摘要：随着社会的进步，出行交通水平的提高，国内地铁也在飞速发展，成都市政轨道交通工程盾构施工项目也日益增多。与此同时，盾构施工面临的安全标准要求高、设计和施工难度大等问题也越来越突出。同时在地铁建设中，对隧道的质量要求也越来越高。尤其是小曲线盾构隧道，由于线性限制，对施工技术要求较高，稍有不慎就容易造成管片错台，严重的会形成管片大面积破损，引起渗漏水，不紧造成后期运营风险，也影响地铁施工的长远发展成都地铁9号线元华停车场属于大坡度、小曲线盾构区间，施工困难大，安全风险多。如何避免电瓶车溜车和管片错台引起的破损和渗漏水，是隧道施工的把控要点。针对这一情况，通过科学技术和严格把控，保证了隧道的成型质量，为后续施工积累了经验，取得了不错的成果。
关键词：小曲线；盾构施工；管片纠偏；管片选型
一、工程概况
元华停车场出入场线东1线长度1822.166m，最大坡度36‰，最小曲线半径350m；东2线长度1804.795m，最大坡度37.5‰，最小曲线半径350m；西线长度1043.863m，最大坡度35‰，最小曲线半径310m。隧道拱顶最小埋深为10.5m，最大埋深为25m。三条线共同穿越绕城高速、桂花堰社区民房、8号线出入场线三处风险源后，东1、东2线向东掘进，穿越成昆铁路、9号线正线、栏杆堰、剑南大道市政隧道四处风险源，西线向西掘进，穿越9号线正线、成雅高架桥桥桩两处风险源。东1、东2、西线分别采用自有中铁装备137#、65#、121#盾构机进行掘进施工，盾构机刀盘直径6280mm，管片采用外径6000mm、内径5400mm、环宽1500mm、1200mm管片。
图1 区间平面示意图
二、线路特点
元华工区三条隧道，坡度为成都市最大的隧道坡度，同时伴随着小曲线掘进。地层由复合地层到全断面泥岩，安全把控和施工技术难度极大。砂卵石的超方喷涌、泥岩的管片上浮、管片的错台破损和渗漏水，都是本标段控制的重点，现针对本标段三条线小曲线的管片排版进行计算分析，指导现场施工。
东一线平面曲线统计表：
西线平面曲线统计表：
三、施工控制
（1）管片破损
管片破损是盾构施工的通病，可能的原因及处理：
①管片上浮量过大，注浆不饱满，二次补浆不及时。元华停车场工区3条线始发后100环全部进入全断面泥岩，最大上浮量有10cm。采取的主要措施是要保证同步注浆的方量和初凝时间，二次补浆为双液浆，及时补注，控制上浮，有效的控制了错台和破损，隧道质量控制的很好。同时采取盾构机姿态线下掘进，保证上浮后不会出现超线的现象。
②盾构机姿态不好，与管片姿态不同心，致使盾壳挤压管片，造成错台破损。采取措施是调整姿态不能过急，要勤纠缓纠，控制好姿态，调整好油压，如果盾尾间隙过小就要及时用弯环进行调整，避免盾尾拖拉管片，造成破损，管片的走向要和盾构机趋势保持一致，避免管片和盾构机偏心过大，可以很好的避免此类问题发生。
③总推力过大，且油压分布不均，作用于管片上的分向力造成管片开裂。采取的措施是合理控制油压，避免偏压过大，推进油缸行程差要合理，一般大于5cm的行程差就需要及时进行调整，防止行程差过大，造成盾构机姿态不好和盾尾间隙过小的情况出现。
以上几点是盾构管片破损的主要原因，当然还有一些其他原因，比如盾尾清理不及时，造成管片拼装质量不好；螺栓复紧不及时，造成管片不成整体。但造成破损、漏水最关键的原因就是纠偏和管片选型，这也是接下里要介绍的重点。
（2）盾构姿态纠偏
盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方向控制。其控制操作原则有两条：
①滚角应控制在+-10mm/m以内。盾构机滚角值太大，盾构机不能保持正确的姿态，影响管片拼装的质量。滚动角为正则刀盘向右转，为负刀盘向左转，根据滚叫变化及时调整刀盘转向。
在一般情况下，盾构机的方向偏差应控制在+—20mm以内，在缓和曲线段及圆曲线段，盾构机的方向偏差控制在+—30mm以内，曲线半径越小，控制难度越大。这将收到设备、地质条件和施工操作等方面原因的影响。
当盾构机遇到上硬下软土层时，为防止盾构机机头下垂，要保持上仰状态；反之则保持下俯。掘进时要注意上下或者左右千斤顶行程差不能太大，一般控制在+—20mm以内，特殊情况下不能超过60mm。
