地铁盾构施工中盾构姿态的控制方法

摘要：通常情况下，采用盾构法施工是在施工条件较差、影响因素多的环境中，因此，盾构姿态不容易控制，本文主要分析盾构施工中盾构机工作原理以及盾构机姿态控制的一般原则及其具体的控制方法。

关键词：盾构姿态；控制；原则；技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

近年来，随着建筑业的发展，盾构施工技术有了很大提高，其中对盾构姿态的控制属于工程施工中的难点。虽然一些专家学者对此进行了相关的研究，但是一直都不是很完善，本文对此作一下探讨。

一、盾构姿态控制原则及标准

1、盾构姿态控制原则

在盾构姿态满足隧道设计轴线要求的基础上，应遵循“频纠偏、小纠偏、不超限”的原则，避免“急纠偏、大纠偏、屡超限”的现象存在，保证地铁隧道的工程质量。

2、盾构姿态控制标准

（1)根据盾构法隧道施工与验收规范(GB50446—2008)，地铁隧道轴线平面位置最大允许偏差为±100mm;地铁隧道轴线高程位置最大允许偏差为±100mm。

（2)根据地铁隧道盾构工程设计图纸要求，一般情况下，地铁隧道轴线平面位置最大允许偏差为±50mm;地铁隧道轴线高程位置最大允许偏差为±50mm。

（3)综合规范和设计图纸要求，并考虑可能存在的其他各种误差，盾构姿态控制标准从严确定:地铁隧道轴线平面位置最大允许偏差为±40mm;地铁隧道轴线高程位置最大允许偏差为±40mm。

二、盾构姿态控制技术

根据施工所处的不同阶段，姿态控制技术可分为始发前、始发、掘进和到达4个阶段。

1、盾构始发前姿态控制技术

(1)盾构施工所处地层分类

目前盾构施工所处地层大概可分为以下4类:第1类为卵(碎)石层、圆(角)砾层、砾砂层、粗砂层、中砂层、细砂层、粉砂层、粉土层、黏性土层中的某一种地层或某几土层的混合层;第2类为岩石层;第3类为淤泥质土层;第4类为以上3类的混合层。

(2)影响盾构姿态的地层确定

一般情况下，盾构施工所处地层性状较差或差异较大时，即盾构施工所处地层属于第3类或第4类时，对盾构施工姿态影响较大。为此，在盾构始发前需对盾构施工地层的工程地质现状进行分析，确定所属种类、分布情况及其性状。

(1)地层处理

当盾构施工所处地层为第1类和第2类地层时，可以忽略地层对盾构姿态的影响;当盾构施工所处地层属于第3类或第4类地层时，为最大限度减小地层对盾构姿态的影响，需制定针对措施。

A 当盾构施工所处地层属于淤泥质地层时，由于盾构机体积大、自重大，受重力影响严重，易下沉，通常采用控制上部推进千斤顶与下部推进千斤顶区压差(视具体情况而定，一般控制在6MPa左右)的方法。

B 当盾构施工所处地层属于上下或左右软硬不均且软硬程度相差较小时，采用增加地层较硬一侧盾构推进千斤顶区压的方法;相差较大时，盾构机自身手段不能保证盾构施工姿态时，采取加固地层较软部分或破碎较硬部分的方法。

C 当盾构施工所处地层存在球状风化体(俗称“孤石”)时，采用人工挖孔桩施工至上孤石上方，或在岩体稳定性较好的情况下直接从人闸处进入土仓，利用人工逐级剥碎、静态爆破等方法处理。

D 当盾构施工所处地层存在溶洞或较大空洞时，在盾构施工前，采用注浆的方式将溶洞或空洞充填密实。

2、盾构始发姿态控制技术

(1)直线段始发盾构姿态控制技术

A 反力架和始发基座定位

反力架和始发基座的定位决定着盾构始发的空间姿态，在安装时，盾构机中心坡度与隧道设计轴线坡度应保持一致，反力架左右偏差宜控制在±10mm，高程偏差宜控制在±5mm之内。考虑隧道后期沉降因素，盾构中心轴线比设计轴线宜抬高10～20mm。

B 始发基座防旋转块及防偏移型钢的设置

考虑始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及抵抗盾构旋转的扭矩，在盾构始发前，在基座导轨外侧的盾壳上均匀焊接4道20mm厚的钢板，以防止盾构机主机在基座上产生旋转，并在始发基座两侧用200mm×200mm的H型钢进行加固，防止基座产生横向位移，见图1。在盾构机主机焊接有防旋转块的位置进入洞口钢环前，切除防旋转块。

