超深覆土条件下盾构小半径转弯的施工技术研究

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

上海轨道交通12号线26标段复兴岛站—利津路站区间存在多区段长距离转弯半径不大于350 m的小半径曲线段，圆曲线段隧道纵坡为3％，曲线段隧道覆土深度由浅至深逐渐达到36 m，盾构穿越的主要土层为⑥层硬土层，⑦1、⑦2层砂性土承压含水层。

2 超深覆土下盾构小半径推进施工难点[1-4]

2.1 总推力计算分析

以复兴岛站—利津路站区间隧道为例，隧道最大覆土深度约为36 m，隧道最大中心埋深约为39 m，该位置理论土压力约为0.5 MPa。以盾构机位于该深度为计算模型计算总推力。

盾构机总推力由盾构外壁周边与土体之间的摩阻力或粘结阻力、切口环贯入阻力、工作面正面阻力、管片与盾尾之间的摩擦力、后方台车牵引阻力等5 个部分组成。

通过对盾构总推力各组成部分进行计算，可以得知当隧道覆土达到30～36 m时，盾构机总推力约40 000 kN。其中，正面阻力占44％，侧摩阻力占50％，与常规覆土深度盾构推进总推力相比较，由于覆土厚度的增加，侧摩阻力增长较大。

通过对正面阻力进行计算分析，土压力每上升0.1 MPa，总推力仅增加3 000 kN，故如因为超深覆土总推力过大而降低正面土压力，以此来降低总推力，效果十分有限，且容易引起盾构姿态的恶化。

故盾构机在考虑减小总推力的措施时，应重点考虑减小侧摩阻力的措施。

2.2 难点分析

本工程所选用的盾构机为Φ6 360 mm石川岛，专门针对超深覆土隧道施工设计制造，盾构机设计阶段已考虑到超深覆土工况下总推力过大的情况，将单个千斤顶的推力从常规的2 000 kN提高到3 000 kN，共有16 个千斤顶，总推力达到48 000 kN。

但是在实际施工中，总推力仍旧达到设计总推力的83.3％，导致盾构机在小半径曲线段通过油压纠偏时千斤顶总推力不足，出现区域油压并压的情况，影响盾构机的纠偏能力。

若长期连续多环出现上述情况，会导致隧道实际轴线偏离设计轴线，影响成型隧道的质量。

3 小半径转弯纠偏量计算[5-8]

盾构机在圆曲线段施工时，对圆曲线段长度进行几何分析。圆曲线段由每段长度为1.2 m的弧长组成，即盾构机每推进1 环长度为1.2 m。每完成1 环后，盾构方位角发生变化，如图1所示。

故盾构机每一环的纠偏角度即为方位角J与方位角I的夹角θ。通过计算得到盾构机每环纠偏角度，利用三角函数关系可以计算得到盾构机推进每一环的左、右千斤顶伸出行程差（图2）。

图1 每环纠偏量计算

图2 每环纠偏量计算

小半径圆曲线段盾构机纠偏量计算结果见表1。

表1 小半径圆曲线段盾构机纠偏量计算表

4 盾构机纠偏方法

4.1 合理设定千斤顶分区

本工程所使用盾构机总推力48 000 kN，共有16 个千斤顶，划分为4 个区域，上区5个千斤顶、下区5 个千斤顶、左区3 个千斤顶、右区3 个千斤顶。上、下区总推力均为15 000 kN，左、右区总推力均为9 000 kN。

根据上一节纠偏量计算，小半径转弯施工时，盾构机左、右区千斤顶每一环必须拉出一定行程差，方可确保盾构机前行在设计轴线上。根据原有分区，左、右区千斤顶推力远远小于上、下区千斤顶推力，盾构机左、右转弯的灵活性不足，往往无法推出要求的行程差，导致隧道轴线超出规范要求。

为满足盾构机左、右小半径转弯的需求，千斤顶分区需重新调整，如图3所示。考虑到盾构自重影响，下区千斤顶推力应大于上区千斤顶压力，故将上区2 个千斤顶分别调整至左、右区。上区总推力调整为9 000 kN，左、右区总推力分别调整为12 000 kN，盾构机左、右转弯灵活度大大增加。

图3 千斤顶分区调整示意

4.2 区域油压纠偏方法

经过计算，盾构机在本工程工况下总推力将达到40 000 kN，在采取一系列减小总推力的措施后，总推力可降至30 000 kN，为额定总推力的62.5％，盾构机有一定余力进行分区油压调节和纠偏操作。但是，设定分区油压时，如若设定不当，仍旧会出现并压状况，这就要求在设定调节分区油压时，必须更加精细化，确保在能推动盾构机的同时，能够满足小半径转弯时每环的纠偏量。