当开挖面内的地层左右软硬相差很大而且又处在曲线段时，盾构机的方向控制将比较困难。必要时，可将水平偏角放宽到+—10mm/m，以加大盾构机的调向力度。当以上操作仍无法将盾构机的姿态调整到合理位置时，将考虑在硬岩区使用仿形刀进行超挖。
在曲线掘进时，管片易往曲线外侧发生偏移，因此，一般情况下让盾构机向曲线内侧偏移一定量。在进入缓和曲线之前，若右转弯则掘进至20mm，左转弯则掘进至—20mm，以保证隧道成型后与设计轴线基本一致。
在盾构机姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m宽的管片，原则上推进油缸的行程控制在1700~1800mm之间，由于本区间半径小，部分管片是1.2m宽，1.5m宽的管片，则推进油缸的行程控制在1450~1550mm之间，行程差控制在0~50mm之间。行程过大，则盾尾刷容易露出，管片脱离盾尾较多，变形较大，易导致管片姿态变差；行程差过大，易使盾体与盾尾之间的夹角增大，铰接油缸行程差加大，盾构机推力增大，同时造成管片的选型困难。
②盾构机在掘进时总会偏离设计轴线，按规定必须进行纠偏。盾构姿态蛇行变化，主要是通过调整盾构分区推力来实现的。盾构姿态调整，要在各种地质情况下推力参数基础上，加大局部推力或把另外两个或者三个方向的推力降低，来调整姿态。除了通过推力调整盾构机姿态外，还可以调整盾尾间隙，如盾尾上半部间隙小就适应加大A区域推力，千斤顶行程和盾尾间隙相应跟着变大。当盾构姿态纠偏的方向与盾尾间隙纠偏方向相反，要权衡哪方面对质量影响较大，如果盾构姿态偏差变大不会造成“侵限”，可以考虑调整盾尾间隙，在调整间隙过程中，千斤顶行程差会相应变化，再结合转弯环管片调整行程差，否则隧道的偏移量跟不上盾构机的纠偏幅度，盾尾仍然会挤坏管片。纠偏必须有计划、有步骤地进行，切忌一出现偏差就猛纠猛调。盾构机的纠偏措施如下：盾构机在每环推进的过程中，结合本标段地质线路情况，水平右转的曲线，姿态控制在+20mm，垂直控制在-40mm，应尽量将盾构机姿态每环变化控制在+—3mm以内。同时应对各项掘进参数进行调整，尽量选择合理的管片类型，避免人为因素对盾构机姿态造成过大的影响。严格管片拼装质量，避免因此而引起的对盾构机姿态的调整，同时在纠偏过程中掘进速度要放慢，控制在30mm/min。
管片选型要根据盾构行程差进行管片选型，当千斤顶行程差已达到转弯环最大行程差时，必须选择转弯环进行行程差调节，减少管片环面与千斤顶接触面的折角，以更有利于下一环盾构推进及姿态的调整。否则，盾构行程差越大，管片环面与千斤顶接触面的折角越大，推力消耗就越大，纠偏就越困难，隧道就越容易侵限，同时管片表面偏心受到的压力也越大，管片破坏的可能性就越大，成型隧道质量就更难保证。
四、管片排版
如果盾尾间隙过小，盾壳上的力直接作用在管片上，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦、碰撞。轻则盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度；重则造成管片错台。盾构一边间隙过小，另一边相应变大，这时盾尾尾刷密封效果降低，在注浆压力作用下，水泥浆很容易渗漏出来，破坏盾尾的密封效果。同时间隙过小方向的盾尾刷由于长时间受力作业而容易磨损。
盾尾间隙时管片选型的一个重要依据。盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进的，我们把推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。而每一个掘进循环这四组油缸的行程差值反应了盾构机与管片平面之间的空间关系，可以看出下一掘进循环盾尾间隙的变化趋势。由图2可以看出，当管片平面不垂直于盾构机轴线时，各组掘进油缸的行程就会有差异，当这个差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。
管片选型的原则有三个，第一：管片选型要适合隧道设计线路；第二：管片选型要适应盾构机的姿态；第三：管片选型要适合盾构千斤顶的行程。这三者相辅相成。接下来针对本区间的线路特点，科学的计算出最佳排版方案，指导现场施工。
1、曲线半径为R=310m的左转圆曲线管片排版：
