管片超前量在極端軟弱地層中的應(yīng)用

吳俊呈

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司

1 引言

目前，在地鐵施工中，盾構(gòu)法是一種比較先進(jìn)，應(yīng)用廣泛的施工方法，盾構(gòu)隧道質(zhì)量也是在不斷提升中。盾構(gòu)機(jī)在極端軟弱地層掘進(jìn)中，極易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)栽頭、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)超限、管片大面積錯(cuò)臺(tái)破損滲漏等施工問(wèn)題出現(xiàn)，運(yùn)用管片超前量對(duì)于盾構(gòu)姿態(tài)控制起到關(guān)鍵性作用，同時(shí)，可較大程度上減少管片質(zhì)量缺陷，提高管片質(zhì)量。

2 管片超前量相關(guān)概述

從拼裝整環(huán)管片正面看是一個(gè)圓環(huán)，從頂部看，管片投影為矩形；而通用管片（或標(biāo)準(zhǔn)型管片轉(zhuǎn)彎環(huán)）在平面上的投影為對(duì)稱(chēng)的梯形，梯形長(zhǎng)邊與短邊差值即為楔形量，依靠楔形量來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)向及盾構(gòu)機(jī)的輔助控制。超前量是管片的楔形量在水平和豎直方向上的貢獻(xiàn)值。

圖1 通用型管片超前量投影

以昆明五號(hào)線(xiàn)八標(biāo)通用型1.2m管片，雙面楔形量18.6mm為例：

圖2 通用型管片超前量計(jì)算投影示意圖

則任意角度a的環(huán)寬計(jì)算為：

3 盾構(gòu)隧道理論超前量計(jì)算

當(dāng)一條隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)確定了后，平面線(xiàn)形由直線(xiàn)段、緩和曲線(xiàn)和圓曲線(xiàn)構(gòu)成。豎曲線(xiàn)由直線(xiàn)段、變被圓曲線(xiàn)構(gòu)成。

在直線(xiàn)段，管片易于選型，內(nèi)外弧線(xiàn)一樣長(zhǎng)，超前量設(shè)計(jì)值為0mm/環(huán)；在緩和曲線(xiàn)段，超前量數(shù)值介于緩和曲線(xiàn)前后分段曲線(xiàn)超前量數(shù)值的中間，是漸變量；在變坡曲線(xiàn)段，設(shè)計(jì)文件通常是超大一條圓曲線(xiàn)，計(jì)算按照下面圓曲線(xiàn)過(guò)程；在圓曲線(xiàn)段，擬合半徑為R的曲線(xiàn)時(shí)，單個(gè)襯砌環(huán)所需水平超前量Sa為：

式中：

D——內(nèi)外弧線(xiàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑差值即隧道直徑。

L——管片長(zhǎng)度。

R——隧道設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑。

4 分析管片超前量作用

4.1 超前量分析是判斷隧道管片擬合設(shè)計(jì)軸線(xiàn)的重要數(shù)據(jù)

超前量分析一般連續(xù)計(jì)算單環(huán)管片不同拼裝點(diǎn)位水平方向的超前量和豎直方向上的超前量然后通過(guò)對(duì)比該段區(qū)間管片理論超前量值進(jìn)行分析。

當(dāng)水平實(shí)際平均值大于理論超前量值，該段拼裝管片轉(zhuǎn)彎度過(guò)大，管片成型過(guò)程中，管片會(huì)向外弧線(xiàn)方向錯(cuò)臺(tái)來(lái)擬合實(shí)際設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，弧線(xiàn)外側(cè)管片受擠壓;當(dāng)水平實(shí)際平均值小于理論超前量值，該段拼裝管片轉(zhuǎn)彎度過(guò)小，管片成型過(guò)程中，管片會(huì)向內(nèi)弧線(xiàn)方向錯(cuò)臺(tái)來(lái)擬合實(shí)際設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，弧線(xiàn)內(nèi)側(cè)管片受擠壓。

當(dāng)垂直實(shí)際平均值大于理論超前量值，該段施工拼裝管片變坡度過(guò)大，管片成型過(guò)程中，管片會(huì)向外弧線(xiàn)方向錯(cuò)臺(tái)來(lái)擬合實(shí)際設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，底部管片受擠壓；當(dāng)垂直實(shí)際平均值小于于理論超前量值，該段施工拼裝管片變坡度過(guò)小。管片成型過(guò)程中，管片會(huì)向內(nèi)弧線(xiàn)方向錯(cuò)臺(tái)來(lái)擬合實(shí)際設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，頂部管片受擠壓。

在超前量數(shù)據(jù)庫(kù)樣本中，實(shí)際超前量平均值的樣本（環(huán)數(shù)）越大，實(shí)際平均值越接近理論超前值，如果出現(xiàn)上述2種情況的較大偏差，就表示隧道管片拼裝擬合設(shè)計(jì)軸線(xiàn)較差，管片錯(cuò)臺(tái)率、破損率及滲漏水率大大提高。

