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摘要：盾构隧道轴线蛇形偏移量控制是确保隧道线型符合设计要求和隧道建筑限界的关键，文章从维尔特土压平衡盾构机姿态和蛇形运动、盾构掘进参数、衬背注浆、小半径曲线隧道掘进及盾构始发出洞控制等影响因素着手，对盾构隧道呈蛇形状态的原因进行了分析研究，并提出了控制措施。
关键词：盾构隧道，盾构机姿态，蛇形纠偏，轴线控制
1 引言
近年来在我国城市地铁建设中，常常会遇到盾构隧道在施工阶段蛇形偏移过量的问题，严重者甚至要通过调线等来满足线路设计要求。盾构隧道轴线控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑限界的关键。在盾构掘进过程中，盾构隧道轴线蛇形偏移量过大，其原因主要有两大因素：一是盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道设计轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线，致使刚拼装成型的衬砌管片就可能已经偏离了设计轴线；二是盾构施工中存在很多不确定因素，致使成型隧道受到较多不确定外力作用而发生不确定的位移变形。
2 盾构隧道呈蛇形状态的原因分析
2.1盾构始发出洞控制
盾构出洞段施工盾构始发托架安装坡度控制不理想，盾构始发出洞阶段施工参数控制不良，导致盾构机姿态和轴线偏移量在始发时处于不良状态。即使后续调整施工参数，将盾构机轴线调整到隧道设计轴线，此时已完成的隧道衬砌的实际状态也已经偏离了设计轴线。
2.2盾构机姿态及蛇形运动的影响
盾构隧道是由逐环管片成环位置连贯组合而成，管片是在盾尾拼装成环的，故盾构机轴线状态决定了成型隧道的状态，是决定盾构隧道蛇形变化的关键因素。管片成环的空间位置受到掘进后盾构机位置的限制，因为，即使盾构机姿态偏差值太大，为了不使管片难于拼装、保护盾尾刷和管片不受损坏，也必须根据盾尾间隙等进行管片选型，使管片中线与盾构机中线保持一致。因此盾构机的蛇形运动必然导致盾构隧道的蛇形状态，控制好盾构机的蛇形运动即可有效控制隧道的蛇形摆动。另外，盾构掘进蛇形摆动越大，对地层的扰动也越大，容易造成较长时间的后期沉降变形，使成型隧道受地层作用而发生较大位移变形。由此可以认为只有控制好盾构掘进轴线，减小盾构机蛇形偏移量，才能保证将管片拼装在理想的位置，有效减小成型隧道的蛇形状态。
2.2.1盾构机产生蛇形运动的原因
2.2.1.1 地质条件因素
由于地层土质不均匀，以及地层中有卵石或其他障碍物，造成开挖掌子面及盾构机四周阻力不一致。而盾构机推进千斤顶的推力是被动应对的，当某组千斤顶处阻力变大时，该组千斤顶的油压随之增大，推力也增大，但被动的推力变化具有滞后性。使得增大推力后的该组千斤顶的推进速度与其他阻力较小的千斤顶的推进速度也不能达到相同大小，必然导致盾构机掘进方向发生一定偏差。
2.2.1.2 盾构机操作因素
盾构机推进千斤顶分为4组，盾构掘进施工中各组千斤顶推力大小由操作手根据盾构机位置姿态与隧道设计轴线的相对关系来调整确定，盾构机各组千斤顶所需推力与操作手设定的推力必然存在一定偏差，导致盾构机掘进方向发生偏差。
2.2.1.3 机械设备因素
由于盾构机机械设备加工精度误差造成千斤顶伸出阻力不一致，使各千斤顶工作不同步。
2.3 曲线段推进对轴线的影响
盾构机在曲线段（尤其是小半径曲线段）中向前推进，盾构掘进环环都在纠偏，推进千斤顶对成型管片的反作用力在隧道轴线的垂直向外方向分力较大，易使隧道衬砌管片发生侧向位移，即隧道轴线偏离盾构掘进轴线，增大了隧道衬砌管片的蛇形偏移量。
2.4 同步注浆对轴线控制的影响
盾构掘进施工时，盾构开挖直径大于管片外径，使衬砌管片与围岩之间存在建筑间隙，管片脱出盾尾后，周围土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时注浆填充此空间，脱出盾尾的衬砌管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件，使隧道轴线不规则地偏离设计轴线，形成盾构隧道的蛇形状态。
2.5 盾构掘进参数对隧道蛇形状态的影响
掘进参数的选择决定了盾构掘进施工对地层的扰动程度，地层若受到过度扰动，易产生长时间的沉降变形，进而增大隧道蛇形变形量。
3 盾构隧道蛇形状态控制
3.1 盾构始发出洞控制