圆曲线管片选型预排版，通过计算R=310m圆曲线段，曲线内外弧差值来进行圆曲线段管片排版，即：
△L=（D-t）/R*1.2*1000
其中：△L为曲线内外弧长差；
D为管片外直径；
t为管片厚度；
R为曲线半径。
计算得，R=310m圆曲线，△L= 22.1mm
①顶块对应于1点位及11点位拼装，水平方向楔形量补偿△=36.2，即
△/△L=36.2/22.1=1.64进而得到，转弯环与直线环之比为1：0至1：1，即在左转曲线半径R=310m的圆曲线上进行（Z1+Z11+B1）+（Z11+Z1+B11）+……的循环拼装，每个循环多补楔形量6.1mm，即拼装6个循环后可少拼一环弯环。
②封顶块对应于2点位及10点位拼装，水平方向楔形量补偿△L= 22.34mm，即△/△L=22.3/22.1=1.01进而得到，转弯环与直线环之比为1：0，即在左转曲线半径R=310m圆曲线上进行Z10+Z2+Z10+Z2+Z10+Z2+……的循环拼装。
2、曲线半径为R=350m的左转圆曲线管片排版：
圆曲线管片选型预排版，通过计算R=350m圆曲线段，曲线内外弧差值来进行圆曲线段管片排版，即：
△L=（D-t）/R*1.2*1000
计算得，R=350m圆曲线，△L= 19.5mm
①顶块对应于1点位及11点位拼装，水平方向楔形量补偿△=36.2，即
△/△L=36.2/19.5=1.86进而得到，转弯环与直线环之比为1：0至1：1，即在左转曲线半径R=350m的圆曲线上进行（Z1+B11）+（Y5+B11）+……的循环拼装，每一个循环少补2.8mm，即拼装12个循环后可多加一个弯环。
②封顶块对应于2点位及10点位拼装，水平方向楔形量补偿△L= 22.34mm，即△/△L=22.3/19.5=1.14进而得到，转弯环与直线环之比为1：0，即在左转曲线半径R=310m圆曲线上进行（Z10+Z2）+（Z10+Z2）+（Z10+Z2）+……的循环拼装，每一个循环多补5.6mm，即拼装4个循环后可加一个标准环。
3、曲线半径为R=450m的右转圆曲线管片排版：
圆曲线管片选型预排版，通过计算R=450m圆曲线段，曲线内外弧差值来进行圆曲线段管片排版，即：
△L=（D-t）/R*1.5*1000
计算得，R=450m圆曲线，△L= 19mm
①顶块对应于1点位及11点位拼装，水平方向楔形量补偿△=36.2，即
△/△L=36.2/19=1.91进而得到，转弯环与直线环之比1：1，即在右转曲线半径R=450m的圆曲线上进行（Y1+B11）+（Z5 +B11）+……的循环拼装，每一个循环少补1.8mm，即拼装20个循环后可多加一个弯环。
②封顶块对应于2点位及10点位拼装，水平方向楔形量补偿△L= 22.34mm，即△/△L=22.3/19=1.17进而得到，转弯环与直线环之比为1：0，即在右转曲线半径R=450m圆曲线上进行（Z10+Z2）+（Z10+Z2）+（Z10+Z2）+……的循环拼装，每一个循环多补6.6mm，即拼装3个到4个循环后可加一个标准环。
以上是3条线设计到的小曲线管片排版计算，但在曲线段的预排版只是一个理论楔形量的组合排版，实际施工中结合盾尾间隙、油缸行程差可进行临时自由组合来保证成型管片质量。目前元华工区东一、东二、西线严格按计算管片排版进行选型，曲线段拼装管片的实际楔形量与理论楔形量基本吻合，隧道姿态和质量控制很好。本技术也在项目部得到了推广，指导了小曲线，大坡度的施工，有很大的价值。
五、结语
以上技术措施得到了很好的实际运用，切实做到了指导现场施工，取得了很大的成绩，同时也帮助很多专业人员提升了业务技术能力。希望在不同的城市，不同的地质条件下能对所以专业人士起到参考价值。
参考文献：
[1]杨俊龙 .盾构近距离急曲线穿越已建地铁隧道技术研究[ D] .上海：同济大学，2004.
[2]竺维彬，鞠世健.盾构隧道管片开裂的原因及相应对策[ J] .现代隧道技术，2003，40（1）：21-25
论文作者:班海洁
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/5
标签：管片论文; 盾构论文; 曲线论文; 姿态论文; 行程论文; 隧道论文; 半径论文; 《防护工程》2019年第5期论文;