小曲率半径盾构隧道管片安装质量控制

万金宝 苑强 王鑫 司洪亮 刘伟莉

摘要：盾构隧道管片的安装质量直接影响到隧道的外观和使用性能，而其安装质量受到种种因素的影响，在小曲率半径盾构隧道中尤为重要。在小曲率半径盾构隧道中，极易由于千斤顶推力不均和纠偏不到位造成管片错台、破损等一系列管片质量问题。本文以天津地铁11号线为工程背景，分析了造成小曲率半径盾构隧道管片质量问题的原因，并以此提出了管片质量控制措施。

关键词：管片安装 管片质量 小曲率半径 盾构隧道

中图法分类号：TU91              文献标识码：A

Analysis of Segment Floating During Construction of Shield Tunnel with Small Curvature Radius

WAN Jinbao  YUAN Qiang  WANG Xin   SI Hongliang  LIU Weili

（1. China Communications Third Bureau First Co.， Ltd.， Beijing， 100012 China; 2. Tianjin Huadun Engineering Supervision Consulting Company， Tianjin， 300000 China）

Abstract： The installation quality of shield tunnel segments directly affects the appearance and service performance of the tunnel， and its installation quality is affected by various factors， especially in shield tunnels with small curvature radius. In the shield tunnel with small curvature radius， a series of segment quality problems such as segment dislocation and breakage are easily caused by uneven jack thrust and inadequate correction. Based on the engineering background of Tianjin Metro Line 11， this paper analyzes the causes of segment quality problems in shield tunnels with small curvature radius， and puts forward the segment quality control measures.

Key Words： Segment installation; Segment quality; Small radius of curvature; Shield tunnel

由于曲線盾构隧道在线路使用上具有极强的灵活性，经常与直线段配合使用，可解决规划及地质原因造成的线路问题。但是小曲率半径盾构隧道管片姿态控制难度更大，对于管片安装质量要求更高。

樊济新等通过对南京地铁10号线工程进行研究，对管片拼装技术进行了详细的总结;周飞等研究了通缝和错缝拼装对盾构管片力学性能的影响，对施工现场提高管片安装质量有较大帮助;何先等对小曲线半径盾构隧道中的管片拼装及控制技术进行了详细的分析，并列出了施工要点及控制措施;陈云尧等通过建立拼装椭圆度与纵缝变形规律数值模型，分析了拼装椭圆度、拼装点位对纵缝张角的影响;邵高波等通过天津地铁的300m小曲率半径盾构隧道的掘进工程，统计分析了造成管片错台、破损等质量问题的原因，并对后续掘进提出了控制措施;杨帆等通过对武汉地铁6号线的小曲率半径盾构隧道施工技术进行总结分析，提出了提高管片拼装质量的控制措施;陈曦等基于BIM技术建立了盾构管片自动拼装模型，对于提高盾构管片拼装效率及拼装质量有很大帮助。

由于管片安装质量对于盾构隧道的结构适用性及耐久性有重要影响，因此国内学者及专家对于这方面的研究也较为重视，但多数都是研究管片错台、破损因素，却未对影响管片安装质量的因素的源头进行详细分析，且小曲率半径盾构隧道对管片安装质量要求更为苛刻。

本文基于天津地铁11号小曲率半径盾构隧道项目，对影响管片安装质量的因素进行详细分析，并提出了针对性措施，以期对施工提供指导。

1 工程概况

天津地铁11号线内江路-陈塘站区间长396.1m，本段区间出内江路站后以半径 350m 曲线，向东转至东江道，到达陈塘站。隧道结构覆土厚度在11.8～10.3m 之间。区间隧道结构内径为5.5m、外径为6.2m，区间自内江路站起，沿内江路路下敷设，向东到达陈塘站（见图1）。

由于本阶段盾构区间转弯半径为350m，小曲率半径盾构隧道管片安装质量控制本就复杂，且此区间地层处于中粗砂、粉细砂和粉质粘土夹层，稳定性较差，同时地下水非常丰富，若管片安装质量不达标，极易造成管片渗漏水，影响隧道的正常使用。因此，研究影响小曲率半径盾构隧道管片安装质量的因素对于本工程具有重要的实际意义。

2 管片安装质量影响因素

2.1 管片上浮

由于盾构隧道的特性，导致管片在脱出盾尾时会存在盾尾间隙，需要通过注浆来填充间隙，而由于注浆浆液需要凝固时间，往往会存在浆液浮力而导致管片上浮。管片上浮可能导致管片的错台、破损，从而引发渗漏水情况，严重影响隧道结构的使用效果。

2.2 纠偏不到位

盾构隧道原本是由直线开挖，但由于规划和地质等因素需要利用曲线的灵活性来达到路线要求，因此通过一段一段的折线来实现盾构隧道的曲线路径。但是小曲率半径盾构隧道在掘进过程中并无法通过控制千斤顶推力来达到轴线的控制，而是通过不断纠偏以到达预期轴线，因此一旦纠偏不到位就会导致管片出现错台、破损等情况，影响管片的安装质量。

2.3 管片渗漏水

盾构隧道防水主要是由管片防水为主，但由于管片之间存在接缝，因此需要对接缝进行防水处理。因此，管片自身的质量和接缝防水质量是影响管片渗漏水的主要原因。管片和接缝之间需要通过橡胶密封条来进行防水，橡胶密封条的粘贴质量若不合格，就会出现管片局部渗漏水。

