問題;封頂塊宜拼裝在隧道腰部以上，以保證管片拼裝滿足隧道質量控制要求。

3.2 盾構姿態

盾構的姿態是盾構施工控制的技術重點，盾構機姿態的變化直接影響盾尾間隙的變化。盾構運動軌跡波動幅度過大，加之管片形態的慣性作用，必然導致盾尾間隙不均勻。盾尾間隙過小會導致管片安裝困難，安裝后的管片受盾尾擠壓易造成錯臺、破損，甚至滲漏水。

盾構姿態調整時，要注意盾構的趨勢控制，避免糾偏過猛，應勤糾緩糾，避免盾構出現“蛇形運動”現象。姿態調整一般控制在5 mm/環，并將盾構軸線與隧道設計軸線偏差控制在允許范圍內。由于隧道開挖卸荷導致地基回彈，管片置于粉質黏土或黃土狀土地質中會有上浮現象，因此，盾構推進時其盾尾垂直方向應控制在-20mm，以抵消管片后期的上浮量。

盾構操作員應掌握整個區間線路的設計情況，對關鍵點予以嚴控，尤其是在盾構進入平曲線或豎曲線時，應根據曲線半徑提前使盾構向該曲線內適當的偏移，確保盾構姿態在曲線段能緩和調整。

3.3 推進速度

盾構推進過程中，刀盤扭矩與推進速度成正比例關系，過快的推進速度可能使刀盤扭矩異常增加，推進速度越快扭矩越大，同時盾體振動幅度也越大。盾構推進油缸的推力反作用在拼裝成型的管片上，并帶動剛拼裝成型尚未穩固的幾環管片來回擺動，管片環向之間因此受到較大的擠壓力，造成管片破損。

粉質黏土和黃土狀土地質中，在刀盤轉速一定的情況下，推進速度與刀盤扭矩和管片錯臺率的統計關系如圖1所示。由圖1可見，在粉質黏土地層和黃土狀土地質中，推進速度為20～50mm/min時，刀盤扭矩在2000kN · m以下，管片錯臺率小于5%;推進速度為50～60mm/min時，刀盤扭矩為2 000～2 600 kN · m之間，管片錯臺率為12%;當推進速度大于65 mm/min時，刀盤扭矩超過3100 kN · m，管片錯臺率達25%。經綜合考慮，在此地層中，盾構推進速度宜控制在45mm/min左右，刀盤扭矩控制在1 800 kN · m 以下，有利于解決管片錯臺破損問題。

3.4 同步注漿

盾構刀盤的開挖直徑一般大于管片外徑，隨著盾構的推進，逐漸形成管片外徑與刀盤開挖直徑的環形建筑空隙。為及時填充該空隙，在盾構推進的同時須進行同步注漿，以盡可能減少盾構施工時對地面的影響。

同步注漿中，漿液初凝時間長，管片在浮力作用下有上浮趨勢，易引起管片錯臺;注漿壓力過大，對管片造成較大的擠壓，易造成管片錯臺或破損;注漿方量不足，沒有充分填充隧道襯砌間隙，管片因為沒有被砂漿完全固定而產生移動，形成偏心力，引起管片局部應力超過其強度，同樣也會導致管片錯臺破損。

因此，應根據不同的地層調整漿液配比，將漿液凝結時間控制在6～8 h，特殊情況下可合理添加速凝劑以縮短其凝固時間;注漿壓力宜高于土倉壓力0.15～0.2MPa，并根據隧道埋深及地層沉降監測數據及時調整;注漿速度應與推進速度相匹配，注漿速度過快會使漿液注入到土倉內;保證足夠的注漿方量，必要時對脫出盾尾的4～6環管片壁后進行二次注漿，將后部管片在同步注漿中未能填充滿的建筑空隙全部填筑密實，形成穩固結構。

3.5 盾尾間隙

在施工過程中，盾尾間隙過小會導致盾尾擠壓管片造成錯臺。盾尾間隙過小與盾構姿態調整過急、管片選型等因素有關，特別是在小曲線半徑內，更容易出現盾尾間隙過小問題。在直線段，如果用轉彎環調整盾尾間隙，在盾尾間隙彌補到預期值之后，要時刻關注盾構姿態與成型隧道測量數據的對比，若出現偏差且偏差有變大趨勢，一定要及時用相反的轉彎環重新拼回，否則為了使盾構姿態在合適范圍內，盾構推進線路與隧道設計軸線偏差會越來越大，管片所受的偏向力也越來越大，最終導致管片出現大面積破損。盾尾間隙示意圖如圖2所示。

3.6 推進系統各組油缸壓力差值和行程差

盾構推進系統主要包括A、B、C、D 4組推進油缸，如圖3所示。推進系統各組油缸壓力差值過大，推進油缸作用在管片上的力不均勻，或者推進油缸行程差過大，盾體與隧道會形成折角，管片會受到較大的偏心力，容易錯臺破裂;鉸接油缸行程差過大，會使鉸接處于“折角”狀態，盾尾適應不了管片、曲線變化，也會引起管片錯臺破損;另外，推進油缸撐靴緩沖板脫落，也容易把管片擠破。

因此，推進油缸行程差在直線地段不能超過30mm，曲線地段不能超過50 mm;鉸接油缸行程應保持在中位狀態，以確保有一定的浮動量;推進過程中，推進系統各組油缸壓力盡可能保持均衡，避免壓力差值過于懸殊;加強推進油缸系統的日常巡查，使推進系統處在完好狀態;根據不同地質優化推進參數，防止刀盤結泥餅，同時盡可能用較小的推力進行推進。

