太原地铁盾构管片旋转成因及预防举措

杜 帆

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

太原地铁盾构管片分直线环和转弯环（左转环与右转环），每环盾构管片由3 块标准环、2 块邻接块及1 块封顶块(3+2+1 模式)组成，隧道由三种盾构管片通过不同组合拟合而成。实际施工中由于某些原因，会产生盾构管片扭转导致渗水现象，尤其是个别小半径区段发生盾构管片接缝渗水的现象较多。依据盾构管片扭转产生的问题，详细分析了成因并提出了控制举措，可有效规避（减少）盾构管片渗水，提高隧道防水性能，最大限度地降低处理隧道渗水的额外施工成本。

1 工程概况及水文地质

太原地铁2 号线人民南路站位于小店区人民南路与规划六号路交叉口处，站位西南侧和西北侧为农田，东北侧为太原市警察学院靶场，东南侧为西桥村，车站沿人民南路南北方向敷设。人民南路规划道路红线宽50 米，是太原南北方向的主要道路，四号路规划红线宽30m，六号路规划红线宽36m，为小店区东西方向次干道。

本工程所用盾构机由主机、后配套等部分组成。主机分为由盾构刀盘、主驱动（液驱）和尾、中、前盾组合而成；隔板支撑主驱动系统、隔板底部配备螺旋机；中盾周边布置有推进油缸和被动铰接油缸以及地铁盾构管片拼装机；尾盾是盾构管片拼装工作区，尾盾内装有4 处8 路（4 路备用）同步注浆管及8 路盾尾油脂注入管；后配套系统有设备桥、5 节台车及皮带系统组成。

本区间盾构主要穿越：人工填土（杂填土）、人工填土（素填土）、新黄土（水上）、古土壤、老黄土（水下）、粉质黏土、粉土、粉细砂、粗砂、砂砾。

2 盾构管片旋转的不良影响

盾构掘进过程中，盾构机受到刀盘扭矩的影响，与其周围土体的摩擦扭矩小于刀盘扭矩时，盾构机会随之发生扭转，盾尾内成环盾构管片随盾构机产生扭转，容易造成已成型盾构管片离开盾尾后形成扭转[1]。如果盾构管片扭转角度超过一定范围，会对台车和电机车轨道的平整性产生不良影响，易导致脱轨掉道，影响盾构掘进，严重时危及人身及设备的安全[2]。

盾构管片扭转角度超过一定范围会产生以下不良后果：增加封顶快（F 块）的拼装难度；扭转角度导致盾构管片错台与破裂；影响盾构管片密封；产生接缝渗水现象[3]。在人民南路站—化章街站，左右线均有盾构管片扭转现象，局部扭转较大。盾构管片扭转如图1 所示，扭转形成渗水如图2所示，扭转导致错台明显的隧道如图3 所示。

图1 地铁盾构管片扭转

图2 盾构管片扭转形成 渗水

图3 盾构管片扭转导致 错台明显的隧道内景

3 盾构管片扭转原因分析

3.1 力学分析

盾构刀盘旋转分顺时针（正）和逆时针（反）旋转，如果刀盘正或反旋转切削土体时，土体对刀盘产生反方向的反力矩M土，这时盾构机与土体间的摩擦力会形成反方向的力矩M盾，从而保持盾构机平衡[4]（如图4 所示）。

图4 盾构管片扭转力学示意

⑴M盾＞M土(盾构机和土体间临界摩擦力矩值)时，盾构机稳定，盾构管片不会出现扭转趋势[5]；

⑵ M盾＜M土盾构机具有滚动的趋势，推进时，推进油缸会对盾构管片产生一反方向的扭矩，当盾构管片自身稳定性好、土体与盾构管片的摩阻力产生的反力矩M盾构管片能抵抗这一力矩时，盾构机及盾构管片保持一种稳定状态，就不会出现扭转趋势[6]；

⑶M盾构管片＋M盾＜M土时，盾构机和盾构管片均会产生反方向的相对扭转[7]。

详细分析可知，盾构管片扭转最主要的原因是围岩不能提供足够的摩阻力去限制盾构机扭转，从而导致盾构管片扭转。围岩摩阻力不够的内在原因有：①盾构刀盘顺时针或逆时针旋转产生的力矩不太均衡[8]；②同步注浆的效果差，不能产生满足要求的摩擦阻力[9]；③盾构管片受力不均，从而形成盾构管片旋转的力矩[10]；④盾构管片拼装产生的旋转偏差累积。

3.2 施工分析

（1）刀盘顺时针或逆时针旋转产生的力矩不均衡。如果盾构机和盾构管片均具有滚动趋势时，刀盘顺时针与逆时针旋转的不均衡将产生盾构机向扭转大的方向扭转，导致成型盾构管片的扭转积累。均衡是指在盾构掘进过程中，刀盘旋转的时间、扭矩大致相同，从而盾构管片左右扭转的趋势也会大致相同[11]。在小曲线段掘进施工中，由于刀具磨损的原因，导致刀盘顺时针与逆时针旋转时盾构机滚动角变化较大，盾构管片整体扭转了一定角度，导致后配套台车经常脱轨，严重影响施工进度。

