地铁盾构隧道施工中 管片错台控制技术研究

常喜军

摘 要：地铁隧道管片错台是盾构施工中常见的质量缺陷之一，严重的错台会导致成型隧道出现大面积破损、渗漏，不仅影响到列车的安全运营，还会严重影响隧道的安全性、耐久性。文章以西安地铁某盾构施工区段衬砌管片出现大面积错台破损为背景，对管片错台原因和产生的机理进行深入分析，并提出针对性的控制技术措施。

关键词：地铁;盾构隧道;管片错台;控制技术

中图分类号：U455

1 工程概况

西安地铁某盾构施工区间隧道采用土压平衡盾构机施工，盾构隧道全长2816 m，隧道最大埋深22.05m，最小平曲线半径500 m，最大纵坡22.1‰。隧道管片周边主要分布有粉质黏土、黄土状土、粗砂，采用惰性浆液进行壁后同步注浆。标准环管片外径6 m，内径5.4m，环宽1.5 m，由3块标准块（B）、2块邻接块（L），1块封顶块（F）组成。封顶块置于隧道顶部1 点或11点处，采用错缝拼装形式。为了适应曲线施工和隧道纠偏的需要，配有相应的左弯环（Z）和右弯环（R），楔形量为38 mm。

2 管片错台引发的问题

管片错台是指管片拼装后同一环相邻管片块间或者不同环管片之间的高度偏差，前者称环向错台，后者称纵向错台。管片错台不仅影响隧道的外观，而且会导致管片接缝渗漏水，影响到地铁列车的安全运营，以及隧道的安全性、耐久性。刚拼装完毕的管片在盾尾内产生环向错台，会导致盾尾间隙过小，加速盾尾刷的损坏速度，严重时会导致盾尾漏浆，这不仅给盾构掘进、清理拼装工作面、管片拼装带来很大影响，还直接影响同步注浆效果，造成同步注浆浆液、盾尾油脂的大量消耗，带来底部推进油缸损坏以及地面沉降超限等隐患。

3 管片错台原因分析及控制技术措施

3.1 管片选型

管片选型正确与否是决定成型隧道质量的关键因素之一，尤其是带楔形量的管片选型不当，易导致盾尾间隙过小、推进油缸和铰接油缸行程差过大、隧道轴线与设计轴线匹配不上、盾构机纠偏困难等，从而造成管片出现错台破损、渗漏水现象。

管片选型要综合考虑隧道线型、盾构机姿态、盾尾间隙、推进及铰接油缸行程差、盾构机姿态与管片姿态的相对关系、管片的上下左右超前量等实际情况，综合考虑确定预拼装管片的型号;根据隧道曲线设计情况，提前考虑后几环的盾构掘进姿态控制及管片选型问题;封顶块宜拼装在隧道腰部以上，以保证管片拼装满足隧道质量控制要求。

3.2 盾构姿态

盾构的姿态是盾构施工控制的技术重点，盾构机姿态的变化直接影响盾尾間隙的变化。盾构运动轨迹波动幅度过大，加之管片形态的惯性作用，必然导致盾尾间隙不均匀。盾尾间隙过小会导致管片安装困难，安装后的管片受盾尾挤压易造成错台、破损，甚至渗漏水。

盾构姿态调整时，要注意盾构的趋势控制，避免纠偏过猛，应勤纠缓纠，避免盾构出现“蛇形运动”现象。姿态调整一般控制在5 mm/环，并将盾构轴线与隧道设计轴线偏差控制在允许范围内。由于隧道开挖卸荷导致地基回弹，管片置于粉质黏土或黄土状土地质中会有上浮现象，因此，盾构推进时其盾尾垂直方向应控制在-20mm，以抵消管片后期的上浮量。

盾构操作员应掌握整个区间线路的设计情况，对关键点予以严控，尤其是在盾构进入平曲线或竖曲线时，应根据曲线半径提前使盾构向该曲线内适当的偏移，确保盾构姿态在曲线段能缓和调整。

3.3 推进速度

盾构推进过程中，刀盘扭矩与推进速度成正比例关系，过快的推进速度可能使刀盘扭矩异常增加，推进速度越快扭矩越大，同时盾体振动幅度也越大。盾构推进油缸的推力反作用在拼装成型的管片上，并带动刚拼装成型尚未稳固的几环管片来回摆动，管片环向之间因此受到较大的挤压力，造成管片破损。

粉质黏土和黄土状土地质中，在刀盘转速一定的情况下，推进速度与刀盘扭矩和管片错台率的统计关系如图1所示。由图1可见，在粉质黏土地层和黄土状土地质中，推进速度为20～50mm/min时，刀盘扭矩在2000kN · m以下，管片错台率小于5%;推进速度为50～60mm/min时，刀盘扭矩为2 000～2 600 kN · m之间，管片错台率为12%;当推进速度大于65 mm/min时，刀盘扭矩超过3100 kN · m，管片错台率达25%。经综合考虑，在此地层中，盾构推进速度宜控制在45mm/min左右，刀盘扭矩控制在1 800 kN · m 以下，有利于解决管片错台破损问题。

3.4 同步注浆

盾构刀盘的开挖直径一般大于管片外径，随着盾构的推进，逐渐形成管片外径与刀盘开挖直径的环形建筑空隙。为及时填充该空隙，在盾构推进的同时须进行同步注浆，以尽可能减少盾构施工时对地面的影响。

