□文/徐 薇

隨著我國(guó)地下鐵路、電力隧道、綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工因其高效、安全、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，在地下隧道施工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。施工前的盾構(gòu)適應(yīng)性分析，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制，掘進(jìn)姿態(tài)控制，管片選型，掘進(jìn)對(duì)沿線建（構(gòu)）筑物的保護(hù)等相關(guān)的控制要點(diǎn)的研究得到了高度重視。其中盾構(gòu)姿態(tài)和管片選型，因直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量和其不可逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，成為盾構(gòu)施工的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 盾構(gòu)姿態(tài)影響因素

盾構(gòu)姿態(tài)是盾構(gòu)主機(jī)的空間狀態(tài)，通常采用橫向偏差、豎向偏差、俯仰角、方位角、滾轉(zhuǎn)角和切口里程等參數(shù)描述，反應(yīng)了盾構(gòu)與設(shè)計(jì)線路的擬合程度，也反應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)狀態(tài)控制的合理性。但在施工過程中，盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)軸線無法與理論軸線保持一致，因此需分析影響盾構(gòu)施工過程姿態(tài)影響因素，采取相應(yīng)的控制措施，從而更有效的實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的控制，提高施工質(zhì)量。

1.1 盾構(gòu)機(jī)的性能

盾構(gòu)機(jī)的性能直接與姿態(tài)調(diào)整相關(guān)。不同的盾構(gòu)類型，推進(jìn)油缸設(shè)置的分區(qū)不同，油缸的鎖定或啟用控制區(qū)域也不同，直接影響到在盾構(gòu)掘進(jìn)調(diào)向控制。盾構(gòu)機(jī)的靈敏度主要表現(xiàn)在調(diào)向和轉(zhuǎn)彎方面，為保證盾構(gòu)調(diào)向的需要增加鉸接機(jī)構(gòu)，但是由于鉸接機(jī)構(gòu)設(shè)置的不同，在調(diào)向表現(xiàn)上也不同:有的盾構(gòu)鉸接為被動(dòng)式，即隨著盾構(gòu)的需要走；有的則在盾構(gòu)調(diào)向時(shí)，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)鉸接油缸的行程，調(diào)整各分區(qū)油缸行程差。此外盾構(gòu)設(shè)備的配置水平（測(cè)量系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、超挖刀等）對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)控制和調(diào)整也起到了不同程度影響。

1.2 工程地質(zhì)

在地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是刀盤范圍下軟上硬的地質(zhì)情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)方向不易控制，甚至盾構(gòu)機(jī)自行低頭，使掘進(jìn)偏離隧道中心線或盾尾不規(guī)則傾斜，直接影響到盾構(gòu)姿態(tài)。隨時(shí)掌握盾構(gòu)所處的地層情況，該地層對(duì)于盾構(gòu)法的表現(xiàn)，掘進(jìn)范圍內(nèi)有無特殊地層，這些都是影響盾構(gòu)姿態(tài)保持因素。

1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

掘進(jìn)過程是盾構(gòu)推力、油缸行程、土壓力、鉸接油缸行程、推進(jìn)速度等綜合參數(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向偏離中線較大時(shí)，主司機(jī)可以通過對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整及時(shí)糾正盾構(gòu)姿態(tài)。

1.4 其他因素

盾構(gòu)的始發(fā)到達(dá)、地層突變、長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等當(dāng)未采取有效控制措施時(shí)，出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的變化。

2 盾構(gòu)機(jī)管片選型拼裝與姿態(tài)的關(guān)系

當(dāng)出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)超限，通?？梢圆扇≈苯臃绞竭M(jìn)行調(diào)整，包括改變分區(qū)千斤頂壓力；減少一個(gè)或多個(gè)千斤頂；調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，包括調(diào)整土壓力、盾構(gòu)扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、減少貫入度等；也可以采取輔助措施，包括開啟刀盤超挖裝置、單側(cè)注漿、膠接裝置的利用等。當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)問題后除調(diào)整盾構(gòu)各施工參數(shù)外，通過正確的管片選型和選擇正確的拼裝點(diǎn)位，將隧道的實(shí)際線路調(diào)整在設(shè)計(jì)線路允許的公差范圍內(nèi)，也是常用有效的方法。