（2）同步注浆效果差。盾构管片和土体之间存在些许间隙，需要通过同步注浆进行填充，同时固结盾构管片。为了保护盾尾刷，在施工中采取了缓凝浆液。在黄土及粉质粘土地层中，地下水较为丰富，同步注浆效果不明显，无法及时固结盾构管片，导致较为严重的盾构管片旋转。在砂层地段，尽管注浆效果不理想，但由于砂土的摩擦力矩较大，盾构管片不易发生旋转。

（3）盾构管片受力不均。由于推进油缸采取单双缸编组模式，导致盾构管片受力不均，容易产生相对转动。同时在曲线段，盾构管片环面与油缸撑靴不垂直，推进油缸的推力沿盾构管片环面产生径向分力，导致盾构管片旋转；在盾构管片拼装完成后，推进油缸对盾构管片的作用力较小，工人对盾构管片螺栓没有及时复紧，难以加强环和环之间的有效连接并提高盾构管片之间的摩擦力，成型管环整体刚度较差，不能有效传递盾构机滚动产生的力矩，易导致盾构管片旋转。

（4）盾构管片拼装产生的旋转偏差累积。管片操作手一般按照自下而上左右交叉的原则进行盾构管片拼装。由于拼装需要，盾构管片螺栓孔与螺栓之间一般预留5mm 的空间间隙，在极限状态下，2 环盾构管片可错位10mm，依据现场观测，2 环之间经常相对扭转5～8mm，因为操作误差等情况，持续单方向扭转偏差的累积，从而影响整环盾构管片实际扭转角度大于设计允许值。

4 预防及处理举措

基于成因分析，可在施工中采取如下措施：

（1）最大程度减少单方向旋转时间，确保顺时与逆时针旋转时间相同及扭矩保持均衡状态。

（2）缩短同步注浆液的初凝时间，并尽可能增加注浆量，填充管片与土体间的空隙，采取以注浆压力（上部注浆点2bar，下部注浆点2.5～3bar）控制为主，流量控制为辅的方法，确保浆液的足量注入，从而增强盾构管片的自稳性，确保及时给予盾构管片足够大的摩擦阻力。具体浆液配合比试验见表1。

由表1 可知，采取四组试验，通过适当增加水泥用量、减小粉煤灰用量、缩短浆液初凝时间、选取小半径曲线段350 环～400 环进行试验对比，在保证渗漏控制效果的前提下，最终选定第三组试验配比，调整后的浆液凝固时间由11.5 小时缩短为8.5 小时。通过调整浆液初凝时间可增大管片与周边土体及浆液的摩阻力，改善管片脱出盾尾后发生扭转的现象。

（3）保持好盾构姿态，正确选择封顶快的拼装点位，确保4 组推进油缸的均匀推力以及合理的盾尾间隙，使盾构管片的轴线最大限度地拟合隧道设计轴线；小曲线段每掘进500mm 时停止掘进，将推进油缸全部采用拼装模式回缩一次，以减小推力产生的径向分力；盾构管片拼装完成后要马上紧固螺栓，并在推进时进行二次复紧，待盾构管片脱出盾尾后进行三次复紧，确保提高成型盾构管片的刚度。

（4）盾构管片产生扭转迹象可适当调节浆液配合比、缩短浆液凝固时间、增加盾构管片的约束力，以减少盾构管片的旋转角度。

（5）盾构管片产生扭转可将刀盘和盾构管片扭转方向进行相同方向旋转，并对旋转时间进行适当延长，严防盾构管片持续扭转，并确保其恢复正常位置。

（6）当盾构管片扭转过大时，借力盾构管片螺栓孔之间能够相互错动的时机，当拼装拱底块盾构管片时，对盾构管片进行纵向螺栓穿进后，借力拼装机钳着盾构管片朝着需要纠偏方向旋转一个角度，然后向千斤顶靠近，另外对纵向螺栓进行拧紧。以拱底块盾构管片作为一个基准，对剩余盾构管片进行正确拼装，能确保整环盾构管片向着相反方向旋转一个角度。对连续数环盾构管片都采取此法进行拼装，可及时纠正旋转误差。

5 施工验证

由于施工控制、操作人员经验不足等原因，导致太原地铁2 号线某小半径曲线段盾构管片发生扭转。通过对现场施工推进参数的查阅，详细了解了同步注浆的相关数据、现场查勘盾构管片拼装等情况，发现刀盘顺时针与逆时针旋转扭矩相差较大且盾构机扭转有明显差异，实际同步注浆量偏少（4～4.5m3）。根据地质情况及前期经验，注浆6～7m3可满足注浆要求并依据实验结果调整砂浆初凝时间，发现在小半径阶段可进一步优化推进速度、推力、扭矩等参数，现场指导盾构管片拼装手的拼装及辅助纠偏。

技术人员通过5～10 环的跟踪施工，盾构管片扭转、姿态得到了明显好转，并验证了前述有关盾构管片扭转、错台、破裂、渗水的原因分析是正确的。通过施工总结，指导了后期盾构在小半径段的有效掘进施工，并取得了良好的施工效果。

表1 同步注浆材料配合比试验

6 结语

盾构管片拼装质量管理是一项综合性工作，其质量受掘进参数、同步注浆、拼装人员技术水平、隧道线路、地质等诸多因素的影响。当掘进姿态不正常时要果断采取举措，严防质量通病。当盾构管片产生旋转现象，要依据施工现场情况研究制定合理适用的纠偏方式，保证盾构施工顺利推进。