盾尾间隙控制分析

于万友

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

目前，国内外学者针对隧道穿越与施工影响方面已经做了一系列的研究。 杨芝璐[1]，何川[2]，王超东[3]等研究了不同叠交角度下新建隧道对既有隧道的影响规律， 发现在加载一定的情况下叠交角度越小，既有隧道变形越大；张轩[4]，陈大川[5]等利用数值仿真软件分析了隧道施工对沿线构筑物的影响；张斌[6]通过对地层损失率的研究， 对大直径盾构隧道产生的应力释放与地表位移进行了分析研究；孙廉威[7]通过改变模型参数研究了不同工况既有地下管线存在下的开挖面失稳机制。张岳强[8]，董礼[9]，Aygar[10]， Liang[11]等对盾构机穿越隧道与构筑物时产生的风险进行分析，并提出相应的解决办法。 潘涛[12]对盾构近距离上穿运营隧道的变形规律进行探索， 综合考虑既有隧道的纵向与水平变形， 提出了最佳的盾构掘进速度。 王超东等[13]采用室内模型实验模拟了新建隧道斜交既有隧道的工况， 研究了施工对既有隧道自身结构及周围土体的影响。 李小奇[14]，吴凡[15]等基于不同工况提出了下穿施工时不同上部构筑物的加固方案， 并对其加固效果进行了分析。

1 盾尾间隙的控制计算分析

1.1 隧道曲线半径与盾尾间隙的相关计算分析

为了更好地控制盾构在曲线上掘进施工，对盾构机盾尾内壁与管片外壁之间的间隙进行分析计算；而由于不同盾构机的设备参数是不同的，因此盾尾间隙的初始值也不一样。 假设管片环的拼装是符合理想状态的，并且盾尾间隙的初始值为y，其计算简图如图1 所示，计算式如下

图1 盾构曲线段施工时盾尾间隙计算简图Fig.1 Calculation diagram of shield tail clearance during shield construction

式中：R 为隧道曲线半径，m；D 为管片环外直径，mm；l 为盾尾覆盖管片的长度，m；x/2 为盾构转弯需要的盾尾间隙，mm；δ 为最小盾尾间隙值，mm；y 为盾尾间隙初始值，mm。

1.2 盾构俯仰角影响下的盾尾间隙计算分析

为了适应盾构俯仰角的变化情况，需对盾构在曲线段上掘进时所需要的盾尾间隙下，进一步分析在受到俯仰角的影响下，盾尾间隙的变化情况。 其计算简图如图2 所示，图2 中的x 值与式（1）中的x值算法一致但值的大小不同，而图2 中的δ 值与图1 中的δ 值是不一样的，可从图2 与式（4）得到计算式如下式中：δ′/2 为盾构俯仰角变化所产生的盾尾间隙变化量，mm；α 为盾构产生的俯仰角，（°）。

图2 盾构施工受俯仰角影响下的盾尾间隙计算简图Fig.2 Calculation diagram of shield tail clearance under the influence of pitch angle in shield construction

当在直线段上施工， 且只受到俯仰角的影响时，其盾尾间隙计算式为

2 盾尾间隙的影响因素分析

2.1 隧道曲线半径对盾尾间隙的影响

隧道曲线半径对盾尾间隙的影响是显著的，从式（3）可知，在管片大小确定的情况下，盾尾间隙主要与隧道曲线半径和盾尾覆盖管片的长度有关；并且隧道曲线半径与盾尾覆盖管片的长度关系到盾尾间隙改变量的大小； 其中隧道曲线半径是变量时，对盾尾间隙的影响是最显著的。 并且在管片环直径的大小已知时，可以通过公式计算出不同隧道曲线半径下的盾尾间隙改变量。

本次计算是以无锡地铁的盾构设备参数进行相关计算，其中盾尾外径为6.37 m，盾尾盾壳厚度为40 mm，楔形管片环的外直径为6.2 m，盾尾间隙为45 mm；假设盾尾覆盖管片的最大长度与管片幅宽的值是一致的，并且根据国内管片现状，把管片幅宽L 的取值为1，1.2，1.5，2 m；隧道曲线半径的取值范围是50～1 200 m。通过上述条件计算得到的盾尾间隙改变量与隧道曲线半径的关系曲线图，如图3 所示。 并且盾尾间隙的初始值为45 mm， 由式（4）得到最小盾尾间隙值与隧道曲线半径的关系曲线图，如图4 所示。

图3 隧道曲线半径对盾尾间隙的影响Fig.3 Influence of tunnel curve radius on shield tail clearance

图4 隧道曲线半径对应的最小盾尾间隙Fig.4 Minimum shield tail clearance corresponding to tunnel curve radius

