关键词：盾构；小半径曲线；轴线；控制
1 前言
在我国现行上海市地铁建设中，相应规范中盾构施工时隧道轴线偏差规定为：水平、高程偏差为正负50mm；盾构掘进完成后隧道轴线偏差规定为：水平、高程偏差为正负50mm。在小半径曲线段隧道轴线情况下，盾构施工对隧道轴线的偏差控制是工程的重点、难点。由于盾构机本体为一个圆柱形刚体，在隧道曲线段施工时，盾构机与曲线不能重合,因此盾构在推进过程中就要不停地纠偏，对于半径越小的曲线所需要纠偏的量就越大，在过程中纠偏的灵敏度就越低，轴线就越难控制。在隧道平曲线为小半径曲线时，往往还存在竖曲线或者坡度变化大等情况，这更加大了轴线的控制难度。
2 工程概况
上海轨道交通12号线5标东兰路站—虹梅路站区间下行线盾构隧道工程从东兰路站北端头井始发至虹梅路站西端头井接收，总长约512m。区间隧道为一条半径为350m的小半径曲线，隧道纵断面的最小坡度2‰，最大坡度11.7‰。隧道覆土最小为8.87m，最大为11.23m。
3 轴线控制重难点及原因分析
在本标段工程顾戴路～东兰路区间盾构施工后，区间隧道轴线控制不太理想：整个区间共计1375环，隧道轴线测量点每5环设一个点，共计275个测量点，每个点有平偏和高偏两个数据，共计550个样本点，其中盾构推进过程中轴线偏差＞±50mm个数为49个，比例为8.9%；贯通后成型隧道轴线偏差＞±50mm个数为59个，比列为10.7%；贯通后成型隧道轴线偏差＞±100mm个数为3个，比列为0.5%，且大部分轴线偏差点分布在小半径曲线上。
从以上数据可以看出轴线控制不理想，建设单位及监理单位对本区间做出要求：本区间盾构推进中、贯通后轴线偏差的＞±50mm比例必须分别控制在4%和5%，成型后偏差＞±100mm数量为0。
在业主单位和监理单位的监督下，项目部人员从人、机、料、法、环、测量六个方面对顾戴路～东兰路区间盾构施工轴线控制进行分析，总结出五个盾构推进过程中轴线控制的重难点，分别为：设计线路平曲线半径小、微承压水砂性土层、管片与盾构的中心夹角过大、盾尾与管片的间隙不均匀、管片错台过大，以下分别对其进行原因分析。
3.1 设计线路平曲线半径小
盾构机本体为一个圆柱形刚体，在隧道曲线段施工时与曲线不能重合。对于半径越小的曲线所需要纠偏的量就越大，在过程中纠偏的灵敏度就越低，对于轴线的控制就越难。盾构施工时，盾构机的水平转弯主要依靠左右两边的油缸形成行程差来进行，半径越小形成差越大；小半径曲线段施工时，盾构机左右侧油缸行程差很大，油缸的推力可调量很小，造成了盾构机推进时偏差调整困难，对轴线偏差控制难度加大。
盾构在隧道曲线段中施工时，管片与盾构机壳体会形成一个角度，曲线半径越小，夹角越大，千斤顶在顶住管片时，会对管片产生侧向和垂直分力，垂直分力给盾构提供推力，侧向分力方向为曲线外侧，在管片拼装好后会把管片向曲线外侧挤推，而在管片脱离了盾构尾部之后，管片失去盾壳限制后受侧向分力作用轴线偏差加大。
3.2 微承压水砂性土层
东兰路站～虹梅路站区间下行线隧道为一条半径为350m的小半径曲线，隧道沿线土层主要为④1灰色淤泥质粘土、④2灰色粘质粉土夹粉质粘粉土、⑤1a灰色粉质粘土、⑤2灰色砂质粉土土层，均属于微承压水层。在微承压水砂性土层中，由于开挖面土层土压平衡难以建立，土压波动大，造成盾构推力及四区压力波动大，盾构油缸推进压力不能及时合理地调整，造成轴线难以控制。
3.3 管片与盾构中心夹角过大
