丁 智，董毓慶，張 霄，馬少俊

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，紹興 312000；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001；4.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006)

近年來，由于地鐵建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，盾構(gòu)法作為一種高安全、快速度、低擾動的施工方法在各大中城市地鐵建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著地下空間的高度開發(fā)，地下建(構(gòu))筑物逐漸形成一個錯綜復(fù)雜的地下網(wǎng)絡(luò)[3]。為了減輕新建隧道對周圍環(huán)境的影響，大多隧道選擇避讓地下建筑物施工，從而導(dǎo)致盾構(gòu)“蛇形”運(yùn)動的現(xiàn)象層出不窮。同時，盾構(gòu)穿越不良地層時姿態(tài)不易控制，繼而盾構(gòu)千斤頂推力、管片拼裝、盾尾壁后注漿壓力等施工荷載控制難度也將加大，由此引發(fā)的管片破損、錯臺、上浮等病害問題將越發(fā)凸顯，進(jìn)而影響管片的耐久性和安全性[4]。因此，盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)變化對管片的影響與盾構(gòu)施工荷載是緊密相關(guān)的。

中外針對盾構(gòu)施工階段管片結(jié)構(gòu)受力的影響因素及評價(jià)方面已經(jīng)做了部分研究。Kasper等[5]模擬了考慮地下水、盾殼與土層作用、注漿壓力等因素下的隧道掘進(jìn)過程，探究了管片的橢圓變形機(jī)理，管片外部壓力的變化情況和上浮問題。Saito等[6]進(jìn)一步建立管片拼裝動態(tài)三維力學(xué)模型分析管片應(yīng)力變化，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比研究。陳俊生等[7]基于ADINA模型針對管片受到的千斤頂推力與不均勻注漿壓力分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫面的不平整更容易造成管片的應(yīng)力集中而產(chǎn)生開裂。唐孟雄等[8]通過實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)施工階段盾構(gòu)機(jī)壁后注漿壓力和千斤頂推力對管片內(nèi)力影響顯著，應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍，這與Takeuchi等[9]的研究結(jié)論相一致。此外，葉冠林等[10]提出隧道管片外弧面上的各種施工荷載中盾尾注漿影響較大。朱合華等[11]對盾構(gòu)施工全過程數(shù)值模擬，分析均布和非均布注漿壓力對管片的影響。張鵬[12]建立了考慮接頭非連續(xù)性有限元模型，探究千斤頂推力、盾尾注漿壓力等荷載對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。張穩(wěn)軍等[13]綜合考慮注漿壓力、千斤頂推力和盾尾刷反力等施工荷載，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道三維荷載結(jié)構(gòu)模型，探究了管片接縫變形特征及其對密封墊防水性能的影響情況。

可見，盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片的影響主要通過作用在管片上的施工荷載變化體現(xiàn)出來。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)是不斷變化的，取某一施工狀態(tài)下的荷載作為評價(jià)影響的條件顯然無法準(zhǔn)確全面地反映盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)變化對管片的影響。為此，現(xiàn)詳細(xì)介紹盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)和測量方法，總結(jié)分析盾構(gòu)姿態(tài)的三維動態(tài)變化過程及其對管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的研究現(xiàn)狀，并歸納盾構(gòu)姿態(tài)的控制和糾偏技術(shù)措施，最后指出當(dāng)前研究的不足并做進(jìn)一步的研究展望。

1 盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)

盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)是在盾構(gòu)掘進(jìn)中實(shí)時測量所得的能夠反映盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)位置和狀態(tài)的一系列參數(shù)，包括刀盤切口中心和盾尾中心的三維坐標(biāo)、盾構(gòu)轉(zhuǎn)動角、水平角以及俯仰角[14]，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)示意圖

1.1 盾構(gòu)姿態(tài)角

盾構(gòu)機(jī)可看作一個運(yùn)動的筒狀空心結(jié)構(gòu)，它的姿態(tài)可以由圖1中3個歐拉角表示。其中，轉(zhuǎn)動角指盾構(gòu)機(jī)繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動的角度，表征盾構(gòu)刀盤反作用力引起盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)情況。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)前方土質(zhì)較硬時，盾構(gòu)刀盤提供較大的扭矩或者推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡推力，繼而盾構(gòu)機(jī)易發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，轉(zhuǎn)動角一般控制在-3°～+3°，但當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)在含水量較大的軟黏土或泥漿層時，盾殼與周圍土層的摩阻力減小，引起盾構(gòu)轉(zhuǎn)動速度和幅度增大。該工況下，轉(zhuǎn)動角控制值可放寬至-5°～+5°。俯仰角指盾構(gòu)中心軸線與水平面之間的夾角，它表征盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中垂直方向的偏轉(zhuǎn)情況。水平角指盾構(gòu)掘進(jìn)方向在水平面上的投影與隧道設(shè)計(jì)軸線的夾角，它表征施工過程中盾構(gòu)機(jī)在水平方向的偏轉(zhuǎn)情況。上述3個參數(shù)可以統(tǒng)稱為盾構(gòu)姿態(tài)角，監(jiān)測所得的姿態(tài)角結(jié)合盾構(gòu)上任一固定點(diǎn)坐標(biāo)，可得到盾構(gòu)切口和盾尾中心坐標(biāo)，即可確定盾構(gòu)的位置[15]。

