浅析盾构掘进质量控制要点

【摘要】 随着城市的发展需要，市政交通、给水、燃气、电力工程将会越来越多地采用盾构进行管线施工。而其中盾构掘进姿态控制、管片选型等技术控制点对隧道质量影响较大。在电力项目盾构法隧道线路设计时，只需满足电缆铺设，并不需要考虑后续隧道通车需要，线路设计多从规划红线着手，所以常常出现小半径曲线，在这里，200米转弯是“家常便饭”，甚至还有120米的转弯半径，这都在不同程度上对成型隧道质量控制增加难度。本文结合笔者所在电力项目盾构施工情况，对盾构掘进施工质量控制措施作一些介绍。

【关键词】 盾构掘进 管片选型 姿态 实例 质量控制

1 工程简介

本工程采用隧道外径Ф4100盾构施工管片内径为Ф3600mm，外径为Ф4100mm。盾构掘进控制主要分为盾构掘进姿态控制及管片选型，下面将以本工程为例进行探讨。

2 盾构机掘进姿态控制

在理想的情况下，主机是严格按DTA （盾构机相对隧道设计中线）向前掘进的，主机的前后参考点应该都位于DTA 上。如果DTA 为一段直线，每掘进一环推进油缸向前推进相同距离，所有油缸的行程都是相同的；如果DTA 为曲线，掘进时位于曲线外侧的油缸就会比位于曲线内侧的油缸推进距离长一些，就会在曲线内外两侧的推进油缸上产生行程差。当行程差达到一定程度时，就必须安装楔形环以平衡这个行程差，否则管片的走向就会和主机的走向偏离。但在实际盾构掘进中，由于受地质软硬不均、不同方向千斤顶推力不一致及线路曲线等影响，会引起盾构姿态蛇行前进。

3 管片选型的原则

管片选型是拟合线路，减少盾构千斤顶行程差以达到减少盾构与成型隧道的折角，调整盾尾间隙，保证成型隧道的质量，提高推力的效能，延长盾尾刷的密封寿命等作用。管片选型的原则如下：

3.1管片选型适合隧道设计轴线

管片拟合计算

一定的标准环和一定的楔形环按照一定的数量和合适顺序排列，能够拟合出不同半径的曲线隧道，这种管片排列的计算叫做管片对隧道的拟合计算。当规划管片的总体制造计划和管片的运送计划以及施工场地的管片储存计划时，就要用到拟合计算，拟合计算对管片的选型也有直接的指导作用。通过拟合计算，就基本了解了这段线路需要多少转弯环（包括左转弯、右转弯），多少标准环，曲线段上标准环与转弯环的布置方式。现根据广州电力某工程管片设计情况简要介绍一下隧道管片拟合计算。

以200米平面圆曲线为例计算出路曲线段的转弯环与标准环的布置方式。

转弯环偏转角的计算公式：

θ=2γ=2arctgδ/D

式中：

θ―――转弯环的偏转角

δ―――转弯环的最大楔形量的一半

D―――管片直径

将数据代入得出θ=0.5729

根据圆心角的计算公式：

α=180L/πR

式中： L―――一段线路中心线的长度

R―――曲线半径，取200m

而θ=α，将之代入，得出L=1.998m

上式表明，在200m的圆曲线上，每隔0.998m要用一环转弯环，本工程使用的管片长度为1.0m，就是说，在200m转弯半径的圆曲线上，标准环与转弯环的拼装关系为1环标准环+1环转弯环。

同时，若将L设定为1m（即全部使用转弯环），则可以推算出此管片的理论极限转弯半径为100m。

3.2管片选型适合盾构千斤顶行程

盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进的，我们把推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。而每一个掘进循环这四组油缸的行程的差值反应了盾构机与管片平面之间的空间关系，可以看出下一掘进循环盾尾间隙的变化趋势。当管片平面不垂直于盾构机轴线时，各组推进油缸的行程就会有差异，当这个差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。管片平面尽量垂直于盾构机轴线，使推进油缸能垂直顶在管片上，使管片受力均匀不致破损。

3.3管片拼装完成后保持良好的盾尾间隙

如果盾尾间隙过小，盾壳上的力直接作用在管片上，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦、碰撞。轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则造成管片错台（通过调整盾构间隙，可以大大减少管片错台量），盾构一边间隙过小，另一边相应变大，这时盾尾尾刷密封效果降低，在注浆压力作用下，水泥浆很容易渗漏出来，破环盾尾的密封效果。调整的基本原则是，哪方向盾尾间隙过小，就把转弯环最大楔形量安装在对应位置。

3.4尽量使封顶块位于隧道腰线以上，错缝拼装

目前广州地铁较常使用的管片纵向为10根螺栓连接，即管片拼装的10个点位，相邻点位的旋转角度为36°。由于是错缝拼装，所以相邻两块管片的点位不能相差2的整数倍。一般情况下，本着有利于隧道防水的要求，都只使用上部5个点位。

4 管片选型实例分析

如表三、表四所示，534环测量得到如下数据：油缸左侧行程比右侧大38mm ，上部比下部大13mm；左侧的盾尾间隙为90mm ，右侧的盾尾间隙为55mm，上部盾尾间隙为80mm ，下部盾尾间隙为76mm；刚刚安装好的一环管片为左转弯环11：00。

从自动测量系统图上看主机偏向DTA 的左下侧，但右侧的盾尾间隙比较小，而且从油缸行程看还有更加减小的趋势，非常危险；下部的盾尾间隙略小，从油缸行程看上部盾尾间隙也有减小的趋势，目前影响不大。下一环管片选型分析如下：

1、虽然刀盘的水平姿态由-50变为-9，一部分原因是因为盾构机纠偏回来，同时也因为盾构机正处于200米左转弯，盾构机与隧道设计线路成割线，盾构机继续掘进，刀盘自动回到隧道线路范围内。标靶水平姿态由前一环的-68到达-75，正反映了盾构纠偏的滞后性，同时也因为盾构纠偏过急，盾构机出现“摆尾”现象；

2、由现场盾尾间隙测量结果显示，右侧盾尾间隙已处于危险状态，为保证成型隧道管片质量，防止管片被盾尾别坏，应优先考虑盾尾间隙来进行管片选型；

3、因此，534环应选择L10，而实际管片选型为R10，造成右侧盾尾间隙继续变小，最终使得管片收到右侧盾尾的挤压，继而发生严重错台、碎裂、漏水。（如图五所示）

5 小结

合理的盾构姿态纠偏与管片选型对盾构隧道施工质量控制起着关键作用。工程人员需在理解透彻盾构姿态纠偏及管片选型的前提下，才能更好的完成监理工作，同时更应该在实际工作中做好工程经验的总结。

参考文献

[1] 郭广才. 盾构掘进姿态与管片选型施工探讨. 广州轨道交通建设监理有限公司.

[2] 周振国，郭 磊，郭卫社. 盾构施工姿态控制和管片选型. 中铁隧道集团.