地铁隧道小半径曲线段盾构割线始发预偏量控制方法

姜留涛 郭军

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000）

地铁建设中盾构法以其施工效率高、质量可靠、技术成熟被广泛应用。盾构始发是盾构施工的重要一环。工程实践表明，盾构施工过程中70%以上的风险事故发生在盾构始发阶段，而在小半径曲线上盾构始发施工风险更高，对周围环境和邻近建筑结构安全极为不利［1-3］。小半径曲线段盾构始发过程中，姿态受多重因素影响、施工难度大。针对盾构始发姿态控制，国内外学者已开展了一定的研究。文献［4］采用数值模拟方法分析了高压富水裂隙岩层小半径曲线段盾构掘进开挖面稳定性，并给出了长距离小半径曲线段盾构掘进参数以及姿态控制措施。文献［5-7］结合具体工程实例，采用现场监测、数值模拟等手段对小半径曲线段大直径盾构始发姿态进行了优化分析。文献［8］以石家庄地铁1 号线小半径曲线段盾构施工为例，给出了盾构选型、掘进参数、同步注浆等方面的控制措施。文献［9］结合无锡地铁1 号线小半径曲线段盾构施工，给出合理设计半径和综合施工控制措施。文献［10］给出了华东地区小半径曲线段盾构施工控制措施。

在盾构始发技术方面，现有成果主要是从施工控制、加固措施、动态监测等方面进行研究，而对于小半径曲线段盾构始发姿态影响因素及其控制方法还需进一步研究。本文依托工程实例，通过数值模拟，研究盾构始发姿态各影响因素及其关联性。

1 数值模拟分析

1.1 计算模型的建立

在曲线段盾构始发阶段，盾构机中心线保持在线路设计曲线的切线方向掘进，称之为切线始发。切线始发技术的优点在于，盾构机始发基座轴线与洞门平面保持垂直关系，始发过程中盾构机身与洞门钢环之间保持均衡的空间位置关系。但采用此种方法，当盾构机驶出加固区后，刀盘切口中心与线路设计轴线偏差过大，对盾构姿态调整及管片拼装质量控制不利。在小半径曲线段始发过程中，隧道管片受到侧向压力将沿隧道轴线外侧偏移，从而造成盾构机姿态超限等问题。为避免此类问题发生，减小盾构机与管片之间的相互影响，可在盾尾处相对于设计轴线设置预偏移量，使盾构与始发洞门间保持一定偏角进行始发作业。具体方法是将始发托架后端沿线路设计曲线的法线向曲线反方向偏移一定的距离，使盾构机中心线保持在线路设计曲线割线方向掘进，称之为割线始发，如图1所示。

图1 小半径曲线段割线始发示意

根据小半径曲线段盾构割线始发姿态几何关系，建立数学计算模型，见图2。

图2 计算模型

可由图1和图2可得：

式中：H为盾尾预偏移量；L为盾体长度；θ为预偏角；α为曲线段盾构割线始发时盾体对应的圆心角；δ为割线始发轴线与线路设计轴线间矢距，即盾构掘进轴线与线路设计轴线间最大偏移量；R为线路曲线半径。

根据GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》，在掘进过程中盾构掘进轴线与线路设计轴线间偏差量不得超过±50 mm。结合图2 可知，盾构沿割线始发过程中δ≤50 mm。可根据式（3），进一步分析R和L对δ的影响。

1.2 模拟结果与分析

1.2.1 单因素影响

1）L一定时，R对δ的影响

取L=10 m，δ随R的变化曲线见图3（a）。可知，当L一定时，δ随R增大而逐渐减小。R=250 m 时δ=50.01 mm。

2）R一定时，L对δ的影响

取R=300 m，δ随L的变化曲线见图3（b）。可知，当R一定时，δ随L增大呈递增趋势，在L=10～11 m 之间出现δ>50 mm的超限情况。

图3 δ随R和L的变化曲线

1.2.2 多因素影响正交分析

将L与R进行正交组合，计算可得δ，见表1。表中灰色区数据超限（δ>50 mm）。不同L和R组合下δ的变化见图4。

表1 不同R和L组合时δ值 mm

图4 不同L和R组合下δ的变化

由表1 和图4 可见：R越小、L越大，δ对其变化越敏感，δ超限的概率越大。

2 割线始发预偏控制

由数值模拟分析结果可知，小半径曲线段割线始发时因受R和L的影响，易出现线路偏差量过大而不满足GB 50446—2017要求的情况，故需要对盾构始发姿态设定预偏角θ。以极限偏差量50 mm 为控制目标，对R与L进行正交组合，计算可得θ，见表2。采用灰色区的预偏角数据会导致偏移量超限，现场施工时不可设置。

由式（1），结合表2计算可得对应的盾尾预偏移量H，见表3。采用灰色区的盾尾预偏移量数据会导致盾构掘进轴线与线路设计轴线间偏移量超限，现场施时不可设置。

表2 不同R和L组合时θ值 （°）

表3 不同R和L组合时H值 m

通过建立数学模型，计算在不同R与L随机组合下θ 和H。结合GB 50446—2017 规定的极限偏差量，预设合适的θ及对应的H来控制小半径曲线段盾构割线始发姿态。

3 工程案例

北京地铁19 号线支线清河站—五环路站区间盾构隧道由北向南施工，如图5所示。

图5 区间盾构隧道线路及始发位置

线路起止里程右线为YK2+850.0—YK5+275.2，长度2 425.2 m；左线为ZK2+850.0—ZK5+278.4，长度2 428.4 m。盾构施工2 次下穿京张高速铁路前后区段均为小半径曲线，埋深约20～28 m，曲线段最小半径350 m，最大半径2 500 m，最大坡度25.0‰，施工风险高，盾构掘进姿态控制难度大。

区间隧道设计为圆形断面，衬砌为装配式钢筋混凝土预制结构，管片外径6.40 mm，厚度0.30 m，环宽1.20 m。采用土压平衡盾构法施工，盾构机直径6.68 m，主机长9.5 m。盾构始发位于半径350 m的圆曲线段。因始发阶段加固区内盾构姿态调整困难，为确保盾构始发过程中掘进姿态不超限，采用割线始发。

将R=350 m，L=9.5 m 代入式（4）或查表（2）、表（3）可获得盾构预偏角θ=2.44°，盾尾预偏移量H=130.0 mm。通过式（3）或查表（1）可得该盾构割线始发过程中产生的矢距δ=32.23 mm。现场作业过程中将盾构始发时预偏角设定为2.20°，将盾尾预偏移量设定为120.0 mm。通过实测获得线路最大偏移量约28.0 mm，小于预计量32.23 mm，且满足规范要求。

4 结论与建议

本文结合工程实例，对小半径曲线段盾构始发姿态影响因素及其控制方法进行了研究。主要结论如下：

1）建立了小半径曲线段割线始发盾构姿态数值计算模型，该模型能较好地反映线路曲线半径、盾体长度对盾构线路偏移量的影响规律，具备一定参考价值。

2）提出了通过计算并预设盾构始发姿态预偏角和盾尾预偏移量的理论控制方法，确保盾构机在小半径曲线段割线始发过程中满足规范要求。经工程实践验证该方法合理可行。