盾構姿態(tài)變化對管片影響與控制研究及展望

丁 智，董毓慶，張 霄，馬少俊

(1.紹興文理學院土木工程學院，紹興 312000；2.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015；3.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；4.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006)

近年來，由于地鐵建設規(guī)模不斷擴大，盾構法作為一種高安全、快速度、低擾動的施工方法在各大中城市地鐵建設中得到了廣泛的應用[1-2]。隨著地下空間的高度開發(fā)，地下建(構)筑物逐漸形成一個錯綜復雜的地下網(wǎng)絡[3]。為了減輕新建隧道對周圍環(huán)境的影響，大多隧道選擇避讓地下建筑物施工，從而導致盾構“蛇形”運動的現(xiàn)象層出不窮。同時，盾構穿越不良地層時姿態(tài)不易控制，繼而盾構千斤頂推力、管片拼裝、盾尾壁后注漿壓力等施工荷載控制難度也將加大，由此引發(fā)的管片破損、錯臺、上浮等病害問題將越發(fā)凸顯，進而影響管片的耐久性和安全性[4]。因此，盾構姿態(tài)動態(tài)變化對管片的影響與盾構施工荷載是緊密相關的。

中外針對盾構施工階段管片結構受力的影響因素及評價方面已經(jīng)做了部分研究。Kasper等[5]模擬了考慮地下水、盾殼與土層作用、注漿壓力等因素下的隧道掘進過程，探究了管片的橢圓變形機理，管片外部壓力的變化情況和上浮問題。Saito等[6]進一步建立管片拼裝動態(tài)三維力學模型分析管片應力變化，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比研究。陳俊生等[7]基于ADINA模型針對管片受到的千斤頂推力與不均勻注漿壓力分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫面的不平整更容易造成管片的應力集中而產(chǎn)生開裂。唐孟雄等[8]通過實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)施工階段盾構機壁后注漿壓力和千斤頂推力對管片內(nèi)力影響顯著，應嚴格控制在一定范圍，這與Takeuchi等[9]的研究結論相一致。此外，葉冠林等[10]提出隧道管片外弧面上的各種施工荷載中盾尾注漿影響較大。朱合華等[11]對盾構施工全過程數(shù)值模擬，分析均布和非均布注漿壓力對管片的影響。張鵬[12]建立了考慮接頭非連續(xù)性有限元模型，探究千斤頂推力、盾尾注漿壓力等荷載對襯砌結構的影響。張穩(wěn)軍等[13]綜合考慮注漿壓力、千斤頂推力和盾尾刷反力等施工荷載，構建了盾構隧道三維荷載結構模型，探究了管片接縫變形特征及其對密封墊防水性能的影響情況。

可見，盾構姿態(tài)變化對管片的影響主要通過作用在管片上的施工荷載變化體現(xiàn)出來。盾構掘進過程中，盾構姿態(tài)參數(shù)和掘進參數(shù)是不斷變化的，取某一施工狀態(tài)下的荷載作為評價影響的條件顯然無法準確全面地反映盾構姿態(tài)動態(tài)變化對管片的影響。為此，現(xiàn)詳細介紹盾構姿態(tài)參數(shù)和測量方法，總結分析盾構姿態(tài)的三維動態(tài)變化過程及其對管片結構內(nèi)力影響的研究現(xiàn)狀，并歸納盾構姿態(tài)的控制和糾偏技術措施，最后指出當前研究的不足并做進一步的研究展望。

1 盾構姿態(tài)參數(shù)

盾構姿態(tài)參數(shù)是在盾構掘進中實時測量所得的能夠反映盾構機掘進位置和狀態(tài)的一系列參數(shù)，包括刀盤切口中心和盾尾中心的三維坐標、盾構轉動角、水平角以及俯仰角[14]，如圖1所示。

