地鐵隧道施工中成型管片軸線控制技術分析

李強

（中鐵二局集團有限公司城通分公司，成都 610000)

1 引言

隨著城市軌道交通基礎設施建設的快速發展，盾構機的應用越來越多，由于盾構施工是可逆的，施工企業、工程監理都將盾構隧道施工成型管片軸線的控制作為重中之重。在施工過程中，隧道施工成型管片軸線存在偏差會影響工程進度，推遲工期，造成重大工程安全事故，對經濟發展和社會造成影響，因此，采取針對性措施縮短成型管片軸線偏差，是各地鐵站盾構施工專業技術人員的職責。

2 工程概述

某地鐵工程機場西站—蕭山機場站區間位于浙航大道與航安路路口西側。區間出機場西站后下穿機場高速公路，過機場高速公路后以一組半徑R=450 m 的曲線轉向東，下穿圍場河后沿浙航大道敷設，至浙航大道與航安路路口西側，設中間風井，區間出中間風井后繼續沿浙航大道敷設，至浙航大道與航景路路口西側接一組反向曲線后接入蕭山機場站。區間最小坡度為5.071‰，最大坡度為24‰，最小轉彎半徑為450 m，最大轉彎半徑為1 500 m，區間隧道最小埋深8.81 m，最大埋深18.25 m。盾構機應根據市政管網、建筑施工、樁基、河流等內容，對隧道中心線的操縱提出更高要求：進行盾構掘進施工時，隧道高程誤差和平面誤差應控制在50 mm 以內，成形隧道高程公差和中心線平面誤差應控制在100 mm 以內。操縱隧道中心線的主要目的是更好地保證盾構機能夠沿設計方案路線推進，防止盾構機超出誤差極限無法達到設計方案要求。

3 成型管片軸線偏移原因

機場西站最初設置在隧道出口側，主要是隧道施工坡度較陡（24‰），升級后改為起點站段項目。設計方案中沒有考慮緩坡保護段的合理節距和可靠性。也就是說，在起點站的托架上，掘進機在進行推進時不能進行坡度調整。在工程施工過程中，由于過分追求工程進度，掘進機開挖速度過快，造成段在施工過程中偏差過大。盾構機推進施工全過程注漿施工的注漿量和注漿壓力過大，造成分段偏移，導致儀器設備精度下降，產生冗余誤差；每次精確測量完成后，都需要換站，測量數據信息有一定的誤差；另外，由于每次換站的應用數據都是上一站的數據信息，隨著換站頻率的增加，會導致總誤差、最終誤差越來越大；機場西站至蕭山機場站盾構隧道施工期間，盾尾刷更換3 次，盾尾刷一旦損壞，會出現更嚴重的模脹情況，即泥漿引入不足，導致管段向下移動，即使最終順利形成，部分掘進段操縱值也會超過極限；在盾構施工過程中，盾構司機沒有認真進行工程圖紙和工程施工順序研究[1-3]。驗證中，當出現坡度變化時，無法立即調整盾構姿態；在盾構機掘進過程中，段型選擇困難，會造成盾尾間隙縮小。為了更好地保證盾構機前進，避免管片損壞，必須改變盾構機姿態，避免盾構機偏離隧道施工設計方案的中心線。

4 測量措施

4.1 建立坐標體系

在盾構施工前，必須在地面和地下建立坐標系，根據業主給出的平面圖控制網絡及其橫向網信息，確定平面圖的各點高程和近井點；然后采用精確測量方法進行測量，將線路控制點和參考點的高程坐標傳輸到模型中，從而創建坐標系，并對盾構機建設進行專項指導[4]。

4.2 導向系統測量

導向系統軟件在盾構施工中得到了廣泛應用。激光站是盾構機自帶的檢測設其姿態的測量系統，測量頻率為2 次/s，這樣就大大減少了人工檢測盾構姿態的次數。激光站是由帶激光發射裝置的全站儀、激光接受靶（位于盾構機刀盤后面）、后視棱鏡組成。激光站的測站和后視都納入了地下坐標控制網中，根據激光全站儀能測出掘進中盾構的具體三維坐標和其具體里程，并與主控臺內的計算機資料做比較，當超限時盾構機會自動停止工作。讓實際操作人員實時獲取盾體和設計方案，中心線的偏差可立即糾正，保證施工質量。