在管片外直径确定的情况下，盾尾间隙主要受隧道曲线半径和管片幅宽的影响。 从盾尾间隙所需改变量与隧道曲线半径关系曲线图（图3） 可以看出，盾尾间隙受到曲线半径的影响更显著；管片幅宽的大小不相同时， 盾尾间隙所需改变量不同，但曲线图的整体趋势都是盾尾间隙改变量随着曲线半径的增大而逐渐减小。 而从盾尾间隙值与曲线半径关系曲线图（图4）可以看出，最小盾尾间隙值随着隧道曲线半径的增大而增大；其中曲线半径取值的范围为50～400 m 是盾尾间隙变化最明显的阶段，盾尾间隙随着曲线半径的增大而逐渐从快到慢的增大；曲线半径的取值为400～800 m 是盾尾间隙变化逐渐减缓的阶段，曲线图随着曲线半径的增大逐渐趋近于一条直线；而当曲线半径的取值范围为800～1 200 m 是盾尾间隙变化最不明显的阶段，关系曲线图已基本趋近于一条直线。

2.2 盾构俯仰角对盾尾间隙的影响

盾尾间隙在盾构机制造时就已经确定了具体数值，并且盾尾间隙值相比于盾构机的其它参数来说是微不足道的，有时候盾构机掘进施工过程中出现的微小变化也是有可能对盾尾间隙造成较大影响的； 而盾构俯仰角的产生就是一种微小的变化，其对盾尾间隙的影响是十分显著的。 从式（5）可知，俯仰角越大盾尾间隙所需的改变量就越大，而盾尾间隙在盾构机制造时就已经是一个确定的值；因此盾构俯仰角不能过大，以免出现盾尾间隙所需的改变量大于盾尾间隙值的情况。

无锡地铁的盾构机参数中盾尾间隙的取值为45 mm，通过式（5），式（7）可算出盾构俯仰角在不同管片幅宽时所能取到的最大值；并且管片幅宽越大，盾构俯仰角所能取得的值越小。 在管片幅宽不同的情况下绘制关系图时， 俯仰角能取得的最大值为管片幅宽最大时所对应的俯仰角值。如图5 所示，不同盾构俯仰角下所需要的盾尾间隙关系图；又盾尾间隙的初始值为45 mm，由式（7）得到盾构俯仰角与盾尾间隙值的关系曲线图，如图6 所示。

图5 盾构俯仰角对盾尾间隙的影响Fig.5 Influence of shield elevation angle on shield tail clearance

图6 盾构俯仰角对应的最小盾尾间隙值Fig.6 Minimum shield tail clearance corresponding to shield elevation angle

从图5 可知，盾构俯仰角与管片幅宽对盾尾间隙的影响是显著的，其中俯仰角对盾尾间隙的影响更大，且俯仰角的取值范围与盾尾间隙所需改变量都是微小的变化。 虽管片幅宽大小不同，但曲线的趋势都是盾尾间隙改变量随着盾构俯仰角的增大而增大；并且管片幅宽越大，盾尾间隙的改变量的增长速率越快。 而从盾构俯仰角与盾尾间隙值的关系曲线图（图6）可以看出，最小盾尾间隙值随着盾构俯仰角的增大而减小，且盾构俯仰角与盾尾间隙值的关系非常接近线性关系。 管片幅宽越大，盾构俯仰角所能取得的最大值与取值范围越小；并且关系曲线图的总体趋势是盾构俯仰角越大，对盾尾间隙的影响越大，最小盾尾间隙的值也就越小。

2.3 盾尾覆盖管片长度对盾尾间隙的影响

盾构隧道是由管片拼装而成的，而其中管片幅宽决定了盾构机在曲线段上顶推一环所需的距离，并且也决定了盾构机盾尾所需覆盖管片的最大长度。 从式（1），式（2）可以看出，当隧道曲线半径不变时盾尾覆盖管片的长度越长，实际施工中盾构转弯所需的盾尾间隙就越大； 然而所需盾尾间隙越大，最小盾尾间隙值就越小，当盾尾间隙过小时，盾尾内壁壳上的力会直接挤压到管片外壁上，造成盾构掘进中盾尾与管片发生碰撞。 反过来当管片幅宽过小时，造成盾尾间隙就越大，盾尾刷的密封效果就越差，密封效果不好将会导致水泥浆出现渗漏。 因此为了避免出现盾尾覆盖管片长度不当而造成盾尾间隙过大或过小的情况发生，对于管片幅宽就需要选择适合现场施工的。

盾构掘进施工过程中，盾尾覆盖管片的最大长度是随着盾构顶推前进而逐渐减小的；并且盾尾覆盖管片的长度与盾尾间隙的计算是息息相关的，不管盾尾间隙是受到隧道曲线半径还是盾构俯仰角的影响都需要通过盾尾覆盖管片的长度来计算盾尾间隙值。 并且可以通过公式把盾尾覆盖管片的长度设置成变量， 绘制出不同条件下的关系曲线图。如图7 所示，盾尾覆盖管片长度与盾尾间隙值的关系曲线图；如图8 所示，盾尾间隙与盾尾覆盖管片长度的关系曲线图。

图7 不同曲线半径下盾尾覆盖管片长度对盾尾间隙的影响Fig.7 Effect of shield tail covering segment length on shield tail clearance under different curve radius