圖1 盾構姿態(tài)參數(shù)示意圖

1.1 盾構姿態(tài)角

盾構機可看作一個運動的筒狀空心結構，它的姿態(tài)可以由圖1中3個歐拉角表示。其中，轉動角指盾構機繞自身中心軸線轉動的角度，表征盾構刀盤反作用力引起盾構機旋轉情況。當盾構掘進前方土質較硬時，盾構刀盤提供較大的扭矩或者推進系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡推力，繼而盾構機易發(fā)生整體扭轉現(xiàn)象。此外，轉動角一般控制在-3°～+3°，但當盾構掘進在含水量較大的軟黏土或泥漿層時，盾殼與周圍土層的摩阻力減小，引起盾構轉動速度和幅度增大。該工況下，轉動角控制值可放寬至-5°～+5°。俯仰角指盾構中心軸線與水平面之間的夾角，它表征盾構機掘進過程中垂直方向的偏轉情況。水平角指盾構掘進方向在水平面上的投影與隧道設計軸線的夾角，它表征施工過程中盾構機在水平方向的偏轉情況。上述3個參數(shù)可以統(tǒng)稱為盾構姿態(tài)角，監(jiān)測所得的姿態(tài)角結合盾構上任一固定點坐標，可得到盾構切口和盾尾中心坐標，即可確定盾構的位置[15]。

1.2 盾構偏差量

為了反映盾構掘進路線與隧道設計軸線的偏差情況，工程上常采用盾構機切口及盾尾的水平偏差量和豎向偏差量描述盾構掘進過程中的偏離情況。以杭海城際鐵路海浙段盾構工程為例，盾構掘進1 500環(huán)區(qū)間內(nèi)切口、盾尾的水平和豎向偏差量的整理結果如圖2所示。其中兩個方向偏差量的取值以坐標軸的正方向為正值，反方向為負值。

圖2 盾構偏差量

由圖2可知，盾構豎向偏差量最大可達117 mm，盾構機整體有向下趨勢。盾構水平偏差量最大值為89 mm，左右平均變化幅度大約為30 mm。從整體偏差趨勢上看，盾構刀盤切口和盾尾在水平方向上大體一致，而兩個位置的豎直方向卻差別較大。此外，盾構切口在豎直方向上圍繞設計軸線中心不斷變化?？梢?，盾構掘進過程中的姿態(tài)偏差量處于動態(tài)變化狀態(tài)。為了掌握盾構的盾構機實時空間位置和運動趨勢，需要對盾構姿態(tài)參數(shù)進行準確實時的測量，進而及時指導盾構姿態(tài)的控制與糾偏，保障管片的拼裝質量和隧道的安全[16]。

1.3 盾構姿態(tài)參數(shù)測量

盾構姿態(tài)參數(shù)的實時測量是盾構姿態(tài)控制和調整的前提。目前，盾構姿態(tài)參數(shù)的測量方法可分為人工測量和自動化測量。

1.3.1 人工測量方法

人工測量法主要包括標尺法和三點法，目前在中國少部分地區(qū)仍在使用。標尺法又分為水平標尺法和前后標尺法。水平標尺法主要應用于管片姿態(tài)測量，布置如圖3所示。

圖3 水平標尺法布置圖

前后標尺法是在盾構機內(nèi)壁頂部分別固定水平前尺、水平后尺和坡度板，通過測量前后標尺的坐標可推算出盾構水平角，布置如圖4所示。借助坡度板可以測得盾構的俯仰角和轉動角，利用得到的姿態(tài)角可以得到盾首和盾尾的中心坐標。三點法也可解算盾構機的空間位置和姿態(tài)，但目前多用于輔助自動測量校核工作。需要指出的是，三點法和標尺法都只能在施工間隙操作，不能保證測量的連續(xù)性，且布置時間長，因此效率較低。

圖4 前后標尺法布置圖[17]

1.3.2 自動測量方法

目前，中外大多采用自動測量方法對盾構位置和姿態(tài)進行實時監(jiān)測和導向，常用的自動導向系統(tǒng)有SLS-T系統(tǒng)、PPSGmbH系統(tǒng)、ZED系統(tǒng)、ROBOTEC系統(tǒng)、Tellus系統(tǒng)、RMS-D系統(tǒng)、MTG-T系統(tǒng)等[18]。工作原理主要有激光全站儀導向(測量機器人)和螺旋儀導向系統(tǒng)，全站儀導向系統(tǒng)又分為棱鏡導向系統(tǒng)和激光靶導向系統(tǒng)，具體分類如圖5所示。同時，選取6種中外盾構導向系統(tǒng)進行對比[19]，如表1所示。

表1 常見的盾構導向系統(tǒng)[19]

