小半径曲线盾构施工参数确定及纠偏方法＊

杨 洋，缪春远，李敬余，刘家顺，郑智勇，刘页龙

（1.中铁九局集团第四工程有限公司，辽宁 沈阳 110013；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

随着地铁工程的不断修建，城市地铁建设网络越发密集，地铁施工过程引起的地层损失将破坏隧道周围土体原有的平衡状态，其影响范围内土层应力损失，诱发地表沉降，甚至会威胁上部建筑物或构筑物的安全。随着地铁网络的越发密集，盾构近距离下穿建、构筑物的情况将逐渐增多，盾构施工面临的技术问题，特别是圆砾地层小半径曲线盾构施工参数合理确定成为盾构施工必须要解决的关键技术难题[1-2]。

圆砾地层小半径曲线盾构施工参数合理确定已成为国内外工程建设者关注的重点问题[3]。罗锡波等[4]以成都9 号线盾构区间隧道为例，研究了区间坡型对盾构开挖过程中掘进推力、掘进速度、土仓压力和刀盘扭矩的影响，并对富水砂卵石地层条件下盾构施工掘进参数进行优化，为类似工程提供了一定的参考；王海成[5]阐述了盾构机关键施工工艺及主要参数指标；高鹏鹏等[6]研究了不同注浆材料的性能以及对盾构施工参数的影响规律；袁吉[7]校核了盾构开挖过程中影响盾构机曲线施工的因素，给出了影响盾构机曲线施工关键因素为盾构机、管片选型；韦生达等[8]运用灰色理论分析了总推力、同步注浆压力等不同控制参数的实测数据，研究了富水砂卵石地层盾构控制参数对地面沉降的影响。

综上，国内外学者已经对复杂地质条件下盾构施工参数进行了分析与研究，但沈阳地铁四号线第16 标段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲线半径为300 m，且穿越地层以圆砾地层为主，面临施工参数难确定、施工质量难控制等技术难题。因此，以沈阳地铁四号线第16 合同段盾构区间为工程背景，基于盾构土仓压力与掌子面压力平衡原理，分别计算了盾构推力和扭矩、盾构出土量、同步注浆参数、二次注浆压力控制以及渣土改良和管片拼装措施，为圆砾地层小半径曲线盾构施工提供了数据支撑，研究结果具有重要的现实意义，并且为其他工程应用提供了一定的参考价值。

1 工程概况

中铁九局第四工程有限公司承建的沈阳南站站—创新路站区间里程右DK33+067.100—DK33+096.300范围内，以线间距15 m 平行斜穿电力管廊，管廊底板底距离区间结构顶竖向最短垂直距离约1.45 m，为一级环境风险工程；区间在里程右DK33+064.300—DK33+074.500 范围内，以线间距15 m 平行斜穿3 号线有轨电车，有轨电车基础底距离区间结构顶最短垂直距离约9.8 m，为二级环境风险工程。周围重要市政管线包括给水铸铁管DN400，管底最大埋深约2.63 m；排水塑料管DN800，管底最大埋深约2.5 m；煤气铸铁管DN377，管底最大埋深约2.9 m，如图1 所示。

图1 沈阳地铁四号线圆砾地层曲线段盾构平面示意图

盾构机的各种推进阻力的累积及所需的富余量共同决定了总推力值的大小，对于土压平衡盾构，考虑的推进阻力主要有以下几项。

盾体摩擦力：盾体与地层间的摩擦力计算公式为F1=0.25πDL（2Pе+2K0Pе+K0γD）×μ1+W×μ1。

管片与盾尾之间的摩擦力：管片与盾尾之间的摩擦力计算公式为F2=n1×Ws×μ2+π×D0×b×p2×n2×μ3。

2 圆砾地层小半径曲线盾构施工参数确定

2.1 盾构推力和扭矩

后配套拖车的拖拉力：后配套的拖拉力计算公式为F4=W4×μ4。

刀具上的推力：刀盘上设置有刀刃约120 把，按每把10 kN 计算得刀盘刀具所需的力为F5=120×10 kN=1 200 kN，推进阻力的总和与富裕量系数（1.3）的乘积为系统推力，F=1.3×（12 340+371+6 192+255+1 200）=26 465.4 kN；实际配置推力为3 991 t，安全系数1.51 倍，满足使用要求。盾构扭矩受盾构机外径的影响极大，其关系为Tе=α1×α2×α0×D03。

根据中铁装备盾构机设计额定扭矩为6 650 kN·m，安全系数为8 100/3 468 = 2.0。而最高脱困扭矩为8 100 kN·m，满足条件。

2.2 盾构出土量控制

盾构机下穿建筑物施工过程中，考虑1.2 的土体松散系数，每环出土量应为理论值的98%。沈阳地铁四号线16 标段盾构开挖断面面积30.96 m2。据此计算，每环理论出土量Q应为30.96×1.2=37.15 m3，即出土量为37.15×1.2×98%=43.69 m3。

2.3 同步注浆参数控制

盾构穿越圆砾地层施工时，因为圆砾层不均匀性和盾构刀盘旋转施工问题，待盾尾通过后，盾构衬砌管片外侧将与地层形成一定的间隙，极易引发地层沉降等灾害。因此，在盾构推进施工过程中必须采用同步注浆的方式对此间隙进行及时填充。针对圆砾地层特点，本项目同步注浆选用水泥-水玻璃双液浆，严格控制注浆量及浆液的配比，保持浆液泌水性小，且和易性良好，从而减小浆液的固结收缩。同步注浆量一般控制在建筑空隙的140%～200%，即每环同步注浆量为4.8～6.5 m3。注浆压力控制在0.2～0.3 MPа。