同步注浆中，浆液初凝时间长，管片在浮力作用下有上浮趋势，易引起管片错台;注浆压力过大，对管片造成较大的挤压，易造成管片错台或破损;注浆方量不足，没有充分填充隧道衬砌间隙，管片因为没有被砂浆完全固定而产生移动，形成偏心力，引起管片局部应力超过其强度，同样也会导致管片错台破损。

因此，应根据不同的地层调整浆液配比，将浆液凝结时间控制在6～8 h，特殊情况下可合理添加速凝剂以缩短其凝固时间;注浆压力宜高于土仓压力0.15～0.2MPa，并根据隧道埋深及地层沉降监测数据及时调整;注浆速度应与推进速度相匹配，注浆速度过快会使浆液注入到土仓内;保证足够的注浆方量，必要时对脱出盾尾的4～6环管片壁后进行二次注浆，将后部管片在同步注浆中未能填充满的建筑空隙全部填筑密实，形成稳固结构。

3.5 盾尾间隙

在施工过程中，盾尾间隙过小会导致盾尾挤压管片造成错台。盾尾间隙过小与盾构姿态调整过急、管片选型等因素有关，特别是在小曲线半径内，更容易出现盾尾间隙过小问题。在直线段，如果用转弯环调整盾尾间隙，在盾尾间隙弥补到预期值之后，要时刻关注盾构姿态与成型隧道测量数据的对比，若出现偏差且偏差有变大趋势，一定要及时用相反的转弯环重新拼回，否则为了使盾构姿态在合适范围内，盾构推进线路与隧道设计轴线偏差会越来越大，管片所受的偏向力也越来越大，最终导致管片出现大面积破损。盾尾间隙示意图如图2所示。

3.6 推进系统各组油缸压力差值和行程差

盾构推进系统主要包括A、B、C、D 4组推进油缸，如图3所示。推进系统各组油缸压力差值过大，推进油缸作用在管片上的力不均匀，或者推进油缸行程差过大，盾体与隧道会形成折角，管片会受到较大的偏心力，容易错台破裂;铰接油缸行程差过大，会使铰接处于“折角”状态，盾尾适应不了管片、曲线变化，也会引起管片错台破损;另外，推进油缸撑靴缓冲板脱落，也容易把管片挤破。

因此，推进油缸行程差在直线地段不能超过30mm，曲线地段不能超过50 mm;铰接油缸行程应保持在中位状态，以确保有一定的浮动量;推进过程中，推进系统各组油缸压力尽可能保持均衡，避免压力差值过于悬殊;加强推进油缸系统的日常巡查，使推进系统处在完好状态;根据不同地质优化推进参数，防止刀盘结泥饼，同时尽可能用较小的推力进行推进。

3.7 拼装质量

管片拼装时，须确认拼装顺序是否正确，管片是否均匀排布，管片螺栓是否可自由穿插，拼装成型的管片是否适合盾构姿态调整方向;严格按照标准的管片拼装程序进行，并且尽量使拼装成型的管片呈竖椭圆状态，避免出现“内喇叭”或“外喇叭”现象;避免出现“拼大”或“拼小”现象，当拼装第5块时确保封顶块（F块）有恰当的拼装空间，否则极易导致封顶块（F块）错台破损。

3.8 管片螺栓

管片螺栓紧固不到位、螺栓规格尺寸不合格也是导致管片错台的重要原因之一。管片螺栓紧固不到位主要是因为未对管片螺栓进行及时复紧或者风炮力矩不够。在管片刚拼装完成时进行第1次紧固，推进过程中管片脱出盾尾之前进行第2次复紧，脱出盾尾后的几环进行第3次复紧。通过对管片螺栓的多次复紧，可有效降低管片错台数量。

加强对风炮的日常维修保养，力矩不够时及时更换或维修，以确保管片螺栓紧固时达到足够的扭矩。进场管片螺栓规格尺寸不合格，如管片螺栓太短、较细或者弧度不匹配，也影响到螺栓连接紧固效果，所以管片螺栓进场时要确保每批次的螺栓都符合设计要求。

3.9 管片质量

管片强度不够、有裂纹、缺角等管片质量问题易引发管片错台或破损。管片生产前应对管片生产模具尺寸进行检验，对已生产的管片进行抽检，检验其尺寸是否满足规范要求;进场管片必须有合格证、质量证明文件，并严格对管片外观及强度进行验收，杜绝有问题的管片进入隧道拼装。

4 结束语

在盾构推进过程中，产生管片错台破损的原因不尽相同，当出现此类问题时，应从管片选型、推进速度、盾尾间隙、推进系统各组油缸压力差值和行程差、拼装质量等方面分析原因，另外也要查验推进系统或拼装系统有无故障，施工人员的技术水平和责任心及相关材料质量是否符合规范等，通过综合分析，及时采取相关针对措施，有效控制管片错台破损，以确保地铁隧道的整体质量。

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收稿日期 2019-12-23

责任编辑 朱开明

Research on segment staggering control technology in metro shield tunnel construction

Chang Xijun

Abstract： Segment misplacement staggering is one of the common quality defects in shield construction. Serious staggering will lead to large area damage and leakage of the formed tunnel， which not only affects the safe operation of the train， but also seriously affects the safety and durability of the tunnel. Based on the background of large-scale damage of lining segments in a shield construction section of Xi'an metro， this paper analyzes the causes and mechanism of segment dislocation， and puts forward corresponding technical control measures.

Keywords： subway， shield tunnel， segment staggering， control technology