1.2 盾構(gòu)偏差量

為了反映盾構(gòu)掘進(jìn)路線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差情況，工程上常采用盾構(gòu)機(jī)切口及盾尾的水平偏差量和豎向偏差量描述盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的偏離情況。以杭海城際鐵路海浙段盾構(gòu)工程為例，盾構(gòu)掘進(jìn)1 500環(huán)區(qū)間內(nèi)切口、盾尾的水平和豎向偏差量的整理結(jié)果如圖2所示。其中兩個方向偏差量的取值以坐標(biāo)軸的正方向?yàn)檎?，反方向?yàn)樨?fù)值。

圖2 盾構(gòu)偏差量

由圖2可知，盾構(gòu)豎向偏差量最大可達(dá)117 mm，盾構(gòu)機(jī)整體有向下趨勢。盾構(gòu)水平偏差量最大值為89 mm，左右平均變化幅度大約為30 mm。從整體偏差趨勢上看，盾構(gòu)刀盤切口和盾尾在水平方向上大體一致，而兩個位置的豎直方向卻差別較大。此外，盾構(gòu)切口在豎直方向上圍繞設(shè)計(jì)軸線中心不斷變化?？梢?，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的姿態(tài)偏差量處于動態(tài)變化狀態(tài)。為了掌握盾構(gòu)的盾構(gòu)機(jī)實(shí)時空間位置和運(yùn)動趨勢，需要對盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時的測量，進(jìn)而及時指導(dǎo)盾構(gòu)姿態(tài)的控制與糾偏，保障管片的拼裝質(zhì)量和隧道的安全[16]。

1.3 盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)測量

盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)的實(shí)時測量是盾構(gòu)姿態(tài)控制和調(diào)整的前提。目前，盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)的測量方法可分為人工測量和自動化測量。

1.3.1 人工測量方法

人工測量法主要包括標(biāo)尺法和三點(diǎn)法，目前在中國少部分地區(qū)仍在使用。標(biāo)尺法又分為水平標(biāo)尺法和前后標(biāo)尺法。水平標(biāo)尺法主要應(yīng)用于管片姿態(tài)測量，布置如圖3所示。

圖3 水平標(biāo)尺法布置圖

前后標(biāo)尺法是在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)壁頂部分別固定水平前尺、水平后尺和坡度板，通過測量前后標(biāo)尺的坐標(biāo)可推算出盾構(gòu)水平角，布置如圖4所示。借助坡度板可以測得盾構(gòu)的俯仰角和轉(zhuǎn)動角，利用得到的姿態(tài)角可以得到盾首和盾尾的中心坐標(biāo)。三點(diǎn)法也可解算盾構(gòu)機(jī)的空間位置和姿態(tài)，但目前多用于輔助自動測量校核工作。需要指出的是，三點(diǎn)法和標(biāo)尺法都只能在施工間隙操作，不能保證測量的連續(xù)性，且布置時間長，因此效率較低。

圖4 前后標(biāo)尺法布置圖[17]

1.3.2 自動測量方法

目前，中外大多采用自動測量方法對盾構(gòu)位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和導(dǎo)向，常用的自動導(dǎo)向系統(tǒng)有SLS-T系統(tǒng)、PPSGmbH系統(tǒng)、ZED系統(tǒng)、ROBOTEC系統(tǒng)、Tellus系統(tǒng)、RMS-D系統(tǒng)、MTG-T系統(tǒng)等[18]。工作原理主要有激光全站儀導(dǎo)向(測量機(jī)器人)和螺旋儀導(dǎo)向系統(tǒng)，全站儀導(dǎo)向系統(tǒng)又分為棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)和激光靶導(dǎo)向系統(tǒng)，具體分類如圖5所示。同時，選取6種中外盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行對比[19]，如表1所示。

表1 常見的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)[19]

盾構(gòu)姿態(tài)自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量相對于人工測量智能化程度較高，且具有較好的兼容性和開放性，目前朝著模塊化、高精度、高智能化趨勢發(fā)展，正逐步成為盾構(gòu)姿態(tài)測量的主流方式[20]。此外，人工測量可以與盾構(gòu)自動測量協(xié)同工作，對自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行人工復(fù)核[21]，即自動導(dǎo)向系統(tǒng)的人工測控，檢查和保證盾構(gòu)機(jī)自動測量姿態(tài)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并有效指導(dǎo)盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線施工[22]。

