陕西城际铁路有限公司 陕西西安 710018
摘要：结合现场施工，通过对富水砂层小半径曲线盾构施工中的各项控制措施进行归纳，总结出了防止管片错台的一系列技术措施。
关键词：小半径曲线；管片错台；原因分析；应对措施
在掘进过程中管片错台不仅影响成型隧道整体质量，而且会导致隧道限界空间减小等，是影响成型隧道整体质量的一个关键因素。本文依据西安北至机场城际轨道项目北客站（北广场）～渭河南站（原尚稷路站）盾构区间富水砂层小半径曲线盾构施工实践，分析了管片错台的主要原因，提出了减少错台的措施。
2、工程概况
盾构区间为西安北至机场城际轨道项目北客站～渭河南站盾构区间，双线总长1923.427m，盾构区间含两处平曲线，沿线路行进方向，盾构于始发井R=400m曲线始发，往西北方向走行并在明光路下直线敷设，后经R=2000m曲线进入接收井。盾构隧道在砂层穿过，隧道埋深10.66～12.04m，砂层为良好的富水地层，渗透系数25m/d。
3、管片错台成因
3.1小曲率半径转弯推进轴线控制较难，纠偏较难
该工程存在400m圆曲线上，所采用的盾构机为中铁装备166号土压平衡式盾构机，盾构机外径6250mm，管片拼装后平均盾尾间隙约为75mm，采用被动连接式铰接油缸拉伸控制转弯时盾尾间隙。盾构机为不可弯曲刚体，不能完全按照曲线线路进行掘进，曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏难度越大，掘进姿态较难控制；盾构机掘进时，总是在进行蛇行，不可避免的会出现姿态波动较大；由于拐弯半径较小，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，导致左右两侧的油缸推力值调整范围缩小，从而增加了姿态调整的难度，所以加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。同时，小半径曲线段盾构掘进参数需要经过计算并结合地层条件、施工经验等因素综合考虑后确定。
3.2管片在千斤顶推力水平分力作用下易产生垂直轴线位移
隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移，如图1。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶的推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移。
图1转弯处管片受千斤顶推力示意图
盾构开始推进状态，管片在盾尾处推进完成管片即将脱出盾尾
图2转弯时盾构机与管片示意图
如图2所示，千斤顶开始推进时，管片受到来自盾构机的作用力有：A点的接触力(因此时管片刚拼装完成，虽然有作用力，但较小)；左、右部分盾尾刷的作用力及油脂压力，由于盾尾间隙右部远大于左部，所以左部盾尾刷作用力较大，此时测量盾尾间隙右侧应大于左侧。随着盾构机掘进1环完成，千斤顶开始回收，此时管片受到盾构机作用力为：C点的接触力，此时由于管片抵御盾构机的偏离，导致机壳对管片产生极大的作用力；由于右部盾尾间隙减小，管片此时脱出盾尾，这也是造成C点作用力的垂直于轴线的主要原因，此原因主要造成了管片环向错台。在小曲率转弯时错台外弧线向内，而内弧线向外错台。
3.3地下水丰富管片上浮造成管片叠瓦式错台
由于该区间地层为全断面的富水砂层，地下水位位于隧道顶以上，管片脱出盾尾后，会因水的浮力往上移动，造成管片叠瓦式错台。经测量，该区间管片平均上浮1.5cm。而管片与地层之间浆液因为凝固时间较长也会产生大于管片自重的上浮力，造成管片“叠瓦式”错台。
3.4在砂层中推进推力大造成管片错台
该区间盾构主要穿越地层为2-5-3中砂层，饱和，密实，自稳能力差，平均标贯值N=68.盾构正常掘进时，推力约为1500～2000吨，作用于管片上的反力越大，在曲线段掘进时，产生的水平分力也越大，使管片向外侧移动，造成管片错台。
4、管片错台防治措施
4.1安装管片保证措施
（1）加强对拼装管片操作人员的培训，管片安装机操作人员为熟练工人。
（2）严格检查进场的管片，检查合格的管片方可使用。
（3）拼装一块管片收缩一组推进油缸，严禁在未拼装的情况下收缩推进油缸。
（4）综合考虑隧道线路要求及盾尾间隙、油缸行程要求。合理进行管片选型，确保管片错缝拼装。
（5）在管片拼装之前，预先调整好盾尾间隙与推进油缸行程差，以确保管片封顶块拼装点位符合设计要求。
（6）合理进行管片选型，重点考虑管片拼装后盾尾间隙要满足下一循环掘进限值，确保有合适的盾尾间隙，防止盾尾间隙变小挤压管片，造成管片错台。
（7）管片拼装必须从隧道底部开始，然后依次拼装标准块、相邻块，最后拼装封顶块。
（8）管片块拼装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机。