盾構姿態(tài)自動導向系統(tǒng)測量相對于人工測量智能化程度較高，且具有較好的兼容性和開放性，目前朝著模塊化、高精度、高智能化趨勢發(fā)展，正逐步成為盾構姿態(tài)測量的主流方式[20]。此外，人工測量可以與盾構自動測量協(xié)同工作，對自動導向系統(tǒng)的測量結果進行人工復核[21]，即自動導向系統(tǒng)的人工測控，檢查和保證盾構機自動測量姿態(tài)的準確性和穩(wěn)定性，并有效指導盾構沿設計軸線施工[22]。

2 盾構姿態(tài)變化對管片結構的影響

目前盾構隧道管片結構的影響研究主要集中在盾構運營階段，且側重結構的二維分析。然而，管片結構在運營階段和施工階段所受荷載存在很大的差異，尤其是盾構掘進過程中盾構姿態(tài)的變化和偏移是不可避免的，管片所受荷載方向和大小也是不斷變化的。因此，考慮動態(tài)變化的施工荷載是研究盾構掘進復雜三維空間運動的關鍵。

2.1 盾構姿態(tài)變化過程

盾構掘進是一個動態(tài)變化的過程，受周圍環(huán)境、盾構施工參數(shù)、操作水平等因素的影響。盾構姿態(tài)的變化主要與3條線密切相關，分別是盾構中心軸線、管片中心軸線、隧道設計軸線。盾構中心軸線可以直觀地反映盾構瞬時姿態(tài)，但不能反映盾構姿態(tài)的偏離情況和運動趨勢。管片中心軸線同樣只能反映已拼裝管片的瞬時姿態(tài)。三者之間的位置關系決定了盾構姿態(tài)變化的趨勢和動態(tài)過程。

盾構施工過程中所受到的力總體可分解為盾構向前掘進的推力和引起盾構發(fā)生轉動、傾斜等偏離隧道設計軸線的扭矩。盾構姿態(tài)變化如圖6所示,盾構中心軸線與隧道設計軸線的初始夾角為θi0，其中i表示盾構偏離的隧道設計軸線方向，包括水平方向和豎直方向，千斤頂不均勻推力導致盾構產(chǎn)生一定的偏轉扭矩M1，盾構角度變化Δθ1至θi1，并以此角度向前推進dx，此時盾構的受力平衡狀態(tài)被打破，偏轉扭矩變化至M2，角度變化Δθ2至θi2，盾構的受力從一個平衡狀態(tài)到另一個新的平衡狀態(tài)。可見，盾構機的位置受盾構角度變化的影響，因此測量盾構的角度變化對把握盾構姿態(tài)的變化趨勢具有重要的參考價值。

圖6 盾構姿態(tài)變化圖[23]

2.2 盾構施工荷載

大量盾構隧道工程案例表明，盾構姿態(tài)調整引起的盾構施工荷載變化對隧道管片結構有著顯著的影響。施工荷載主要包括盾構擠壓管片的作用力、千斤頂對管片的偏心推力、管片拼裝荷載以及盾尾注漿壓力，其受周圍環(huán)境和盾構姿態(tài)的影響，不確定性較大。例如糾偏階段的千斤頂推力主要表現(xiàn)為偏心荷載，與正常掘進階段的作用力大小及方向相差很大。而且，當盾構掘進姿態(tài)控制不良時，盾尾易過度擠壓管片，對拼裝完成的管片產(chǎn)生擠壓荷載等。

2.2.1 盾構-管片相互作用模型

日本許多研究者較早針對盾構施工時姿態(tài)控制不良而導致的盾尾擠壓管片和壁后不均勻注漿引起的偏壓力等問題，探究了隧道管片橫向受力變形情況。其中，Sugimoto等[24-25]建立了考慮盾構開挖邊界、小半徑曲線盾構施工的土體超挖范圍、盾尾間隙、刀盤轉動方向、盾體滑行效應、土壓力等因素的盾構姿態(tài)動力學模型，對盾構姿態(tài)影響管片結構受力做了初步的探討。盾構荷載模型如圖7所示。r、p、q表示模型3個坐標方向，從盾構荷載模型截面A-A、B-B、C-C可以看出，作用于盾構上的荷載可分為盾構自重f1、盾尾與管片接觸力f2、千斤頂作用力f3、盾構前端作用力f4以及盾構外殼所受到的來自周圍地層的土壓力f5。