2 盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片結(jié)構(gòu)的影響

目前盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的影響研究主要集中在盾構(gòu)運(yùn)營階段，且側(cè)重結(jié)構(gòu)的二維分析。然而，管片結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段和施工階段所受荷載存在很大的差異，尤其是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)姿態(tài)的變化和偏移是不可避免的，管片所受荷載方向和大小也是不斷變化的。因此，考慮動態(tài)變化的施工荷載是研究盾構(gòu)掘進(jìn)復(fù)雜三維空間運(yùn)動的關(guān)鍵。

2.1 盾構(gòu)姿態(tài)變化過程

盾構(gòu)掘進(jìn)是一個動態(tài)變化的過程，受周圍環(huán)境、盾構(gòu)施工參數(shù)、操作水平等因素的影響。盾構(gòu)姿態(tài)的變化主要與3條線密切相關(guān)，分別是盾構(gòu)中心軸線、管片中心軸線、隧道設(shè)計(jì)軸線。盾構(gòu)中心軸線可以直觀地反映盾構(gòu)瞬時姿態(tài)，但不能反映盾構(gòu)姿態(tài)的偏離情況和運(yùn)動趨勢。管片中心軸線同樣只能反映已拼裝管片的瞬時姿態(tài)。三者之間的位置關(guān)系決定了盾構(gòu)姿態(tài)變化的趨勢和動態(tài)過程。

盾構(gòu)施工過程中所受到的力總體可分解為盾構(gòu)向前掘進(jìn)的推力和引起盾構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動、傾斜等偏離隧道設(shè)計(jì)軸線的扭矩。盾構(gòu)姿態(tài)變化如圖6所示,盾構(gòu)中心軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線的初始夾角為θi0，其中i表示盾構(gòu)偏離的隧道設(shè)計(jì)軸線方向，包括水平方向和豎直方向，千斤頂不均勻推力導(dǎo)致盾構(gòu)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)扭矩M1，盾構(gòu)角度變化Δθ1至θi1，并以此角度向前推進(jìn)dx，此時盾構(gòu)的受力平衡狀態(tài)被打破，偏轉(zhuǎn)扭矩變化至M2，角度變化Δθ2至θi2，盾構(gòu)的受力從一個平衡狀態(tài)到另一個新的平衡狀態(tài)?？梢?，盾構(gòu)機(jī)的位置受盾構(gòu)角度變化的影響，因此測量盾構(gòu)的角度變化對把握盾構(gòu)姿態(tài)的變化趨勢具有重要的參考價(jià)值。

圖6 盾構(gòu)姿態(tài)變化圖[23]

2.2 盾構(gòu)施工荷載

大量盾構(gòu)隧道工程案例表明，盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整引起的盾構(gòu)施工荷載變化對隧道管片結(jié)構(gòu)有著顯著的影響。施工荷載主要包括盾構(gòu)擠壓管片的作用力、千斤頂對管片的偏心推力、管片拼裝荷載以及盾尾注漿壓力，其受周圍環(huán)境和盾構(gòu)姿態(tài)的影響，不確定性較大。例如糾偏階段的千斤頂推力主要表現(xiàn)為偏心荷載，與正常掘進(jìn)階段的作用力大小及方向相差很大。而且，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制不良時，盾尾易過度擠壓管片，對拼裝完成的管片產(chǎn)生擠壓荷載等。

2.2.1 盾構(gòu)-管片相互作用模型

日本許多研究者較早針對盾構(gòu)施工時姿態(tài)控制不良而導(dǎo)致的盾尾擠壓管片和壁后不均勻注漿引起的偏壓力等問題，探究了隧道管片橫向受力變形情況。其中，Sugimoto等[24-25]建立了考慮盾構(gòu)開挖邊界、小半徑曲線盾構(gòu)施工的土體超挖范圍、盾尾間隙、刀盤轉(zhuǎn)動方向、盾體滑行效應(yīng)、土壓力等因素的盾構(gòu)姿態(tài)動力學(xué)模型，對盾構(gòu)姿態(tài)影響管片結(jié)構(gòu)受力做了初步的探討。盾構(gòu)荷載模型如圖7所示。r、p、q表示模型3個坐標(biāo)方向，從盾構(gòu)荷載模型截面A-A、B-B、C-C可以看出，作用于盾構(gòu)上的荷載可分為盾構(gòu)自重f1、盾尾與管片接觸力f2、千斤頂作用力f3、盾構(gòu)前端作用力f4以及盾構(gòu)外殼所受到的來自周圍地層的土壓力f5。