（9）管片安装完后应及时进行连接螺栓紧固，并在管片脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次复紧。
（10）由于盾构机在掘进过程中，形成“蛇”形状，其中心线不在设计中线上，造成管片拼装错台。施工时控制盾构掘进姿态，使盾构的中心与设计中线误差控制在允许范围内；
（11）盾构在掘进纠偏过程中，由于使用的千斤顶推力不均匀，作用在管片上的反力就不一样，使管片在挤压中造成错台。施工中控制盾构机姿态，纠偏时缓慢进行，控制一次的校正值，每环纠偏量不得大于6mm，基本保证每环管片受力均匀；
（12）进行同步注浆时，由于左右注浆压力值相差较大，使管片偏压造成错台，注浆采取对称进行；
（13）由于地层为富水砂层，自稳性差，地面沉降较大，使管片受压造成错台。加大管片顶部注浆压力和注浆量，使管片与土体间的空隙填充密实，减少地面沉降量；
（14）在管片安装时，由于操作人员操作不当或失误造成的原因，加强技术培训和业务学习，现场操作人员配备检测设备，现场安排人员统一指挥，保证管片拼装一致。
（15）管片拼装完毕后，及时将推进油缸顶紧管片以防盾构在工作面土压的作用下后退。同时利用真圆器对已安装成形的管片进行整圆，及时拧紧连接管片的纵、横向螺栓。在管片脱出盾尾后再次拧紧纵横向连接螺栓。
（16）盾构在推进过程中，推进油缸对管片施加巨大的压力以获得顶进推力。为保证管片不受到挤压损坏，盾构在推进尤其是在隧道纠偏时，尽量使用盾头与盾尾之间的铰接，使推进力均匀作业于管片上。
（17）加强地面沉陷监测，及时分析监测信息以修正注浆参数和注浆工艺。
（18）为保证注浆设备的正常工作和注浆过程中的连续作业及左右注浆压力均匀，加强注浆设备的维修保养，每次注浆完毕后对注浆管、设备进行清洗。
4.2盾构姿态控制
盾构机的姿态可通过左右油缸行程差值来进行控制，该工程对右转曲线的调整可采取的方式主要为通过左右侧推进油缸的推力差实现行程差从而实现转弯。这是盾构施工转弯的基本方法，在小曲率半径施工时应控制左右油缸推力差，一般以不超过40bar为限，过大的推力差会导致水平分力过大的管片错台，推力差过小则不能实现盾构机转弯。推进时应注意观察千斤顶撑靴的位置，使撑靴中心与管片环中线重合，减小千斤顶顶推垂直轴线的分力。当出现姿态偏差超过20mm时必须进行及时纠偏，否则难以保证规范要求的轴线偏差50mm。通过调整区域油压来进行盾构纠偏时，上下与左右分别计算推力差，油压差应控制在50bar以内，油压具体数值更具实际情况进行调整。纠偏应及时并且单环纠偏量不应大于6mm。控制盾构姿态的主要目的为控制好盾尾间隙，通常若盾尾间隙差超过20mm则会出现不同程度的错台，当盾构姿态良好时管片在盾尾内拼装将更容易。根据本工程地质情况和线路走向趋势，应使盾构机提前进入相应地预备姿态，使得盾构机掘进至转弯位置时已调整到预定的设计轴线上，无需在该点急转。由于缓和曲线与小半径曲线400m的切线角θ存在较大差距，在切点处再进行转向，初始偏转量较大，这在盾构机使用被动铰接装置的情况下较为困难。故一般情况应提前5环就进行盾构机的预偏转，同时调整管片平面轴线与盾构机一致。
4.3保证同步注浆
（1）在浆液性能的选择上应该保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度、限定范围防止流失（浆液的稠度）有机结合，才能保证隧道管片与地层共同作用形成一体化的构造物。盾构隧道衬背注浆的浆液配比应进行动态化管理，依据不同地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，以控制地表的沉降和保证管片的稳定。
（2）该区间隧道掌子面主要经过地层为中粗砂，注浆压力控制在0.15~0.4Mpa之间，建筑空隙体积理论上控制在150%~180%之间，即每环管片注浆量约在5.4~6.8m³之间，同时在实际操作过程中，根据实际注浆过程积累经验，随时对注浆量加以调整。
5、结束语
随着地下空间的开发与利用，盾构工法在我国得到了越来越广泛的应用。在我国多个城市的地铁施工中，都碰到过富水砂层小半径曲线管片错台的难题。根据该区间的地层及线性情况，对管片错台措施进行了技术总结，保证了成型隧道的质量，得到了业主的一致好评，为今后类似地层的盾构施工积累了丰富的经验。
参考文献
[1]钟志全，盾构管片错台分析及措施（B），2006，4.3（1）.
[2]刘佳荣，盾构掘进机通过小半径曲线段的施工技术.
[3]冯义等，城市地铁管片错缝拼装施工技术.
论文作者:张浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/1
标签：管片论文; 盾构论文; 曲线论文; 隧道论文; 半径论文; 注浆论文; 轴线论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;