基于特定参数下管片选型方法与盾构机姿态控制措施

包世波，张志宇，高 超

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

1 线路参数、盾构机参数和管片参数

广州轨道交通三号线北延段11标高增站—新机场南站盾构区间共包含三个曲线。曲线半径分别为1 000 m，1 000 m，5 000 m。区间线路纵坡为“V”形节能坡，最大坡度为25‰。

施工采用的是德国HK公司生产的土压平衡式盾构机。盾构机最小自适应曲线半径为250 m;挖掘直径6 280 mm;前盾长2 100 mm，直径6 250 mm;中盾长2 580 mm，直径6 240 mm;尾盾长3 585 mm，直径6 230 mm;盾壳厚40 mm。

为满足直线段和曲线段施工和纠偏的需要，设计了标准衬砌环和左右转弯楔形环，通过标准环与楔形环的各种不同组合来拟合不同的线路。管片外轮廓直径 6 000 mm，管片厚度300 mm，管片宽度1 500 mm，每环转弯环楔形量为38 mm。管片采取错缝拼装，弯螺栓连接，管片环缝、纵缝接触面皆不设榫槽。

每环管片共分6块，包括3个标准块A、2个邻接块B和C、1个封顶块K，环向螺栓12根，纵向螺栓10根(通常按时钟方位称之为十个点位)。一般情况下，为保证拼装安全和拼装质量，封顶块的位置偏离正上方±18°(1点和11点)，楔形环封顶块偏离正上方±54°(2点和10点)和 ±18°(1点和 11点)。转弯环封顶块位于不同的点位，不同位置对应的楔形量亦随之改变。详见图1和图2。

图1 右转弯环楔形量随K块点位不同变化示意

图2 左转弯环楔形量随K块点位不同变化示意

2 管片选型

管片选型只是针对上述转弯楔形环而言。当盾构机在曲线段掘进，或者在直线段掘进过程中出现盾尾间隙过小、油缸行程差过大时，即需要选择合适的转弯环，适应隧道曲线或者纠偏。

2.1 管片选型需考虑的因素

2.1.1 隧道设计轴线TDA(Tunnel Design Axis)

盾构掘进之前，即需根据隧道设计轴线和管片参数，计算出不同半径的曲线段上楔形环理论使用频率和数量，而后利用标准环和楔形环拟合出该段线路管片选型结果。现以本工程线路设计参数和管片参数为例，计算在曲线半径R=1 000 m时每环(1.5 m)理论需要楔形量:

图3 半径为1 000 m的曲线段每环楔形量计算简图(单位:m)

每环对应的圆心角α≈L2/R=1.5/1 000。

每环理论需要楔形量(内外弧长差)=L3-L2=(R外-R内)α=(1 003-997)×1.5/1 000=9 mm，即沿曲线半径R=1 000 m的线路轴线方向每前进1.5 m，需要9 mm的楔形量抵消因曲线产生的内外弧长差。本工程使用的转弯环每环楔形量为38 mm，故在该段曲线上每前进38/9≈4环(6 m)，需使用一环转弯环，即用“3标准环 +1转弯环”的组合来拟合本工程半径为 1 000 m的曲线段(见图3)。

半径为5 000 m以及25‰的纵坡曲线段上每环理论需要楔形量计算方法同上，不再赘述。

2.1.2 盾尾间隙

由前述盾构参数和管片参数可知，当管片在尾盾内拼装时，理论上整个环向盾尾间隙均为:(6 230-2×40-6 000)/2=75 mm。盾尾间隙不均时，拼装的管片外弧面易受压破裂导致渗漏水。同时，易造成一侧间隙过小而导致盾尾刷受挤压破坏，另一侧由于间隙过大而导致盾尾漏浆，加快盾尾刷磨损，增加施工风险。根据经验，施工时应每环量测环向盾尾间隙，设定警戒值，当某处盾尾间隙小于或等于该警戒值时，即需要选择合适的转弯环，调整K块点位，将最大楔形量对应放在盾尾间隙最小的位置，从而达到调整盾尾间隙，避免盾尾漏浆，保证管片拼装后的外观质量和防水效果。

2.1.3 油缸行程差

当盾构机在曲线段前进，或者软硬不均地质、分区油缸推进压力控制不当等原因，均可能造成不同分区的推进油缸出现行程差。当推进油缸行程差过大时，将可能导致直接承受油缸压力的管片因受力不平衡而严重破损，或者使盾构机姿态进一步恶化并最终偏离隧道设计轴线。因而，当油缸行程差大于或等于某个警戒值时，就需选择合适的转弯环，调整K块点位，将最大楔形量对应放在油缸行程最大的位置，从而抵消该处的油缸行程差，达到控制盾构机姿态的目的。

2.1.4 盾体趋势

SLS-T导向系统实测得到的当前盾构机姿态，根据显示的盾体趋势可以预知在接下来掘进过程中盾构机的前进方向和趋势。某方向的趋势变化值=该径向两端的油缸行程差/推进油缸安装直径。在管片选型时，需将盾体趋势做为超前因素考虑，保证选取的管片与盾构机下步前进趋势一致。

2.2 管片选型的方法

根据本工程双线隧道施工经验，隧道设计轴线(即隧道走向)和盾体趋势应做为管片选型的超前考虑因素，而推进油缸行程差(含铰接油缸影响)和盾尾间隙两因素则是正确管片选型的主要决策依据，结合本工程设计参数、盾构机参数和管片参数，具体总结如下:

1)当出现一边盾尾间隙＜5 cm(而推进油缸行程差均＜4 cm)时，则选择合适转弯环，将楔形量最大值放在盾尾间隙最小处，以调整盾尾间隙。

2)当出现推进油缸行程差(含铰接油缸影响)＞4 cm(而盾尾间隙均＞5 cm)时，则选择合适转弯环，将楔形量最大值放在油缸行程量最大处，以调整油缸行程差。

3)当盾尾间隙和油缸行程差同时超出上限且二者趋势吻合时，则以两者中任一因素选择合适转弯环矫正，即可同时调整两者变化趋势。

4)当盾尾间隙和油缸行程差同时超出上限且与二者趋势相反时，则可能是前一环管片选择不当或纠偏过急，宜在下一环或下两环选择标准环拼装，以进一步观察二者发展趋势(理论上讲其中一者必定会得到纠正)，然后根据二者实时情况按照前述四条原则选择合适的管片进行纠偏。

理论上讲，需要调整某方位的楔形量时，左右转弯环均可以达到同样的目的，只是K块的点位正好对称于隧道中心线。为方便现场指导管片选型，可以使用如下“左右手定则”:左右手分别代表左、右转弯环，伸开五指，掌心向自己，如果拇指指向K块中心位置，则四指所指方向则为该转弯环最大楔形量所在位置。

3 姿态控制

为使盾构机持续保持较好姿态，盾构机推进时，操作人员需全程做到勤调整编组油缸推力、小幅度勤纠偏，必须使盾构机姿态保持在±50 mm之间。推进的过程就是一直纠偏的过程，在直线段建立垂直 ±25 mm、水平±30 mm的报警机制，超出该警戒值，需及时做出正确的纠偏反应。

根据本工程不同地质和不同曲线段的掘进经验，总结盾构机姿态控制措施如下。

1)盾构姿态在垂直方向上出现过大下沉(即超出-50 mm)时:放慢掘进速度，逐步加大下部油缸推力，以增大下部区域与上部区域油缸的行程差;将趋势(指操作仪表上的盾构趋势)调整到4后，以该趋势推进，如果在2环后的纠偏量仍不能抬高盾构垂直姿态，则需要逐步加大趋势，趋势最大不得超过8 mm/m。

2)盾构姿态在垂直方向上出现过大上浮(即超出50 mm)时:逐步加大上部油缸推力，以增大上部区域与下部区域油缸的行程差;将趋势调整到-2后，以该趋势推进，如果在2环后的纠偏量仍不能降低盾构垂直姿态，则需要逐步加大趋势，趋势最大不得超过-4 mm/m。

3)盾构姿态在水平方向出现过大左偏(即超出-50 mm)时:放慢掘进速度，逐步加大左边油缸推力，以增大左部区域与右部区域油缸的行程差;将趋势调整到3后，以该趋势推进，如果在2环后的纠偏量仍不能改善盾构姿态，则需要逐步加大趋势，趋势最大不得超过6 mm/m。

4)盾构姿态在水平方向出现过大右偏(即超出50 mm)时:放慢掘进速度，逐步加大右边油缸推力，以增大右部区域与左部区域油缸的行程差;将趋势调整到3后，以该趋势推进，如果在2环后的纠偏量仍不能改善盾构姿态，则需要逐步加大趋势，趋势最大不得超过6 mm/m。

5)当以上措施对盾构姿态改善不力时，可考虑开启超挖刀，充分利用盾构机最小自适应曲线半径的能力，以确保纠偏有充足的空间。

6)盾构机在曲线段推进过程中，盾构机的行进方向实际上是处于曲线的切线上，因此，推进的关键是确保对前盾的控制。由于曲线推进盾构环环都在纠偏，必须做到勤纠偏，而每次的纠偏量要尽量小。

7)盾构纠偏时的注意事项:①严格控制盾构正面平衡压力，在盾构穿越过程中，必须严格控制切口平衡压力，同时也必须严格控制与切口压力有关的施工参数，如推进速度、总推力、出土量等，尽量减少平衡压力值的波动;②严格控制盾构纠偏量，在确保盾构正面变形控制良好的情况下，使盾构均衡匀速地施工，盾构姿态变化不可过大、过频，以减少盾构施工对地层的扰动影响。

4 结束语

尽管正确的管片选型在盾构施工中至关重要，但也应该认识到，管片选型只是被动地适应盾构掘进，辅助调整盾构前进趋势和姿态，而不能主动决定盾构姿态，盾构姿态决定管片选型。盾构掘进过程，应合理使用推进千斤顶编组，区域油压差异不得过大，保证盾构姿态与隧道轴线吻合。

［1］竺维斌，鞠世健，史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究［M］.广州:暨南大学出版社，2007.

［2］竺维斌，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006.

［3］周振国，郭磊，郭卫社.盾构施工姿态控制和管片选型［J］.西部探矿工程，2002(5):48-52.

［4］王选祥.盾构隧道管片上浮机理及控制技术［J］.铁道建筑，2009(5):52-55.

［5］张建刚，何川，肖明清.大型管片衬砌结构受千斤顶作用的裂缝分析［J］.铁道建筑，2008(4):28-31.

［6］臧延伟，张栋樑，罗喆.盾构下穿铁路地基加固施工参数优化［J］.铁道建筑，2006(5):70-73.