圖7 盾構(gòu)荷載模型[25]

宋克志等[26]提出將已拼裝的管片一端看作固定端支座，另一端剛脫出盾尾的管片看作簡支的受力構(gòu)件，建立了管片三維力學(xué)模型，如圖8所示。同時，基于該模型開展施工參數(shù)的數(shù)值模擬研究，表明盾構(gòu)施工階段管片變形和破損與盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的推力大小、傾斜角度及偏差密切相關(guān)。

F1、F2為管片端部受到的千斤頂推力；p1、p2為管片結(jié)構(gòu)受到的水土壓力；q1、q2為管片結(jié)構(gòu)受到的注漿壓力

2.2.2 盾構(gòu)對管片的擠壓作用力

盾構(gòu)機(jī)發(fā)生姿態(tài)偏斜時，盾構(gòu)機(jī)的尾刷和殼體會擠壓管片的外表面，導(dǎo)致管片發(fā)生錯臺變形，且盾構(gòu)和管片接觸位置應(yīng)力集中引起管片破裂。Mo等[27]采用ADINA有限元程序建立了廣州地鐵某盾構(gòu)隧道的三維數(shù)值模型，并考慮了盾構(gòu)機(jī)縱、環(huán)向螺栓、盾尾鋼絲刷的漿液硬化對管片的擠壓作用。結(jié)果表明封頂塊是整環(huán)管片受影響最大、最薄弱的部分，且管片裂紋集中在封頂塊和鄰接塊。工程實(shí)際中應(yīng)盡量避免盾構(gòu)姿態(tài)右偏和盾構(gòu)切口下偏兩種偏轉(zhuǎn)姿態(tài)。Yang等[28]通過對上海地鐵某工程的現(xiàn)場觀測和測量對盾構(gòu)隧道管片的開裂和損傷進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)與管片之間的姿態(tài)偏差所引起的盾構(gòu)擠壓管片外表面是導(dǎo)致隧道管片接頭位錯、管片損壞和開裂的最主要原因。

2.2.3 盾構(gòu)千斤頂對管片的偏心推力

盾構(gòu)前進(jìn)是通過千斤頂撐靴作用在管片上提供的頂推力實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生變化時，千斤頂?shù)膿窝ロ斖屏χ匦呐c管片中心不一致會導(dǎo)致?lián)窝ヅc管片接觸狀態(tài)變化，繼而出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致管片破裂，如圖9所示。

圖9 局部管片破壞

傅帥帥[29]采用細(xì)化梁-接頭不連續(xù)模型模擬不同的千斤頂推力和偏角，探究其對管片及其螺栓的受力影響，提出推力大小和角度的改變對管片環(huán)向螺栓影響顯著，但最佳的盾構(gòu)推力值和推力偏角尚需進(jìn)一步深入研究。孫昌海[30]進(jìn)一步探究了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時上、下、左、右4個方向千斤頂不同頂推角對管片位移和應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)千斤頂偏角對未脫出盾尾的管片位移影響較大。而且，盾構(gòu)向下偏移掘進(jìn)過程中調(diào)整千斤頂偏轉(zhuǎn)角為2°時管片應(yīng)力最小，受力更合理。郝志強(qiáng)等[31]基于南京軌道交通工程巖溶集中段研究管片上浮問題，發(fā)現(xiàn)隨著盾構(gòu)千斤頂總推力的豎向分力增加管片上浮趨勢增加，且其分力受盾構(gòu)姿態(tài)的影響，可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在一定范圍內(nèi)改變以減小管片上浮趨勢。鄧尤東等[32]針對大縱坡隧道施工時的掘進(jìn)推力控制不當(dāng)易造成管片錯臺、上浮等問題，探究發(fā)現(xiàn)大縱坡隧道管片受偏心頂推力所產(chǎn)生的附加作用力主要體現(xiàn)在盾尾管片結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的縱向反向錯動、縱向剪切應(yīng)力以及軸向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的局部集中效應(yīng)。

2.3 特殊工況下管片受力特點(diǎn)

2.3.1 雙圓隧道

雙圓盾構(gòu)隧道施工時若遇到土質(zhì)不均、地層軟弱或者施工操作不當(dāng)?shù)惹闆r，極易發(fā)生側(cè)向滾動偏轉(zhuǎn)，因此需要對掘進(jìn)過程中的盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行糾正。然而，糾偏過程中由于千斤頂推力方向偏離和大小不均衡會對拼裝完成管片產(chǎn)生一定的附加偏轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致管片內(nèi)力發(fā)生復(fù)雜變化。然而，現(xiàn)行雙圓盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)計(jì)算模型尚未考慮盾構(gòu)姿態(tài)糾偏過程對管片產(chǎn)生的附加荷載，如圖10所示。