盾构在小半径曲线段推进时，管片与盾构的中心会产生一个夹角，当这个产生的夹角逐渐变大并过大时，盾壳与管片间隙逐渐减小并消失，盾壳就与管片接触，在盾构推进时管片受到盾壳挤压并碎裂，为了确保管片不碎，盾构推进时要缓慢纠偏，纠偏就导致盾构轴线偏差逐渐偏大。
3.4 盾尾间隙不均匀
本工程盾构开挖直径为φ6340mm，盾尾盾壳厚度为45mm，管片外径φ6200mm，所以在管片完全居中拼装时盾尾间隙为25mm。
当盾尾间隙不均匀时，盾构在小半径曲线推进时管片与盾尾易发生挤压而造成管片破碎，不利于盾构转弯，使盾构轴线控制难度加大。
3.5 管片错台过大
当错台超过规范及设计要求时，管片环与环之间的管片密封垫错位或搭接过少以及管片超前量难以控制。当管片超前量难以控制时，盾构就要纠偏来确保管片的拼装，这就给轴线控制带来难度。通过对轴线偏差较大的管片错台抽样统计，发现大部分都超过规范4mm的要求。
4 施工过程中导致轴线控制难的措施
确定了施工过程中轴线制难的原因后，在东兰路站～虹梅路站区间下行线隧道盾构施工中，对各个原因采取针对性措施，确保施工过程中轴线控制满足要求。
4.1 针对线路平曲线半径小导致推进偏差控制措施
（1）左右千斤顶行程差控制在小曲率半径轴线推进过程中，调整左右油压的差值是完成左右纠偏量的主要方法，在具体的纠偏过程中，操作员可根据左右千斤顶的长度差来判断盾构现状是否将完成预计的纠偏量（根据上一环的报表、千斤顶左右长度差及当前推进环的设计轴线变化），当盾构切口刚由直线段进入曲线段（缓和曲线段进入圆弧曲线段）时，由于盾尾管片还未进行曲线段管片的拼装，即管片还未作超前量调整，应通过增加左右千斤顶长度的差值来使盾构正好处于曲线段设计轴线的切线位置，而在同一曲线段推进时，管片的超前量调整正好起到一个调整盾构推进方向的作用，如盾构姿态良好，保持原有的千斤顶差值即能使盾构保持良好姿态（如图1）。
图1 盾构机左右行程差控制
（2）超挖控制
盾构机在进行曲线段掘进时，可以根据曲线段曲线半径大小使用超挖刀对刀盘前土层进行超挖控制，盾构机超挖的土量越多，对于曲线段轴线控制就越好。虽然超挖大增加了对轴线的控制，但是大面积超挖会造成同步注浆的浆液流入开挖面，容易造成沉降；而且增大超挖容易增大隧道变形。所以，适量的超挖控制可以有效地帮助轴线偏差控制。
（3）铰接控制
本工程采用的盾构机含有铰接装置，在中盾和尾盾之间。铰接装置能够在曲线段转弯时可以设置一个合适的角度，让盾构机成为一个曲线体，在曲线段施工时对盾构机的姿态调整起到很大的帮助。通过计算转弯半径350m时铰接左右度数为θ=0.45°（如图2）。
图2 盾构铰接示意图
（4）盾构机向曲线外侧偏移
盾构机在曲线段施工时，会有一个离心力，尤其是管片在脱离盾尾后，容易偏离轴线，因此，在盾构机进入曲线段施工前，可提前将盾构机向轴线的曲线内侧预偏移15-20cm，并在曲线外侧方向的管片上采用二次注浆的方式增加注浆量，用以抵抗管片的偏移。
4.2 针对微承压水地层导致轴线偏差控制措施
（1）根据地勘报告和设计轴线，由技术部提前计算出推进过程中盾构机所处的地层状况和轴线状况，制成《管片排版表》，以便中控室和盾构操作室提前得知盾构机掘进过程中所将面临的地质环境。
（2）当土压出现波动时，螺旋机出土模式由自动模式转化为手动模式。
（3）通过对不良土体添加泡沫剂或者膨润土泥浆液进行改良（如图3）。
图3 盾构机正面注入泡沫示意图
（4）适当增加土压或降低土仓压力来调整盾构机姿态。
4.3 针对管片轴线与盾构轴线夹角过大导致轴线偏差控制措施
图4 盾构与管片夹角图
