小半径曲线段盾构施工隧道轴线偏差控制万绍涛

1、小半径曲线段盾构施工隧道轴线偏差控制万绍涛摘要：文章以上海市轨道交通12号线5标东兰路站虹梅路站区间隧道的施工 为例，对盾构在小半径曲线段施工过程中轴线控制的重、难点进行分析，针对导 致轴线难以控制的原因提出并实施了一些解决方法，得到了一些效果。关键词：盾构；小半径曲线；轴线；控制1刖言在我国现行上海市地铁建设中，相应规范中盾构施工时隧道轴线偏差规定为：水 平、高程偏差为正负50mm；盾构掘进完成后隧道轴线偏差规定为：水平、高程 偏差为正负50mm。在小半径曲线段隧道轴线情况下，盾构施工对隧道轴线的偏 差控制是工程的重点、难点。由于盾构机本体为一个圆柱形刚体，在隧道曲线段 施工时，盾构机与曲线

2、不能重合，因此盾构在推进过程中就要不停地纠偏，对于半 径越小的曲线所需要纠偏的量就越大，在过程中纠偏的灵敏度就越低，轴线就越 难控制。在隧道平曲线为小半径曲线时，往往还存在竖曲线或者坡度变化大等情 况，这更加大了轴线的控制难度。2工程概况上海轨道交通12号线5标东兰路站一虹梅路站区间下行线盾构隧道工程从东兰 路站北端头井始发至虹梅路站西端头井接收，总长约512m。区间隧道为一条半 径为350m的小半径曲线，隧道纵断面的最小坡度2%。，最大坡度11.7%。隧道 覆土最小为8.87m，最大为11.23m。3轴线控制重难点及原因分析在本标段工程顾戴路东兰路区间盾构施工后，区间隧道轴线控制不太理想：整

3、 个区间共计1375环，隧道轴线测量点每5环设一个点，共计275个测量点，每 个点有平偏和高偏两个数据，共计550个样本点，其中盾构推进过程中轴线偏差 50mm个数为49个，比例为8.9%；贯通后成型隧道轴线偏差50mm个数 为59个，比列为10.7%；贯通后成型隧道轴线偏差100mm个数为3个，比列 为0.5%，且大部分轴线偏差点分布在小半径曲线上。从以上数据可以看出轴线控制不理想，建设单位及监理单位对本区间做出要求： 本区间盾构推进中、贯通后轴线偏差的50mm比例必须分别控制在4%和5%， 成型后偏差100mm数量为0。在业主单位和监理单位的监督下，项目部人员从人、机、料、法、环、测量六个

4、 方面对顾戴路东兰路区间盾构施工轴线控制进行分析，总结出五个盾构推进过 程中轴线控制的重难点，分别为：设计线路平曲线半径小、微承压水砂性土层、 管片与盾构的中心夹角过大、盾尾与管片的间隙不均匀、管片错台过大，以下分 别对其进行原因分析。3.1设计线路平曲线半径小盾构机本体为一个圆柱形刚体，在隧道曲线段施工时与曲线不能重合。对于半径 越小的曲线所需要纠偏的量就越大，在过程中纠偏的灵敏度就越低，对于轴线的 控制就越难。盾构施工时，盾构机的水平转弯主要依靠左右两边的油缸形成行程 差来进行，半径越小形成差越大；小半径曲线段施工时，盾构机左右侧油缸行程 差很大，油缸的推力可调量很小，造成了盾构机推进时偏

5、差调整困难，对轴线偏 差控制难度加大。盾构在隧道曲线段中施工时，管片与盾构机壳体会形成一个角度，曲线半径越小， 夹角越大，千斤顶在顶住管片时，会对管片产生侧向和垂直分力，垂直分力给盾 构提供推力，侧向分力方向为曲线外侧，在管片拼装好后会把管片向曲线外侧挤 推，而在管片脱离了盾构尾部之后，管片失去盾壳限制后受侧向分力作用轴线偏 差加大。3.2微承压水砂性土层东兰路站虹梅路站区间下行线隧道为一条半径为350m的小半径曲线，隧道沿 线土层主要为1灰色淤泥质粘土、2灰色粘质粉土夹粉质粘粉土、1a灰 色粉质粘土、2灰色砂质粉土土层，均属于微承压水层。在微承压水砂性土层 中，由于开挖面土层土压平衡难以建立

