地铁盾构施工中盾构姿态的控制方法

地铁盾构施工中盾构姿态的控制方法

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沈阳地铁集团有限公司辽宁沈阳110011

摘要：通常情况下，采用盾构法施工是在施工条件较差、影响因素多的环境中，因此，盾构姿态不容易控制，本文分析盾构姿态控制的技术，提出了盾构姿态控制的技术方法。

关键词：地铁盾构施工；盾构姿态；控制方法

在地铁盾构施工中，盾构姿态控制是决定隧道质量好坏的关键因素，而影响盾构姿态的原因很多，因此在对盾构姿态进行纠偏的时候，把握纠偏量和纠偏时间是很重要的，盾构机操作人员要及时根据设计线路、土质情况、盾尾间隙、千斤顶行程和油压以及管片走势等因素，综合考虑后调整盾构姿态，不能因为某一个因素而仓促的进行纠偏，而且要遵守“勤纠少纠”的原则，切勿过大过急的纠偏，防止地层扰动大，造成地面沉降等情况。同时盾构机操作人员也要有一定的预判能力，发现盾构机有偏离轴线趋势的时候，就要及时进行合理的纠偏，以达到调整盾构姿态的目的，这样才能保证隧道轴线符合规范要求，并最终顺利贯通。

一、盾构姿态控制的技术分析

在盾构法施工中，为了保证盾构按隧道设计轴线推进，由自动测量系统或者人工测量系统测量得到盾构机轴线偏离设计线路的状态即为盾构姿态，其主要参数有里程、左右偏差、上下偏差、坡度角、旋转角、扭转角。

盾构姿态的控制质量直接影响到隧道中心相对设计轴线的偏差量和管片的拼装质量，姿态控制不好会导致隧道蛇行、与设计轴线偏差过大甚至超限，偏差较大时会导致盾尾间隙过小、盾尾“卡壳”，严重的还会导致盾尾钢丝刷损坏、管片错台、开裂、漏浆、渗水等工程事故。为了控制隧道质量，根据规范要求：管片在盾尾拼装完成时，偏差宜控制为：平面和高程小于±50mm；在地铁隧道建成后，中线允许偏差为：平面和高程偏差小于±100mm。

二、盾构姿态控制的技术方法

1、盾构始发前姿态控制技术

（1）盾构施工所处地层分类

目前盾构施工所处地层大概可分为以下4类：第1类为卵（碎）石层、圆（角）砾层、砾砂层、粗砂层、中砂层、细砂层、粉砂层、粉土层、黏性土层中的某一种地层或某几土层的混合层；第2类为岩石层；第3类为淤泥质土层；第4类为以上3类的混合层。

（2）影响盾构姿态的地层确定。一般情况下，盾构施工所处地层性状较差或差异较大时，即盾构施工所处地层属于第3类或第4类时，对盾构施工姿态影响较大。为此，在盾构始发前需对盾构施工地层的工程地质现状进行分析，确定所属种类、分布情况及其性状。

当盾构施工所处地层为第1类和第2类地层时，可以忽略地层对盾构姿态的影响；当盾构施工所处地层属于第3类或第4类地层时，为最大限度减小地层对盾构姿态的影响，需制定针对措施。当盾构施工所处地层属于淤泥质地层时，由于盾构机体积大、自重大，受重力影响严重，易下沉，通常采用控制上部推进千斤顶与下部推进千斤顶区压差（视具体情况而定，一般控制在6MPa左右）的方法；当盾构施工所处地层属于上下或左右软硬不均且软硬程度相差较小时，采用增加地层较硬一侧盾构推进千斤顶区压的方法；相差较大时，盾构机自身手段不能保证盾构施工姿态时，采取加固地层较软部分或破碎较硬部分的方法；当盾构施工所处地层存在球状风化体时，采用人工挖孔桩施工至上孤石上方，或在岩体稳定性较好的情况下直接从人闸处进入土仓，利用人工逐级剥碎、静态爆破等方法处理；当盾构施工所处地层存在溶洞或较大空洞时，在盾构施工前，采用注浆的方式将溶洞或空洞充填密实。

2、盾构始发姿态控制技术

（1）直线段始发盾构姿态控制技术

反力架和始发基座定位。反力架和始发基座的定位决定着盾构始发的空间姿态，在安装时，盾构机中心坡度与隧道设计轴线坡度应保持一致，反力架左右偏差宜控制在±10mm，高程偏差宜控制在±5mm之内。考虑隧道后期沉降因素，盾构中心轴线比设计轴线宜抬高10～20mm。