盾構(gòu)姿態(tài)在某種程度上決定了管片選型，因管片是在盾尾內(nèi)拼裝，也不可避免地受到盾構(gòu)姿態(tài)的限制。在管片選型時(shí)，一定要考慮盾構(gòu)機(jī)的趨勢(shì)、偏移中線在水平和豎直方向的程度，特別是在下幾環(huán)管片選型時(shí)一定要綜合考慮盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，計(jì)劃通過多少環(huán)將盾構(gòu)機(jī)調(diào)整到隧道中心線上。

管片在某種程度上也影響盾構(gòu)掘進(jìn)的易難，如果盾構(gòu)在左右或上下油缸行程差很大，使盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)過大甚至偏離中心且推進(jìn)油缸的撐靴與管片面形成線接觸，要很好地控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向也是不容易的，而且使推力在管片上分解出一個(gè)徑向的分力，此分力可以通過管片及連接螺栓傳遞到前一環(huán)甚至后幾環(huán)，如果這個(gè)分力超過了管片混凝土的抗剪極限，管片就要破損。因此盾構(gòu)姿態(tài)和管片選型，兩者是相輔相成、互為條件、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的關(guān)系。

3 管片選型的相關(guān)因素和方法

3.1 與隧道線路的關(guān)系

為擬合設(shè)計(jì)線路，通過轉(zhuǎn)彎環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的組合來適應(yīng)隧道線路要素的不同要求。根據(jù)設(shè)計(jì)線路對(duì)管片作一個(gè)統(tǒng)籌安排，了解整條線路需要多少轉(zhuǎn)彎環(huán)（包括左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎），多少標(biāo)準(zhǔn)環(huán)以及曲線段上標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的布置方式。

3.2 與管片楔形量的關(guān)系

依照曲線的圓心角與轉(zhuǎn)彎環(huán)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，可以計(jì)算出區(qū)間線路曲線段的轉(zhuǎn)彎環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的布置方式，見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的關(guān)系

轉(zhuǎn)彎環(huán)偏轉(zhuǎn)角

式中：θ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角；

δ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔形量的一半，取24.5mm；

D——管片直徑，取6200mm。

θ=0.4528

根據(jù)圓心角的計(jì)算公式

式中：L——線路中心線的長(zhǎng)度；

R——曲線半徑，取350m。

而θ=α，得出L=2.765m。

式（1）和式（2）表明，在半徑R=350m的圓曲線上，每隔2.765m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)，由于管片環(huán)寬為1.2m。以此類推，可以算出R=400m時(shí)，每隔3.1595 m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。

3.3 管片拼裝點(diǎn)位的選擇

拼裝點(diǎn)位是指管片拼裝時(shí)封頂塊所在的位置。轉(zhuǎn)彎環(huán)在實(shí)際拼裝過程中，可以根據(jù)不同的拼裝點(diǎn)位來控制不同方向上的偏移量，控制盾構(gòu)隧道的曲線走向，從而實(shí)現(xiàn)隧道的調(diào)向。由于是錯(cuò)縫拼裝，所以相鄰兩塊管片的點(diǎn)位不能相差2的整數(shù)倍。一般情況下，本著有利于隧道防水的要求，都只使用上部5個(gè)點(diǎn)位。

3.4 與推進(jìn)油缸和鉸接油缸行程的關(guān)系

盾構(gòu)機(jī)是依靠推進(jìn)油缸頂推在管片上所產(chǎn)生的反力向前掘進(jìn)的，當(dāng)各組推進(jìn)油缸的行程有差異時(shí)，管片端面不垂直于盾構(gòu)機(jī)軸線，推進(jìn)油缸的推力就會(huì)在管片環(huán)的徑向產(chǎn)生較大的分力，從而影響已拼裝好的隧道管片以及掘進(jìn)姿態(tài)。通常當(dāng)兩個(gè)相反方向上的油缸行程差值≥40mm時(shí)，就應(yīng)該拼裝轉(zhuǎn)彎環(huán)進(jìn)行糾偏。盾構(gòu)機(jī)中體與盾尾之間采用鉸接油缸進(jìn)行連接，鉸接油缸的收放實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在曲線段的掘進(jìn)及盾構(gòu)機(jī)的糾偏。當(dāng)顯示鉸接油缸行程差較大或使用大于2/3行程后，應(yīng)通過針對(duì)性措施進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)鉸接油缸的上下或左右的行程差值較大時(shí)，盾構(gòu)機(jī)中體與盾尾之間產(chǎn)生一個(gè)角度，這將影響到油缸行程差的準(zhǔn)確性。這時(shí)應(yīng)當(dāng)將上下或左右的推進(jìn)油缸行程差值減去上下或左右的鉸接油缸行程的差值，最后的結(jié)果作為管片選型的依據(jù)。