6、，土压波动大，造成盾构推力及四区压力 波动大，盾构油缸推进压力不能及时合理地调整，造成轴线难以控制。3.3管片与盾构中心夹角过大盾构在小半径曲线段推进时，管片与盾构的中心会产生一个夹角，当这个产生的 夹角逐渐变大并过大时，盾壳与管片间隙逐渐减小并消失，盾壳就与管片接触， 在盾构推进时管片受到盾壳挤压并碎裂，为了确保管片不碎，盾构推进时要缓慢 纠偏，纠偏就导致盾构轴线偏差逐渐偏大。3.4盾尾间隙不均匀本工程盾构开挖直径为6340mm，盾尾盾壳厚度为45mm，管片外径6200mm， 所以在管片完全居中拼装时盾尾间隙为25mm。当盾尾间隙不均匀时，盾构在小半径曲线推进时管片与盾尾易发生挤压而造成管

7、片破碎，不利于盾构转弯，使盾构轴线控制难度加大。3.5管片错台过大当错台超过规范及设计要求时，管片环与环之间的管片密封垫错位或搭接过少以 及管片超前量难以控制。当管片超前量难以控制时，盾构就要纠偏来确保管片的 拼装，这就给轴线控制带来难度。通过对轴线偏差较大的管片错台抽样统计，发 现大部分都超过规范4mm的要求。4施工过程中导致轴线控制难的措施确定了施工过程中轴线制难的原因后，在东兰路站虹梅路站区间下行线隧道盾 构施工中，对各个原因采取针对性措施，确保施工过程中轴线控制满足要求。4.1针对线路平曲线半径小导致推进偏差控制措施（1）左右千斤顶行程差控制在小曲率半径轴线推进过程中，调整左右油压的差

8、 值是完成左右纠偏量的主要方法，在具体的纠偏过程中，操作员可根据左右千斤 顶的长度差来判断盾构现状是否将完成预计的纠偏量（根据上一环的报表、千斤 顶左右长度差及当前推进环的设计轴线变化），当盾构切口刚由直线段进入曲线 段（缓和曲线段进入圆弧曲线段）时，由于盾尾管片还未进行曲线段管片的拼装， 即管片还未作超前量调整，应通过增加左右千斤顶长度的差值来使盾构正好处于 曲线段设计轴线的切线位置，而在同一曲线段推进时，管片的超前量调整正好起 到一个调整盾构推进方向的作用，如盾构姿态良好，保持原有的千斤顶差值即能 使盾构保持良好姿态（如图1）。图1盾构机左右行程差控制（2）超挖控制盾构机在进行曲线段掘进时

9、，可以根据曲线段曲线半径大小使用超挖刀对刀盘前 土层进行超挖控制，盾构机超挖的土量越多，对于曲线段轴线控制就越好。虽然 超挖大增加了对轴线的控制，但是大面积超挖会造成同步注浆的浆液流入开挖面， 容易造成沉降；而且增大超挖容易增大隧道变形。所以，适量的超挖控制可以有 效地帮助轴线偏差控制。（3）铰接控制本工程采用的盾构机含有铰接装置，在中盾和尾盾之间。铰接装置能够在曲线段 转弯时可以设置一个合适的角度，让盾构机成为一个曲线体，在曲线段施工时对 盾构机的姿态调整起到很大的帮助。通过计算转弯半径350m时铰接左右度数为 0=0.45 （如图 2）。图2盾构铰接示意图（4）盾构机向曲线外侧偏移盾构机在

