太原地鐵盾構管片旋轉成因及預防舉措

杜 帆

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

太原地鐵盾構管片分直線環和轉彎環（左轉環與右轉環），每環盾構管片由3 塊標準環、2 塊鄰接塊及1 塊封頂塊(3+2+1 模式)組成，隧道由三種盾構管片通過不同組合擬合而成。實際施工中由于某些原因，會產生盾構管片扭轉導致滲水現象，尤其是個別小半徑區段發生盾構管片接縫滲水的現象較多。依據盾構管片扭轉產生的問題，詳細分析了成因并提出了控制舉措，可有效規避（減少）盾構管片滲水，提高隧道防水性能，最大限度地降低處理隧道滲水的額外施工成本。

1 工程概況及水文地質

太原地鐵2 號線人民南路站位于小店區人民南路與規劃六號路交叉口處，站位西南側和西北側為農田，東北側為太原市警察學院靶場，東南側為西橋村，車站沿人民南路南北方向敷設。人民南路規劃道路紅線寬50 米，是太原南北方向的主要道路，四號路規劃紅線寬30m，六號路規劃紅線寬36m，為小店區東西方向次干道。

本工程所用盾構機由主機、后配套等部分組成。主機分為由盾構刀盤、主驅動（液驅）和尾、中、前盾組合而成；隔板支撐主驅動系統、隔板底部配備螺旋機；中盾周邊布置有推進油缸和被動鉸接油缸以及地鐵盾構管片拼裝機；尾盾是盾構管片拼裝工作區，尾盾內裝有4 處8 路（4 路備用）同步注漿管及8 路盾尾油脂注入管；后配套系統有設備橋、5 節臺車及皮帶系統組成。

本區間盾構主要穿越：人工填土（雜填土）、人工填土（素填土）、新黃土（水上）、古土壤、老黃土（水下）、粉質黏土、粉土、粉細砂、粗砂、砂礫。

2 盾構管片旋轉的不良影響

盾構掘進過程中，盾構機受到刀盤扭矩的影響，與其周圍土體的摩擦扭矩小于刀盤扭矩時，盾構機會隨之發生扭轉，盾尾內成環盾構管片隨盾構機產生扭轉，容易造成已成型盾構管片離開盾尾后形成扭轉[1]。如果盾構管片扭轉角度超過一定范圍，會對臺車和電機車軌道的平整性產生不良影響，易導致脫軌掉道，影響盾構掘進，嚴重時危及人身及設備的安全[2]。

盾構管片扭轉角度超過一定范圍會產生以下不良后果：增加封頂快（F 塊）的拼裝難度；扭轉角度導致盾構管片錯臺與破裂；影響盾構管片密封；產生接縫滲水現象[3]。在人民南路站—化章街站，左右線均有盾構管片扭轉現象，局部扭轉較大。盾構管片扭轉如圖1 所示，扭轉形成滲水如圖2所示，扭轉導致錯臺明顯的隧道如圖3 所示。

圖1 地鐵盾構管片扭轉

圖2 盾構管片扭轉形成 滲水

圖3 盾構管片扭轉導致 錯臺明顯的隧道內景

3 盾構管片扭轉原因分析

3.1 力學分析

盾構刀盤旋轉分順時針（正）和逆時針（反）旋轉，如果刀盤正或反旋轉切削土體時，土體對刀盤產生反方向的反力矩M土，這時盾構機與土體間的摩擦力會形成反方向的力矩M盾，從而保持盾構機平衡[4]（如圖4 所示）。

圖4 盾構管片扭轉力學示意

⑴M盾＞M土(盾構機和土體間臨界摩擦力矩值)時，盾構機穩定，盾構管片不會出現扭轉趨勢[5]；

⑵ M盾＜M土盾構機具有滾動的趨勢，推進時，推進油缸會對盾構管片產生一反方向的扭矩，當盾構管片自身穩定性好、土體與盾構管片的摩阻力產生的反力矩M盾構管片能抵抗這一力矩時，盾構機及盾構管片保持一種穩定狀態，就不會出現扭轉趨勢[6]；

⑶M盾構管片＋M盾＜M土時，盾構機和盾構管片均會產生反方向的相對扭轉[7]。

詳細分析可知，盾構管片扭轉最主要的原因是圍巖不能提供足夠的摩阻力去限制盾構機扭轉，從而導致盾構管片扭轉。圍巖摩阻力不夠的內在原因有：①盾構刀盤順時針或逆時針旋轉產生的力矩不太均衡[8]；②同步注漿的效果差，不能產生滿足要求的摩擦阻力[9]；③盾構管片受力不均，從而形成盾構管片旋轉的力矩[10]；④盾構管片拼裝產生的旋轉偏差累積。

3.2 施工分析

（1）刀盤順時針或逆時針旋轉產生的力矩不均衡。如果盾構機和盾構管片均具有滾動趨勢時，刀盤順時針與逆時針旋轉的不均衡將產生盾構機向扭轉大的方向扭轉，導致成型盾構管片的扭轉積累。均衡是指在盾構掘進過程中，刀盤旋轉的時間、扭矩大致相同，從而盾構管片左右扭轉的趨勢也會大致相同[11]。在小曲線段掘進施工中，由于刀具磨損的原因，導致刀盤順時針與逆時針旋轉時盾構機滾動角變化較大，盾構管片整體扭轉了一定角度，導致后配套臺車經常脫軌，嚴重影響施工進度。