由于盾构机刀盘较重，且始发时刀盘有一段处于悬空状态，故一般盾构机始发时容易出现“栽头”现象。为了使盾构始发时出现“栽头”现象后盾构机姿态仍能处于良好状态，需要人为地调整盾构始发托架安放坡度：若隧道始发段设计轴线为下坡，则将始发托架坡度相对设计轴线调缓；若隧道始发段设计轴线为上坡，则将始发托架坡度相对设计轴线调陡。坡度调整量为2‰左右。调整后盾构机姿态应是盾构机刀盘中线比设计轴线高，盾尾中线与设计轴线相平。另外，在悬空段铺设钢导轨，以控制盾构机“栽头”趋势。
3.2 盾构机姿态及蛇形运动控制
3.2.1 盾构机姿态控制
盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和方向控制，在掘进过程中，根据自动导向系统PPS电脑屏幕上显示的数据，盾构机操作手通过合理调整各分区油缸千斤顶的推力及刀盘转向来调整盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动。盾构机姿态控制主要有盾构机滚角控制和盾构机方向控制。
3.2.1.1 盾构机滚角控制
盾构机滚角应控制在±0.5％以内，滚角值太大，会使盾构机不能保持正确的姿态，影响管片拼装质量。盾构机滚角的控制，主要通过正反转刀盘来调整盾体的扭转方向，从而减小滚角值。
3.2.1.2 盾构机方向控制
盾构机的结构和施工方式决定了盾构机的转弯能力有限，一般最小转弯半径不能小于40D（D为隧道开挖直径），因此盾构机所处的位置方向就确定了盾构机的前进方向，根据盾构机所处的位置方向即可预测盾构的运动轨迹和轴线最大偏移量。盾构机方向控制的原则是使盾构机轴线平行并靠近设计轴线。盾构机方向控制有以下几种情况：
a．当盾构机位置方向如图1所示，盾构机在设计轴线右侧，方向向右偏，此时就需提高右侧千斤顶分区的推力，使盾构机方向转向设计轴线。但盾构机运动趋势仍是远离设计轴线向右运动，故盾构机偏移量还将继续增大，之后才能逐渐向设计轴线靠近。
b．当盾构机位置方向如图2所示，盾构机在设计轴线右侧，方向向左偏，盾构机已有向设计轴线运动的趋势，此时则需要根据盾构机运动趋势适当提高左侧千斤顶分区的推力，使盾构机掘进方向缓慢转向设计轴线方向，以免盾构机保持现有方向而运动到设计轴线左侧，加大盾构机运动的蛇形量。
盾构机其他位置和方向的控制同理。
3.2.2盾构机蛇形纠偏
盾构机蛇形纠偏的目的是尽量使盾构机沿隧道设计轴线前进，减小盾构机运动轨迹的蛇形量。盾构机轴线控制从空间上分为平面控制和高程控制，盾构机轴线控制一般情况下是根据自动导向系统PPS电脑屏幕上显示的数据控制盾构机沿设计轴线前进。
盾构机蛇形纠偏的原则是必须有计划、有步骤，切忌出现偏差就猛纠猛调。猛纠猛调将容易增大隧道蛇形摆动。还可能造成工程交工之后的调线调坡困难，将严重影响线路投入运营。盾构机轴线蛇形纠偏有水平纠偏和高程纠偏，盾构机轴线蛇形纠偏的具体措施有以下方式：
3.2.2.1一般轴线蛇形纠偏控制
a．调整各区千斤顶推力
通过调整各区千斤顶推力，使千斤顶合力位置与外阻力合力位置组成一个有利于纠偏的合力偶，从而调整盾构机水平位置和竖直位置，使盾构机尽量靠近隧道设计轴线向前掘进。在掘进过程中随时注意滚角的变化, 及时根据盾构机的滚角值调整刀盘的转动方向。在纠偏过程中, 掘进速度要放慢, 并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶受力过大对管片造成破损。
b．轴线预调控制
在不同的地质条件下，盾构隧道后期会反映出有规律的沉降或上浮，施工中必须对隧道的后期沉降进行复测，掌握隧道后期沉降或上浮的规律，制定相应的盾构轴线控制参数，预先留出盾构隧道的沉降或上浮量，使隧道轴线在后期沉降或上浮后尽量与设计轴线同线，有效的减小成型隧道轴线的蛇形量。
c．轴线偏差量控制
一般在进行直线段推进程中，应尽量使盾构机刀盘的位置保持在设计轴线的±20mm范围之间，在进行转弯或变坡段推进的过程中，应提前对刀盘偏移位置进行预测，并在推进的过程中适当调整各区推进千斤顶的推进压力差，以保证盾构机刀盘在推进的过程中始终保持在施工轴线的允许偏差范围内。
d．管片选型与拼装
由于盾构机在土体内是处于运动状态，而成型的隧道则处于相对稳定的状态，盾构机的盾尾直接与成型隧道的末端接触，后几环管片的位置状态直接限制了盾尾的位置状态，所以调整好管片的姿态对盾尾的位置控制、纠偏要求及整个隧道的整体质量都起着至关重要的作用。施工中必须根据盾尾已拼装管片的姿态与设计轴线的位置关系及盾构机姿态合理选择下一环管片的类型，使管片拼装中心线尽量与盾尾中心同心，且管片拼装中心线有向设计轴线靠近的趋势。