图8 不同俯仰角下盾尾覆盖管片长度对盾尾间隙的影响Fig.8 Effect of shield tail covering segment length on shield tail clearance under different pitch angles

从图7 可以看出，在隧道曲线半径为一确定值时，盾尾覆盖管片的长度越长，最小盾尾间隙值就越小；也就说明盾构在曲线段上施工时，最小盾尾间隙值是随着盾构不断向前掘进而逐渐增大的，即盾尾覆盖管片的长度是随着盾构掘进而逐渐减小的；隧道曲线半径越小，最小盾尾间隙值的变化趋势越快。 而从图8 可以看出，在盾构俯仰角的值是确定的时候，盾尾覆盖管片的长度越大，盾尾间隙的最小值越小；并且与图7 对比发现，图8 受到盾尾覆盖管片长度的影响更显著，且盾尾间隙值与盾尾覆盖管片长度的关系非常接近线性关系；并且俯仰角越大，最小盾尾间隙值的变化趋势越快。

3 盾尾间隙控制措施与建议

3.1 盾尾间隙控制措施

根据盾尾间隙的分析计算与盾尾间隙的影响因素分析可知， 由于盾尾间隙大小的控制范围，以及隧道曲线半径、盾构俯仰角、盾尾覆盖管片的长度的大小，决定了盾尾间隙的控制措施，主要如下。

1） 隧道曲线半径对盾尾间隙的影响分析表明，在管片大小确定的情况下，盾尾间隙主要与隧道曲线半径和盾尾覆盖管片的长度有关；其中隧道曲线半径对盾尾间隙的影响是更显著的。 在管片直径与盾尾覆盖管片的长度已知时，可通过改变隧道曲线半径来调节最小盾尾间隙值，找到适合施工环境的盾尾间隙值。

2） 盾构俯仰角对盾尾间隙的影响分析表明，盾构俯仰角的产生在盾构掘进施工中的变化是微小的，但其对盾尾间隙的影响是十分显著的；并且俯仰角越大盾尾间隙所需的改变量就越大，而盾尾间隙在盾构机制造时就已经是一个确定的值，因此盾构俯仰角不能过大，避免出现盾尾间隙所需的改变量大于盾尾间隙初始值的情况。

3） 盾尾覆盖管片的长度对盾尾间隙的影响分析表明，当隧道曲线半径不变时盾尾覆盖管片的长度越长，实际施工中盾构转弯所需的盾尾间隙就越大，盾尾间隙值就越小；反过来当盾尾覆盖管片的长度过小时，造成的盾尾间隙值就越大。 为了避免出现盾尾覆盖长度不当而造成盾尾间隙过大或过小的情况发生，对于管片幅宽就需要选择适合现场施工的，并且也可通过调节隧道曲线半径和盾构俯仰角的大小来改变最小盾尾间隙值。

3.2 盾尾间隙控制建议

由以上关于盾尾间隙控制措施可知，影响盾尾间隙的因素是多方面的，为此对盾尾间隙的控制提出以下建议。

1） 在管片外直径与盾尾覆盖管片的最大长度已知时，盾尾间隙的大小跟隧道曲线半径的大小是息息相关的。 因此，为了使盾尾间隙值满足施工条件，尽量使用更大的隧道曲线半径。

2） 在盾构俯仰角增大的过程中所需的盾尾间隙量是非常多，而盾尾间隙的初始值是一定的。 为了使盾构俯仰角产生的盾尾改变量满足盾尾间隙的初始值，尽量使产生的盾构俯仰角更小。

3） 盾尾覆盖管片的长度对盾尾间隙的影响是显著的，其对隧道曲线半径和盾构俯仰角都有一定程度的影响。 对于盾尾覆盖管片长度尽量选择适中的，即管片幅宽的选择要适当。

4 结论

1） 在管片环外直径已知，并且盾尾间隙在受到隧道曲线半径影响的情况下，可知隧道曲线半径对盾尾间隙的影响主要体现在曲线半径为50～400 m的区间上，并且在曲线半径大于600 m 后对盾尾间隙的影响逐渐减小。

2） 由盾构机前重后轻而产生的盾构俯仰角，对盾尾间隙的影响是显著的，且盾构俯仰角与盾尾间隙值的关系非常接近线性关系。 并且产生的俯仰角是有一定界限的，不能过大，避免出现所需盾尾间隙改变量大于盾尾间隙初始值的情况。

3） 盾尾覆盖管片的长度越大， 对盾尾间隙的影响就越显著， 且盾尾覆盖管片的长度可通过隧道曲线半径来减小对盾尾间隙的影响。 即盾尾覆盖管片的长度过大时， 可通过增大隧道曲线的半径来调节。

4） 盾构俯仰角受到盾尾覆盖管片的长度的影响是显著的，且不同盾构俯仰角下盾尾间隙值与盾尾覆盖管片长度的关系非常接近线性关系。 而为了使最小盾尾间隙值符合施工要求，覆盖管片的长度越长，产生的俯仰角就要越小。