（2）同步注漿效果差。盾構管片和土體之間存在些許間隙，需要通過同步注漿進行填充，同時固結盾構管片。為了保護盾尾刷，在施工中采取了緩凝漿液。在黃土及粉質粘土地層中，地下水較為豐富，同步注漿效果不明顯，無法及時固結盾構管片，導致較為嚴重的盾構管片旋轉。在砂層地段，盡管注漿效果不理想，但由于砂土的摩擦力矩較大，盾構管片不易發生旋轉。

（3）盾構管片受力不均。由于推進油缸采取單雙缸編組模式，導致盾構管片受力不均，容易產生相對轉動。同時在曲線段，盾構管片環面與油缸撐靴不垂直，推進油缸的推力沿盾構管片環面產生徑向分力，導致盾構管片旋轉；在盾構管片拼裝完成后，推進油缸對盾構管片的作用力較小，工人對盾構管片螺栓沒有及時復緊，難以加強環和環之間的有效連接并提高盾構管片之間的摩擦力，成型管環整體剛度較差，不能有效傳遞盾構機滾動產生的力矩，易導致盾構管片旋轉。

（4）盾構管片拼裝產生的旋轉偏差累積。管片操作手一般按照自下而上左右交叉的原則進行盾構管片拼裝。由于拼裝需要，盾構管片螺栓孔與螺栓之間一般預留5mm 的空間間隙，在極限狀態下，2 環盾構管片可錯位10mm，依據現場觀測，2 環之間經常相對扭轉5～8mm，因為操作誤差等情況，持續單方向扭轉偏差的累積，從而影響整環盾構管片實際扭轉角度大于設計允許值。

4 預防及處理舉措

基于成因分析，可在施工中采取如下措施：

（1）最大程度減少單方向旋轉時間，確保順時與逆時針旋轉時間相同及扭矩保持均衡狀態。

（2）縮短同步注漿液的初凝時間，并盡可能增加注漿量，填充管片與土體間的空隙，采取以注漿壓力（上部注漿點2bar，下部注漿點2.5～3bar）控制為主，流量控制為輔的方法，確保漿液的足量注入，從而增強盾構管片的自穩性，確保及時給予盾構管片足夠大的摩擦阻力。具體漿液配合比試驗見表1。

由表1 可知，采取四組試驗，通過適當增加水泥用量、減小粉煤灰用量、縮短漿液初凝時間、選取小半徑曲線段350 環～400 環進行試驗對比，在保證滲漏控制效果的前提下，最終選定第三組試驗配比，調整后的漿液凝固時間由11.5 小時縮短為8.5 小時。通過調整漿液初凝時間可增大管片與周邊土體及漿液的摩阻力，改善管片脫出盾尾后發生扭轉的現象。

（3）保持好盾構姿態，正確選擇封頂快的拼裝點位，確保4 組推進油缸的均勻推力以及合理的盾尾間隙，使盾構管片的軸線最大限度地擬合隧道設計軸線；小曲線段每掘進500mm 時停止掘進，將推進油缸全部采用拼裝模式回縮一次，以減小推力產生的徑向分力；盾構管片拼裝完成后要馬上緊固螺栓，并在推進時進行二次復緊，待盾構管片脫出盾尾后進行三次復緊，確保提高成型盾構管片的剛度。

（4）盾構管片產生扭轉跡象可適當調節漿液配合比、縮短漿液凝固時間、增加盾構管片的約束力，以減少盾構管片的旋轉角度。

（5）盾構管片產生扭轉可將刀盤和盾構管片扭轉方向進行相同方向旋轉，并對旋轉時間進行適當延長，嚴防盾構管片持續扭轉，并確保其恢復正常位置。

（6）當盾構管片扭轉過大時，借力盾構管片螺栓孔之間能夠相互錯動的時機，當拼裝拱底塊盾構管片時，對盾構管片進行縱向螺栓穿進后，借力拼裝機鉗著盾構管片朝著需要糾偏方向旋轉一個角度，然后向千斤頂靠近，另外對縱向螺栓進行擰緊。以拱底塊盾構管片作為一個基準，對剩余盾構管片進行正確拼裝，能確保整環盾構管片向著相反方向旋轉一個角度。對連續數環盾構管片都采取此法進行拼裝，可及時糾正旋轉誤差。

5 施工驗證

由于施工控制、操作人員經驗不足等原因，導致太原地鐵2 號線某小半徑曲線段盾構管片發生扭轉。通過對現場施工推進參數的查閱，詳細了解了同步注漿的相關數據、現場查勘盾構管片拼裝等情況，發現刀盤順時針與逆時針旋轉扭矩相差較大且盾構機扭轉有明顯差異，實際同步注漿量偏少（4～4.5m3）。根據地質情況及前期經驗，注漿6～7m3可滿足注漿要求并依據實驗結果調整砂漿初凝時間，發現在小半徑階段可進一步優化推進速度、推力、扭矩等參數，現場指導盾構管片拼裝手的拼裝及輔助糾偏。

技術人員通過5～10 環的跟蹤施工，盾構管片扭轉、姿態得到了明顯好轉，并驗證了前述有關盾構管片扭轉、錯臺、破裂、滲水的原因分析是正確的。通過施工總結，指導了后期盾構在小半徑段的有效掘進施工，并取得了良好的施工效果。

表1 同步注漿材料配合比試驗

6 結語

盾構管片拼裝質量管理是一項綜合性工作，其質量受掘進參數、同步注漿、拼裝人員技術水平、隧道線路、地質等諸多因素的影響。當掘進姿態不正常時要果斷采取舉措，嚴防質量通病。當盾構管片產生旋轉現象，要依據施工現場情況研究制定合理適用的糾偏方式，保證盾構施工順利推進。