4.3 人工測量

首先，明確中心坐標、盾構機總長、盾尾坐標、原件等盾構機的相關數據信息，以及盾構機的原始傾斜度、預標定、傾角標尺的標定及后標底座的安裝，均應根據上述準確的測量數據信息進行。在安裝坡度板的整個過程中，需要將其安裝在前護罩或中護罩的底端，以便于觀察。錘球的尖端需要偏向等級板的標尺線。在調整斜板位置的整個過程中，應利用盾構機的拐角并以具體精確測量得到的傾角值為依據。調整標準是使錘頭與相應的刻度值準確匹配。前標、斜板和后基標安裝后，必須準確測量相關數據：前標0 刻度位置與盾構機管理中心的實際高度差；后刻度0 刻度位置距離盾構機管理中心的實際高度差；監測站與前方標志的距離；前標記的長度；前標記與后標記底部的距離；盾尾的背標長度；盾尾前端標記的長度。為了更好地保證上述數據的準確性，必須對其進行校對[5]。這類數據屬于計算程序的基礎數據。將盾構機型號規格及相關準確測量數據輸入計算機語言，即可顯示盾構機主要參數數據。理論上，人工測得的數據應該與引導系統軟件測得的數據一致。但由于數據誤差，在實際運行的整個過程中，只有相關主要參數數據相差小于11mm，才可以判斷盾構姿態是否正常。

5 施工措施

5.1 PDCA循環管理法

盾構施工軸運行中選用PDCA 循環系統進行管理。PDCA是英國質量控制權威專家戴明博士將全面質量控制主體活動的整個過程分為4 個環節：Plan（計劃）、Do（實施）、Check（檢查）、Action（解決）。按計劃→實施→檢查→解決，循環進行質量控制，這4 個環節是一個連續的循環系統。同時，PDCA 循環系統的整個過程實際上就是理解→實踐活動→再理解→再實踐活動的全過程。即在盾構隧道工程施工前制訂軸控質量政策計劃或準備，然后，按計劃落實，將執行結果與原來的概念和計劃進行比較。檢查計劃執行情況，最終根據檢查結果改進工作，總結成功經驗或修改原有理念，制訂新的工作計劃，運用科學管理計劃，確保盾構施工軸線保障措施的完成。

5.2 明確盾構始發方向與注漿配比

盾構機初始狀態主要決定于始發托架和反力架的安裝，因此，始發托架的定位在整個盾構施工測量過程中格外重要。其主要安裝精度指標為：高程偏差≤±5 mm；左右偏差≤±10 mm；豎直趨勢≤±2‰；水平趨勢≤±3‰。根據井下導線點準確放樣出盾構機的基座及反力架位置，基座的前點高程比設計高程提高1 cm，后點高程與設計高程一致（以消除盾構機入洞后“磕頭”的影響），反力架、基座的中線必須重合，標高必須順坡。如有特殊原因限制，必須考慮隧道施工的傾斜度和始發托架的放置，以防止盾構軸線偏離。在同步注漿工程施工全過程中，要對同步注漿準備進行嚴格控制，對泥漿質量進行監督。試驗過程中，應及時對砂漿進行取樣檢查，并對砂漿初凝情況進行統計和分析，明確砂漿的最佳初凝狀態，然后，按規定確定能滿足要求的砂漿，以滿足項目建設要求。尤其是雨后，更要注意泥漿的配制和操作步驟。