2.4 千斤顶推力不均

小曲率半径盾构隧道通过施加左右不对称推力来达到盾构机转弯的效果，对左侧施加较大的推力则可以使盾构机向右偏转，但是左侧推力较大也会造成左侧管片受力集中，从而导致管片出现破损。此外，转弯段左右不对称千斤顶推力会产生一个侧向分力，该侧向分力容易使管片发生侧移，从而导致管片错台现象的发生。因此，千斤顶左右推力不均是影响小曲率半径盾构隧道管片安装质量的一个重要因素。

3 管片安装质量控制措施

通过对上述影响管片安装质量的种种因素进行分析，从而制定相对应的管片安装质量控制措施。

3.1 使用合适的浆液配合比

注浆浆液的初凝时间和早期强度是影响管片上浮的重要因素，可以通过试验配制出合适的浆液配合比，来减少初凝时间，同时提高浆液早期强度，以达到控制管片上浮的目的。同时，由于本工程处于富水砂层，同步注浆之后浆液容易被地下水稀释，同时也影响着浆液的强度，因此确定合适的浆液配合比对于控制管片上浮有着重要作用。

3.2 轴线控制

3.2.1铰接装置和仿形刀的运用

盾构隧道在开挖过程中，由于管片侧部并不是圆滑的曲线，且动力控制存在误差，盾构掘进轴线与设计轴线不可避免地会出现偏离。盾构隧道转弯施工有着许多优点，但其转弯施工的实现也存在许多技术难点，曲线盾构隧道开挖基于主动铰接装置与仿形刀的使用得以实现。曲线隧道在掘进过程中，通过主动铰接装置来减小后盾的转角，使盾尾与管片间不发生碰触，防止管片破损。盾构机外围土体通过仿形刀按照要求进行超挖，仿形刀使盾构隧道曲线推进、转弯及纠偏得以顺利进行。

3.2.2轴线预偏

由于千斤顶推力不均，导致转弯段管片会受到一个侧向分力的作用，从而使管片向外侧偏移。在盾构机转弯段设置一个预偏量，可以有效减轻管片偏移的情况。设置预偏量能够使盾构机沿隧道线型法线方向掘进时产生的偏移与预偏量相抵消，从而使管片的拼装更符合要求。其中，预偏量受转弯半径及千斤顶推力大小的影响。另外，可根据实际施工掘进过程中管片的姿态对预偏量进行调整。

3.3 防水控制

为防止管片本身出现质量问题而导致渗漏水情况发生，应对使用管片逐环进行检查验收，预防有不合格管片投入使用。

另外，管片接缝处的防水更为重要，由于管片接缝处受到推力的作用会产生一定的张开量，为防止接缝处渗漏水，可适当加大传力垫层厚度和橡胶密封条体积，同时需要严格控制橡胶密封圈的粘贴质量。

3.4 管片拼装

3.4.1管片宽度设计

如图2所示，千斤顶推力不均而形成的侧向分力的大小取决于推力的大小和角的大小，在千斤顶推力一定的情况下，角的大小与转弯半径、管片外径和管片宽度有关。在转弯半径和管片外径确定的情况下，管片宽度越小，角越小，侧向分力也就越小。

而从隧道整体来看，两环管片在拼装后会形成一个折角，当两环管片宽度越小时，微分效果越好，隧道线性更加接近曲线，且还能保证管片的安装质量。

3.4.2管片安装

管片安装流程如图3所示。

3.5 合理控制千斤顶推力

3.5.1适当降低推进速度

由图4可知，小曲率半径盾构隧道掘进时由于千斤顶不对称推力会形成一个侧向分力：

（1）

（2）

式中：为千斤顶总推力;为拼装管片与隧道设计轴线夹角;为隧道转弯半径;为管片外径;为一环管片的厚度。

由式（1）可知，侧向分力的大小取决于盾构推力和夹角的大小。由式（2）可求得拼装管片与设计轴线的夹角，从式中可知，夹角与隧道转弯半径、管片外径和管片长度有关。盾构隧道施工中，管片参数和转弯半径已经设计完成，因此盾构推力的大小就直接决定了侧向压力的大小。为了减小側向分力，从而减小因千斤顶推力不均而产生的管片质量问题，可在转弯段施工时适当降低推进速度，即减少千斤顶推力。

3.5.2间歇性施工

在小曲率半径盾构隧道中，左右侧的千斤顶推力不均会形成一个侧向分力，而这个侧向分力容易导致管片错台、破损，引发管片的质量问题。为了减轻这种影响，可以采取间歇性施工的方法，使千斤顶推进一段距离后停顿一下，使集中应力得到释放，从而减轻管片所受到的侧向分力，从而减轻对管片的结构性损伤。

4 结语

本文以天津地铁11号线为工程背景，通过总结影响小曲率半径盾构隧道管片安装质量的种种因素，提出了几点小曲率半径盾构隧道管片安装质量控制措施，可以从使用合适的浆液配合比、轴线控制、防水控制、管片拼装设计和合力控制千斤顶推力等方面来进行改进，从而对施工起到指导作用。

参 考 文 献

[1] 樊济新.大直径泥水盾构管片拼装技术控制[J].山西建筑，2018，44（28）：144-145.

[2] 周飞，陈志敏，张常书，等.砾砂层盾构隧道管片拼装与封顶块位研究[J].公路，2021，66（8）：342-349.

[3] 何先.关于小曲线半径地铁盾构施工管片质量控制技术[J].低碳世界，2021，11（1）：195-196.

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[6] 杨帆，叶钟文，王小云.小曲线半径盾构管片拼装质量控制[J].公路交通科技：应用技术版，2017，13（9）：252-254.

[7] 陈曦，甘英聪，吴湖英，等.基于BIM技术盾构隧道管片自动拼装研究[J].土木建筑工程信息技术，2021，13（3）：75-80.

作者简介：万金宝（1983—），男，本科，工程師，研究方向为隧道及地下工程。