沈水龍等[33]考慮雙圓隧道糾偏過程中產(chǎn)生的附加荷載建立有限元模型，分析不同糾偏角度α引起的管片內(nèi)力響應(yīng)情況，糾偏計(jì)算模型如圖11所示。結(jié)果表明，雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)過程中糾偏所引起的管片內(nèi)力變化顯著，且糾偏角度不宜過大。工程實(shí)踐中需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)和施工現(xiàn)場情況將糾偏角控制在較小的范圍內(nèi)。

圖11 雙圓盾構(gòu)隧道襯砌上的糾偏力矩[33]

2.3.2 小曲率曲線盾構(gòu)隧道

目前，中外涉及盾構(gòu)掘進(jìn)對管片受力影響的研究主要是以直線線型為主。隨著地鐵建設(shè)進(jìn)程的加快，隧道的線型趨于復(fù)雜，小曲率半徑曲線盾構(gòu)段越來越多。相對于直線盾構(gòu)，小曲率曲線施工對管片結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響更加顯著，同時盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏也面臨更大的挑戰(zhàn)。

由于盾構(gòu)機(jī)可以近似看成直線型剛體，曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)的實(shí)際軌線很難與隧道設(shè)計(jì)曲線重合，實(shí)際是由一段段連續(xù)折線組成的一種弧線，如圖12所示。曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需要連續(xù)糾偏，且轉(zhuǎn)彎半徑越小，實(shí)際運(yùn)動軌線與隧道設(shè)計(jì)曲線擬合困難越大，對管片結(jié)構(gòu)的影響越大。

圖12 曲線盾構(gòu)掘進(jìn)

為了滿足盾構(gòu)機(jī)沿曲線掘進(jìn)的要求，一般是通過調(diào)整左右推進(jìn)油缸形成一個推力差，千斤頂會對管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個水平分力，管片在脫出盾尾時會有向曲線外側(cè)偏移的趨勢，因而容易產(chǎn)出管片錯臺現(xiàn)象。當(dāng)水平分力較大時，管片姿態(tài)與盾構(gòu)姿態(tài)嚴(yán)重不協(xié)調(diào)，盾構(gòu)機(jī)中心軸線與管片軸線會存在一定夾角，盾尾對管片產(chǎn)生擠壓作用，嚴(yán)重時會導(dǎo)致管片接縫滲漏水和局部損壞等病害。此外，千斤頂向上的分力和同步注漿漿液向上的浮力可能導(dǎo)致管片上浮。同時，相鄰管片間的位移對螺栓及其周圍混凝土產(chǎn)生一定剪切力，導(dǎo)致管片開裂。并且，管片間還存在斜向應(yīng)力，使得管片內(nèi)外側(cè)角部位置極易發(fā)生局部損壞。

2.4 管片破壞形式

一般情況下，盾構(gòu)姿態(tài)不良或控制不當(dāng)容易導(dǎo)致管片錯臺和開裂現(xiàn)象相伴而生，如圖13所示。實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片姿態(tài)和盾構(gòu)姿態(tài)不能保持理想的同步狀態(tài)，尤其在小曲率曲線段、豎曲線段和糾偏較大的區(qū)間段，管片外壁與盾尾間距沿隧道縱向和環(huán)向分布不均衡，容易導(dǎo)致盾尾擠壓管片發(fā)生“卡殼”現(xiàn)象。

圖13 管片錯臺及開裂

王宏[34]、謝遠(yuǎn)堃[35]探究小半徑并大坡度盾構(gòu)施工引起管片破損及上浮，并提出了相應(yīng)的技術(shù)控制措施。秦建設(shè)等[36]著重從盾構(gòu)擠壓管片入手，討論了盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)引起管片錯臺及錯臺后管片外側(cè)開裂問題。根據(jù)管片與盾構(gòu)姿態(tài)跟蹤實(shí)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)管片的錯臺量隨著管片拼裝的進(jìn)行不斷增大，在剛脫離盾尾時達(dá)到最大。蘇昂[37]基于擴(kuò)展有限元理論建立了管片精細(xì)化三維模型，探究了千斤頂內(nèi)、外向偏心荷載下管片的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。盧岱岳等[38]進(jìn)一步探究帶榫管片在千斤頂偏心荷載、千斤頂加壓不同步以及曲線段千斤頂推力不均3種情況下的管片裂紋位置、擴(kuò)展方向和分布規(guī)律。