圖7 盾構荷載模型[25]

宋克志等[26]提出將已拼裝的管片一端看作固定端支座，另一端剛脫出盾尾的管片看作簡支的受力構件，建立了管片三維力學模型，如圖8所示。同時，基于該模型開展施工參數(shù)的數(shù)值模擬研究，表明盾構施工階段管片變形和破損與盾構推進系統(tǒng)的推力大小、傾斜角度及偏差密切相關。

F1、F2為管片端部受到的千斤頂推力；p1、p2為管片結構受到的水土壓力；q1、q2為管片結構受到的注漿壓力

2.2.2 盾構對管片的擠壓作用力

盾構機發(fā)生姿態(tài)偏斜時，盾構機的尾刷和殼體會擠壓管片的外表面，導致管片發(fā)生錯臺變形，且盾構和管片接觸位置應力集中引起管片破裂。Mo等[27]采用ADINA有限元程序建立了廣州地鐵某盾構隧道的三維數(shù)值模型，并考慮了盾構機縱、環(huán)向螺栓、盾尾鋼絲刷的漿液硬化對管片的擠壓作用。結果表明封頂塊是整環(huán)管片受影響最大、最薄弱的部分，且管片裂紋集中在封頂塊和鄰接塊。工程實際中應盡量避免盾構姿態(tài)右偏和盾構切口下偏兩種偏轉姿態(tài)。Yang等[28]通過對上海地鐵某工程的現(xiàn)場觀測和測量對盾構隧道管片的開裂和損傷進行了研究，發(fā)現(xiàn)盾構機與管片之間的姿態(tài)偏差所引起的盾構擠壓管片外表面是導致隧道管片接頭位錯、管片損壞和開裂的最主要原因。

2.2.3 盾構千斤頂對管片的偏心推力

盾構前進是通過千斤頂撐靴作用在管片上提供的頂推力實現(xiàn)的。當盾構姿態(tài)發(fā)生變化時，千斤頂?shù)膿窝ロ斖屏χ匦呐c管片中心不一致會導致?lián)窝ヅc管片接觸狀態(tài)變化，繼而出現(xiàn)局部應力集中導致管片破裂，如圖9所示。

圖9 局部管片破壞

傅帥帥[29]采用細化梁-接頭不連續(xù)模型模擬不同的千斤頂推力和偏角，探究其對管片及其螺栓的受力影響，提出推力大小和角度的改變對管片環(huán)向螺栓影響顯著，但最佳的盾構推力值和推力偏角尚需進一步深入研究。孫昌海[30]進一步探究了盾構機掘進時上、下、左、右4個方向千斤頂不同頂推角對管片位移和應力的影響，發(fā)現(xiàn)千斤頂偏角對未脫出盾尾的管片位移影響較大。而且，盾構向下偏移掘進過程中調整千斤頂偏轉角為2°時管片應力最小，受力更合理。郝志強等[31]基于南京軌道交通工程巖溶集中段研究管片上浮問題，發(fā)現(xiàn)隨著盾構千斤頂總推力的豎向分力增加管片上浮趨勢增加，且其分力受盾構姿態(tài)的影響，可控制盾構機姿態(tài)在一定范圍內(nèi)改變以減小管片上浮趨勢。鄧尤東等[32]針對大縱坡隧道施工時的掘進推力控制不當易造成管片錯臺、上浮等問題，探究發(fā)現(xiàn)大縱坡隧道管片受偏心頂推力所產(chǎn)生的附加作用力主要體現(xiàn)在盾尾管片結構上產(chǎn)生的縱向反向錯動、縱向剪切應力以及軸向扭轉應力的局部集中效應。

2.3 特殊工況下管片受力特點

2.3.1 雙圓隧道

雙圓盾構隧道施工時若遇到土質不均、地層軟弱或者施工操作不當?shù)惹闆r，極易發(fā)生側向滾動偏轉，因此需要對掘進過程中的盾構姿態(tài)進行糾正。然而，糾偏過程中由于千斤頂推力方向偏離和大小不均衡會對拼裝完成管片產(chǎn)生一定的附加偏轉力矩，導致管片內(nèi)力發(fā)生復雜變化。然而，現(xiàn)行雙圓盾構隧道管片結構計算模型尚未考慮盾構姿態(tài)糾偏過程對管片產(chǎn)生的附加荷載，如圖10所示。