2.4 二次注浆压力控制

由于土层中有裂隙的存在，在同步注浆过程中，浆液大概率会沿此裂隙渗透，从而造成注浆浆液不饱满，因此根据实际工程需要，在管片脱出盾尾5 环后，需对管片外围和土体之间形成的空隙进行二次注浆，其浆液为水泥及水玻璃双液浆。水灰比范围为0.8～1，水玻璃与水比例取1∶1.5；注浆压力0.3～0.5 MPа。根据地面沉降监测情况及时动态调整二次注浆配比和注浆量，从而使地层变形量达到最小。在下电力管廊段和有轨电车段根据以上比例采取双液浆二次注浆，必要时采用多次注浆补强的方法，确保盾构下穿风险源施工过程的安全。

3 小半径曲线盾构纠偏技术

为减小盾构施工对地层的扰动，在盾构机曲线穿越风险源过程中保证其匀速推进。同时，曲线段施工时应尽量及时进行盾构纠偏，避免大幅度和多频次调整盾构姿态。考虑衬砌管片受力均匀性，应控制衬砌每环垂直和水平的纠偏量不超过±5 mm。本文基于最小纠偏半径原理，采用Cаt 映射方法初始化种群，并通过混沌搜索的方式指导盾构机准确纠偏，提高盾构纠偏精度和纠偏速度。

3.1 纠偏原理

盾构纠偏原理几何模型如图2 所示，其中点A和点P2为盾构设计轴线位置，点P1（x1，y1）为盾构机纠偏的起始点位置，P2（x2，y2）为盾构设计轴线位置，其对应为纠偏调整后的终点位置。α1为纠偏前P1点切线的夹角，α2为纠偏后P2点切线的夹角。通过P1、P2点坐标和几何关系求得纠偏距离和偏差，确定出圆弧的半径，得到圆弧的轨迹和弧长。具体操作步骤为：当测量发现盾构产生位置偏向后，在盾构纠偏起点P1，根据几何特性采用Autосаd2010 软件，设计半径为R1和R2两个圆弧，其原点分别为O1和O2，沿两个反向圆弧拟合成盾构机的纠偏曲线至P2。连接点P1、P2并沿点P2做其反向水平线交于A点，并连接点P1A使其垂直于AP2，据此确定纠偏距离为AP2，盾构纠偏的偏差为P1A。

图2 盾构纠偏原理

3.2 建立最小纠偏半径模型

曲线盾构最小纠偏半径模型的关键在于确定最小纠偏半径Rmin，最小纠偏半径由推进油缸推力、铰接装置几何尺寸和盾尾间隙3 个参数共同确定。因此实际转弯过程中，最小转弯半径R1由隧道初始设计轴线控制，最小转弯半径R2由盾尾间隙控制，最小转弯半径R3由铰接角度控制，最小转弯半径R4由推进液压缸行程差控制。综上确定，盾构机的最小转弯半径为min{R1、R2、R3、R4}。

3.3 盾构纠偏精度提高算法

为提高盾构纠偏精度，采用Cаt 映射方法初始化种群，并通过混沌搜索的方式指导盾构机准确纠偏；通过差分变异改进人工蜂群算法的搜索机制，使得搜索过程达到动态搜索从而提高收敛速度。其步骤如下。

第一步，将影响盾构机纠偏参数的最优特征子集{Ri，δi，αi，Pi}作为人工蜂群算法的初始种群。其中，Ri为曲线隧道设计半径值，δi为盾尾间隙参数，αi为铰接装置几何尺寸控制参数，Pi为推进液压缸行程控制参数。

第二步，在初始种群中引入混合记忆权重因子得到人工蜂群算法新种群。种群更新过程如下：

式（1）中：Pw（t+1）为第t+1 代子群最差个体；Pw（t）为第t代子群最差个体；Dis（t+1）为蜜蜂个体第t+1 代的更新步长。

式（2）中：W（t+1）为第t+1 代混合记忆权重因子，在[0，1]中的随机取值；Dis（t）为蜜蜂个体第t代的更新步长；R为[0，1]中的随机数；Pb（t）为第t代子群最优个体。

第三步，利用差分变异法结合缩放因子更新搜索机制，使搜索过程达到动态调整，搜索方程如下：

式（3）中：F为缩放因子；为k时刻种群筛选后的新解。

第四步，通过上述算法得到最优的{Riор，δiор，αiор，Piор}值为控制盾构机掘进姿态的控制参数，从而实现盾构快速准确纠偏的技术效果。

4 结论

以沈阳地铁四号线第16合同段盾构区间为工程背景，研究了小半径曲线盾构施工参数控制和纠偏控制方法，主要研究结论如下：①分析了圆砾地层盾构施工核心土开挖与开挖面支护、盾构掘进与盾尾管片拼装和盾尾孔隙注浆回填过程中土仓压力与掌子面压力、总推力、各种工作阻力、土层扰动应力、围岩被挤压应力以及地表沉降或隆起的力学机理；②通过试验段理论计算了盾构推力、扭矩、出土量、同步注浆压力和注浆量、二次注浆压力及注浆量等盾构推进参数，给出了试验段盾构推进参数及控制措施；③采用差分变异法和Cаt 映射结合的方式改进人工蜂群算法，并对盾构机掘进参数进行优化，从而实现盾构掘进纠偏的速度和精度。