10、曲线段施工时，会有一个离心力，尤其是管片在脱离盾尾后，容易偏离 轴线，因此，在盾构机进入曲线段施工前，可提前将盾构机向轴线的曲线内侧预 偏移15-20cm，并在曲线外侧方向的管片上采用二次注浆的方式增加注浆量，用 以抵抗管片的偏移。4.2针对微承压水地层导致轴线偏差控制措施（1）根据地勘报告和设计轴线，由技术部提前计算出推进过程中盾构机所处的 地层状况和轴线状况，制成管片排版表，以便中控室和盾构操作室提前得知 盾构机掘进过程中所将面临的地质环境。（2）当土压出现波动时，螺旋机出土模式由自动模式转化为手动模式。（3）通过对不良土体添加泡沫剂或者膨润土泥浆液进行改良（如图3）。图3盾构机正面注入泡

11、沫示意图（4）适当增加土压或降低土仓压力来调整盾构机姿态。4.3针对管片轴线与盾构轴线夹角过大导致轴线偏差控制措施图4盾构与管片夹角图（1）在拼装台拼装管片前，将所有待拼装管片清扫干净，确保管片环纵缝以及 盾尾管片拼装位置上无泥土或者其他杂物。（2）盾构机推进时，各千斤顶均开启，合理调整各千斤顶的推力，让盾构机在 纠偏过程中各千斤顶推力均匀。（3）施工过程中做到勤测量和勤纠偏，一旦发现与轴线偏差，及时进行纠偏。（4）合理通过调整直线环和曲线环顺序来达到纠偏的效果。（5）本工程使用的盾构机有铰接装置，利用本盾构机的优点，开出铰接装置， 水平角度0=0.47度。4.4针对盾尾间隙不均匀导致轴线偏差

12、控制措施（1）在每一环管片拼装前，均需对前一环管片的盾尾间隙进行测量，在管片拼 装前及时调整纠偏量。（2）通过以调整盾构姿态为主，管片加贴楔子或者调换管片顺序为辅的方式结 合调整管片间隙。图5盾尾间隙6示意图（3）盾构纠偏必须在考虑盾尾间隙的基础上才可纠偏，即盾构轴线与管片轴线 夹角尽量小，且不断采取采取措施使夹角归零，否则造成一边间隙越来越小直至 卡到盾壳，另一边越来越大。图6盾尾间隙不均匀示意图4.5针对管片错台过大导致轴线偏差控制措施管片拼装以上一环为基准，如果新拼装管片与上一环管片错台过大，可轻 微调整管片位置，松动管片连接螺栓，调整错台量，并确保管片拼装质量。通过实验确定同步注浆浆液

13、稠度，注浆量为开挖间隙的120%200%，确保 注浆量，利用浆液承托起管片，防止脱离盾尾管片下沉，减少管片错台量。盾构机推进时时刻调整盾构姿态，减少因盾构机姿态调整造成的错台。对已拼装好的前100环管片错台进行测量、统计、分析，并制定出相应的 处理方案，确保管片拼装质量。5米取措施后取得效果在东兰路站虹梅路站区间下行线隧道贯通后，对整个区间隧道进行轴线复测。 整个区间共425环，隧道轴线测量点每5环设一个点，共计85个测量点，每个 点有平偏和高偏两个数据，共计170个样本点。采取以上控制措施后，取得以下 效果：盾构推进过程中轴线偏差50mm个数为5个，比例为2.9%V4%；贯通后成型隧道轴线偏差50mm个数为8个，比列为4.7%V5%；整个区间没有出现轴线偏差100mm样本点。6结论在地下隧道施工时，面临的是未知的环境，轴线控制是最基础也是最重要的一个 关键，施工过程中轴线控制如果出现偏差未及时纠正，就可能出现失之毫厘谬以 千里的后果。在本次盾构小半径曲线施工中，从人、料、机、法、环、测量等基 本因素进行分析，采用QC质量控制的方法，对小半径曲线段盾构隧道轴线偏差 进行控制，确保轴线偏差符合设计规范以及业主的要求，达到验收标准。参考文献：杨勇.软土复