沈水龍等[33]考慮雙圓隧道糾偏過程中產(chǎn)生的附加荷載建立有限元模型，分析不同糾偏角度α引起的管片內(nèi)力響應情況，糾偏計算模型如圖11所示。結果表明，雙圓盾構掘進過程中糾偏所引起的管片內(nèi)力變化顯著，且糾偏角度不宜過大。工程實踐中需要根據(jù)盾構機和施工現(xiàn)場情況將糾偏角控制在較小的范圍內(nèi)。

圖11 雙圓盾構隧道襯砌上的糾偏力矩[33]

2.3.2 小曲率曲線盾構隧道

目前，中外涉及盾構掘進對管片受力影響的研究主要是以直線線型為主。隨著地鐵建設進程的加快，隧道的線型趨于復雜，小曲率半徑曲線盾構段越來越多。相對于直線盾構，小曲率曲線施工對管片結構和周邊環(huán)境的影響更加顯著，同時盾構姿態(tài)控制與糾偏也面臨更大的挑戰(zhàn)。

由于盾構機可以近似看成直線型剛體，曲線段盾構掘進的實際軌線很難與隧道設計曲線重合，實際是由一段段連續(xù)折線組成的一種弧線，如圖12所示。曲線段盾構掘進過程中需要連續(xù)糾偏，且轉彎半徑越小，實際運動軌線與隧道設計曲線擬合困難越大，對管片結構的影響越大。

圖12 曲線盾構掘進

為了滿足盾構機沿曲線掘進的要求，一般是通過調整左右推進油缸形成一個推力差，千斤頂會對管片結構產(chǎn)生一個水平分力，管片在脫出盾尾時會有向曲線外側偏移的趨勢，因而容易產(chǎn)出管片錯臺現(xiàn)象。當水平分力較大時，管片姿態(tài)與盾構姿態(tài)嚴重不協(xié)調，盾構機中心軸線與管片軸線會存在一定夾角，盾尾對管片產(chǎn)生擠壓作用，嚴重時會導致管片接縫滲漏水和局部損壞等病害。此外，千斤頂向上的分力和同步注漿漿液向上的浮力可能導致管片上浮。同時，相鄰管片間的位移對螺栓及其周圍混凝土產(chǎn)生一定剪切力，導致管片開裂。并且，管片間還存在斜向應力，使得管片內(nèi)外側角部位置極易發(fā)生局部損壞。

2.4 管片破壞形式

一般情況下，盾構姿態(tài)不良或控制不當容易導致管片錯臺和開裂現(xiàn)象相伴而生，如圖13所示。實際盾構掘進過程中，管片姿態(tài)和盾構姿態(tài)不能保持理想的同步狀態(tài)，尤其在小曲率曲線段、豎曲線段和糾偏較大的區(qū)間段，管片外壁與盾尾間距沿隧道縱向和環(huán)向分布不均衡，容易導致盾尾擠壓管片發(fā)生“卡殼”現(xiàn)象。

圖13 管片錯臺及開裂

王宏[34]、謝遠堃[35]探究小半徑并大坡度盾構施工引起管片破損及上浮，并提出了相應的技術控制措施。秦建設等[36]著重從盾構擠壓管片入手，討論了盾構姿態(tài)控制不當引起管片錯臺及錯臺后管片外側開裂問題。根據(jù)管片與盾構姿態(tài)跟蹤實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)管片的錯臺量隨著管片拼裝的進行不斷增大，在剛脫離盾尾時達到最大。蘇昂[37]基于擴展有限元理論建立了管片精細化三維模型，探究了千斤頂內(nèi)、外向偏心荷載下管片的裂紋擴展規(guī)律。盧岱岳等[38]進一步探究帶榫管片在千斤頂偏心荷載、千斤頂加壓不同步以及曲線段千斤頂推力不均3種情況下的管片裂紋位置、擴展方向和分布規(guī)律。

3 盾構姿態(tài)的控制與糾偏

盾構隧道施工中，盾構姿態(tài)的控制與糾偏關系到隧道管片結構以及周邊環(huán)境的安全?！兜叵妈F道工程施工及驗收規(guī)范》(GB/T 50299—2018)中規(guī)定盾構中心軸線平面位置和高程允許偏差均為50 mm，若實際施工中超過允許值，則需要采取合適的糾偏手段控制偏差。