（1）在拼装台拼装管片前，将所有待拼装管片清扫干净，确保管片环纵缝以及盾尾管片拼装位置上无泥土或者其他杂物。
（2）盾构机推进时，各千斤顶均开启，合理调整各千斤顶的推力，让盾构机在纠偏过程中各千斤顶推力均匀。
（3）施工过程中做到勤测量和勤纠偏，一旦发现与轴线偏差，及时进行纠偏。
（4）合理通过调整直线环和曲线环顺序来达到纠偏的效果。
（5）本工程使用的盾构机有铰接装置，利用本盾构机的优点，开出铰接装置，水平角度θ=0.47度。
4.4 针对盾尾间隙不均匀导致轴线偏差控制措施
（1）在每一环管片拼装前，均需对前一环管片的盾尾间隙进行测量，在管片拼装前及时调整纠偏量。
（2）通过以调整盾构姿态为主，管片加贴楔子或者调换管片顺序为辅的方式结合调整管片间隙。
图5 盾尾间隙δ示意图
（3）盾构纠偏必须在考虑盾尾间隙的基础上才可纠偏，即盾构轴线与管片轴线夹角尽量小，且不断采取采取措施使夹角归零，否则造成一边间隙越来越小直至卡到盾壳，另一边越来越大。
图6 盾尾间隙不均匀示意图
4.5 针对管片错台过大导致轴线偏差控制措施
（1）管片拼装以上一环为基准，如果新拼装管片与上一环管片错台过大，可轻微调整管片位置，松动管片连接螺栓，调整错台量，并确保管片拼装质量。
（2）通过实验确定同步注浆浆液稠度，注浆量为开挖间隙的120%—200%，确保注浆量，利用浆液承托起管片，防止脱离盾尾管片下沉，减少管片错台量。
（3）盾构机推进时时刻调整盾构姿态，减少因盾构机姿态调整造成的错台。
（4）对已拼装好的前100环管片错台进行测量、统计、分析，并制定出相应的处理方案，确保管片拼装质量。
5 采取措施后取得效果
在东兰路站～虹梅路站区间下行线隧道贯通后，对整个区间隧道进行轴线复测。整个区间共425环，隧道轴线测量点每5环设一个点，共计85个测量点，每个点有平偏和高偏两个数据，共计170个样本点。采取以上控制措施后，取得以下效果：
（1）盾构推进过程中轴线偏差＞±50mm个数为5个，比例为2.9%＜4%；
（2）贯通后成型隧道轴线偏差＞±50mm个数为8个，比列为4.7%＜5%；
（3）整个区间没有出现轴线偏差＞±100mm样本点。
6 结论
在地下隧道施工时，面临的是未知的环境，轴线控制是最基础也是最重要的一个关键，施工过程中轴线控制如果出现偏差未及时纠正，就可能出现“失之毫厘谬以千里”的后果。在本次盾构小半径曲线施工中，从人、料、机、法、环、测量等基本因素进行分析，采用QC质量控制的方法，对小半径曲线段盾构隧道轴线偏差进行控制，确保轴线偏差符合设计规范以及业主的要求，达到验收标准。
参考文献：
[1]杨勇.软土复杂环境下盾构法隧道防水与堵漏技术.铁道建筑技术.2013(09).
[2]万绍涛.盾构在小半径曲线下穿越建筑物的施工技术.铁道建筑技术.2013(09).
[3]刘桂荣. 盾构掘进机通过小半径曲线段的施工技术.建筑施工.2011(03).
[4]冯义、甘腾飞、马昌龄.城市地铁管片错峰拼装施工技术.建筑机械化.2011(03).
作者简介：万绍涛（1987年9月23日）男；民族：汉；籍贯：江西省；学历：大学本科；职称：中级工程师；研究方向主要为桥隧工程方面。
论文作者:万绍涛
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷第13期
论文发表时间:2019/12/3
标签：盾构论文; 管片论文; 轴线论文; 曲线论文; 偏差论文; 半径论文; 隧道论文; 《建筑实践》2019年第38卷第13期论文;