降低大直径盾构小半径曲线管片错台率

刘堂

一、研究背景

珠海城际铁路橫琴隧道1#井～湾仔北区间位于珠海市市区南湾大道，线路左侧临海，多为工业厂房。全长1.230km，双洞单线，采用盾构法施工。衬砌结构为C50钢筋混凝土预制管片，内径7700mm、外径8500mm。每环管片由4块标准块、2块连接块和1块封顶块7片管片组成。管片厚40cm,宽度1.6m，衬砌管片为通用管片，最大楔形量40mm。区间始发段设置半径R=400m转弯段；段纵断面为下坡，最大坡度为15.7‰，隧道顶覆土厚度6.1m（＜1倍洞径）～16.5m。

区间隧道右线采用一台8.8m直径海瑞克土压平衡盾构机掘进施工。左线采用一台铁建重工土压平衡盾构机掘进施工。右线首先始发，始发段掘进过程成型管片出现多处错台。

二、大直径小曲线浅埋盾构隧道管片错台原因分析

工程在实施过程中发现管片脱出盾尾后成型隧道管片拼装质量较差，出现多出错台超过规范以及设计要求的范围。应结合地质环境，人员、材料、设备、施工方案等多方面进行分析。

1.管片受力分析

小半径曲线地段的隧道轴线控制难度大，同时管片向外侧扭曲而挤压地层使地层和管片结构均受到复杂的力影响，尤其管片拼装是在盾尾内有力束缚，拼装完成后无错台，待管片脱出盾尾后，管片束缚力突然释放等原因最终导致已拼装的衬砌管片错台及渗漏水。

2.姿态控制分析

始发段位于半径R=400m转弯段，坡度为15.7‰下坡。由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。掘进过程中如果不及时进行针对性纠偏，极易造成成型管片错台。

3.注浆材料分析

原方案制定的浆液配比，现场试验，初凝时间在8小时左右。根据掘进时间分析，管片在脱出盾尾时，相邻几环管片浆液还未达到初凝时间管片并未被“裹死”，掘进过程中由于曲线段受力不均，导致管片破裂、错台等出现。

4.盾构机设备分析

旧盾构机始发段故障较多，对油缸的行程、盾构的相关姿态参数，必须进行复核、校正，避免因为设备本身数据错误，最终导致数据判断的错误，造成成型管片错台。

三、降低大直径小半径浅埋盾构隧道管片错台率的措施

1. 盾构掘进参数（姿态）的控制

（1）掘进速度及推力的控制

曲线段掘进速度严格控制，在土层地段控制在20mm/min以内为宜，在地层强度较大岩层控制在10mm/min以内为宜。控制的掘进速值，不是一成不变的，需根据盾构机所处地层情况、盾构机姿态、管片姿态等来进行调整，要把掘进总推力控制在1000t以内。

管片的端面与盾构机盾体断面不处于完全平行状态，存在一定的角度，在千斤顶推力作用下，产生侧向分力，在衬砌管片脱出盾尾后，受到侧向分力的影响，成环隧道会向圆弧外侧偏移，若推力过大，会使隧道外侧原状土体产生塑性破坏，控制推力，使得外侧土体处于弹性范围内。有利于控制侧向分力的增加，减少对侧向土体的干扰。

（2）曲线段轴线预偏

为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时在规范允许范围内给隧道预留一定的偏移量。将盾构沿设计曲线线路的割线方向掘进，管片安装时轴线位于设计轴线的内侧，使得管片脱出盾尾后受侧向向外的力向弧线外偏移时留有预偏移量。

（3）掘进过程中的纠偏

盾构掘进过程从微观来讲是一个“S”型纠偏的过程，每延米纠偏量控制在2～3mm，掘进每环纠偏量控制在7mm以内。盾构掘进方向偏角控制在5mm/m，当处在曲线段时，盾构机的方向控制将比较困难特殊情况下不超过10mm/m，否则盾构机转弯过急易导致盾尾间隙过小，管片拼装较困难，及拼装完成后出现错台，并且由于盾尾间隙过小导致拼装完管片损坏盾尾密封，造成管片破裂、错台漏水。