3.1 盾構姿態(tài)自動控制系統(tǒng)

中外學者針對盾構姿態(tài)控制系統(tǒng)進行了一系列的研究。酒井邦登等[39]建立了自回歸模型判斷盾構機的具體方位，并創(chuàng)造性地提出了利用卡爾曼濾波理論來初步預測和控制盾構姿態(tài)。桑原洋等[40]設計了一種模糊控制器，探究了模糊控制理論在控制盾構姿態(tài)中的可行性，并提出了單向推進度的理論。隨后倉岡豐[41]將桑原洋的成果應用于工程建設中，同時也是盾構姿態(tài)自動控制系統(tǒng)第一次應用實踐。清水賀之等[42]將人工智能和模糊控制理論相結合應用于盾構姿態(tài)調整，通過與人工控制精度比較分析，證明了自動控制系統(tǒng)的控制精度更高。Kasper等[5]建立盾構掘進三維模型，在仿真過程中研發(fā)了一種自動轉向的算法。Koyama等[43]首次將自動軌跡跟蹤控制技術應用于盾構掘進線路的監(jiān)測和控制。

胡珉等[44]首次將模糊控制理論應用于中國隧道建設中。Yue等[45-46]進一步研發(fā)了滑模魯棒控制器和荷載觀測器，形成一套更加完備的盾構姿態(tài)動態(tài)協(xié)調控制系統(tǒng)。為了適應不同的地層條件，王林濤[47]設計了一種可跟蹤隧道設計軸線和實時匹配盾構推進系統(tǒng)分區(qū)液壓缸運動特征的盾構姿態(tài)控制系統(tǒng)。Zhou等[48]采用深度學習模型，給出了盾構掘進姿態(tài)和位置的預測框架，通過武漢長江三陽路跨江隧道工程驗證了該方法的可行性和性能。楊宏燕[49]基于盾構糾偏智能控制裝置建立了糾偏輸出控制策略快速自學習方法，并在上海北橫通道東線隧道施工全程成功應用。夏漢庸等[50]基于機器學習并結合施工參數(shù)、盾構掘進數(shù)據(jù)進行集預處理和特征提取，構建盾構姿態(tài)預測模型，模型精度可達到94.31%。張強等[51]基于空間齊次變換矩陣元素的位姿正解求解方法建立盾構機位姿正解解算模型，其誤差在0.018%左右，為盾構掘進位姿的監(jiān)測與控制提供了理論基礎。

3.2 盾構姿態(tài)控制與糾偏措施

盾構姿態(tài)的控制與糾偏內(nèi)容主要包括左右偏移的平面控制、上下俯仰的高程控制以及繞盾構中心軸線轉動的滾動控制3個方面，因此要綜合考慮實際盾構掘進行為變化特征，并采取相應的控制與糾偏措施。

3.2.1 盾構始發(fā)、接收階段

盾構始發(fā)架決定盾構機的初始掘進姿態(tài)，在出洞前應嚴格控制始發(fā)架的精度[52]，并使其軸線與隧道設計軸線保持一致?？紤]隧道后期沉降和土層情況，盾構實際掘進軸線要適當高出隧道設計軸線15 mm左右為宜[53]。盾構機進洞時，應嚴格把控掘進參數(shù)，如減緩掘進速度和刀盤轉速，減小油缸推力，保證管片中心軸線與盾構機中心軸線重合，以減小管片出盾尾時受到的彎曲應力。

此外，盾構機在始發(fā)和接收前會對洞口土體進行一定加固，因此盾構機進、出洞時，應準確調節(jié)推進系統(tǒng)千斤頂油壓差來控制盾構姿態(tài)，防止因土層軟硬不均和自身重力作用發(fā)生“嗑頭”“抬頭”等不良現(xiàn)象。吳發(fā)展等[54]提出了暗挖隧道內(nèi)盾構砂漿體接收施工技術，可防止涌水涌砂出現(xiàn)，抑制地表沉降及結構變形，保證盾構安全出洞。姜留濤等[55]模擬小曲率曲線段沿割線始發(fā)盾構姿態(tài)，研究曲率半徑和盾體長度對盾構姿態(tài)偏移量的影響規(guī)律，進而提出沿割線方向預設偏轉角或盾尾預偏移量的盾構姿態(tài)控制方法。

