管片超前量在极端软弱地层中的应用

吴俊呈

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 引言

目前，在地铁施工中，盾构法是一种比较先进，应用广泛的施工方法，盾构隧道质量也是在不断提升中。盾构机在极端软弱地层掘进中，极易出现盾构机栽头、盾构机姿态超限、管片大面积错台破损渗漏等施工问题出现，运用管片超前量对于盾构姿态控制起到关键性作用，同时，可较大程度上减少管片质量缺陷，提高管片质量。

2 管片超前量相关概述

从拼装整环管片正面看是一个圆环，从顶部看，管片投影为矩形；而通用管片（或标准型管片转弯环）在平面上的投影为对称的梯形，梯形长边与短边差值即为楔形量，依靠楔形量来实现隧道的转向及盾构机的辅助控制。超前量是管片的楔形量在水平和竖直方向上的贡献值。

图1 通用型管片超前量投影

以昆明五号线八标通用型1.2m管片，双面楔形量18.6mm为例：

图2 通用型管片超前量计算投影示意图

则任意角度a的环宽计算为：

3 盾构隧道理论超前量计算

当一条隧道设计轴线确定了后，平面线形由直线段、缓和曲线和圆曲线构成。竖曲线由直线段、变被圆曲线构成。

在直线段，管片易于选型，内外弧线一样长，超前量设计值为0mm/环；在缓和曲线段，超前量数值介于缓和曲线前后分段曲线超前量数值的中间，是渐变量；在变坡曲线段，设计文件通常是超大一条圆曲线，计算按照下面圆曲线过程；在圆曲线段，拟合半径为R的曲线时，单个衬砌环所需水平超前量Sa为：

式中：

D——内外弧线对应的转弯半径差值即隧道直径。

L——管片长度。

R——隧道设计转弯半径。

4 分析管片超前量作用

4.1 超前量分析是判断隧道管片拟合设计轴线的重要数据

超前量分析一般连续计算单环管片不同拼装点位水平方向的超前量和竖直方向上的超前量然后通过对比该段区间管片理论超前量值进行分析。

当水平实际平均值大于理论超前量值，该段拼装管片转弯度过大，管片成型过程中，管片会向外弧线方向错台来拟合实际设计轴线，弧线外侧管片受挤压;当水平实际平均值小于理论超前量值，该段拼装管片转弯度过小，管片成型过程中，管片会向内弧线方向错台来拟合实际设计轴线，弧线内侧管片受挤压。

当垂直实际平均值大于理论超前量值，该段施工拼装管片变坡度过大，管片成型过程中，管片会向外弧线方向错台来拟合实际设计轴线，底部管片受挤压；当垂直实际平均值小于于理论超前量值，该段施工拼装管片变坡度过小。管片成型过程中，管片会向内弧线方向错台来拟合实际设计轴线，顶部管片受挤压。

在超前量数据库样本中，实际超前量平均值的样本（环数）越大，实际平均值越接近理论超前值，如果出现上述2种情况的较大偏差，就表示隧道管片拼装拟合设计轴线较差，管片错台率、破损率及渗漏水率大大提高。

4.2 通过超前量分析指导管片选型

管片选型除了根据现场实际施工的测量数据选择（盾尾间隙、千斤顶油缸行程差），超前量数据的分析对管片选型的参考具有重大影响。施工过程中，通过圆曲线半径计算获取理论超前量，通过当分析对比实际水平超前量值与理论超前量值出现较大偏差的情况，即分析是转弯过度还是转弯度不足，分析判断盾尾间隙变化及油缸千斤顶行程差变化。

在圆曲线盾构掘进过程中，当水平实际平均值大于理论超前量值，该段拼装管片转弯度过大，通常外弧侧盾尾间隙变小，外弧油缸千斤顶行程短，即减小管片超前量值；当水平实际平均值小于理论超前量值，该段拼装管片转弯度不足，通常内弧侧盾尾间隙变小，内弧油缸千斤顶行程差变大，即增大管片水平超前量值。

4.3 超前量分析拟合盾构姿态

在盾构掘进过程中，计算分析管片超前量，保持管片趋势与盾构机趋势平行状态，保证盾尾间隙均匀性，从而保障管片质量合格率。

当两者趋势差呈“V”字形，管片间隙难以控制，管片进行出现大面积错台、破损及渗漏现象。

5 管片超前量在极端软弱地层盾构施工实际应用

5.1 工程概况

昆明五号线八标金海新区站～福保站盾构区间设计里程：左DK21+355.465～左DK23+117.872，短链9.774m，1752.633m；右线右DK21+355.465～右DK23+117.872，全长1762.407m，其中金福右线541～787 环为R600 圆曲线。昆明五号线采用通用型管片，楔形环为双面楔形，楔形量平均分为两部分，对称设置在楔形环两侧环面，单面楔形量为18.6mm，为标准由转管片，即管片K块拼装在1点位，水平方向左边超前量为37.2mm。

5.2 工程地质

金福区间上而下可分为第四系人工填土层（Q4ml）及第四系全新统冲湖积层（Q4al+l）二个地层单元，区间埋深12m～17m，主要穿越土层为：（2）4-3粉土（厚度：3m～12.6m）、（3）1-3泥炭质土（厚度2.1m～3.4m）、（2）3-3粉质黏土、（4）1-3泥炭质土。其中(4)1-3层泥炭质土：黑色，可塑，主要成分为黏土，含有机质及腐殖物，土质轻，干强度及韧性中等特征；呈层状分布，各钻孔均揭露该层，层厚1.00m～8.60m，平均厚度3.15m，层面埋深2.00m～14.90m；承载力特征值dak=60kPa，岩土施工工程等级为Ⅱ级。

5.3 盾构掘进姿态失控

金福区间左线盾构掘进至293环，垂直姿态超限失控，整体持续往下掉。调整上下分区压力差，增大垂直趋势，盾尾管片出现错台。

图3 地质剖图面

图4 293环盾构姿态

5.4 超前量分析及调整

盾构垂直姿态失控停机分析，累计管片垂直超前量为-75.64mm，管片趋势为-1.2‰，盾构机趋势为11‰，两者相差大，盾构机与管片之间出现夹角导致垂直姿态调整困难，管片出现错台破损。

保持盾构机趋势稳住盾构机垂直姿态，通过管片选型增加管片下部超前量拟合盾构机趋势，调整两者线型为平行关系。

通过管片选型增加管片下部超前量，掘进至304环时，管片垂直超前量为49.54mm，管片趋势为7.9‰，此时盾构机趋势为9‰，两者趋势差为1.1‰，盾构机垂直姿态稳定往上调整，同时管片错台量在2mm以内，无破损及渗漏现象发生。

图5 304环盾构姿态

图6 成型管片线型实际效果图

6 结束语

在极端软弱地层盾构掘进中，发生盾构机垂直姿态失控率高，在姿态调整过程中因管片超前量与盾构机趋势呈“V”字形问题从而造成大面积管片破损、错台及渗漏等质量缺陷问题。利用管片超前量分析拟合盾构机趋势，指导软弱地层盾构掘进，控制盾构机姿态方法是有效的，同时有效降低管片质量缺陷率，保障盾构成型隧道合格率。