3 盾構(gòu)姿態(tài)的控制與糾偏

盾構(gòu)隧道施工中，盾構(gòu)姿態(tài)的控制與糾偏關(guān)系到隧道管片結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的安全?！兜叵妈F道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 50299—2018)中規(guī)定盾構(gòu)中心軸線平面位置和高程允許偏差均為50 mm，若實(shí)際施工中超過允許值，則需要采取合適的糾偏手段控制偏差。

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)自動控制系統(tǒng)

中外學(xué)者針對盾構(gòu)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。酒井邦登等[39]建立了自回歸模型判斷盾構(gòu)機(jī)的具體方位，并創(chuàng)造性地提出了利用卡爾曼濾波理論來初步預(yù)測和控制盾構(gòu)姿態(tài)。桑原洋等[40]設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，探究了模糊控制理論在控制盾構(gòu)姿態(tài)中的可行性，并提出了單向推進(jìn)度的理論。隨后倉岡豐[41]將桑原洋的成果應(yīng)用于工程建設(shè)中，同時也是盾構(gòu)姿態(tài)自動控制系統(tǒng)第一次應(yīng)用實(shí)踐。清水賀之等[42]將人工智能和模糊控制理論相結(jié)合應(yīng)用于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，通過與人工控制精度比較分析，證明了自動控制系統(tǒng)的控制精度更高。Kasper等[5]建立盾構(gòu)掘進(jìn)三維模型，在仿真過程中研發(fā)了一種自動轉(zhuǎn)向的算法。Koyama等[43]首次將自動軌跡跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)線路的監(jiān)測和控制。

胡珉等[44]首次將模糊控制理論應(yīng)用于中國隧道建設(shè)中。Yue等[45-46]進(jìn)一步研發(fā)了滑模魯棒控制器和荷載觀測器，形成一套更加完備的盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。為了適應(yīng)不同的地層條件，王林濤[47]設(shè)計(jì)了一種可跟蹤隧道設(shè)計(jì)軸線和實(shí)時匹配盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)液壓缸運(yùn)動特征的盾構(gòu)姿態(tài)控制系統(tǒng)。Zhou等[48]采用深度學(xué)習(xí)模型，給出了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和位置的預(yù)測框架，通過武漢長江三陽路跨江隧道工程驗(yàn)證了該方法的可行性和性能。楊宏燕[49]基于盾構(gòu)糾偏智能控制裝置建立了糾偏輸出控制策略快速自學(xué)習(xí)方法，并在上海北橫通道東線隧道施工全程成功應(yīng)用。夏漢庸等[50]基于機(jī)器學(xué)習(xí)并結(jié)合施工參數(shù)、盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集預(yù)處理和特征提取，構(gòu)建盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型，模型精度可達(dá)到94.31%。張強(qiáng)等[51]基于空間齊次變換矩陣元素的位姿正解求解方法建立盾構(gòu)機(jī)位姿正解解算模型，其誤差在0.018%左右，為盾構(gòu)掘進(jìn)位姿的監(jiān)測與控制提供了理論基礎(chǔ)。

3.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏措施

盾構(gòu)姿態(tài)的控制與糾偏內(nèi)容主要包括左右偏移的平面控制、上下俯仰的高程控制以及繞盾構(gòu)中心軸線轉(zhuǎn)動的滾動控制3個方面，因此要綜合考慮實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)行為變化特征，并采取相應(yīng)的控制與糾偏措施。

3.2.1 盾構(gòu)始發(fā)、接收階段

盾構(gòu)始發(fā)架決定盾構(gòu)機(jī)的初始掘進(jìn)姿態(tài)，在出洞前應(yīng)嚴(yán)格控制始發(fā)架的精度[52]，并使其軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線保持一致。考慮隧道后期沉降和土層情況，盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)軸線要適當(dāng)高出隧道設(shè)計(jì)軸線15 mm左右為宜[53]。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時，應(yīng)嚴(yán)格把控掘進(jìn)參數(shù)，如減緩掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速，減小油缸推力，保證管片中心軸線與盾構(gòu)機(jī)中心軸線重合，以減小管片出盾尾時受到的彎曲應(yīng)力。

此外，盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)和接收前會對洞口土體進(jìn)行一定加固，因此盾構(gòu)機(jī)進(jìn)、出洞時，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)千斤頂油壓差來控制盾構(gòu)姿態(tài)，防止因土層軟硬不均和自身重力作用發(fā)生“嗑頭”“抬頭”等不良現(xiàn)象。吳發(fā)展等[54]提出了暗挖隧道內(nèi)盾構(gòu)砂漿體接收施工技術(shù)，可防止涌水涌砂出現(xiàn)，抑制地表沉降及結(jié)構(gòu)變形，保證盾構(gòu)安全出洞。姜留濤等[55]模擬小曲率曲線段沿割線始發(fā)盾構(gòu)姿態(tài)，研究曲率半徑和盾體長度對盾構(gòu)姿態(tài)偏移量的影響規(guī)律，進(jìn)而提出沿割線方向預(yù)設(shè)偏轉(zhuǎn)角或盾尾預(yù)偏移量的盾構(gòu)姿態(tài)控制方法。