在进行油压设定时，应严格按照理论计算的总推力进行设定，并形成一套设定、调整的流程，以本工程总推力30 000 kN、左转弯圆曲线段为例：

（a）在小半径转弯施工时，盾构机以左右纠偏为主，应先调整左右油压。极限状态下，右区油压设为30 MPa，左区油压设定为10 MPa，千斤顶额定油压为34.3 MPa，单个千斤顶最大推力3 000 kN。根据千斤顶压力换算，右区推力为10 496 kN，左区推力为3 499 kN。

（b）左、右区千斤顶压力设置完成后，对上、下区千斤顶压力进行设置，结合左、右区的推力计算，上、下区总推力需达到16 006 kN后，方可满足推动盾构机的条件。

为避免因盾构机自重导致磕头，在上、下区千斤顶压力设置时，一般下区推力大于上区推力，下区压力设置区间为20～26 MPa，再反算得到上区压力，如表2所示。

每次设置、调整千斤顶压力时，根据纠偏需要确定3 个分区压力后，可计算得到第4个分区的压力，可确保总推力满足要求，有效避免并压的情况。

表2 上、下区千斤顶压力设置表

4.3 停千斤顶纠偏方法

当盾构机总推力继续增大后，通过区域油压调节时如若部分分区压力小于5 MPa，即无法满足总推力的要求时，千斤顶实际未产生推力，此时可选择采用暂停部分千斤顶、其余千斤顶压力全部释放的方式进行纠偏，能够达到立竿见影的效果，以右转弯为例，通过将右上区域5 个千斤顶暂停，把盾构机的推力中心调整至左下方，可以达到保证盾构机在不磕头的情况下，使盾构机向右转弯（图4）。在该工况下，共有11 个千斤顶为工作状态，在每个千斤顶都能达到额定推力的情况下，此时盾构机总推力可达到33 000 kN。

图4 暂停部分千斤顶示意

5 管片贴片计算

在盾构小半径转弯施工中，由于盾构机左、右区千斤顶推力的设定差异大，造成管片左、右段受力不一致。例如在右转弯时，管片左端受到的推力远远大于右端所受到的推力，不均匀的受力会使得管片轴线逐渐偏向圆弧外侧，渐渐跟不上设计轴线，同时盾构机在持续纠偏的情况下，盾构机左右行程差越拉越大，盾构机与管片夹角也会越来越大，极易引发盾尾间隙过小、外弧面碎裂等一系列质量问题。

所以在小半径转弯施工时，在盾构机纠偏的同时，同样需考虑管片的纠偏，通过贴片使管片的轴线接近设计轴线。我们通过分析设计轴线、盾构机、管片三者的相对关系，来确定合理的贴片方式。

（a）第一步，分析设计轴线与盾构机的相对位置关系，通过每一环的盾构姿态测量数据来计算：设计轴线与盾构机夹角X‰=（切口左右偏差－盾尾左右偏差）/盾构机长度；

（b）第二步，分析盾构机与管片的相对位置关系，通过左、右千斤顶推进时的行程差进行计算：盾构机与管片夹角Y‰=行程差/管片直径；

（c）第三步，计算设计轴线与管片的相对位置关系：设计轴线与管片夹角Z‰=X‰+Y‰。

我们需要通过在管片上贴片使端面成为楔形来减小设计轴线与管片间的夹角，通常采用厚4 mm或5 mm的贴片。每环纠偏角度（‰）=贴片厚度/管片直径。通过分析设计轴线与管片的夹角以及贴片后每环纠偏角度，确定管片纠偏贴片方式，确定贴片环数时需考虑贴片材料在承受千斤顶推力时的压缩量。

6 结语

针对超深覆土条件下的小半径盾构推进施工，形成了一套调整千斤顶区域压力的计算方法。通过对总推力及4 个分区千斤顶压力的计算，可确定在不同土层、不同总推力的工况下最合理的区域压力设定值，并判断是否需要暂停部分千斤顶运作，为施工人员进行盾构机纠偏提供了理论依据。

对于小半径转弯时的管片纠偏，形成一套管片贴片计算方法，通过对设计轴线、盾构轴线、管片轴线三者相对关系的计算，合理确定每环管片的贴片厚度，防止小半径转弯时隧道偏移。