3.2.2 盾構掘進階段

(1)管片的選型。合理的管片選型是管片姿態(tài)控制的重要一環(huán)，尤其在轉彎段或變坡段掘進時。管片姿態(tài)直接影響盾尾的空間狀態(tài)，盾構姿態(tài)的變化同時也會引起盾尾間隙的改變，因此，為保障盾尾間隙不超過允許范圍內(nèi)，管片選型可能存在一定的局限性。實際工程中根據(jù)盾構姿態(tài)調整幅度選擇不同楔形量和寬度的管片，當調整幅度過大且管片尺寸受限時，可以在管片環(huán)面粘貼不同規(guī)格的低壓石棉橡膠板，為了提高石棉橡膠板的質量，應該控制好壓縮率(通常12%為宜)[56]，使之受壓后形成平整的楔形環(huán)面，以達到糾偏的目的。

(2)盾構千斤頂。盾構掘進過程中通常利用盾構推進系統(tǒng)分區(qū)控制原理，即調整上、下、左、右液壓缸的行程差或推力來控制盾構機平面位置和豎向坡度的運動軌跡[57-59]，行程差不能太大，一般應控制在20 mm以內(nèi)，預先計算好千斤頂?shù)目刂菩谐蹋⒏鶕?jù)自動測量系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)實時控制[60]。何祥凡等[61]基于盾構穿越上軟下硬地層的工況對千斤頂推力進行優(yōu)化，并給出盾構推進系統(tǒng)上中下頂推力的參考比值，同時增大土倉壓力可抑制地表變形。張學橋[62]探究了小曲線半徑盾構姿態(tài)關鍵技術，為防止糾偏過大，相對區(qū)域千斤頂?shù)纳斐鲩L度差控制在20 mm以內(nèi)，油壓差控制在5 MPa以內(nèi)，每次糾偏量控制在2～3 mm/m。一般情況下盾構的轉動角要控制在±0.3°以內(nèi)[63]。

(3)鉸接系統(tǒng)。當盾構糾偏角度較大時，一般可借助盾構機的鉸接系統(tǒng)實現(xiàn)糾偏，但角度控制有限。當在特殊工況如小曲率或大坡度曲線掘進施工時，盾構姿態(tài)控制難度加大，可通過調整鉸接油缸并將鉸接裝置暫時鎖定，防止盾構姿態(tài)在糾偏過程發(fā)生失控現(xiàn)象[64]。此外，由于傳統(tǒng)的平面鉸接提供的轉彎半徑有限，朱雷等[65]研發(fā)了適用于小曲率轉彎盾構的球面結構鉸接液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)盾構姿態(tài)控制靈活，可更好地實現(xiàn)轉彎控制及姿態(tài)復位。

(4)超挖刀。超挖刀是應對大幅度調整盾構姿態(tài)的工況是一種行之有效的方法，可有效避免盾構機出現(xiàn)“卡殼”現(xiàn)象，減輕糾偏方向的水土壓力，有助于實現(xiàn)變坡和轉彎。為了避免地表和隧道結構變形過大，超挖量應不超過地層損失的1.5‰，地表日沉降量控制值不超過3 mm。郝潤霞[66]探究軟土地區(qū)曲線段盾構施工超挖量與同步注漿量的關系，并與直線段對比分析，提出曲線段盾構注漿控制標準。但是，目前小曲率曲線隧道施工過程超挖刀的伸長長度、開挖范圍以及鉸接角度的取值仍停留在工程經(jīng)驗層面，受操作人員的主觀影響較大，無法適應三維復合小曲率隧道施工。對此，陳劍等[67]提出了適應復雜三維復合曲線隧道的超挖量和鉸接角理論算法，并通過實際工程案例驗證該算法的可行性性。

(5)其他措施。在偏移方向及時進行二次注漿填充間隙，可以加固土體和固定管片來抵抗管片的偏移，且需要嚴格控制注漿壓力[68]。掘進過程中及時對管片螺栓進行復緊，減少管片的錯臺和上浮。盾構掘進中若盾構掘進線路偏離過大，且通過上述糾偏措施無法回到設計軸線時，可以考慮調整設計線路進行補救，若是依舊行不通，建議在原基坑基礎上，利用盾體支撐技術開挖深基坑的方式實現(xiàn)糾偏[69]。