图1始发基座防旋转块及防偏移型钢加固

C 洞口钢环内导轨的设置

盾构机主机沿基座上的导轨进入洞口钢环后，刀盘与开挖面、盾壳与洞口钢环间均存在一定距离，此时盾构机主机重心前移，易产生叩头。为确保盾构始发姿态，在洞口钢环处安设一段导轨支撑盾构机的主机顺利始发。支撑导轨采用QU80轨道，导轨下方采用20mm和14mm厚的钢板垫起，将钢环与钢板及钢板之间进行焊接，将导轨利用压板固定在钢板上，见图2。

图2洞口钢环内导轨位置

(2)曲线段始发盾构姿态控制技术

盾构机始发初期由于其处于基座上，为提供足够推力并保证反力架和负环管片稳定，盾构机必须沿直线推进;当盾构机脱离基座后，由于处于加固段，姿态改变比较困难，宜仍采用直线推进，直至盾尾脱离加固段。因此，曲线段始发时，除采取直线段始发控制措施外，还应采用CAD拟合技术，见图3。通过对可能存在的始发点和始发方向进行分析，确定最优的始发点和始发方向，保证盾构始发姿态偏离设计轴线的最大偏差满足控制标准的要求。

图3盾构机始发点及始发方向拟合

3、盾构掘进姿态控制技术

(1)管片选型及拼装位选择控制技术

目前国内管片类型主要分为两类:一类是以北京等城市为代表的，在北方地区使用的普通衬砌环，包括直线环、左转弯环和右转弯环;另一类是以上海、深圳等城市为代表的、在南方地区使用的通用楔形环，只有一种环片。

A直线段管片选型及拼装位选择控制技术

当隧道设计轴线为直线时，理论上采用直线环管片进行拼装。但是，受到各种因素的影响，盾构姿态总会偏移隧道设计轴线。当偏移量和偏移方向过大或影响管片拼装时，就需要采用左转弯环或右转弯环，通过拼装在不同位置进行控制。同时，需注意满足错缝拼装和封顶块拼装在水平线以上的要求。

B曲线段管片选型及拼装位选择控制技术

当隧道设计轴线为曲线时，管片选型及拼装位置的选择，除应遵循直线段管片选型及拼装位置选择所述的原则外，还应考虑曲线段本身所需的纠偏量。理论上，每环管片宽度的曲线外侧管片厚度中心处比曲线内侧管片厚度中心处超前某个值ΔL;与其相对应，在掘进中，每环管片宽度的曲线外侧管片厚度中心处千斤顶长度比曲线内侧管片厚度中心处千斤顶也需长某个值ΔL。ΔL的计算公式为

ΔL=(D－t)L/R(1)

式中:D为管片直径;t为管片厚度;L为管片宽度;R为曲线半径。在曲线段施工中，可通过拼装管片的不同组合来实现所设计的曲线半径，圆曲线上直线环数y和转弯环数x的比例计算式为

y/x=(D－2t)L/[2RΔL－(D－2t)L](2)

缓和曲线上直线环数y和转弯环数x的比例计算式为

y/x=(D－2t)L/[4RΔL－2(D－2t)L](3)

(2)分区千斤顶控制技术

在施工中，首选分区操作盾构推进千斤顶控制技术调整盾构姿态。操作时，根据盾构所处姿态，减小与盾构前进偏移方向相反一侧的推进千斤顶区压，或增加盾构前进偏移方向同侧的推进千斤顶区压，调整盾构姿态，见图4。

图4分区千斤顶调整盾构姿态

4、盾构到达姿态控制技术

在盾构机距离到达位置50m开始，采用一切可以采用的盾构姿态控制技术，将盾构姿态与隧道设计轴线的偏差调整至15mm以内，并保持此状态向前掘进，保证盾构机按照设计要求达预定位置。

三、结语

随着盾构法在城市地铁隧道施工中的应用日益广泛，施工中存在的问题也逐渐显现出来，由于盾构法引进我国的时间不长，目前尚未形成用于指导施工的系统技术来指导施工。以上基于工程实践和现有文献形成的盾构施工姿态系统控制技术，可操作性强，对今后地铁或类似工程的施工具有重要的参考价值。

参考文献

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