3.7 拼裝質量

管片拼裝時，須確認拼裝順序是否正確，管片是否均勻排布，管片螺栓是否可自由穿插，拼裝成型的管片是否適合盾構姿態調整方向;嚴格按照標準的管片拼裝程序進行，并且盡量使拼裝成型的管片呈豎橢圓狀態，避免出現“內喇叭”或“外喇叭”現象;避免出現“拼大”或“拼小”現象，當拼裝第5塊時確保封頂塊（F塊）有恰當的拼裝空間，否則極易導致封頂塊（F塊）錯臺破損。

3.8 管片螺栓

管片螺栓緊固不到位、螺栓規格尺寸不合格也是導致管片錯臺的重要原因之一。管片螺栓緊固不到位主要是因為未對管片螺栓進行及時復緊或者風炮力矩不夠。在管片剛拼裝完成時進行第1次緊固，推進過程中管片脫出盾尾之前進行第2次復緊，脫出盾尾后的幾環進行第3次復緊。通過對管片螺栓的多次復緊，可有效降低管片錯臺數量。

加強對風炮的日常維修保養，力矩不夠時及時更換或維修，以確保管片螺栓緊固時達到足夠的扭矩。進場管片螺栓規格尺寸不合格，如管片螺栓太短、較細或者弧度不匹配，也影響到螺栓連接緊固效果，所以管片螺栓進場時要確保每批次的螺栓都符合設計要求。

3.9 管片質量

管片強度不夠、有裂紋、缺角等管片質量問題易引發管片錯臺或破損。管片生產前應對管片生產模具尺寸進行檢驗，對已生產的管片進行抽檢，檢驗其尺寸是否滿足規范要求;進場管片必須有合格證、質量證明文件，并嚴格對管片外觀及強度進行驗收，杜絕有問題的管片進入隧道拼裝。

4 結束語

在盾構推進過程中，產生管片錯臺破損的原因不盡相同，當出現此類問題時，應從管片選型、推進速度、盾尾間隙、推進系統各組油缸壓力差值和行程差、拼裝質量等方面分析原因，另外也要查驗推進系統或拼裝系統有無故障，施工人員的技術水平和責任心及相關材料質量是否符合規范等，通過綜合分析，及時采取相關針對措施，有效控制管片錯臺破損，以確保地鐵隧道的整體質量。

參考文獻

[1]竺維彬，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.

[2]陳饋，洪開榮，焦勝軍. 盾構施工技術（第二版）[M]. 北京：人民交通出版社，2016.

[3]張鳳祥，朱合華，傅德明. 盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]楊書江，孫謀，洪開榮. 富水砂卵地層盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

[6]張冰. 地鐵盾構施工[M]. 北京：人民交通出版社出版社，2011.

[7]溫法慶，賈璐，李亞軍. 土壓平衡盾構施工風險管控與案例分析[M]. 湖北武漢：武漢大學出版社，2017.

[8]常心毅. 富水砂層盾構施工技術探討[J]. 現代城市軌道交通，2016（12）.

[9] 張照煌.盾構與盾構施工技術[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2019.

[10] 張鳳祥. 盾構隧道[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

[11] 朱偉，陳仁俊. 盾構隧道基本原理及在我國的使用情況[J].巖土工程界，2001，4（11）.

[12] 郭銅. 地鐵隧道盾構法施工質量控制重點及措施[J]. 科技視界，2015（1）.

[13] 周振國，郭磊，郭衛社. 盾構施工姿態控制和管片選型[J]. 西部探礦工程，2002（5）.

[14] 張曉莉. 盾構法隧道管片管片拼裝施工技術[J]. 山西水利科技，2011（8）.

[15] 鐘志全. 盾構管片錯臺分析及措施[J].盾構工程，2006（9）.

[16] 竺維彬，鞠世健. 盾構隧道管片開裂的原因及相應對策[J]. 現代隧道技術，2003（1）.

[17] 韓亞麗，陳潰. 南京地鐵盾構隧道管片拼裝技術[J]. 隧道建設，2003，23（2）.

[18] 趙運臣.盾構隧道曲線段管片破損原因分析[J]. 西部探礦工程，2002（3）.

[19] 葉康慨. 盾構隧道管片位移分析[J]. 隧道建設，2003（5）.

[20] 張則忠. 盾構施工中管片錯臺的成因分析以及防治措施[J]. 土木與建筑，2007（1）.

[21] 勤儉設，朱偉，陳劍. 盾構姿態控制引起的管片錯臺及開裂問題研究[J]. 施工技術，2004，33（10）.

收稿日期 2019-12-23

責任編輯 朱開明

Research on segment staggering control technology in metro shield tunnel construction

Chang Xijun

Abstract： Segment misplacement staggering is one of the common quality defects in shield construction. Serious staggering will lead to large area damage and leakage of the formed tunnel， which not only affects the safe operation of the train， but also seriously affects the safety and durability of the tunnel. Based on the background of large-scale damage of lining segments in a shield construction section of Xi'an metro， this paper analyzes the causes and mechanism of segment dislocation， and puts forward corresponding technical control measures.

Keywords： subway， shield tunnel， segment staggering， control technology