綜上，地鐵盾構施工過程中，盾構姿態(tài)控制與糾偏關乎隧道安全，而影響盾構姿態(tài)的因素很多，工程人員需要具備一定的實操經(jīng)驗和預判能力，把握糾偏量和糾偏時機，做到勤糾少糾。綜合考慮盾構機和管片類型、土層情況、設計路線等，采取合適的糾偏措施，以期快速高效地調整盾構姿態(tài)。

4 存在問題與研究展望

詳細介紹了中外學者關于盾構姿態(tài)變化對管片結構影響和相應控制技術方面的研究成果，尚存在一些問題需要進一步探討，總結如下。

(1)完善測量體系。盾構姿態(tài)自動導向系統(tǒng)應進一步提高系統(tǒng)的硬件測量精度、軟件計算精度和顯示精度，同時注重人機交互界面的人性化、操作的智能化。重點關注人工移站階段測量數(shù)據(jù)的不連續(xù)性影響，同時采取有效的復核手段降低人工移站對系統(tǒng)的影響。

(2)全面考慮施工荷載。中外在施工期管片襯砌結構受力特性的影響因素及評價方面，對盾尾壁后不均勻注漿壓力和千斤頂偏心推力的研究已做了大量的工作。但對于盾構姿態(tài)變化過程中盾尾對管片的擠壓力以及管片本身的拼裝荷載的探究相對不足，不可忽視這些荷載與三維空間中盾構姿態(tài)的緊密關系。同時，各施工荷載應反映實際工況，受周圍環(huán)境、盾構施工參數(shù)、掘進參數(shù)等影響，不確定性比較大。因此，在隧道管片結構設計中應考慮糾偏引起的內(nèi)力重分布的作用。

(3)管片模擬精細化。研究盾構姿態(tài)對管片內(nèi)力的影響應該考慮管片襯砌本身的材料特性、接頭方式、拼裝方式。管片的材料特性包括混凝土強度等級、鋼筋配筋率和直徑。管片接頭處和各螺栓孔的局部受力情況需要進一步精確模擬，有助于優(yōu)化管片設計和指導盾構姿態(tài)的控制。

(4)盾構姿態(tài)動態(tài)三維數(shù)值模擬?，F(xiàn)有關于管片結構力學模型的研究主要以靜態(tài)分析為主，即選取盾構姿態(tài)動態(tài)變化中某一階段的荷載施加到管片結構模型上分析管片力學響應，卻未考慮盾構掘進過程中姿態(tài)動態(tài)調整的影響，這與工程實際有較大的出入。因此，建立可以充分體現(xiàn)動態(tài)變化的盾構掘進三維姿態(tài)模型，具有重要的工程意義。

(5)模型試驗和理論研究。目前已有的研究方法主要以建立管片結構力學模型的數(shù)值模擬并結合實測數(shù)據(jù)對比分析為主，模型試驗和理論研究尚不多見。由于施工荷載的不確定性和復雜性，考慮盾構姿態(tài)變化的施工全過程盾構-管片相互作用的模型試驗必不可少，并且不同研究方法的對比分析更有助于結果校驗和應用。

(6)探究姿態(tài)參數(shù)對盾構姿態(tài)的控制效應。針對盾構姿態(tài)參數(shù)如俯仰角、水平角和轉動角的變化和調整研究，是解決盾構-管片、盾構-土體相互作用影響的關鍵一環(huán)。而且，盾構姿態(tài)變化過程中盾構-土相互作用是復雜的多相耦合問題，如何基于盾構與土相互作用機理，探究姿態(tài)參數(shù)對盾構姿態(tài)的控制和糾偏將是未來的研究重點。

5 結語

在盾構施工過程中，盾構姿態(tài)是一個持續(xù)變化的三維空間問題，其動態(tài)變化和不可確定性決定了盾構姿態(tài)變化對管片受力影響研究課題的復雜性。系統(tǒng)總結了盾構姿態(tài)變化對管片的影響和盾構姿態(tài)控制技術的研究成果，以期能夠引起更多學者對相關問題的關注，并且為開展更為廣泛的研究提供一些啟發(fā)和有益參考。