盾构纠偏时要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。同理，如需上、下纠偏时，可造成上、下区域千斤顶的压力差。

（4）铰接装置的使用

使用盾构机的铰接装置，可以使盾构机的盾体与曲线趋于吻合，预先推出弧线趋势，可以为管片提供良好的拼装空间。

（5）隧道测量控制

①规范测量换站程序

每次换站必须复核不少于3个导线点的边角关系，经检核无误后方可向前传递坐标。换站前后记录比对姿态数据，确保各项偏差小于限差。一般导向系统姿态跳动20mm以内需结合管片姿态进行判断，姿态跳动超过20mm必须检核换站程序并复核坐标。

②导线点复核

隧道施工过程中，对洞内导线点进行不少于1次/周的坐标复核，以及时纠正导向系统的错误和累积误差，确保隧道正常施工。

③实时观测管片姿态

正常掘进过程中保证每环不少于3次姿态测量，并测量施工当班环倒10环管片，同时复核后10环管片姿态，确保隧道施工精度。

2.盾构注浆控制

注浆控制分为同步注浆控制及二次注浆控制。掘进过程中加强注浆量控制，切实做好注浆参数的调整，注浆压力，尤其是浆液配合比。浅埋曲线段，由于覆土较浅注浆压力过大容易造成地面冒浆，压力过小造成注浆量不够进而导致管片脱出盾尾后受地层包裹不均导致管片下沉，因此同步浆液初凝时间宜控制在4～6小时内，并及时在管片脱出盾尾后第三环进行二次注浆补强。同时在已脱出盾尾的管片进行反复二次注浆补强。

3.管片拼装点位选取

对于管片拼装点位选择，现场主要依据是盾尾间隙。根据盾尾间隙进行管片拼装点位的选择，在直线段基本比较适用，但在圆曲线段，单独依靠盾尾间隙指标来进行管片选型是完全不够的。一方面要考虑管片姿态要适应当前设计线路的走向，尤其是坡度相对较大的小半径圆曲线段，管片点位的选择要兼顾转弯所需要的楔形量和纵向坡度所需的楔形量。小半径圆曲线段衬砌管片点位选择对盾构机姿态控制及管片安装质量等有着紧密的联系。管片点位选择的依据不仅仅局限于“盾尾间隙”，盾构机姿态与隧道轴线相对关系、盾构机姿态与管片姿态的相对关系、盾构机各区域千斤顶行程差等也是衬砌管片点位选择的重要依据。实际推进的过程中，盾构机的姿态与管片姿态二者相辅相成。管片的点位选择要适应当前盾构机的姿态及变化趋势。同时成环隧道为盾构推进提供反力，直接影响盾构机推进过程中的姿态控制。

4.管片拼装控制及管片复紧

严格控制衬砌管片每块的安装位置精确性。尤其底部第一块的定位尤为重要。安装位置精确，这样可以避免最后安装封顶块F块时的空间不足或空间过大现象。F块的安装空间过小，会造成F块安装过程中止水带被挤压开胶错位及两块邻接块上移错台，即使F块采取润滑的措施但在安装空间较小的情况下效果不是很明显，管片脱出盾尾后必定造成错台、渗漏水。F块的安装空间过大，会造成管片在脱出盾尾过程中F块滑动，尤其是在螺栓复紧次数不足(F块空间过大，至少复紧3次)，造成F块错台严重。

四、结语

大直径盾构机在小半径曲线浅埋段掘进，盾构掘进姿态难控制，成型管片受力复杂，拼装点位选择等多方面原因造成成型管片拼装错台率增加。结合以上原因分析，采取针对性措施：盾构掘进速度不宜过快，宜控制在20mm/min以下，单日掘进环数不宜超过5环。掘进过程中进入转弯段前，采取预纠偏，纠偏过程中切记纠偏过急，应勤纠、缓纠。注浆材料选择初凝时间相对较短的配合比，在管片脱出盾尾后浆液处于凝固状态。经过对右线管片错台原因分析，区间左线施工过程中针对主要原因采取相对应的措施，完成后成型隧道管片拼装错台率大大减小，小曲线浅埋段管片拼装质量符合规范和设计要求。