3.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)階段

(1)管片的選型。合理的管片選型是管片姿態(tài)控制的重要一環(huán)，尤其在轉(zhuǎn)彎段或變坡段掘進(jìn)時。管片姿態(tài)直接影響盾尾的空間狀態(tài)，盾構(gòu)姿態(tài)的變化同時也會引起盾尾間隙的改變，因此，為保障盾尾間隙不超過允許范圍內(nèi)，管片選型可能存在一定的局限性。實(shí)際工程中根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整幅度選擇不同楔形量和寬度的管片，當(dāng)調(diào)整幅度過大且管片尺寸受限時，可以在管片環(huán)面粘貼不同規(guī)格的低壓石棉橡膠板，為了提高石棉橡膠板的質(zhì)量，應(yīng)該控制好壓縮率(通常12%為宜)[56]，使之受壓后形成平整的楔形環(huán)面，以達(dá)到糾偏的目的。

(2)盾構(gòu)千斤頂。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通常利用盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)控制原理，即調(diào)整上、下、左、右液壓缸的行程差或推力來控制盾構(gòu)機(jī)平面位置和豎向坡度的運(yùn)動軌跡[57-59]，行程差不能太大，一般應(yīng)控制在20 mm以內(nèi)，預(yù)先計(jì)算好千斤頂?shù)目刂菩谐?，并根?jù)自動測量系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)實(shí)時控制[60]。何祥凡等[61]基于盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的工況對千斤頂推力進(jìn)行優(yōu)化，并給出盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)上中下頂推力的參考比值，同時增大土倉壓力可抑制地表變形。張學(xué)橋[62]探究了小曲線半徑盾構(gòu)姿態(tài)關(guān)鍵技術(shù)，為防止糾偏過大，相對區(qū)域千斤頂?shù)纳斐鲩L度差控制在20 mm以內(nèi)，油壓差控制在5 MPa以內(nèi)，每次糾偏量控制在2～3 mm/m。一般情況下盾構(gòu)的轉(zhuǎn)動角要控制在±0.3°以內(nèi)[63]。

(3)鉸接系統(tǒng)。當(dāng)盾構(gòu)糾偏角度較大時，一般可借助盾構(gòu)機(jī)的鉸接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)糾偏，但角度控制有限。當(dāng)在特殊工況如小曲率或大坡度曲線掘進(jìn)施工時，盾構(gòu)姿態(tài)控制難度加大，可通過調(diào)整鉸接油缸并將鉸接裝置暫時鎖定，防止盾構(gòu)姿態(tài)在糾偏過程發(fā)生失控現(xiàn)象[64]。此外，由于傳統(tǒng)的平面鉸接提供的轉(zhuǎn)彎半徑有限，朱雷等[65]研發(fā)了適用于小曲率轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)的球面結(jié)構(gòu)鉸接液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)盾構(gòu)姿態(tài)控制靈活，可更好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎控制及姿態(tài)復(fù)位。

(4)超挖刀。超挖刀是應(yīng)對大幅度調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的工況是一種行之有效的方法，可有效避免盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)“卡殼”現(xiàn)象，減輕糾偏方向的水土壓力，有助于實(shí)現(xiàn)變坡和轉(zhuǎn)彎。為了避免地表和隧道結(jié)構(gòu)變形過大，超挖量應(yīng)不超過地層損失的1.5‰，地表日沉降量控制值不超過3 mm。郝潤霞[66]探究軟土地區(qū)曲線段盾構(gòu)施工超挖量與同步注漿量的關(guān)系，并與直線段對比分析，提出曲線段盾構(gòu)注漿控制標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前小曲率曲線隧道施工過程超挖刀的伸長長度、開挖范圍以及鉸接角度的取值仍停留在工程經(jīng)驗(yàn)層面，受操作人員的主觀影響較大，無法適應(yīng)三維復(fù)合小曲率隧道施工。對此，陳劍等[67]提出了適應(yīng)復(fù)雜三維復(fù)合曲線隧道的超挖量和鉸接角理論算法，并通過實(shí)際工程案例驗(yàn)證該算法的可行性性。