5.3 盾構機姿態控制

盾構機的姿態包括盾構機主體轉動和方向操縱。操縱的優劣直接關系到隧道施工中心線是否符合直線規定。調整盾構機的方向，容易造成盾構加深、盾構滑動摩擦力擴大，引起周圍地質構造振動，使地基沉降。因此，應立即糾正推盾機造成的方向偏差，使盾構機的推力方向始終與計劃路線一致，這一點尤為重要。由于諸多因素的影響，往往會在盾構施工整個過程中進行調整和修正。在盾構施工整個過程中，必須遵循糾偏標準：經常糾偏，少糾偏（一般±5 mm/m，少數為±10 mm/m），早糾偏。同時，要有偏差管理方法值和規定值，必須制定偏差調整戰略方針，否則會出現連續糾偏，造成隧道施工中出現蛇形運動軌跡，嚴重時會發生安全事故。因此，應根據不同的問題采取不同的預防措施，明確盾構操作范圍和控制措施，對偏差采取正確的處理方法。另外，在掘進過程中，管片直徑與盾尾內腔之間要保持30～70 mm 的間隙。節段從盾尾脫離后，會受到重力的作用，造成位移；同時，盾尾的那一段會被釋放出來。同樣，注漿的擠壓成型效果也會引起位移。如果再加上人工作業的影響，例如，管片地腳螺栓沒有及時擰緊，管片中心最終會偏離設計方案的中心線。管段三維坐標的精確測量雖然屬于后期監管，時效性比較落后，但可以反映形成管段的偏差[6]。

5.4 重視管片軸線控制工作

實際操作人員必須了解各路段的地質環境概況、設計方案的傾斜度和道路轉彎半徑等情況，防止再次發生非即時邊坡變化。針對此類問題，每周應組織技術人員進行統一的安全報告，便于提前制定開挖的主要參數。由于在風化層推進時，駕駛姿態難以控制，實際作業人員應做到早發現、早解決，提前糾正推進位置和姿態，防止出現惡性姿態和超標情況。此外，各單位應加強現場溝通，做到早發現、早溝通、早解決。

6 平豎曲線上盾構推進軸線控制

當發現盾構開挖方向偏差超過允許誤差時，需立即調整。調整時，要按照“慢調整、多調整”的基本原則進行整改，并按時進行跟蹤走訪和開挖指導；根據區域蒸氣壓的調整，控制屏蔽裝置的位置，采用固定連接等對策進行中心線定位、調整，以達到控制中心線的目的。

6.1 控制圓曲線盾構軸線

施工企業在進行圓曲線段的推進時，需要進行液壓千斤頂行程布置的提前計算。推進時，控制好圍繞設置的控制管理中心傷口位置。左右液壓千斤頂的推進力應保持一定的差值，并根據主軸承載能力進行調整。需要控制環面的方位角和平面度，全程控制圍繞設置管理中心的護罩尾部和固定位置，避免在校正過程中對繞線位置調整過大，導致之后盾構施工姿態無法控制。

6.2 豎曲線上盾構施工軸線控制

在平面曲線上進行盾構施工時，需要對開挖邊坡的過渡進行控制。在進行推平行線工作時，要盡量保持繞軸線的纏繞。在所有正常工程施工全過程中，偏差應保持在20 mm 以內。同時，操縱掘進機的坡度應與設計平面軸線的水平坡度一致。誤差需小于或等于4%，需根據掘進坡度值調整左右區域液壓千斤頂的推汽壓力，使掘進機的波紋度保持較長時間，并根據掘進機的坡度值進行適當調整，同時，加大主軸承載力關注力度，使液壓千斤頂上下保持一致。

7 效果驗證

根據機場西站—蕭山機場站的偏移量，機場西站—蕭山機場站開挖全過程未發生調整，但坡度已超限，即偏移量超過50 mm。對于超限情況，采用本文中提出的軸線控制系統，將后期工程項目各掘進段的檢測偏移量快速恢復到允許范圍內。

8 結語

綜上所述，對于機場西站至蕭山機場站段施工期間隧道施工軸線的超標偏差，在超限偏差分析總結中明確提出了新的軸線控制系統，并從精確測量和施工的角度進行了詳細的討論，利用數學分析模型進行標準數據信息的引入，并在后期進行站臺變化的精確測量時應用。綜合后施工過程中左右線段偏差的評價數據信息表明，該方法合理地防止了隧道施工偏差超限，保證了掘進姿態正常，使整個施工過程基本保持在50 mm，并且滿足設計方案規定和標準規定。