3.2.2.2小半径曲线段蛇形纠偏特殊控制
a．准备
在进入圆曲线段前，调整好盾构机姿态，使盾构机位于设计位置和方向、盾构机铰接行程差与隧道设计轴线曲率对应，以便于盾构机在曲线段有效转弯。
b．调整各区千斤顶推力
在曲线段推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，必须严格控制盾构出土量，考虑到刀盘正面平衡压力的差异，须同步调整控制左右区间油压值和左右推进千斤顶行程，保证曲线内侧推力略小于外侧，使盾构机沿设计轴线前进。
C．纠偏量
在盾构推进过程中，要加强对推进轴线的控制，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，因此必须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量尽量小，确保管片的环面始终垂直于设计轴线。
d．铰接
盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，因此在推进时调整好铰接状态，使盾体在铰接处有一个角度，从而使盾构刀盘及盾尾都比较接近设计轴线。
e ．调整设计轴线
在曲线段（特别是小半径曲线段）掘进施工时，千斤顶对成型管片的反作用力在隧道轴线垂直方向上的分力较大，故在推进千斤顶推力的作用下，已成型管片易发生向曲线外侧移动。因此，在实际推进过程中，盾构轴线需控制在设计轴线内侧，使最终成型隧道更接近设计轴线。
f．管片选型与拼装
为控制盾构推进轴线，管片拼装尽量保证管片与盾尾同心。做好管片选型，减小推进千斤顶的行程差，使盾尾与管片的间隙均匀、平衡。并在推进半环后，停机收推进千斤顶，释放千斤顶与管片接触处的集中应力，使管片重新回到放松状态，以免造成管片拼装困难，从而保证管片拼装质量及推进轴线。
3.3曲线段盾构掘进施工控制
为了减小曲线段隧道轴线最终偏差，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏移量。将盾构沿设计轴线的内弧侧掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片脱出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定须依据理论计算、掘进区域所处的地层情况和施工实践经验的综合分析得出。同时调整同步注浆配比，缩短浆液初凝时间，增大浆液早期强度，必要时增大二次注浆量，以尽早固定成型管片。
3.4管片背后注浆控制
盾构掘进施工中，必须通过同步注浆及时填实管片与围岩之间的间隙，并根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆参数，对同步注浆不足的部位再采用二次或多次补浆，有效地约束成型管片的变形和位移，减小隧道蛇形摆动。
3.5盾构掘进参数控制
为减小盾构掘进施工对地层的扰动，必须设置合理的掘进参数。
3.5.1土压力
根据隧道上覆土层厚度及地质情况计算土压力值，并在始发推进阶段及时根据地面监测情况与盾构推进诸要素进行分析研究，不断对其调整，直至找到最佳值。掘进施工中尽量保证土压力值稳定，以减小对地层的扰动。
3.5.2刀盘转速
刀盘转速在硬岩地层可设置大些，在软土地层宜尽量偏下小，以减小刀盘转动对地层的扰动。
3.5.3掘进速度
速度参量的选取应掌握使土体尽量的切削而不是挤压。过量的挤压，势必产生土仓内外压差，增加对地层的扰动。不同的地质条件，推进速度亦应不同。盾构纠偏时或同步注浆浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应取较小速度，推进速度不大于3cm/min。
3.5.4出渣速度和出渣量
因土压平衡是依赖出渣来控制的，土仓的入土量必须与排土量匹配，掘进施工中应特别注意调整推进速度和出渣速度，使压力波动控制在最小幅度。另外，出渣量必须与掘进进尺相匹配，以保证开挖隧道范围以外的地层不会产生地层损失。
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论文作者:郭润春
论文发表刊物:《基层建设》2016年35期
论文发表时间:2017/3/23
标签：盾构论文; 轴线论文; 管片论文; 隧道论文; 蛇形论文; 千斤顶论文; 推力论文; 《基层建设》2016年35期论文;