(5)其他措施。在偏移方向及時進(jìn)行二次注漿填充間隙，可以加固土體和固定管片來抵抗管片的偏移，且需要嚴(yán)格控制注漿壓力[68]。掘進(jìn)過程中及時對管片螺栓進(jìn)行復(fù)緊，減少管片的錯臺和上浮。盾構(gòu)掘進(jìn)中若盾構(gòu)掘進(jìn)線路偏離過大，且通過上述糾偏措施無法回到設(shè)計(jì)軸線時，可以考慮調(diào)整設(shè)計(jì)線路進(jìn)行補(bǔ)救，若是依舊行不通，建議在原基坑基礎(chǔ)上，利用盾體支撐技術(shù)開挖深基坑的方式實(shí)現(xiàn)糾偏[69]。

綜上，地鐵盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏關(guān)乎隧道安全，而影響盾構(gòu)姿態(tài)的因素很多，工程人員需要具備一定的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)和預(yù)判能力，把握糾偏量和糾偏時機(jī)，做到勤糾少糾。綜合考慮盾構(gòu)機(jī)和管片類型、土層情況、設(shè)計(jì)路線等，采取合適的糾偏措施，以期快速高效地調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

4 存在問題與研究展望

詳細(xì)介紹了中外學(xué)者關(guān)于盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片結(jié)構(gòu)影響和相應(yīng)控制技術(shù)方面的研究成果，尚存在一些問題需要進(jìn)一步探討，總結(jié)如下。

(1)完善測量體系。盾構(gòu)姿態(tài)自動導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的硬件測量精度、軟件計(jì)算精度和顯示精度，同時注重人機(jī)交互界面的人性化、操作的智能化。重點(diǎn)關(guān)注人工移站階段測量數(shù)據(jù)的不連續(xù)性影響，同時采取有效的復(fù)核手段降低人工移站對系統(tǒng)的影響。

(2)全面考慮施工荷載。中外在施工期管片襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的影響因素及評價(jià)方面，對盾尾壁后不均勻注漿壓力和千斤頂偏心推力的研究已做了大量的工作。但對于盾構(gòu)姿態(tài)變化過程中盾尾對管片的擠壓力以及管片本身的拼裝荷載的探究相對不足，不可忽視這些荷載與三維空間中盾構(gòu)姿態(tài)的緊密關(guān)系。同時，各施工荷載應(yīng)反映實(shí)際工況，受周圍環(huán)境、盾構(gòu)施工參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)等影響，不確定性比較大。因此，在隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮糾偏引起的內(nèi)力重分布的作用。

(3)管片模擬精細(xì)化。研究盾構(gòu)姿態(tài)對管片內(nèi)力的影響應(yīng)該考慮管片襯砌本身的材料特性、接頭方式、拼裝方式。管片的材料特性包括混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋配筋率和直徑。管片接頭處和各螺栓孔的局部受力情況需要進(jìn)一步精確模擬，有助于優(yōu)化管片設(shè)計(jì)和指導(dǎo)盾構(gòu)姿態(tài)的控制。

(4)盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)三維數(shù)值模擬?，F(xiàn)有關(guān)于管片結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的研究主要以靜態(tài)分析為主，即選取盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)變化中某一階段的荷載施加到管片結(jié)構(gòu)模型上分析管片力學(xué)響應(yīng)，卻未考慮盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)動態(tài)調(diào)整的影響，這與工程實(shí)際有較大的出入。因此，建立可以充分體現(xiàn)動態(tài)變化的盾構(gòu)掘進(jìn)三維姿態(tài)模型，具有重要的工程意義。

(5)模型試驗(yàn)和理論研究。目前已有的研究方法主要以建立管片結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析為主，模型試驗(yàn)和理論研究尚不多見。由于施工荷載的不確定性和復(fù)雜性，考慮盾構(gòu)姿態(tài)變化的施工全過程盾構(gòu)-管片相互作用的模型試驗(yàn)必不可少，并且不同研究方法的對比分析更有助于結(jié)果校驗(yàn)和應(yīng)用。

(6)探究姿態(tài)參數(shù)對盾構(gòu)姿態(tài)的控制效應(yīng)。針對盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)如俯仰角、水平角和轉(zhuǎn)動角的變化和調(diào)整研究，是解決盾構(gòu)-管片、盾構(gòu)-土體相互作用影響的關(guān)鍵一環(huán)。而且，盾構(gòu)姿態(tài)變化過程中盾構(gòu)-土相互作用是復(fù)雜的多相耦合問題，如何基于盾構(gòu)與土相互作用機(jī)理，探究姿態(tài)參數(shù)對盾構(gòu)姿態(tài)的控制和糾偏將是未來的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)語

在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)姿態(tài)是一個持續(xù)變化的三維空間問題，其動態(tài)變化和不可確定性決定了盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片受力影響研究課題的復(fù)雜性。系統(tǒng)總結(jié)了盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片的影響和盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)的研究成果，以期能夠引起更多學(xué)者對相關(guān)問題的關(guān)注，并且為開展更為廣泛的研究提供一些啟發(fā)和有益參考。