4.2 通過(guò)超前量分析指導(dǎo)管片選型

管片選型除了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的測(cè)量數(shù)據(jù)選擇（盾尾間隙、千斤頂油缸行程差），超前量數(shù)據(jù)的分析對(duì)管片選型的參考具有重大影響。施工過(guò)程中，通過(guò)圓曲線(xiàn)半徑計(jì)算獲取理論超前量，通過(guò)當(dāng)分析對(duì)比實(shí)際水平超前量值與理論超前量值出現(xiàn)較大偏差的情況，即分析是轉(zhuǎn)彎過(guò)度還是轉(zhuǎn)彎度不足，分析判斷盾尾間隙變化及油缸千斤頂行程差變化。

在圓曲線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)水平實(shí)際平均值大于理論超前量值，該段拼裝管片轉(zhuǎn)彎度過(guò)大，通常外弧側(cè)盾尾間隙變小，外弧油缸千斤頂行程短，即減小管片超前量值；當(dāng)水平實(shí)際平均值小于理論超前量值，該段拼裝管片轉(zhuǎn)彎度不足，通常內(nèi)弧側(cè)盾尾間隙變小，內(nèi)弧油缸千斤頂行程差變大，即增大管片水平超前量值。

4.3 超前量分析擬合盾構(gòu)姿態(tài)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，計(jì)算分析管片超前量，保持管片趨勢(shì)與盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)平行狀態(tài)，保證盾尾間隙均勻性，從而保障管片質(zhì)量合格率。

當(dāng)兩者趨勢(shì)差呈“V”字形，管片間隙難以控制，管片進(jìn)行出現(xiàn)大面積錯(cuò)臺(tái)、破損及滲漏現(xiàn)象。

5 管片超前量在極端軟弱地層盾構(gòu)施工實(shí)際應(yīng)用

5.1 工程概況

昆明五號(hào)線(xiàn)八標(biāo)金海新區(qū)站～福保站盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)里程：左DK21+355.465～左DK23+117.872，短鏈9.774m，1752.633m；右線(xiàn)右DK21+355.465～右DK23+117.872，全長(zhǎng)1762.407m，其中金福右線(xiàn)541～787 環(huán)為R600 圓曲線(xiàn)。昆明五號(hào)線(xiàn)采用通用型管片，楔形環(huán)為雙面楔形，楔形量平均分為兩部分，對(duì)稱(chēng)設(shè)置在楔形環(huán)兩側(cè)環(huán)面，單面楔形量為18.6mm，為標(biāo)準(zhǔn)由轉(zhuǎn)管片，即管片K塊拼裝在1點(diǎn)位，水平方向左邊超前量為37.2mm。

5.2 工程地質(zhì)

金福區(qū)間上而下可分為第四系人工填土層（Q4ml）及第四系全新統(tǒng)沖湖積層（Q4al+l）二個(gè)地層單元，區(qū)間埋深12m～17m，主要穿越土層為：（2）4-3粉土（厚度：3m～12.6m）、（3）1-3泥炭質(zhì)土（厚度2.1m～3.4m）、（2）3-3粉質(zhì)黏土、（4）1-3泥炭質(zhì)土。其中(4)1-3層泥炭質(zhì)土：黑色，可塑，主要成分為黏土，含有機(jī)質(zhì)及腐殖物，土質(zhì)輕，干強(qiáng)度及韌性中等特征；呈層狀分布，各鉆孔均揭露該層，層厚1.00m～8.60m，平均厚度3.15m，層面埋深2.00m～14.90m；承載力特征值dak=60kPa，巖土施工工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

5.3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)失控

金福區(qū)間左線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)至293環(huán)，垂直姿態(tài)超限失控，整體持續(xù)往下掉。調(diào)整上下分區(qū)壓力差，增大垂直趨勢(shì)，盾尾管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。

圖3 地質(zhì)剖圖面

圖4 293環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)

5.4 超前量分析及調(diào)整

盾構(gòu)垂直姿態(tài)失控停機(jī)分析，累計(jì)管片垂直超前量為-75.64mm，管片趨勢(shì)為-1.2‰，盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)為11‰，兩者相差大，盾構(gòu)機(jī)與管片之間出現(xiàn)夾角導(dǎo)致垂直姿態(tài)調(diào)整困難，管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)破損。

保持盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)穩(wěn)住盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)，通過(guò)管片選型增加管片下部超前量擬合盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)，調(diào)整兩者線(xiàn)型為平行關(guān)系。

通過(guò)管片選型增加管片下部超前量，掘進(jìn)至304環(huán)時(shí)，管片垂直超前量為49.54mm，管片趨勢(shì)為7.9‰，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)為9‰，兩者趨勢(shì)差為1.1‰，盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)穩(wěn)定往上調(diào)整，同時(shí)管片錯(cuò)臺(tái)量在2mm以?xún)?nèi)，無(wú)破損及滲漏現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 304環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)

圖6 成型管片線(xiàn)型實(shí)際效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

在極端軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)中，發(fā)生盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)失控率高，在姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中因管片超前量與盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)呈“V”字形問(wèn)題從而造成大面積管片破損、錯(cuò)臺(tái)及滲漏等質(zhì)量缺陷問(wèn)題。利用管片超前量分析擬合盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)，指導(dǎo)軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)，控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)方法是有效的，同時(shí)有效降低管片質(zhì)量缺陷率，保障盾構(gòu)成型隧道合格率。