現(xiàn)有一組油缸，見圖2。行程數(shù)據(jù)：B組1640mm，C組1643mm，D組1634mm，A組1674mm；左右行程差D-B=1634-1640=-6（mm）；上下行程差為A-C=1674-1643=31（mm）。

圖2 油缸分區(qū)

由以上計(jì)算可以看出，盾構(gòu)機(jī)的軸線相對(duì)于管片平面向左上方傾斜。在對(duì)這環(huán)管片進(jìn)行選型的時(shí)候，就應(yīng)選擇一環(huán)左轉(zhuǎn)彎環(huán)且還要有向上的偏移量。

3.5 與盾尾間隙的關(guān)系

盾構(gòu)施工中管片的安裝是在盾尾殼體的保護(hù)下在主機(jī)內(nèi)部進(jìn)行的，每環(huán)管片安裝完成后被推出盾尾，實(shí)際上是主機(jī)在已安裝的管片提供的反力作用下向前推進(jìn)，這就要求盾殼和管片外徑之間有一定的空隙，這個(gè)空隙稱為“盾尾間隙”。如果盾構(gòu)機(jī)偏離設(shè)計(jì)線路，糾偏過程中要保證盾構(gòu)機(jī)的鉸接密封、盾尾鋼絲刷密封工作良好，也要兼顧管片與盾尾之間的間隙，避免盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，盾尾鋼絲刷密封與管片發(fā)生干擾而損壞管片。根據(jù)施工實(shí)踐，一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)盾尾間隙的糾偏值宜控制在±4mm內(nèi)，否則轉(zhuǎn)彎環(huán)管片的偏移量跟不上盾構(gòu)機(jī)的糾偏幅度，盾尾會(huì)將管片擠壞。

4 結(jié)論與建議

1）正常情況主機(jī)沿著隧道設(shè)計(jì)中心線走，管片隨著主機(jī)走，線形控制為工作內(nèi)容之首。過程中注意盾尾間隙的保持，起碼滿足管片的拼裝需求，提前決策做到胸有成竹。

2）管片選型中關(guān)注油缸行程差，特別是在曲線部位，如果外側(cè)與內(nèi)側(cè)油缸行程差過大，若通過連續(xù)安裝大量的轉(zhuǎn)彎環(huán)來跟上主機(jī)的姿態(tài)，就會(huì)造成盾尾間隙過小和管片破裂。

3）在遇到曲線內(nèi)側(cè)盾尾間隙過小的情況時(shí)，不可貿(mào)然使用與曲線方向相反的管片進(jìn)行調(diào)整，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整一下鉸接油缸的長(zhǎng)度，雖然這時(shí)間隙很小，但一般幾環(huán)之后可以好轉(zhuǎn)，特殊情況下可以在管片選型時(shí)稍稍加大行程差的數(shù)值，使管片向外運(yùn)動(dòng)一些。

4）不同的工程、不同的盾構(gòu)，其掘進(jìn)姿態(tài)控制和管片選型的計(jì)算不同，但其基本的原理和過程是相同的?！酢?/p>

[1]洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]GB50299—1999，地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（2003版）[S].[3]GB50446—2008，盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]張鳳祥，傅德明，楊國(guó)祥，等.盾構(gòu)隧道施工手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]周奇才，吳 瑋.地質(zhì)條件與盾構(gòu)姿態(tài)控制關(guān)系的研究[J].建筑機(jī)械化，2006，27（9）:37-39.

[6]張 鵬.盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏及管片選型技術(shù)淺析[J].建筑機(jī)械化，2012，33（S2）：219-222.