始发基座防旋转块及防偏移型钢的设置。考虑始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及抵抗盾构旋转的扭矩，在盾构始发前，在基座导轨外侧的盾壳上均匀焊接4道20mm厚的钢板，以防止盾构机主机在基座上产生旋转，并在始发基座两侧用200mm×200mm的H型钢进行加固，防止基座产生横向位移。在盾构机主机焊接有防旋转块的位置进入洞口钢环前，切除防旋转块。

洞口钢环内导轨的设置

盾构机主机沿基座上的导轨进入洞口钢环后，刀盘与开挖面、盾壳与洞口钢环间均存在一定距离，此时盾构机主机重心前移，易产生叩头。为确保盾构始发姿态，在洞口钢环处安设一段导轨支撑盾构机的主机顺利始发。支撑导轨采用QU80轨道，导轨下方采用20mm和14mm厚的钢板垫起，将钢环与钢板及钢板之间进行焊接，将导轨利用压板固定在钢板上。

（2）曲线段始发盾构姿态控制技术

盾构机始发初期由于其处于基座上，为提供足够推力并保证反力架和负环管片稳定，盾构机必须沿直线推进；当盾构机脱离基座后，由于处于加固段，姿态改变比较困难，宜仍采用直线推进，直至盾尾脱离加固段。因此，曲线段始发时，除采取直线段始发控制措施外，还应采用CAD拟合技。通过对可能存在的始发点和始发方向进行分析，确定最优的始发点和始发方向，保证盾构始发姿态偏离设计轴线的最大偏差满足控制标准的要求。

3、盾构掘进姿态控制技术

（1）管片选型及拼装位选择控制技术

目前国内管片类型主要分为两类：一类是以北京等城市为代表的，在北方地区使用的普通衬砌环，包括直线环、左转弯环和右转弯环；另一类是以上海、深圳等城市为代表的、在南方地区使用的通用楔形环，只有一种环片。

直线段管片选型及拼装位选择控制技术。当隧道设计轴线为直线时，理论上采用直线环管片进行拼装。但是，受到各种因素的影响，盾构姿态总会偏移隧道设计轴线。当偏移量和偏移方向过大或影响管片拼装时，就需要采用左转弯环或右转弯环，通过拼装在不同位置进行控制。同时，需注意满足错缝拼装和封顶块拼装在水平线以上的要求。

曲线段管片选型及拼装位选择控制技术。当隧道设计轴线为曲线时，管片选型及拼装位置的选择，除应遵循直线段管片选型及拼装位置选择所述的原则外，还应考虑曲线段本身所需的纠偏量。理论上，每环管片宽度的曲线外侧管片厚度中心处比曲线内侧管片厚度中心处超前某个值ΔL；与其相对应，在掘进中，每环管片宽度的曲线外侧管片厚度中心处千斤顶长度比曲线内侧管片厚度中心处千斤顶也需长某个值ΔL。ΔL的计算公式为：ΔL=（D－t）L/R.

（2）分区千斤顶控制技术。在施工中，首选分区操作盾构推进千斤顶控制技术调整盾构姿态。操作时，根据盾构所处姿态，减小与盾构前进偏移方向相反一侧的推进千斤顶区压，或增加盾构前进偏移方向同侧的推进千斤顶区压，调整盾构姿态。

4、盾构到达姿态控制技术。在盾构机距离到达位置50m开始，采用一切可以采用的盾构姿态控制技术，将盾构姿态与隧道设计轴线的偏差调整至15mm以内，并保持此状态向前掘进，保证盾构机按照设计要求达预定位置。

随着盾构法在城市地铁隧道施工中的应用日益广泛，施工中存在的问题也逐渐显现出来，由于盾构法引进我国的时间不长，目前尚未形成用于指导施工的系统技术来指导施工。基于工程实践的盾构施工姿态系统控制技术，可操作性强，对今后地铁或类似工程的施工具有重要的参考价值。

参考文献

［1］张凤祥，付明德.浅谈盾构姿态偏差与控制［J］.西部探矿工程，2012，117（1）：16-17

［2］朱合华.天津地铁盾构施工中盾构机的姿态控制［J］.隧道/地下工程，2013（1）：12-15

［3］刘晓文，唐小萍.某地铁5号线急转弯段盾构推进及管片选型［J］.施工技术，2012，39（9）

［4］陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术［J］.隧道建设，2012，29（4）：50

［5］沈征难.隧道掘进过程中隧道管片上浮原因分析及控制［J］.现代隧道技术，2014，（6）6